宿舍智能防盗防火报警系统课程设计.docx
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宿舍智能防盗防火报警系统课程设计
宿舍智能防盗防火报警系统课程设计
题目：
宿舍智能防盗防火报警系统
系部：
信息与控制工程学院
专业：
电子信息工程
班级：
1班
学生姓名:
学号:
指导教师:
年月日
宿舍智能防盗防火报警系统设计方案
摘要：
本系统采用凌阳16位单片机（SPCE061A）作为控制系统的控制核心，利用Q-2烟雾传感器实现烟雾检测，热释电人体红外传感器模组实现人体检测，红外光电传感器检测人员进出，无线通信模块实现异地通讯和网络控制，键盘输入密码解警，无线发射器和无线接收报警器实现贵重物品进出检测，语音模块实现报警，所有记录情况采用HS12864-15B液晶显示。
关键词：
烟雾检测人体检测SPCE061A异地监控网络控制
Abstract:
ThesystemusestheSunplus16-bitmicrocontroller（SPCE061A）asacontrolsystem,controlcenter,usingQ-2SmokeSensorsdetectsmoke,pyroelectricinfraredsensormoduletoachievehumanbodydetection,infraredsensorsdetectpersonnelaccess,wirelesscommunicationmoduletoachieveremotecommunicationandnetworkcontrol,keyboardpasswordsolutionthepolice,thewirelesstransmitterandwirelessreceivertoachievevaluablesoutofalarmdetection,alarmvoicemodule,thesituationwithalltherecordsHS12864-15BLCD.
Keywords:
smokedetectionhumandetectionSPCE061Aremotemonitoringnetworkcontrol
一、任务和要求
一、任务
设计一个报警系统（低成本），系统应用于学生宿舍，能自动监视宿舍内的安全情况，有异常情况发生时能立即发出报警和求助信息。
二、要求
1.基本要求
（1）实现人体检测与声光报警功能。
（2）实现烟雾检测与声光报警功能。
（3）用键盘输入密码完成报警系统的解警等工作状况。
（4）实现异地监控。
（5）能反映宿舍内人员的进出情况及人数的记录。
（6）宿舍无人时提示锁门。
2.发挥部分
（1）人体检测范围5米左右。
（2）能记录最近几天的宿舍安防情况。
（3）实现网络控制，可在监控点监控多个宿舍。
（4）能检测本宿舍贵重物品的进出情况。
二、方案设计及论证
根据题目要求，系统由下图模块组成：
图1.1主机模块图
图1.2从机模块
2.1、控制模块
方案一：
采用比较通用的51系列单片机。
51系列单片机的应用比较广泛，各种技术都比较成熟，但此系列单片机是8位机，总线宽度窄，功能单一，处理速度不是很快，资源不够充足，RAM、ROM空间小，而且其最小系统的外围电路都要自己设计和制作，使用起来不是很方便，故不采用。
方案二：
采用MSP430，MSP430适用于低功耗手持设备，软件环境也比较好构建，但速度不如凌阳的快，算法也不如凌阳的优化，MSP430在实际中应用的较多，目前主要以 FLASH 型为主，所设计的产品比较适合用于工业环境下 ，在平时生活中应用的较少，价格也较高。
方案三：
采用SPCE061A单片机来实现，此单片机I/O接口比较多，易于扩展外围电路，开发板集成了语音播报的硬件，通过软件编程即可以用于语音采集和播报。
集成开发环境中配有很多语音API函数，实现语音播放比较简单，另外方便的是该芯片内置在线仿真，编程接口，可以方便实现在线调试，这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。
综合考虑我们选用方案三。
2.2电源模块
由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下几种方案为系统供电。
