智能安防 硬件部分 正文Word文档下载推荐.docx
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2.2设计思想
在小区内的每个住户单元安装一台报警主机，住户可选择安装在住户门口、窗户处安装声检、紧急求助，烟雾/煤气探头、瓦斯探头，防盗报警器等报警感知设备，报警主机通过总线与管理中心的电脑想连接，进行安防信息管理，本系统具有远程报警功能。
如果发生盗贼闯入、抢劫、烟雾、燃汽泄露等紧急事故，传感器就会立即获知并由报警系统即刻触发光警报以有效恫吓企图行窃的盗贼；
2.3系统功能
设计具有防盗并且兼有防火，防煤气等功能的小区防盗报警系统，无疑可以使家庭保安自动化。
系统采用体积小巧，功能强大，价格便宜的单片微型计算机作为居民家庭第一监视端，与单片机连接各种用于家庭安保的传感器作为收集信号并送给单片机初步处理，单片机实时与远方主监控计算机通信，将从传感器接收来的信号实时传给主机，主机端就可以知道小区各个居民家庭的异常情况，从而进行实时处理。
系统利用CAN总线传输信息。
本系统设计提高了安全可靠性，操作更方便，在工程实际中有广泛的应用，因而具有良好的应用前景和工程推广价值。
该系统运用了AT89C51单片机和CAN总线的主要特性和功能，将主从式微机通信运用于今天的生活，体现了自动化的发展前景一片光明。
对于应用区域，每个家庭可实现：
家中无人时，如上班了，可把家庭报警系统设置在外出布防状态，使所有的传感器都工作起来。
当窃贼试图破门而入或从阳台闯入，热电释红外传感器器探测到动作，警号发声，并且保安中心立刻接收到警情，接着在数秒后公安局报警中心也会收到报警信号。
家中有人时，如睡觉时，把系统设置在留守布防状态，当窃贼企图从大门闯入时，立刻发出警报；
如果主人有紧急情况，如急病或受到挟持时，可按动键盘上的紧急按钮发出警报[1]。
2.4系统设计框图
图2.1系统组成结构图
2.5系统实现方法
（1）利用各种传感器接收需要防备外界的异常信号。
（2）单片机接收传感器检测信号，进行初步处理，如记录发生情况的位置，何种报警等等，也可以单片机进行现场报警。
（3）利用CAN总线实现单片机与主控计算机的通讯。
（4）在主控计算机上接收单片机送来的报警信号，发出报警信息。
3系统硬件模块可行性分析
报警器硬件由温度烟雾信号采集模块、煤气信号采集模块、防盗报警模块、光报警模块，键盘显示模块以及单片机与CAN总线模块组成。
3.1CPU最小系统设计与选择
CPU最小系统在本设计的报警器中是中枢部分，所有要完成的命令和控制都是在此进行的。
所以CPU最小系统的好坏直接影响本设计的前端探头和其他电路之间的配合问题，同样没有CPU最小系统，本设计也就失去了设计目的。
经过比较，本次设计决定使用由ATMEL公司生产的常用、廉价的单片机AT89C51作为主控制器。
3.1.1AT89C51的引脚图及功能介绍
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案[2]。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[3]。
AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
AT89C51的引脚图如下图所示：
图3.1AT89C51芯片的引脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高[5]。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收[5]。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号[4]。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故[5]。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效[8]。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现[8]。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）[6]。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
此单片机主要用于控制，包括响应中断、延时、判断、发送对方号码等等。
3.1.2振荡器和时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。
时钟信号可以由两种方式产生：
内部时钟方式和外部时钟方式。
考虑到成本和电路的简洁等方面，我们选用内部时钟方式。
在单片机XTAL1和XTAL2两端跨接晶振就构成了稳定的自激振荡器，振荡电路的频率是晶体振荡频率。
晶体频率可在1.2MHZ到12MHZ之间选择，频率越高，单片机速度越快。
本设计选用的晶体频率为12MHZ。
外接电容C1和C2，与晶体一起构成了本设计的晶振电路。
C1和C2会影响振荡器的稳定性和起振的快速性，它还可以对振荡频率起微调作用。
振荡电路如图下所示：
图3.2振荡器和时钟电路
3.1.3复位电路
复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，计算机在启动时都需要复位，使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
