基于单片机家用防盗报警器设计Word格式文档下载.docx

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5全文结论21

致谢22

参考文献23

摘要

本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单、成本低、安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。

这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信，便于多用户统一管理。

本设计包括硬件和软件设计两个部分。

硬件部分包括单片机控制电路、红外探头电路、驱动执行报警电路、LED控制电路等部分组成。

处理器采用51系列单片机AT89C51，整个系统是在系统软件控制下工作的。

关键词单片机红外传感器数据采集报警电路

TheDesignofImfraredAlarm

Abstract

ThissystemusedPyroelectricinfraredsensor.Itsmanufactureissimple,anditscostislow,andfixingisconvenient.Besides,thesystemhasmanymerits,suchassteadyguardagainsttheft,andstrongantijammingability,andhighthesensitivity,andhighreliability.Thefixxingofthisalarmiscovert,whichisdiscoveredeasilybycracksman.AfterhasbeenprocessedbySCM,thesignalofalarmcommunicateswithPC,whichisconvenientforuniformmanagement.Thisdesignincludeshardwarepartandsoftwarepart.ThehardwarepartincludesthecontrolcircuitofSCM,andtheinfraredprobecircuit,andthealarmcircuit,andLEDcontrolcircuit.TheSCMusesAT89C51,theoverallsystemworksunderthecontrolofthesystemsoftware.

KeywordsSCMinfraredsensordatacollectionalarmcircuit

1绪论

随着社会经济的快速发展以及人们生活水平的日益提高，在家庭中液化石油气、管道煤气、天然气进入了大多数家庭，各种家用电器也得到了广泛的使用，人们在享受这些现化设施所带来便利的同时，却也增加了火灾隐患和有害气体中毒等的危险。

与此同时，经济的飞速发展伴随着城市流动人口的急剧增加，给城市的社会治安增加了新的难题，盗窃、入室抢劫等刑事案件也呈现出不断增长的趋势，人们越来越渴望有一个安全舒适的生活空间。

现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于传统的防盗窗、防盗网等机械式家居防卫设备，其虽具有一定的防盗作用，但在实际使用中不仅影响市容的美观，更带来了很多安全隐患。

因此人们迫切需要一种智能型的多功能家庭防火防盗报警系统，使其能可靠进行日常安全防范工作，及时发现各种警情并做出相应处理，以便将警情消灭在萌芽状态，保障居民生命和财产的安全。

但是因经济、技术等原因，目前防火防盗报警系统设计不尽合理的情况比较普遍，在信号检测、信号处理上还存在一定问题，致使一些系统经常出现误报或者漏报，以及报警系统不动作。

人们希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全，家庭防火防盗问题就成为人们极为关心的问题。

因此，对防火防盗报警装置的研究对现实意义重大。

1.1家用防火防盗报警系统的现状

报警设备对于保护人们的生命和财产安全至关重要。

目前防盗报警产品在我国的普及率只有20%，与欧美等发达国家高达70%的普及率相比，我国防盗报警产品市场的发展才刚刚起步，尤其在家庭安防报警系统方面的认可度和普及率更低。

随着人们安全防范意识的提高，会有更多的人选用家庭安防报警产品，可以预见家庭安防报警系统将会有非常广阔的发展空间。

现有的家庭安防报警系统按使用场所可以分为联网型和单户型两大类。

联网型家庭安防报警系统由多个小型报警系统经过联网组成社区型的安防报警中心，报警中心一般使用报警接收机、计算机系统和打印机设备等。

当报警事件发生时，报警点的数据显示在电子地图的相应位置，同时计算机系统可以调出报警点的配置和现场各种数据资料，供警情处理人员快速判断和处理。

联网型家庭安防报警系统主要应用于新建小区，而且需要用户普遍接受该系统。

随着现代电子技术、计算机技术、通信技术、传感技术和制造业技术等的迅速发展，有关家庭安防报警方面的产品也愈来愈丰富。

近年来国内外已有如博世、霍尼韦尔、艾礼富科立信、联腾、宏泰等多家品牌公司开发研制出了一系列的家庭安防报警产品，它们可以通过有线或无线的方式完成一些报警和求助等功能，并且进行了比较成功的应用。