方案一：
采用两节4.2V可充电式锂电池供电，经过7805的电压变换后给单片机系统和其他芯片供电。
锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。
但锂电池的价格过于昂贵，这会大大超出我们的预算，为遵循此次大赛成本低的原则，我们放弃了这种方案。
方案二：
采用5V蓄电池为直流电机供电，将5V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。
但是蓄电池的体积过于庞大，不够灵活。
方案三：
采用9V干电池经7805降压、稳压后给单片机系统和其他传感器供电。
另外选用6节1.5V充电电池给直流电机供电，避免干扰，占用的空间较小。
因此，我们选择了这种方案。
2.3无线模块
方案一：
红外通信，红外通信器件易得，价格低廉，但必须直线收发是其致命弱点。
方案二：
采用自制的无线电发射和接收电路进行无线收发，此方案虽然思路简单，但是硬件电路的连接与调试十分复杂，装置工作时的稳定性难以保证。
方案三：
综合使用RS485总线和RS232总线，通过RS485与RS232接口转换，将通过RS485的信息通过RS232传到单片机上，但是这需要连线布局，较为麻烦。
方案四：
采用nRF2401无线通信模块，此无线通信协议工作于2.4～2.5GHzISM频段，数据传输率最快可达2Mb／s，工作电压3.3V，可以进行无线数据发送接收和网络控制，使用起来很方便。
综上考虑，我们选用nRF2401无线通信模块，确保了通信的流畅性和准确性。
2.4键盘模块
方案一：
采用一块74LS138译码输出8路扫描信号，三路扫描返回信号线I\O口输入。
这种设计方案电路设计非常简单，但是软件的编写要考虑软件去抖动等，会比较复杂而且占用大量的CPU资源。
方案二：
采用级联的74HC165串口键盘，占用三个I\O口读键盘程序相对简单，但市场上这种级联的键盘销售量较少，不易购买到，导致键盘替换性差，不太适合实验用。
方案三：
采用自制独立式1x8编码键盘，该键盘电路简便易制，且方便控制，而且成本低，完全可以完成题目要求。
综合考虑，我们选择方案三。
2.5烟雾检测模块
方案一：
采用光敏传感器，该传感器是最常见的传感器之一，可以对许多烟雾浓度进行检测，但是在进行检测时要将烟雾信号转化为光信号才可以，经尝试，电路不稳定，不易控制。
方案二：
采用Q—2烟雾传感器，它是一种离子是烟雾传感器，工作性能稳定可靠，低功耗，结构设计独特，防虫、防尘、抗外界光线干扰并且有特殊的防潮设计。
可以广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器，并且价格适中。
综合考虑我们选择方案二。
2.6人体检测模块
方案一：
采用人体接近传感器，它是一种用于检测人体接近的控制器件,可准确探知附近人物的靠近，是目前作为报警和状态检测的最佳选择。
传感部分对附件人物移动有很高的检测灵敏度,又对周围环境的声音信号抑制，具有很强的抗干扰能力。
但是价格较高，我们舍弃了此方案。
方案二：
采用热释电人体红外传感器。
该传感器本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉并且抗干扰性能良好：
可防小动物、电磁、灯光等的干扰。
综合考虑我们选择方案二。
2.7人数计数模块
方案一：
采用激光传感器检测，利用光的反射原理进行测量。
激光传感器具有抗干扰性强，测量精度高，反应速度快等特点。
但需要添加外部的发射电路才能适合单片机接收，同时，由于激光传感器的制作比较精细使其价格过高。
方案二：
用红外接近传感器实现避障，当距离障碍物一定距离时，红外接近传感器由高电平变为低电平，输出信号为开关量，此方案单片机易于接收信号，抗干扰能力强。
综上考虑，我们采用此方案二。
2.8声光报警模块
方案一：
利用LPC2318控制外围语音芯片进行语音播报，这种方法虽然简单，但语音程序对系统资源的开销过大，对系统其它的控制功能产生影响，降低了系统的可靠性，而且普通的语音芯片不具有语音辨识功能。
同时由于语音芯片成本比较高，而且扩展起来比较复杂，增加了焊接难度和设计成本。
方案二：
