基于51单片机的家庭防盗防火报警系统.docx

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基于51单片机的家庭防盗防火报警系统

基于51单片机的家庭防盗防火报警系统

摘要：

近年来，我国经济社会的飞速发展促进了电子、网络和通信技术等领域的发展与进步，人们的生活水平得到了提升，并追求更加安全、便捷、舒适和环保的生活。

当代科技水平的提高和快节奏的生活方式使得越来越多的家电设备和智能厨具出现在人们的家中，带来便捷的同时也带来了安全隐患。

除此之外，社会转型期也为广大家庭带来了更多的不安全因素，原有的安保系统和防护措施已无法应对高风险带来的挑战。

根据以上情况，本文建立了一个智能家居安防系统，该系统以短信模块为基础，应用单片机和各类传感器组合成一个综合系统。

本文对基于短信息平台的家庭安防系统进行了设计，细化了其系统的组成方案，对主控模块、通信网络、热释电模块、烟雾检测模块、短信模块及接口电路进行了较深入的分析研究。

本文所设计的家居安防系统不仅能满足安保家居的需要，并且具备简单的硬件结构，软件采用模块化的程序结构，易于实现程序功能的拓展，性价比较高，易于推广应用。

本文基于短信息平台所设计的家庭安防系统，能够对家庭危险情况进行报警并远程通知和控制，实现了远程监测家中情况的基本功能，应用空间广阔。

关键词：

安防系统；报警系统；网络模式；短信模块；预警信息

Homesecurityfirealarmsystembasedon51MCU

Abstract：

Inrecentyears,therapiddevelopmentofChina'seconomyandsocietyhaspromotedthedevelopmentandprogressinthefieldsofelectronics,networkandcommunicationtechnology.People'slivingstandardshavebeenimprovedandtheypursueasafer,moreconvenient,comfortableandenvironmentallyfriendlylife.Withtheimprovementofthelevelofmodernscienceandtechnologyandthefastpaceoflife,moreandmorehomeappliancesandintelligentkitchenutensilsandappliancesappearinpeople'shomes,bringingconvenienceandsecurityrisksatthesametime.Inaddition,thesocialtransitionperiodhasalsobroughtmoreunsafefactorsforthemajorityoffamilies,andtheoriginalsecuritysystemandprotectivemeasureshavebeenunabletocopewiththechallengesbroughtbyhighrisks.Accordingtotheabovesituation,thispaperestablishedasmarthomesecuritysystem,thesystemisbasedonSMSmodule,theapplicationofsingle-chipmicrocomputerandvarioussensorsintoacomprehensivesystem.

Inthispaper,thehomesecuritysystembasedonshortmessageplatformisdesigned,thecompositionschemeofthesystemisrefined,andthemaincontrolmodule,communicationnetwork,pyroelectricitymodule,smokedetectionmodule,shortmessagemoduleandinterfacecircuitarefurtheranalyzedandstudied.Thehomesecuritysystemdesignedinthispapercannotonlymeettheneedsofsecurityhome,andhasasimplehardwarestructure,softwareusingmodularprogramstructure,easytoachievetheexpansionofprogramfunctions,cost-effective,easytopromotetheapplication.Inthispaper,thefamilysecuritysystemdesignedbasedontheshortmessageplatformcanalarmandremotelynotifyandcontrolthedangeroussituationofthefamily,realizingthebasicfunctionofremotemonitoringthesituationinthehome,andtheapplicationspaceisbroad.

KeyWords:

Securitysystem;Alarmsystem;Networkmode;SMSmodule;Theearlywarninginformation

第1章前言1

第2章系统方案设计2

2.1系统总体设计思路2

2.2系统方案设计2

第3章硬件电路设计3

3.1电源电路设计3

3.2红外探测信号输入电路4

3.3时钟电路的设计7

3.4复位电路的设计7

3.5烟雾检测电路设计8

3.5.1传感器选型8

3.5.2LM393简介8

第4章软件设计10

4.1软件的程序实现10

4.2主程序工作流程图10

4.3中断服务程序工作流程图12

4.4报警电路流程图12

4.5信号采集电路流程图13

第5章结论与展望14

致谢16

参考文献17

第1章前言

我国社会经济的发展越来越快，科学技术的研究得到了前所未有的突破，经济和科技的进步为人们的生活带来了翻天覆地的变化。

人们生活品质得到提升的同时，对家庭安全和个人财产的保护意识也随之加强，因此需要安保级别更高、效果更好的保护系统。

本文设计的基于51单片机及GSM短信模块的家庭式电子防火防盗系统就是以保护现代家居安全、实现防火防盗为主要目的。

在生活品质和科技进步的同时，各种安全隐患也在随之增加，且危险因素更甚以往。

在多种危险因素造成的灾害中，火灾是最常见、具有较大破坏力且很难得到控制的主要灾害之一。

火灾是人们日常生活和工作生产中遭遇的破坏力较大的灾害，这种灾害在短时间内很难得到控制，并会以高速在过火空间蔓延，为人类的生产生活带来了巨大的损失。

火灾的发生频率很高，日常工作生活中经常可见各种关于火灾的报道甚至亲眼目睹，火灾不仅会对财产带来危害，更会危及人民群众的生命。

随着经济与科技的发展，导致火灾发生的隐患种类越来越多，因此火灾的预防工作和消防工作得到越来越多的重视。

于是，火灾报警器在火灾的预防工作中就扮演了重要的角色。

对火灾报警器的需求促进了该技术的研究和发展，智能火灾报警器系统自研发以来更新换代技术极快，技术壁垒的突破不仅赋予报警器更好的性能，也进一步拓宽了报警器的应用空间，解决了很多传统火灾报警器无法处理的难题。

火灾报警器在我国的发展经历了最初研究到应用推广，从传统系统到今天的智能报警，正以较快的速度向智能化迈进。

科技的发展促进了单片机的应用与推广，目前单片机已在工业及农业生产中广泛使用。

单片机的实质是微控制器（或微处理器），是一种器件级计算机系统。

其具备体积小、功能强大、性价比低等诸多优点，被广泛应用于各种电子器件中。

随着单片机的应用得到推广，对单片机的需求也更具多样性，因此开发出了更多类型的单片机。

其中，用于检测居家环境并可实现报警的设备中就应用了单片机，单片机的应用使各类报警装置的功能更加齐全，大幅度提高了报警器的可靠性，满足了用户对于报警设备的需求。

火灾报警在我国经历了一个研发推广，并发展为智能化的过程，如今其智能化程度也在不断提高。

火灾报警的智能化发展在当前经济社会发展所带来的诸多安全隐患形势下是必然的。

人们对于火灾预警的重视使得火灾报警工作的难度大大提升，不仅要求报警系统具备实时检测、危险情况报警等基本功能，更要向着向着更高的灵敏性、可靠率、智能化的目标发展。

因此，性能优越、功能强大且结构简单、稳定经济的智能报警系统是当前急需研发的重点。

第2章系统方案设计

2.1系统总体设计思路

本文设计的家居安保报警系统的组成如图2-1所示：

该安保系统以GSM短信息模块为基础，由红外热释电探测器、MQ2烟雾传感器组成数据采集转换系统，由单片机控制器完成数据采集向GSM模块的转换，最后将信息传递到用户终端。

图2-1基于GSM短信模块的家庭防盗报警系统

本系统以红外热释电探测器和MQ2烟雾传感器作为信号采集装置，收集房间中可疑人员身体发现的红外线及房间中的烟雾，随后将相关信号传递至89C52控制芯片，芯片接收到信号后控制触发GSM短信模块向住户发送报警信息，以此完成对房屋的安全保护及监测报警功能。

本系统的工作路径为:

通过热释电型红外传感器收集检测可疑人员身体辐射的红外线，当传感器收集到红外线信号后，会将此信号转换为电信号，电信号经过电路系统的层层筛选、放大及过滤传递到单片机，随后单片机触发相应模块开启报警，向用户绑定的终端传递报警讯息；防火灾的工作原理为：