例如上海联腾公司的报警主机LT-B2102/ZX1具有电话语音远程报警功能，包括支持通过公用电话网或GSM（手机网络）远程报警、支持连续拨打5组预置的电话号码并进行语音报警；

可通过本地电话机进行报警电话号码的预置；

还具有电话远程控制功能,即通过公用电话网或GSM（手机网络）远程控制，例如可通过电话对报警主机进行远程布防（根据提示输入密码），打开强光灯，打开警笛报警以及对报警信号进行远程警情确认等。

可以预见，智能住宅智能小将成为21世纪建筑业的发展主流特别是在我国随着人们生活水平的日益提高评价住宅小区的重要指标。

住宅小区是否智能化，安防系统是否完备、可靠将成为评价住宅小区的重要指标。

1.2本文研究的目的和意义

目前市场上出现了非常多的家用防火防盗产品，安防产品可大致分为视频监控、楼宇对讲、门禁控制、防盗报警等相对较为独立的几大应用领域。

仅就家庭防火防盗报警系统方面而言，以上列举的这些家庭安防产品虽然具有某些较好的报警处理功能，但有些产品由于功能较少或价格较高等原因而难于普及，更没有将加密技术和视频监控技术等很好的融入到整个家庭安防报警系统中来。

因此研发一种适合于家庭等处的低价位、运行可靠的具有自动拨号、语音录放和视频录像等多功能的安防报警系统具有很强的现实意义和广阔的应用前景。

本文结合实际需要研究并实现了一种多功能家庭智能防火防盗报警系统。

1.3本文研究的内容

基于目前这种现状，本文设计了一种基于公用电话网、多传感器综合应用的新型家庭防火防盗智能报警系统。

该系统以烟雾传感器、温度传感器、远红外线传感器、微波传感器和CO传感器为检测元件，以89C51单片机为控制核心，组成的一种自动防火防盗报警系统。

它可以通过种方式进行报警，并借助电话等现代化通讯手段进行信息传递。

系统各个部分能与单片机主机相互联系，以使系统能对防盗报警系统进行集中管理和控制[1]。

2系统总体设计方案

2.1防火防盗报警系统的总体构成

图2-1家庭防火防盗报警系统功能框图

本防盗防火报警系统是一种新型的电子安全报警系统，该系统的设计是将电子探测、智能控制和电话通讯技术相结合，从而形成一个两级联网通讯的防盗、防火报警系统。

智能防火防盗报警系统的硬件主要由7大部分组成:

传感器检测电路部分，主控单元电路，DTMF拨号电路，语音报警电路，键盘接口电路及显示电路，忙音、回铃音检测电路[2]。

系统硬件结构框图如图2-1所示。

（1）报警主机

报警主机作为信息的检测与处理中心,负责对探测器发送的报警信号的检测和分析以判断发生的警情种类以及需要进行的相应处理。

报警主机可以完成拨号报警，打开警笛、强光灯、蜂鸣器等的处理任务。

（2）探测器

探测器是用来探测各种可能发生的警情，并将发生的警情通知报警主机，是防盗报警系统的关键部件之一。

传感器是探测器的核心元件，采用不同原理制作的传感器，可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的探测器。

