智能家居安防系统的设计与制作整理.docx
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智能家居安防系统的设计与制作整理
智能家居安防系统的设计与制作
[摘要]本设计主要以单片机AT89S51为智能控制中心，结合烟雾检测模块、火灾检测模块、人为非法入侵检测模块及声控报警模块，及其外围辅助电路，构成了一个集防盗、防火、防毒气等多种检测功能为一体的多功能防盗报警系统。
首先由各传感器检测烟雾、火灾及人为非法入侵信号，当检测到的信号超出自身的设定值时，将其转化为电信号并传送给单片机处理，再由单片机将电信号传送给蜂鸣器驱动其报警。
该系统具有轻便灵巧、电路简单易实现，所使用的各类元器件灵敏度较高的特点。
利用单片机编程，可使电路功能易于控制，从而实现了识别不同警情的具有智能报警的家居报警系统。
[关键词]AT89S51单片机;HC-SR501；DS18B20数字温度模块；智能报警：
热释电
DesignofIntelligentHomeFurnishingSecuritySystem
[Abstract]ThisdesignmainlywithAT89S51singlechipcomputerasthecontrolcenter,combinedwithsmokedetectionmodule,firedetectionmodule,humanintrusiondetectionmoduleandthevoicealarmmodule,anditsauxiliarycircuit,constitutesasetanti-theft,fire,gasandotherdetectionthemultifunctionalanti-theftalarmsystem.Firstofall,thesensorsdetectsmoke,fireandhumanintrusionsignal,whenthedetectedsignalexceedsthesetvalue,thesensorswilltransformitintoanelectricsignalandtransmitittotheMSCforprocessing,andthetransmitelectricalsignalswillbetransmittedtothealarmbuzzerfordriving.Thesystemisportableandflexible,thecircuitissimpleandeasytoimplement,usedbyvariouscomponentsofhighsensitivitycharacteristic.TheuseofMSCprogramming,canmakethefunctionofthecircuitiseasytocontrol,thusrealizingthepyroelectricsensortodetectillegalinvasion,gassensorfordetectionofgasandotherharmfulgases,temperaturesensorfordetectingthefire.
[Keywords]AT89S51;HC-SR501；DS18B20；MQ-2
引言
随着人类社会经济的飞速开展和人民生活水平的不断提高，人们对其住宅的要求也越来越高，主要表现在他们不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对平安性、智能性等方面也提出了更高的要求。
人们迫切需要一种智能的家庭平安防范报警系统，能可靠地进行日常平安防范工作，及时发现各种险情并通知户主，以便将险情消灭在萌芽状态，这样人们便可安心工作，同时也保证了居民的生命财产不受损失。
家居安防系统的设计与实现，是一项专业性很强的实用技术。
人们普遍认为，所谓的智能家居安防系统，就是以平安防范为主要目的，依靠和运用各种高科技设备及手段，系统、实时、全面、不间断地对人、设备及周边环境进行监督、控制的一系列设备的总和。
随着社会经济的开展进步，家居安防系统的应用普及越来越广，科技含量越来越高。
先进的安防系统集中表达了现代科学技术开展的最新研究成果，是现代高科技产品和技术的一个结晶和缩影。
当然，安家居防监系统的研发不能一味地追求高、精、尖，其最根本的立足点还是必须回归实用性，在保障适用性的前提下追求最低的本钱与价格。
本文基于上述原因提出一种能够及防火、防盗、防有毒气体的智能家居安防系统。
具体来说，该系统以热释传感器检测非法入侵、气体传感器检测煤气等有害气体、温度传感器检测火灾等，结合各种报警电路装置，及其外围辅助电路，以单片机为智能控制中心，构成了一个集防盗、防火、防毒气等多种检测功能为一体的多功能防盗报警系统。
报警系统的组成及结构
本设计共由烟雾检测模块，火灾检测模块，人体检测模块，单片机程序控制局部，蜂鸣器报警局部等五局部组成。
具体结构框图如图1.1所示：
图1.1智能家居安防系统的结构框图
模块方案选择
控制模块
方案一:
采用SPCE061A单片机来实现，此单片机I/O接口比拟多，虽然易于扩展外围电路，但不方便位寻址，且没有总线。
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。
但内部开发函数不是很了然，且占用内存太大，且模组比拟贵，不经济，性价比比拟高。
方法二：
采用现在比拟通用的51系列单片机。
51系列单片机的开展已经有比拟长的时间，应用比拟广泛，各种技术都比拟成熟，虽然处理速度不是很快，但资料丰富，系列之52单片机，内部集成8kflash空间，256BRAM区，足以实现设计程序，不需要外扩，而且其最小系统板已经设计好，不需要附加太多的外围电路，可以方便可靠的使用。