如果控制器采用凌阳16位单片机SPCE061A，SPCE061A开发板自身集成有语音模块，不需要外围扩展，而且由于其集成开发环境自带的语音API函数库，可以减少开发难度和复杂度。
另外灯光报警部分采用我们自制的LED灯，制作简单效果明显。
综上考虑，我们选择了方案二。
2.9显示模块
方案一：
采用LED数码管显示器。
LED数码管亮度高，醒目，但是其占用资源较多，显示信息量较小，只能显示少量字符和数字，不能显示汉字，并且消耗功率大。
方案二：
采用凌阳自带的12864液晶显示器，和我们用的凌阳开发板配套，编程简单，易于上手。
但是，并行输入占用口线较多，而且转换汉字时需要特定的字模转换工具，相比较而言，较为麻烦。
而且，价格也比较高，为遵循此次比赛低成本的原则，我们放弃了该方案。
方案三：
采用HS12864—15B液晶显示器。
首先LCD有明显的优点：
微功耗、尺寸小，薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适并且连接方式简单，占用资源少；可以用中文LCD液晶进行菜单显示，使整个控制系统更加人性化，显示内容丰富生动。
基于上面的比较分析，我们选用方案三。
2.10提示锁门模块
方案一：
采用自制的蜂鸣器电路，实现声光报警。
但是，报警声音较小，加上功率放大电路以后，声音忽大忽小，不稳定，此外，还占用单片机的I/O，对本就有些紧缺的引脚资源形成一定影响。
方案二：
采用凌阳内部自带的语音模块，以软件的形式实现，不仅节省了引脚，而且更加人性化。
综合考虑，我们选用方案二。
2.11贵重物品检测模块
方案一：
采用无线发射台，为了降低成本，简化电路，我们试着用555定时器产生不同波长（频率）的矩形波（一个物品定义一个波长），然后调制发射出去，接收端经过谐振检波，得到矩形波后，用单片机测出波长（即频率），就可以判断出是哪个物品出了宿舍。
但是制作稍微麻烦一些而且不稳定，我们最终舍弃了这种方案。
方案二：
由一个制作的无线发射器和一个无线接收报警器组成。
将无线发射器放在贵重物品里，当贵重物品离开接受报警器五米以外，接收器就会报警。
综合考虑，我们采用方案二。
2.12系统各模块最终方案
经过上述的分析和论证，决定了系统各模块采用的最终方案如下：
（1）控制模块：
采用SPCE061A16位单片机；
（2）电源模块：
采用过滤，滤波，稳压等电路实现；
（3）显示模块：
采用HS12864—15B构成显示模块；
（4）键盘模块：
采用自制1×8键盘；
（5）声光报警模块：
采用SPCE061A16位单片机自带的语音模块和自制的
LED灯；
（6）传输模块：
采用nRF2401模组；
（7）人体检测模块：
采用热释电人体红外传感器。
（8）人数计数模块：
采用光电传感器。
（9）烟雾检测模块：
采用Q2烟雾传感器和红外接近传感器。
（10）提示锁门模块：
采用凌阳单片机自带语音模块。
（11）贵重物品检测模块：
无线发射器和一个无线接收报警器
三、硬件实现及单元电路设计
3.1稳压电源模块
根据系统要求，我们提供9V电池，用LM7805稳压管将直流9V电压转成5V输出，供给单片机和其他传感器，从而保证系统的稳定性。
7805直流稳压电路见附录图1。
3.2传输模块设计
我们采用的无线传输模组以nRF2401A芯片为核心，提供了一路的无线发射和两路的无线接收功能，该模组通过一个10Pin接口直接插接到61板上，方便使用。
实现宿舍情况数据的异地监控。
可以在发送的数据里加入从机地址，从而实现网络控制。
nRF2401A及其外围电路图见附录图2
3.3键盘模块设计
我们采用1×8键盘实现输入密码解码解除报警功能，并设置相应按键实现液晶屏翻页、选择菜单并确定选择某一项菜单的功能。
和液晶配合实现解码。
。
3.4烟雾检测模块
我们采用Q—2烟雾传感器，每个宿舍安装一个Q—2烟雾传感器，它是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，当有烟雾时它产生一个高电平，并将此高电平输出给单片机，单片机得到高电平信号控制报警装置发出报警信号，并使LED灯发光。
为遵循此次比赛低成本原则，我们未采用现有的烟雾传感器的模组。
调试过程中我们尝试过多种方案，如利用反相器等设计的方案，最终确定用该模块实现烟雾检测。