根据探测途径和探测方法的不同，家庭用探测器大致可分为以下几种：

①门磁探测器

这种探测器是利用干簧管和磁铁的物理特性，对门窗的开启情况进行探测，只要打开警戒的门窗，探测器就能向主机发出报警信号。

②热释被动式红外探测器（简称红外探测器）

红外辐射是一种电磁波，其波长介于光波和无线电波之间。

人体也是一种红外辐射源，其辐射波长约为10um。

红外探测器的作用是将移动人体的红外射线聚焦到传感器上来，通过内部光敏元件把接收到的红外能量转换为电信号输出报警。

③微波探测器

当微波探测器以一种频率发送时，发射出去的微波遇到固定物体时，反射回来的微波频率不变，探测器不会发出报警信号。

当发射出去的微波遇到移动物体时，反射回来的微波频率就会发生变化，探测器据此判定探测区域中有物体移动，从而发出报警信号。

④烟雾探测器

烟雾探测器也称为感烟式火灾探测器或烟感探测器。

烟雾是早期火灾的重要特征之一，烟雾探测器能够对可见的或不可见的烟雾粒子做出响应，将探测部位烟雾浓度的变化转换为电信号发送给主机实现报警功能。

⑤燃气泄露探测器

燃气泄露探测器安装于厨房中，主要用于检测CO（俗称煤气）等气体是否发生泄漏，一旦检测到CO气体生成且浓度超标时发出报警信号，现场也会发出声光报警，以及时提醒当事人，避免发生有害气体中毒的悲剧。

（3）报警信号传输通道

报警信号的传输通道有有线和无线两种。

①有线传输是指在两个通信设备之间采用物理连接将信号从一方传输到另一方。

有线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤等。

②无线传输是指在两个通信设备之间不使用任何物理连接，而是通过空间传输的一种技术。

无线传输介质主要有电磁波、红外线和激光等。

2.2防火防盗报警系统的功能及工作原理

用户端自动报警器安装于居民住宅，用于对居民住宅各个不同部位的不同类型探测智能化住宅防盗防火报警系统器（红外、微波、光电感烟、温度、一氧化碳）进行监测与控制，并对从各个探测器采集来的数据进行处理。

一旦有人非法入室、室内起火、煤气泄漏等情况发生时，与之相对应的报警探测器立即将相应的报警信号（探测器的编号）加密后传送给报警主机，报警主机对报警信号进行解码和判断，得出报警类型，确认无误后，通过家中的电话线路自动拨号报警，并与中央控制器建立联系，将相关信息传送至中央控制器中。

该智能报警系统可以实现如下功能:

89C51单片机对双音多频（DTMF）编、译码器的控制，使住宅通过电话网实现与相关部门之间的数据交换，DTMF拨号电路与89C51单片机通过电话网络完成住宅与外部的联络。

当探测器检测到意外情况后，就发出报警电平信号到主控制部分89C51单片机处，单片机通过接口电路对读取的电平进行处理，然后控制双音多频拨号芯片向电话线路拨出电话号码，与此同时控制语音芯片拨出事先录制好的语音信号到电话线路，实现语音报警，拨号完成接听回铃声后，模拟挂机，从而完成向区域控制中心的单位保卫部门、110/119报警台电话机或用户发出呼叫信号，告知对方住宅被盗或有火灾发生。

报警系统在拨号报警的同时启动现场报警器，进行事件的现场光（LED）报警，并启动语音电路，播放相应警情的语音提示音。

系统不需要另外占用电话线路，当有报警信号时，报警电话享有电话线路的优先权。

本系统还配置有应急按键，当家庭出现紧急情况时可通过报警主机键盘上的应急按键直接拨号报警。

3智能防火防盗系统的硬件设计

3.1防火探测器的设计

防火探测器是由温度探测、光电感烟探测和一氧化碳探测构成的复合型火灾探测器。

多传感器设计思想解决了传统防火探测器一直存在的误报率高的问题，增强了火灾探测的可靠性。

复合型火灾探测器原理如图3-1所示。

图3-1复合型火灾探测器原理示意图

由于单元探测技术所采用的单一参数火灾探测器（包括闽值触发式和模拟量式）对火灾特征信号响应灵敏度的不均匀性，导致它对实际火灾的探测能力受到了限制，尤其是用于对家庭住宅火情的准确探知更是尤为重要。