本设计需要网络控制，需要多块控制板，单价也要考虑在内，51系列单片机造价低，不会消耗太大开销。
综合考虑我们选用方案二。
电源模块
由于本系统传感器比拟多，需要多电平供电，我们考虑了如下几种方案为系统供电。
方案一：
采用电池组供电。
3节可充电式锂电池串联共给直流电机供电，经过7812的电压变换后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
锂电池的电量比拟足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比拟可行。
但锂电池的价格过于昂贵，不满足低本钱的要求，因此，我们放弃了这种方案。
方案二：
采用变压器组和电池组并举的方式。
从机检测局部采用市电变压供电：
主机接收局部采用电池组供电，即适合从机检测局部的家居应用，也适合主机接受局部的方便携带。
因此，我们选择了这种方案。
烟雾检测模块
方案一：
选用光电烟雾传感器。
灵敏度高，可视范围大，具有报警锁定功能，可靠性高。
但价格昂贵，不适合设计的低本钱要求。
方案二：
选择气敏性烟雾传感器。
价格适中，可视范围大，可靠性高，体积小，电源电压小，灵敏度虽有些差，但可以满足监控无人时有无烟雾的设计要求。
故本模块选用方案二。
1.人体检测模块
方案一：
选用人体红外热释电传感器探头。
造价低，性能优良，电路制作裕度大。
但鉴于对其了解不够充分，假设自己设计外围电路，性能可能不稳定，而且传输距离只有一米左右，距离较短，不符合题目要求。
方案二：
选用人体红外热释电传感器模块。
性能稳定，体积小，外型美观，尤其是装有菲涅尔透镜，使得检测范围较宽，而且价格不高，三线引脚，输出距离可控，应用、编程简单方便。
故本模块选用方案二。
声控报警模块
方案一：
声音发生体采用蜂鸣器，驱动只需要一只三极管，方便直接。
光电报警采用一个发光二极管。
功耗低且发光效果也很好。
方案二：
采用R110/120〔10/20秒〕语音录放模块，单片可分段录放模块，反复录放，零功耗永久保存信息，单5V供电，自动节电，接口简单，使用方便，但费用较高，所以放弃使用此方案。
综合之，我们采用方案一。
2系统各检测模块
烟雾检测模块
在本设计中,利用气敏性烟雾传感器MQ-2及其外围电路控制烟雾超标的检测。
MQ-2简介
MQ-2气体传感器是一款适合多种应用的低本钱传感器。
它所使用的气敏材料是在清洁空气中导电率较低的二氧化锡（SnO2）。
当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增大而增大。
现实应用中，可以使用简单的电路将电导率的变化转化为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高，也可以对天然气和其他可燃蒸气进行检测。
其结构和外形图分别如图2.1和图所示：
由微型AL203陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内。
加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4只用于信号提取，2只用于提供加热电流。
图2.1气敏性烟雾传感器MQ-2的结构图
图气敏性烟雾传感器MQ-2的外形图
以下是对于MQ-2物理性质的简要说明：
（a）尺寸：
长X宽X高为32mmX22mmX27mm；
（b）主要芯片：
LM393、ZYMQ-2气体传感器；
（c）工作电压：
直流5伏；
（d）特点：
（1）具有信号输出指示；
（2）双路信号输出〔模拟量输出及TTL电平输出〕；
（3）TTL输出有效信号为低电平；〔当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机〕
（4）模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高；
（5）对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度；
（6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；
（7）快速的响应恢复特性。
MQ-2的内部芯片结构如下图。
图2.3MQ-2的内部芯片结构图
LM339简介
LM339/E内部包括有四个独立的电压比拟器，在很宽的电源电压范围内适用于双电源工作模式，也适用于单电源工作模式.它的使用范围包括方波发生器、时间延长器、脉冲发生器、多谐振荡器、高压数字逻辑门、A/D转换器和MOS时钟驱动器等。
LM339/E的封装形式为14引线双列塑封直插式其内部结构图和外形图分别如图2.4和图所示：
图LM339内部结构图
图LM339外形图
烟雾检测模块电路
烟雾检测模块电路图如下图：
图烟雾检测模块电路图
图7中，烟雾传感器MQ-2相当于一个可变电阻，当空气中有烟雾时MQ-2的阻值会变小，导致其电压降低，从而K点电压升高；滑动变阻器Rv2的作用是调节烟雾浓度的基准值的；最初设定Q点电压大于K点电压，随着K点电压的降升高，最终当电压值超过预设Q点电压时，比拟器LM339输出低电平信号给单片机的管脚，实现目标。
当K点电压未超过Q点电压时，比拟器LM339会输出高电平，但在程序中设定单片机读取低电平信号有效，故这种情况无需担忧。
火灾检测模块
理论上说，火灾检测局部应包括烟雾以及温度两方面的检测。
由于上述介绍的烟雾传感器MQ-2可实现普通气体以及有毒气体的检测，故火灾检测的烟雾检测局部也可以利用上述检测模块，故在此局部仅介绍温度检测模块。