在振荡器正在运行的情况下，复位是靠在RST引脚处保持至少2个机器周期（24个振荡器周期）的高电平而实现的[7]。
图3.3按键电平复位电路图
为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RST引脚保持10ms以上的高电平，单片机可以循环复位。
当RST从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。
在复位有效期间，ALE和PSEN引脚输出高电平。
本设计如上图所示的复位电路。
当加电时，电容C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RST引脚为高电平；
当电容C充满电后，电路相当于断开，RST的电位与地相同，复位结束。
可见复位的时间与充电时间有关，充电时间越长复位时间越长。
增加电容或增大电阻都可以增加复位时间。
它还可以通过按键实现复位，按下键后，通过R1和R2形成回路，使RST端产生高电平。
按键的时间决定了复位时间。
3.2温度烟雾信号采集模块
火灾是发生频率较高的灾害，无论是电气设备、吸烟不慎、人为等原因都可能引发楼宇火灾。
所以火灾报警宜早不宜迟，在火灾发生初始阶段及时报警，及时采取灭火措施最好。
火灾发生大多是由局部物体的燃烧开始的，燃烧会产生烟雾、热量及火焰。
因此，通过检测烟雾、温度异常，就可以判断火情，及时发出火灾报警，以便能有效的扑灭火源，免于成灾。
准确的进行火灾报警，选择合适的温度传感器和烟雾传感器是准确报警的前提。
综合考虑各种因素，本设计选择集成数字温度传感器DS18B20和烟雾传感器NIS-09C用作采集系统的敏感元件[8]。
3.2.1DS18B20的简介
DS1820是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器,它将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的是温度信号数字值。
与其它温度传感器相比,DS1820具有以下特性:
1）独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯。
2）大容量的特性使得温度感知的需求可以简便的实现。
3）可通过数据线供电，适用电压为3.0V——5.5V。
4）零待机功耗。
5）测温范围为-55℃——+125℃
6）-10℃—+85℃范围内，精度为±
0.5℃。
7）程序设定9—12位分辨率。
8）转变12位的温度数字量最多需要750ms。
10）用户可定义的非易失性的温度报警装置。
11）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。
12）应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。
DS18B20通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。
用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源[8]。
3.2.2NIS-09C的简介
NIS-09C是离子式烟雾传感器，内部使用了微量的放射性物质镅241。
但传感器本身被金属制电极所覆盖,放射能决不会泄露。
NIS-09C属于低功耗广普型传感器,可用9V电池带动。
主要技术指标
外加电压：
DC7—12V以下
电流：
27±
3pA
放射线源：
镅24133.3KBq
周围温度：
0--50℃
周围湿度:
95%RH以下
3.3煤气信号采集模块
煤气泄露报警:
当室内煤气超过正常标准时,它将通过传感器向家庭控制器发出报警信号。
对于密度大于空气的气体，感应器放在气体源的下方。
对于密度小于空气的气体，感应器放在气体源的上方，当煤气泄露报警启动,就通知管理中心。
综合考虑各种因素，本设计选用气敏传感器TP-1.1A，用作煤气报警。
对气敏传感器TP-1.1A的简介如下：
1、应用
1）煤矿瓦斯监测、工业甲烷、天然气监测
2）民用燃气泄漏报警
3）以天然气为动力燃料的汽车安全监测
4）便携式气体探测仪
2、特点
1）低功耗
2）寿命长（≥5年）
3）环境适应能力强（抗烟、酒精，不怕油分子吸附）
4）应用电路简单
5）对甲烷及液化石油气高度的灵敏性
6）高浓度可燃气体冲击时，传感器无影响
3、工作条件
工作电压
6V±
0.5VDC／5VDC
负载电阻
51Ω／39Ω
静态功耗
≤150mW
工作温度
—40℃～＋70℃
3.4防盗报警模块
防盗报警:
在小区每一住户内安装防盗报警装置。
当住户家中无人时,可把家庭内的防盗报警系统设置为布防状态,当窃贼闯入时,报警系统自动发出警报并向小区安保中心报警。
综合考虑各种因素，选用热电释红外传感器RE200B来进行防盗报警。
热电释红外传感器RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。
工作波长7-14μm
平均透过率＞75%
输出信号＞2.5V（420°
k黑体1Hz调制频率0.3-3.0Hz带宽72.5db增益）
工作电压2.2-15V
工作电流8.5-24μA（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）
源极电压0.4-1.1V（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）
工作温度-20℃-+70℃
上述特性指标是在源极电阻R=47KΩ条件下测定的，实际使用时可根据自己的需要调整R的大小。
3.5光报警模块