因此，报警系统中对火灾信号的检测采用多传感器/多判据的火灾探测技术，将探测器探测到的多元火灾探测信息经单片机进行综合判断，在软件设计中加入了神经网络智能算法，仿真实现了多元同步智能探测。

实际上，响应各种不同类型的火灾，通常使用不同类型的火灾传感器，它们有不同侧重的检测对象[3]。

光电感烟探测器不仅可探测一般火情，对阴燃火尤其有极好的探测效果，主要用于火情早期各种燃烧的烟雾颗粒进行探测，这一点就弥补了感温探测器对阴燃火不敏感，响应速度慢以及不能区分是火灾的热还是空调或烹饪蒸气的热等缺点;

但温度与光电感烟探测器都不能区分有些烟雾究竟是火灾的烟还是烹饪蒸汽或香烟的烟雾，由此，在设计中增加了C0探测部分，可以探知早期火灾烟雾中的C0成分，这样就大大降低了各种环境因素的干扰，提高了报警的可信度。

神经网络算法处理己实现，本系统中只取用其处理后的报警信号进行自动拨号报警处理。

下面分别介绍三种传感器的电路设计。

温度探测器

温度探测器使用数字温度传感器DS1820，它只有三个引脚，是将温度传感器和信号调理电路集成在一块芯片中，节省了外围硬件，应用非常方便。

DS1820的测温原理是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，把温度信号直接转换为串行数字信号，通过内部计数器对受温度影响的振荡器周期的计数可实现温度测量。

光电感烟探测器

整个电路主要分为红外线脉冲发射部分和接收部分，一旦发生火灾，烟雾中的细微颗粒将对红外线脉冲发生漫反射，并变换成相应的电信号，该信号由运放交流放大后经比较器送单片机处理并报警[4]。

电路原理如图3-2所示。

图3-2　光电感烟探测器原理图

红外发射电路中的555电路用于产生频率可调的脉冲波形，使用555电路的一个主要优点是输出脉冲的占空比可调，便于设计不同要求的驱动输出。

比较器的反相端接电阻器和可调电阻器，这样就可以根据探测器所需要的不同灵敏度来调节比较电位[5].

CO气体探测器

CO气体探测器是采用MGS1100一氧化碳传感器作为CO敏感元件，对CO响应的选择性好，并具有灵敏度高，稳定性好等特点。

在信号采集的同时加以温度补偿，最后利用MCU单片机进行实时控制和特性修正[6]。

防火探测器电路由上述三种传感器组成，克服了环境因素的干扰。

单片机进行处理时可采用多循环检测，在达到了规定检测次数（如20次），并且每次均检测到了烟雾信号和CO气体信号，测量温度也超出报警温度上限时，MCU发出火灾报警信号，否则认为没有火灾发生。

3.2防盗探测器的设计

防盗探测器是由红外与微波探测器组成的双鉴探测器。

较之以往的微波或红外单信号探测器，其误报率明显下降，原理示意图如图3-3所示。

图3-3双鉴探测器原理示意图

双鉴探测器工作时将探测到的红外和微波两种信号经过与非门处理后送单片机，即只有同时检测到两个探测器输出端口为高电平信号时，自动报警器才会响应盗情报警信号，否则不报警。

实验发现，在红外探测器中，通过菲涅尔透镜的分割方式的改变可以降低由于小宠物引起的误报，从而弥补了微波探测器监视面积较大的弱点:

但红外探测器对环境温度的变化比较敏感，而微波探测器所检测的只是活动的目标，所以对于如果只是温度变化引起的干扰并不会被自动报警器响应。

通过这样双重的检测就进一步减小了外界干扰，降低了报警信号误报的发生率，下面详细介绍本系统中红外与微波探测器电路的设计原理、特点以及实际的工作过程。

（1）热释电红外线探测器

在自然界，任何高于绝对温度（零下273.15摄氏度）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。

热释电红外线防盗探测器中的检测元件是BISS0001，该器件是CMOS数模混合专用集成电路，多用为红外专用芯片，它具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号预处理。