在本设计中，利用温度传感器DS18B20及其外围电路控制温度超标的检测。
DS18B20简介
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改良型智能温度传感器。
与纯铜的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
可以分别在和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写。
温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。
因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。
他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大改良，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
以下对DS18B20的主要特点做简单介绍：
（1）独特的单线接口方式：
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
（2）在使用中无需任何外围元件；
（3）可用数据线供电，电压范围：
；
（4）测温范围：
-55~125°C；国有测温分辨率为°C;
（5）通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
（8）负压特性：
电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
具体内部原理图和外形图如图和图所示：
图温度传感器DS18B20内部原理图
DS18B20的内部有64位的ROM单元和9字节的暂存器单元。
64位ROM包含了DS18B20唯一的序列号。
图温度传感器DS18B20外形图
温度检测模块电路
DS18B20有三个管脚：
VCC,DQ和VDD。
电路图如下图：
图温度检测模块电路
其中输出管脚与单片机的管脚相连。
本设计设定报警温度为40°C。
在此模块中，选用红外热式电感应模块作为检测人为入侵的元件。
其核心处理芯片为BISS0001，配套有360度体积为25×25×25mm的球形菲涅尔透镜，以及体积为8.3×的配套的热释电元件。
以下对相关元件作简要介绍。
核心处理芯片BISS0001
BISS0001是一款与有较高性能的传感信号处理集成电路，他配以热释电红外传感器和少量外界元器件构成被动式的热释电红外开关。
它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的国道、走廊等敏感区域，或用于平安区域的自动灯光、照明和报警系统。
其外形图和管脚图如图和图所示：
图BISS0001外形图
BISS0001具有以下特点：
（1）数模混合；
（2）具有独立的高输入阻抗运算放大器；
（3）内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰；
（4）内设延时时间定时器和封锁时间定时器；
（5）采用16脚DIP封装。
图2.11BISS0001管脚图
表2.1BISS0001管脚说明：
引脚
名称
I/O
功能说明
1
A
I
可重复触发和不可重复触发选择端。
2
VO
O
控制信号输出端。
由VS的上跳变沿触发，使V0输出从低到高时视为有效触发。
在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变沿电平状态。
3
RR1
输出延迟时间Tx调节端。
4
RC1
输出延迟时间Tx调节端。
5
RC2
触发封锁时间Ti调节端。
6
RR2
触发封锁时间Ti调节端。
7
VSS
工作电源负极。
8
VRF
I
参考电压及复位输出端；通常接VDD。
9
VC
I
触发禁止端；当VcVR时允许触发。
（VR≈0.2VDD）
10
IB
运算放大器偏置电流设置端。
11
VDD
工作电源正极。
12
2OUT
O
第二级运算放大器的输出端。
13
2IN-
I
第二级运算放大器的反向输出端。
14
1IN+
I
第一级运算放大器的同相输出端。
15
1IN-
I
第一级运算放大器的反相输出端。
16
1OU
O
第一级运算放大器的输出端。
菲涅尔透镜
菲涅尔透镜（图2.12所示），又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯汀•菲涅尔〔Augustin•Fresnel）创造的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。
菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片外表一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干预及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是外表光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。
图菲涅尔透镜
菲涅尔透镜作用有两个：
一是聚焦作用；二是将探测区域内分为假设干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。
菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但本钱比普通的凸透镜低很多。