利用MQ2烟雾传感器检测房间中的烟雾，对检测到的烟雾进行比较判断，后将数据传递到单片机，由单片机比较浓度，一旦房间中的烟雾浓度达到一定数值，单片机就会触发模块，将火警信息发送给已经绑定的用户的终端上，从而实现对家居火灾的报警。

2.2系统方案设计

本文对安保报警系统的软件和硬件进行了设计。

电路结构主要有电源电路，短信模块，烟雾传感器，单片机系统等。

用户在自己的手机等移动终端上可以看到系统报警信息等。

在本报警器的设计中，最核心的单元就是单片机模块，本系统也是在单片机系统的基础上进行工作和应用的。

单片机应用系统的组成部分也分为软件和硬件两部分。

硬件部分主要以输入/输出设备、单片机以及各种处理电路等为基本的组成部分。

软件部分主要包含各种工作系统及程序。

因此，要完成一种单片机的设计和研发，不仅要完善总体概况，也要对硬件系统和软件系统加以设计。

结合安保报警器的应用需求及设计要求，该安保报警器的总体设计框图如图2-2所示：

图2-2总体设计框图

如图所示，安保报警器的中心模块使用了89C52型号的单片机。

在软件和网络系统的控制下，一旦安装在房屋内的红外传感器收集到可疑人员身体发出的红外线，就会将红外线转换为微弱电流，微弱电流经过各电路的整合、过滤、放大后被传递到门限开关，此时开关被触发打开，并将电流信号传递到89C52单片机内。

数据传递到单片机后，由系统判断是否符合报警条件，如果传递的信号表明房屋有可疑人员进入，就会发出警报，并将报警信号发送至远程终端。

发出报警信号后的一段时间，当终端意识到危险情况并采取求救措施后，可关闭警报以减少能源浪费。

第3章硬件电路设计

3.1电源电路设计

电源电路在整个系统中有着至关重要的作用，是整个系统的能量来源，动力所在。

本论文的电源采用直流稳压电源，其主要由三部分构成，分别是稳压，减压，滤波。

由于中国国家电网的电压为220伏特，而且是交流电，因此需要电源将其转换成5伏特直流电输出到后续工作电路，因此电源的意义十分重大，整个系统正是基于电源才能运转起来，因此它的作用不言而喻。

电源的组成部分如下：

（1）降压变压器：

也就是电源变压器，国家电网的电是220伏交流电，这个降压变压器可以将交流电转变成电压较低的直流电，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

。

（2）稳压电路：

电源本身输出的电压并不稳定，需要稳压电路将其转变成稳定的直流电压，稳定的直流电压能保证工作电路的正常运转，不会产生波动，。

本稳压电源同样也可以为TTL电路或单片机电路提供电源。

（3）滤波电路：

交流电正是通过滤波电路加以过滤才将交流成分过滤掉，最后输出稳定的直流电压的。

本论文经过分析讨论拟采用三端稳压器，三端稳压器一般分为两类，一类输出固定电压，这种稳压器叫做固定输出三端稳压器。

另一类叫做可调输出三端稳压器，它的输出电压是可以调节的。

这两种稳压器的基本原理大体是一样的，他们都是串联型结构。

三端稳压器在众多的线性集成稳压器中应用最多，适用性最广，因为这种稳压器，价格便宜，成本较低，性能也很稳定，并且因为三端稳压器的端子数少，只有三个，所以说他没有什么外部部件，结构比较简单。

LM7805三端稳压器目前来说应用最为广泛，它的应用范围很广，功能也比较强大，输出电压为五伏直流电。

图3-1直流稳压电源电路

3.2红外探测信号输入电路

红外探测信号输入部分由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、数字信号输入电路组成。

当工作中的红外线传感器J1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由J1的S端引脚输出微弱的电信号（1～10Hz）,经三极管Q1等组成第一级放大电路放大（见图3-2），再通过C2输入到运算放大器U1A中进行高增益、低噪声放大（见图3-3），此时由U1A输出的信号已足够强。