另外它还具有双向鉴幅器，可有效抑制干扰，其内部设有延迟时间定时器和封锁时间定时器。

（2）微波防盗探测器

微波防盗探测器是由MOS场效应管C3355、电阻和电容组成的高频振荡电路，电路产生微波信号后经过人或物体反射和原信号产生频移，微小的频移信号经过放大处理后输出报警信号。

报警范围实测为7~8m，可有效地进行实时探测[2]。

防盗探测器电路是由以上两种类型探测器组成，在单片机内部进行信号处理时，将探测到的红外和微波两种信号进行“与”运算，即只有同时检测到两个传感器端口信号时，主机才会发出盗情报警信号，否则不报警。

3.3主控单元电路设计

MCU微处理器对双音多频（DTMF）编、译码器的控制，使住宅通过电话网实现与相关部门之间的数据交换;

微处理器对各传感器的信号检测和控制。

MCU通过对接口电路的读取，并向单位保卫科、110/119报警台单位电话机或个人传呼机发出呼叫信号，告之对方住宅被盗，其结构如图1所示。

本系统与电话机并联，只在报警期间占用电话线路，报警结束后系统与电话线路脱离，不影响电话机的正常使用。

当探测器检测到意外情况后就发出报警电平信号到主机控制部分。

主机控制部分对该电平信号进行处理，然后控制双音多频拨号芯片向电话线路拨出双音多频信号（电话号码），与此同时控制语音芯片拨出事先录制好的语音信号到电话线路，实现语音报警，拨号完成后，模拟挂机。

3.4自动拨号报警电路设计

图3-4自动拨号报警电路

系统使用MK8870型DTMF拨号专用芯片，该芯片原本是行列式按键输入芯片，即4条行线及4条列线组成16个按键，实践证明该芯片不但具有行列式键盘输入功能，而且与51系列单片机具有良好的接口性能。

如图3-4所示，系统利用89C51完成对拨号芯片的控制，其中R8，C5为复位元件，完成上电复位，JT1使用6MHz晶体。

这里用P1口的8根线完成对拨号芯片的控制。

电路中电话号码的拨出采用双音多频拨号方式。

电话号码的拨出是利用控制MK8870型DTMF拨号专用芯片的键盘行列输入端R1~R4和C1~C4来实现的。

首先要使相应的行线和列线接通一段时间,然后再断开一段时间,这样芯片便将双音多频信号送到电话交换机网络,实现电话拨号。

3.5语音报警电路设计

系统采用了语音芯片APR9600构成语音电路，该电路。

主要由语音电路、译码器和电子开关组成[7]。

语音报警电路图如图3-5所示。

图3-5语音报警电路框图

语音电路APR9600采用模拟存储技术，噪音低，不怕断电，可以反复录放。

语音信息可以分8段存放，分别用8个按键控制，按下哪个键就可以录放哪一段而不影响其它段。

本系统中的语音信息分为2大类:

预警信息和报警信息，其中预警又分为温度偏高预警和烟雾过大预警，报警分为火警和盗警。

使用时，用户可以通过简单的按键操作，随时录制和播放任意一段。

当出现预警或报警时，单片机通过P2.2~P2.4控制电子开关实现按键操作，启动相应的录音段，放出相应的语音预、报警信息，并且可以根据需要循环播放，播放次数由用户自行设置。

除以上电路外，系统还对忙音、回铃声检测电路进行了硬件设计。

忙音、回铃声检测电路主要是为实现可靠报警而设计。

在电话号码拨出后，必须判断对方是否摘机，只有在确认对方已经摘机的情况下，才能发语音信息。

系统采用忙音和回铃声的检测来判断对方是否摘机。

3.6键盘接口及显示电路设计

该部分电路主要由4x4键盘、液晶显示器及其控制电路组成。

当用户通过键盘输入报警电话号码等数字信息时，该电路产生键盘中断信号，通过INTI输入端向单片机申请中断，在键盘处理程序中实现相应数字信息的显示、修改和存储[8]。