多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。
其原理如下：
假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学外表〔如：
透镜外表〕，拿掉尽可能多的光学材料，而保存外表的弯曲度。
如图2.13所示：
图传统透镜到菲涅尔透镜结构的变化
另外一种理解就是，透镜连续外表局部“坍陷〞到一个平面上。
如下图：
图塌陷到平面示意图
从剖面看，其外表由一系列锯齿型凹槽组成，中心局部是椭圆型弧线。
每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。
每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。
这种透镜还能够消除局部球形像差。
简单地说，菲涅尔透镜一面是平坦的，另一面是凸起的。
人们首次使用菲涅尔透镜是在18世纪初，当时它被用在灯塔的探照灯上，聚焦射出来的光束。
当人们需要一面又薄又轻的透镜时，塑料菲涅尔透镜便派上了用场。
尽管成像质量不如玻璃透镜，但是在很多应用中我们并不需要完美的图像质量。
菲涅尔透镜的原理基于菲涅尔波带片，菲涅尔波带片具有类似透镜的作用，它可以使入射光会聚起来，产生极大的光强。
它也有类似于透镜的成像公式，式中为光源到波带的距离，为透镜中心到像点的距离〔透镜半径、为波带数、为入射光波长〕。
但波带片与透镜有个重要的区别，即一个波带片有很多焦点，上式给出的是它的主焦点，除此之外，还有一系列的次焦点，它们的距离分别是。
在其对称位置〔即〕还存在着一系列虚焦点。
红外热式电感应模块
通过上述介绍可知，热释电红外传感模块是一种能检测人或物体所发射的红外线而输出电信号的传感器。
型号为HC-SR501，外形图如下图：
图热释电红外传感模块HC-SR501外形图
由图可知，HC-SR501具有延时调节和距离调节，本设计中将延时设置为100s，将距离设置为20cm。
为检测准确起见，我将红外检测模块还配有360度菲涅尔透镜，模块反面焊有高电平、低电平以及输出端三个端口。
其中输出端口连接单片机的管脚。
3.单片机控制模块
在此模块中，利用型号为AT89S51的单片机作为核心控制部件来实现对烟雾、温度、人为非法入侵信等号的接收及控制蜂鸣器报警。
在此局部中，为实现上述功能，对单片机进行了简单的编程并在Protues软件中实现了仿真。
此外，AT89S51还具有其自身的复位电路和晶振电路。
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
3.1.1AT89S51特点
AT89S51具有40个引脚，4k的BytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器〔RAM〕，32个外部双向输入/输出〔I/O〕口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗〔WDT〕电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
其主要特性为：
（1）8031CPU与MCS-51兼容；
（2）4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）；
（3）全静态工作：
0Hz-33MHz；
（4）三级程序存储器保密锁定；
（5）128*8位内部RAM；
（6）32条可编程I/O线；
（7）两个16位定时器/计数器；
（8）6个中断源；
（9）可编程串行通道；
（10）低功耗的闲置和掉电模式；
（11）片内振荡器和时钟电路。
3.1.2AT89S51管脚说明：
AT89S51管脚图如图3.1所示：
图AT89S51管脚图
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。
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。
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口输出其特殊功能存放器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
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。
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。
I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。
这是由硬件自动完成的，不需要我们操心，1然后再实行读引脚操作，否那么就可能读入出错，为什么看上面的图，如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q^为1加到场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通对地呈现低阻抗，此时即使引脚上输入的信号为1，也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。
假设先执行置1操作，那么可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O口被称为准双向口
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