如图3-4所示，U1B是电压比较器，二级放大信号OUT2由运放芯片U1B中5脚输入，R6、R7、R9、D1组成基准电压电路，输入信号与反向输入端基准电压比较，一旦有盗贼闯入监控的范围内，热释红外线传感器监测到信号后，发出一个微弱的交变信号，经两级交流放大后，与基准电压进行比较，此时，经过放大的信号大于基准电压。

通过U1B的比较，其输出电平为运放工作电压高电平5V，三极管Q2导通，J2输出为低电平；当OUT2端输入没有信号时，输出为0V，所以三极管Q2截止，J2引脚输出为高电平。

调试时，在红外线传感器前人走动，调整R9，直到J2引脚输出为低电平。

各电路如图3-2到图3-5所示。

图3-2第一级放大电路图

图3-2中，R1是源极电阻，其阻值可以根据实际情况进行调整；产生的微弱信号由S9014进行放大。

S9014是NPN型三极管，其IC静态工作电流达100mA，放大倍数最大可达1000倍。

R3给S9014提供静态基极电压。

放大后的信号由C2耦合到下一级。

图3-3二级放大电路图

图3-4电压比较器电路图

如图3-5所示，OUT3的信号需要用三极管转换后才能成为入口电平信号进入单片机。

这是由于感应器接受到警报信息后产生的电压是5伏特的直流电压，因此这时候就需要用三极管进行转换，转换后其变成低电平，就可以成为单片机能识别的低电平信号。

单片机接收到这一信号后状态发生改变，由原来的低功耗模式转变为工作模式，整个电路开始工作。

当环境中煤油预警信号时，整个系统输出的是高电平。

图3-5数字信号输入电路

3.3时钟电路的设计

如图3-6所示，反向放大器的输入端和输出端分别是XTAL1和XTAL2。

这种放大器可以使用石晶振荡或者陶瓷振荡，甚至可以配置片内振荡器。

但是如果该反向放大器采用外部时钟源驱动器件，那么输出端不需要接。

因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。

图3-6为时钟电路。

图3-6时钟电路图

3.4复位电路的设计

复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后,在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。

例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us。

本设计采用的是外部手动按键复位电路。

图3-7为复位电路。

图3-7复位电路图

3.5烟雾检测电路设计

3.5.1传感器选型

火灾发生时都会伴随着产生浓烟，因此一定要选择合适的传感器，本论文综合考虑各因素后决定采用QM3传感器，这种传感器很灵敏，即使烟雾的浓度很低，也能迅速检测出来，并且可以迅速将这一信号的电信号传送给单片机。

3.5.2LM393简介

LM393主要特点如下：

（1）工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：

2～36V，双电源:

±1～±18V；

（2）消耗电流小，Icc=0.8mA；

（3）输入失调电压小，VIO=±2mV；

（4）共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；

（5）输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；

（6）输出可以用开路集电极连接“或”门；

采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装（SOP8）。

LM393引脚图及内部框图如图3-8所示：

图3-8 LM393内部结构图

LM393是高增益,宽频带器件,象大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合,则 很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的.减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号,而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.0~10mV）能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡.除非利用滞后,否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡,如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞回将不需要。

比较器的所有没有用的引脚必须接地.LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围2.0~30V无关。

通常电源不需要加旁路电容，差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件.保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V。

LM393的输出部分是集电极开路,发射极接地的NPN输出晶体管,可以用多集电极输出提供或ORing功能。

输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受Vcc端电压值的限制。

此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用）,输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流（16mA）时,输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。