最终设计的烟雾传感器电路原理图如图3.1：
图3.1烟雾传感器电路原理图
3.5人体检测模块
题目要求我们检测出宿舍人员的进出情况并记录人数，若只用两个热释电人体红外传感器来检测并计数，由于它的反应速度较慢，当两人或两人以上同时进入宿舍时它无法识别，因此，我们额外用了两个红外传感器来计数。
考虑到以上情况，我们采用热释电人体红外传感器来识别是否有温度变化（即是否进出物是人），用红外避障传感器来统计出入人数。
题目要求我们检测出宿舍人员的进出情况，所以每个宿舍我们用两个热释电人体红外传感器，一个朝宿舍内部，另外一个放在门框上。
当安置在门框上的的热释电红外传感器检测到物体有温度变化（即物体是否是人）时，先检测到物体的红外避障传感器计数加一，否则不变。
若热释电红外传感器未检测到物体有温度变化，而红外避障传感器检测到了物体，则红外避障传感器计数减一。
当朝宿舍内部的热释电传感器检测到宿舍有人，而监控系统由门口人员出入情况监测到宿舍无人时，说明有人没有从门进入，而是由窗户或其他非正常渠道进入的，报警器报警，突出本次试题防盗功能。
热释电红外传感器原理图如附录图3所示
3.6人数记录模块设计
在门框的前后侧我们各安置一个光电传感器，当第一个传感器先检测到物体时，说明有物体进入宿舍；当第二个先检测到时，说明有物体出宿舍。
该模块实现人数纪录功能。
3.7声光报警模块设计
凌阳SPCE061A单片机的语音播放功能非常强大，所以本设计运用了它的声音特色，添加了许多信息提示音，只需调用库函数即可以实现音频编程或自己录制语音资源就可以实现具有特色的语音播放以及语音识别功能。
凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，经LM396音频放大，即可驱动喇叭放音。
放大电路如图3.2所示。
图3.2语音电路
自制LED灯简单方便，宿舍检测到烟雾声光报警时，VO输出高电平，灯亮，实现灯光报警。
3.8显示模块设计
在系统中，利用HS12864—15B液晶显示模组作为显示模块，利用键盘相应按键显示时间、人数、人员的进出情况、烟雾检测情况以及输入密码解警情况。
该模块具有翻页、菜单显示、计数等功能
3.9提示锁门模块设计
当单片机系统检测宿舍无人时，由内部程序控制麦克发出语音报警，提示宿舍无人。
3.10贵重物品检测模块设计
由一个无线发射器和一个无线接收报警器，发射器一直保持发射状态，将发射器放在贵重物品里，当发射器离开接收器一段距离后，发射器开始报警。
电路原理图如下：
图3.3发射器电路
图3.4接收器报警电路
四、软件设计
系统的软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。
程序在windows环境下采用凌阳专用IDE编程开发环境下编写，可实现宿舍内人员的进出情况检测以及人数记录、烟雾检测、声光报警、异地监控、输入密码解警、宿舍无人提示锁门、记录安防情况等功能。
图4.1从机程序流程图图4.2128Hz中断程序流程图
图4.3主机程序流程图
五、系统测试
5.1指标测试
5.1.1烟雾传感器
烟雾传感器内部有一个加热丝，加热一段时间后才会有反应，即需要预热，预热后，当有烟雾时就会输出高电平，烟雾散去则输出低电平。
测量情况如表5.1：
表5.1.1烟雾传感器测试
烟雾传感器的输出端与接地端之间的电阻
检测气体种类
输出电压变化范围
1K
普通烟雾
0.05V--0.90V
火机里的液化气
0.O5V--4.86V
酒精
0.O5V--4.67V
5K
普通烟雾
0.37V--1.45V
火机里的液化气
0.37V--4.91V
酒精
0.37V--4.88V
10K
普通烟雾
0.73V--2.10V
火机里的液化气
0.73V--4.92V
酒精
0.73V--4.90V
30K
普通烟雾
1.16V--2.72V
火机里的液化气
1.16V--4.97V
酒精
1.16V--4.95V
40K
普通烟雾
1.72V--3.13V
火机里的液化气
1.72V--4.98V
酒精
1.72V--4.94V
50K
普通烟雾
2.28V--3.13V
火机里的液化气
2.28V--4.96V
酒精
2.28V--4.95V
70K
普通烟雾
3.39V--4.42V
火机里的液化气