本模块中，显示电路用LCD液晶显示屏TS12232D显示，由TS12232D构成的显示电路如图3-6所示。

图3-6显示电路

4智能防火防盗系统的软件设计

4.1系统主程序设计

该系统有两种报警类型，即火灾报警和非法侵入（盗警）报警。

系统采用传感器电路检测人体的侵入和火灾的发生，一旦出现火灾，传感器检测电路发出信号，向单片机申请中断。

单片机响应中断后，启动自动拨号电路，根据报警类型的不同拨打不同的电话号码，发送不同的报警信息。

电话信号语音检测（忙音/回铃声/接通）、系统设置、模拟摘机、DTMF信号收发等工作。

软件流程图，如图4-1所示。

4.2检测报警模块程序设计

检测报警模块流程图如4-2所示。

图4-1系统软件主程序流程图

检测报警模块程序工作过程如下：

（1）读取探测器的编号。

（2）判报警信号类型：

①火警。

显示“火警”，报警指示灯点亮，打开警笛，拨打电话号码，等到用户接通后放送警情语音“火警，这里是ｘｘ小区ｘｘ单元ｘｘ室发生警情，请马上救助”两遍，等待用户处理。

图4-2检测报警模块程序流程图

②盗警。

显示“盗警”，报警指示灯点亮，打开警笛，拨打电话号码，等到用户接通后放送警情语音“盗警，这里是ｘｘ小区ｘｘ单元ｘｘ室发生警情，请马上救助”两遍，等待用户处理。

③有毒气体。

显示“有毒气体”，报警指示灯点亮，打开警笛，拨打电话号码，等到用户接通后放送警情语音“有毒气体，这里是ｘｘ小区ｘｘ单元ｘｘ室发生警情，请马上救助”两遍，等待用户处理。

④其它警情。

显示“其它警情”，报警指示灯点亮，打开警笛，拨打电话号码，等到用户接通后放送警情语音“有警情，这里是ｘｘ小区ｘｘ单元ｘｘ室发生警情，请马上救助”两遍，等待用户处理。

（3）用户处理以上警情的操作和电话呼入处理程序中用户的操作相同。

（4）返回。

4.3拨号模块程序设计

MK8870在自动拨号应用里应将工作方式设置为突发方式在此种情况下双音频信号持续和暂停时间为5lms，符合自动拨号要求。

在将MK8870设置为突发模式的时候，需要进行如下步骤:

写控制寄存器A、写控制寄存器B、写发送数据寄存器、等待中断或读状态寄存器。

拨号子程序流程图见图4-3所示。

首先将MK8870设置为突发方式，然后判断是否为盗情，即7EH是否被置位，如果没有，则跳转到拨管理中心电话号码部分；

如果被置位，则拨打用户电话号码，最后，该程序返回。

4.4语音模块程序设计

语音子程序流程图参见图4-4所示。

单片机P2.1口由高电平变为低电平，触动APR9600的放音脚，放音开始，因为APR9600最长录音时间为20秒，所以，延时23秒后，单片机P2.1脚由低电平变为高电平，放音结束，然后进入下一次放音状态，直至三次放音结束，清除警情标志位7EH后，程序返回。

4.5按键模块程序设计

按键模块程序流程图参见图4-5所示。

按键处理程序如下：

（1）进入按键处理程序后，根据用户按键的键值，进入相应的设置操作程序。

（2）电话号码设置

主机液晶屏和语音提示“电话号码设置”，扫描用户输入的数字并存储号码，同时显示“输入的电话号码”在液晶屏上面，如果用户长时间没有按键，结束本次操作，返回错误。

图4-3拨号模块程序流程图

（3）录音设置