输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm的γSAT限制。

当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压（约1.0mV）允许 输出箝位在零电平。

本论文分压设计是这样的，mq2传感器在电压变化时其电阻值也会变化，利用这一点就能达到分压的目的。

LM393利用MQ2传感器的电压做对比，利用一个可调节电阻调节烟雾限定值。

根据限定值就可以对烟雾的含量进行判断，看其是否处在安全范围内。

如图3-9所示：

图3-9MQ2模块电路图

第4章软件设计

4.1软件的程序实现

整个报警系统主要由两部分构成，分别是硬件部分和软件部分。

在上一章中我们对系统的硬件部分进行了选择设计，这一章紧接着对软件部分（主要是各自对应对子程序模块）进行确定。

软件部分主要也是由两部分构成，一部分是主程序，也就是监控软件，它的主要功能是调节各个模块，使各个模块协同工作，主程序也是整个报警系统最重要的部分。

另一部分是子程序，也就是执行软件，他们负责具体的工作，比如说计算通讯等功能。

每一个子程序负责一部分具体的功能，这些子程序的开发原理如下：

短信报警子程序：

报警功能主要是依靠短信报警的子程序来实现的，当子程序得到报警信号后，相应的报警子程序启动，实现报警过程。

它的报警原理是通过控制三极管可以改变短信模块的工作状态，当有报警信号是可以给用户发送报警短信，与此同时给出电信号发光二极管也会跟着同时发光。

串行口通信子程序：

单片机和微机进行通信时，首先要设置串行口的波特率为9600,1位停止位，无奇偶校验。

串口通信程序可以采用查询和中断方式，由于单片机发送子程序的查询和中断方式的资源占用是一样的，故发送采用查询，接收子程序采用中断。

4.2主程序工作流程图

根据前面对硬件结构和工作原理的分析讨论，本论文最终设计出的系统主程序工作流程图如下图4-1所示：

图4-1主程序工作流程图

4.3中断服务程序工作流程图

主程序的工作过程是这样的：

如果在系统检测范围内检测到有人的出没，热电传感器就会工作，产生信号输出给单片机，然后单片机就会对这一报警信息进行处理，然后通过短信模块将这一信息传递给报警电路，报警电路显示报警模式，报警模式持续时间为10s，之后停止报警。

这就是一个工作过程，下一个工作过程类似，继续监测信息，处理信息，预警。

同时为了方便人的干预，认为的可以在任何时间停止报警，不必要等到10s。

整个工作流程图如下图4-2所示：

图4-2中断服务程序工作流程图

4.4报警电路流程图

报警电路控制端由单片机的P2.0端来完成，高电平有效。

当P2.0输出高电平时，NPN三极管导通，驱动GSM模块发送防盗报警短信。

短信报警电路流程图如下图4-3所示：

图4-3报警电路图

4.5信号采集电路流程图

本论文要对阳台，窗户等五路报警信号进行采集并处理，因此本文对采集系统选用的是热电红外传感器。

图4-4为电路示意图。

图4-4电路示意图

第5章结论与展望

本论文根据GSM短信模块设计开发了一套家庭防盗报警器系统，这套系统的处理器核心为89c52单片机通过外接一种，通过外接一种新型的被动式红外探测器件——热电红外传感器来探测来自人体的红外辐射，因为它是非接触式的，所以使用非常方便。

探测器检测到红外信号以后，在探测器内部将其转变成电信号进行输出，这种传感器还有一个优势就是能防止红外线和可见光的干涉，稳定性很高。

一般情况下传感器输出的是低电平，一旦传感器在工作范围内探测到人体活动它就会自动输出高电平，这一电信号迅速被单片机捕获，触发单片机的活动，单片机的内部程序会对信息进行编辑处理，处理完成后输出指令，启动GSM短信模块，用户的终端就会收到预警信息，这样就可以实现防盗报警功能。

本论文设计的家庭防盗报警器系统安装简单，操作方便灵活，不存在操作难度，使用感觉很好，设备智能化水平很高，产品性能极佳。

如今人民防盗意识普遍增强，家庭防盗系统市场需求很大，相关技术也在进步，今后这一市场前景非常广阔。

一个学期的毕业设计结束来，此刻感受颇多，经过这么长时间的学习，虽然经历很多，但最终还是画上来圆满的句号。

毕业设计是对我个人综合能力的一次大大的提升，不仅是看文献，管理文献的能力，还有动手能力。

很多平时没做过的实验，没接触过的设备这次全都参与动手，收获很大。

老师也给来我很多帮助。

经过毕业设计的锻炼，我也意识到自己依然存在很多问题，自己学了很多，还是感觉用不上，理论还是应该和实际结合起来，今后在生活工作中会注意这一问题。

致谢

从不了解写论文过程到顺利完成本论文的过程中，在这个过程中收获来很多。

虽然在进行写作论