3.39V--4.98V
酒精
3.39V--4.97V
根据以上数据，由于我们采用的比较器基准电压由TL431提供，最小值为2.5V,我们将可变电阻调到了40K左右。
5.1.2热释电人体红外传感器测试
热释电传感器模块上有两个电位器，一个可以调节延时时间，另一个可以调节测试距离。
经过五次测量取平均值，我们测试的数据如表5.12：
表5.1.2热释电红外传感器测试
热释电红外人体
与正前方的夹角
可检测的最大距离
可检测的最小距离
延时时间
调节
两个
电位
器
0
633cm
180cm
1.75s
15
583cm
164cm
1.83s
30
555cm
142cm
1.79s
45
486cm
130cm
1.81s
60度以上
检测不到
5.1.3光电传感器测试
给红外接近开关加5V电压，适当拉近或远离反射物体，调整电位器的大小，使得红外接近开关在一定范围内能检测到反射物体。
经调整，传感器测到反射物体的有效距离及传感器相应角度，如表5.1.3：
表5.1.3红外接近传感器测试
所加电压
检测平均最小距离
检测平均最大距离
次数
5
3．3cm
45cm
10
7
3．1cm
100cm
10
9
3．8cm
110cm
10
总结，虽说规定该传感器工作电压为5v,但是经我们检测，符合安全标准的最佳工作电压在7v左右，因此我们采用7v电压供电。
5.2系统整体测试
表5.2.1系统整体情况测试说明
事件
语音报警是否正常
解警成功
液晶显示成功
事件发生自动记录
按键解警
备注
有人进入
时间：
7152336
是
是
是
实现记录
7152336
实现
门口
有人走出
时间：
7153024
是
是
是
实现记录
7152336
实现
门口
有烟雾
时间：
7154205
是
是
是
实现记录
7154205
实现
贵重物品
是
是
是
实现
实现
宿舍无人
异常人员
时间：
7162100
是
是
是
实现记录
7162100
实现
检测范围0-6.26m
提示关门
时间：
7165023
是
是
是
实现记录
7165023
实现
提示：
该系统可以通过液晶菜单翻页显示事件发生的时间，时间的第一位是星期，第二三位是小时，第四五位是分钟，第六七位是秒钟。
表5.2.2测试说明
事件
发生
情况
说明
有人进入
有人走出
有烟雾
贵重物品
宿舍无人
按键
解警
显示时间
异常
人员
提示
关门
门口前后各放置一个光电传感器，前面先检测到，说明有人进入，反之，有人走出。
烟雾搜集瓶提供烟雾
物品附带一个发射器，物品离主机超过一定距离，报警
在室内屋顶放置一热释电传感器，无人时检测到室内有人说明有异常人员进入
室内无人提示关门
按键输入密码解除报警
所发生事件的时间记录在各个子菜单里可供查看
5.3总结
经过对系统的反复不断的测试调整，本设计基本达到设计制作要求。
六、总结
本系统以凌阳SPACE061A单片机为核心部件，利用烟雾传感器，热释电人体红外传感器，无线模块并配合一套独特的软件算法实现了烟雾检测、人体检测、异地监控、输入密码解警、人员进出情况人数显示、声光报警等功能，最终完成竞赛题目中要求的各项任务。
因为时间有限，该系统还有很多值得改进的地方。
在本次设计的过程中，遇到了许多突发事件和各种困难，设计制作曾一度中断，但通过仔细分析和自我状态调整后解决了问题，在这个过程中我们深刻地体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己解决问题的能力。
参考文献
1.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M]．北京理工大学出版社,2007
2.阎石主编。
《数字电子技术基础》，第5版，北京-高等教育出版社，2003
3.康华光主编。
《模拟电子技术基础》，第5版，北京-高等教育出版社，2003
4.谭浩强主编。
《C程序设计》，第2版，清华大学出版社，2005
5.洪应、宋国富主编。
《凌阳单片机实用技术教程》，中国铁道出版社，2007
附录：
图17805直流稳压电路
图2nRF2401A及其外围电路图
图3热释电红外传感器原理图
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