由AT89C51的P1口的P1．4～P1．7分别控制4个发光二极管，予以光报警。
P1．4～P1．7控制的灯依次为温度信号灯、烟雾信号灯、煤气信号灯和防盗信号灯。
当这些输出端输出低电平时，对应的信号灯便会发光报警。
图3.4光报警电路图
3.6数据采集模块
A/D转换是本系统比较关键的一步，通过A/D转换，成功的把所要测量和控制的数据采集过来，是保证系统功能可以实现的第一步。
为了设计好A/D转换模块，使它达到预想的A/D转换效果，必须选定合适的A/D转换器。
A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，ADC0809由8路模拟信号输入端、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成。
（1）其主要性能指标为:
①分辨率为8位。
②最大不可调误差：
0809为
1LSB。
③单电源+5v供电，基准电压由外部提供，典型值为+5v，此时允许输入模拟电压为0—5V。
④具有锁存控制的8路模拟选通开关。
⑤可锁存三态输出，输出电平与TTL电平兼容，功耗15mW。
⑥转换速度取决于芯片的时钟频率。
时钟频率范围500KHz时，转换时间为128μs。
（2）ADC0809引脚功能
图3.5为ADC0809引脚图,说明如下；
图3.5ADC0809芯片引脚
①IN0—IN7——8路模拟信号输入端。
②ADDA、ADDB、ADDC——3位地址码输入端。
8路模拟信号转换选择由A、B、C决定。
A为低位，C为高位。
与低8位地址中A0—A2连接。
由A0—A2地址000－111选择INO－IN7八路A/D通道。
其中模拟开关与输入通道的关系见表3.1。
表3.1路模拟开关与输入通道的关系表
通入通道
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
A
1
B
C
③CLK——外部时钟输入端。
时钟频率高，A/D转换速度快。
通常由MCS－51型单片机ALE端直接或分频后与0809CLK端相连接。
④D0—D7——数字量输出端。
⑤
——A/D转换结果输出允许控制端。
当
端为高电平时，允许将A/D转换结果从Do—D7端输出。
通常由MCS－51型单片机的RD端与单片机地址线如P2.0通过或非门与0809
端相连接。
当DPTR为FEFFH，且执行MOVXA，＠DPTR指令后，RD和P2.0均有效，或非后产生高电平，使0809
端有效，0809将A/D转换结果送入数据总线P0口，CPU再读入A中。
⑥ALE——地址锁存允许信号。
8路模拟通道地址由A、B、C输入，在0809的ALE信号有效时将该8路地址锁存。
⑦START——启动A/D转换信号。
当START端输入一个正脉冲时，立即启动0809进行A/D转换。
START端与ALE端连在一起，由MCS－51型单片机WR与0809片选端（例如P2.0）通过或非门相连，当DPTR为EFF8H，执行“MOVX@DPTR，A”指令后，将启动0809模拟通道0的A/D转换。
FEF8H—FEFFH分别为8路模拟输入通道的地址。
执行MOVX写指令，井非真的将A中内容写进0809，而是产生WR和P2.0有效信号，从而使0809的START和ALE有效，且输出A/D通道0地址A0—A2。
事实上也无法将A内容写进0809，0809中没有一个寄存器能容纳A中内容，0809的输入通道是IN0—IN7，输出通道是D0—D7，因此，执行“MOVX＠DPTR，A”指令与A中内容无关，但DPTR地址应指向当前A/D的通道地址。
⑧EOC——A/D转换结束信号。
当启动0809A/D转换后，EOC输出低电平；
转换结束后，EOC输出高电平，表示可以读取A/D转换结果。
该信号取反后，若与MCS－51型单片机引脚INT0或连接，可引发CPU中断，在中断服务程序中读A/D转换的数字信号。
若MC5—51型单片机两个中断源已用完，则EOC也可与P1口或四口的一条端线相连，不采用中断方式，采用查询方式，查得EOC为高电平后，再读A/D转换值。
⑨VREF+、VREF-——正负基准电压输入端。
基准电压的典型值为+5v，可与电源电压（+5v）相连，但电源电压往往有一定波动，将影响A/D精度。
因此，精度要求较高时，可用高稳定度基准电源输入。
当模拟信号电压较低时，基准电压也可取低于5v的数值。
⑩Vcc——正电源电压（+5v）。
GND——接地端。
ADC0809的A/D转换过程是在时钟信号的协调下进行的。
ADC0809的时钟信号由CLOCK端送入,其最高频率为640MHz,在这个最高频率下ADC0809的A/D转换时间为100uS左右。
A/D转换结束后,A/D转换的结果（8位数字量）送到三态锁存输出缓冲器,此时A/D转换结果还没有现在DB0—DB7八条数字量输出线上,单片机不能获取之。
单片机要想读到A/D转换结果,必须使ADC0809的允许输出控制端OE为高电平,打开三态输出锁存器,A/D转换结果出现在DB0—DB7上。
数据采集的电路如图3.6所示。
烟雾、煤气、防盗传感器的输出分别接到ADC0809IN5、IN6和IN7。
ADC0809的通道选择地址A，B，C分别由AT89C51的P0．0～P0．2经地址锁存器74LS373输出提供。
当P2.0=0时，与写信号RD共同选通ADC0809。
图中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。
例如，输出地址7FF8H可选通通道IN4，实
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