基于msp430的宿舍防火防盗系统设计与实现毕业设计论文.docx

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基于msp430的宿舍防火防盗系统设计与实现毕业设计论文

基于msp430的宿舍防火防盗系统设计与实现

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

宿舍防火、防盗系统是现在高校宿舍亟待解决的一个问题。

本系统采用高性价比的msp430单片机为控制核心，设计制作了监控主机和监控终端，通过无线模块相互通信，监控终端发出报警信号，监控主机在值班室报警并且显示报警信息。

系统集成了热释电传感器，火焰传感器，可燃气体检测传感器，DS1302时钟模块，DS18B20数字温度传感器，语音报警模块，蜂鸣器模块，1602、12864液晶显示电路，键盘输入模块，NRFCC1100无线传输模块等硬件电路。

实现了宿舍人员、可燃性气体、火源的实时监控和异常情况的声光报警以及语音报警。

解决了高校宿舍的防火防盗问题。

关键词：

防盗防火；单片机；NRFCC1100；1602液晶

ThedesignofthefirealarmsystemforthedormthatbasedontheMCU

Abstract

Thedormitoryfirepreventionandguardingagainsttheftamongthecollegedormsisaproblemthatexigentedtobesolved.Thesystemusescost-effectivecontroller-Smsp430.ThesystemisconsistsofmainandauxiliariesthattheycommunicatewitheachotherthroughWirelessModuleControl.Thehostmachinewilldisplaythealarmmessageswhentheauxiliariessendingthesignaltoit.Pyroelectricsensor,flamesensor,flammablegasdetectionsensor,DS1302clockmodule,DS18B20digitaltemperaturesensor,voicealarmmodule,1602and12864liquid-crystaldisplay,thekeyboardinputmodule,NRFCC1100wirelesstransmissionmoduleaswellasotherhardwarecircuitcomposedthesystem.Realizedthereal-timemonitoringofthedormitorypersonnel,combustiblegas,andtheignition.Solvedtheproblemofthedormitoryfiresecurity.

Keywords:

FireAlarm；MCU；NRFCC1100；1602LCD

摘要I

AbstractII

目录III

第一章引言1

1.1项目开发背景1

1.2国内外的研究现状1

1.3项目目标1

1.4开发环境与运行环境2

第二章系统方案的选择与比较3

2.1设计思路3

2.2控制器模块3

2.3人体检测模块4

2.4烟雾检测模块4

2.5声光报警模块4

2.6键盘输入模块5

2.7显示模块5

2.8数据通信模块6

2.9A/D转换模块6

2.10时钟模块7

第三章硬件系统设计8

3.1主控制器电路设计8

3.2电源电路设计8

3.3热释电传感器电路设计9

3.4可燃性气体检测电路设计9

3.5声光报警电路设计10

3.6矩阵键盘电路设计10

3.7时钟电路设计10

3.8存储器电路设计11

3.9无线收发电路设计11

3.10语音模块电路设计12

3.11电平转换电路设计12

第四章系统软件设计13

4.1程序流程图13

4.2软件设计特点14

第五章理论分析与计算15

5.1热释电传感器检测灵敏度分析15

5.2AD转换模式选择分析15

第六章系统测试16

6.1系统测试方案说明16

6.2系统测试过程16

6.3系统性能分析17

第一章引言

1.1项目开发背景

近年来，防盗防火安全监控装置已成为银行、商店、办公室、居民区、仓库等普遍应用的设备，为维护社会治安、保障国家财产和群众的安全发挥了重要作用[1]。

但是由于经济和技术上的原因，当前监控系统普遍存在探测器误报率较高，系统设计不合理的现象。

因此，设计一个针对现场情况，可靠性能高、价格合理的监控系统是一个值得研究的课题。

本设计采用以msp430系列单片机为主控制芯片，增加密码设置功能，很好的解决了当前监控系统存在误报率高的问题。

1.2国内外的研究现状

国内防盗、防火报警产品发展到现今，其技术应用依然以红外技术为主。

虽然后来陆续发展出激光，超声波、微波等新技术，但是红外技术在相当长的一段时间内仍处于主流地位[2]。

红外对射探测器具有技术成熟、成本低、不受环境光照影响、抗风性好、抗震动性较好等特点，在雾、雨、雪等气候条件下也能保持较好的性能。

其缺陷表现在设备易老化、使用寿命短、误报率较高、不能进行曲线周界的防范等方面。

针对单一技术探测器存在误报漏报等缺陷，目前市场上又出现了双鉴探测器、三鉴探测器等换代产品。

现阶段，大部分工程商安装防盗、防火报警产品时倾向于国外品牌，其中，安装的国外产品主要来自美国、日本和韩国，这三个国家的产品占据我国报警市场的近80%的市场份额[3]。

因为防盗、防火报警产品在这些国家的发展已经非常成熟，产品功能稳定、性能完善，再加上进入我国的时间较早，所以在我国市场上占有相当大的份额。

1.3项目目标

本设计将以msp430单片机为主要控制核心，当热释电传感器监测到宿舍有人员进入时，蜂鸣器发出提示，LED指示灯闪烁，要求进入宿舍人员输入密码。

如果在30s时间内没有密码输入，或者连续输入密码错误达到三次，从机监测系统将会自动发出报警信号。

当主机接收到信号后，控制语音报警模块报警同时LED指示灯闪烁，提示有人员进入宿舍，请注意防盗。

如果密码输入正确，将解除防盗系统，同时进入密码修改界面，通过键盘两次输入新密码，可以实现新密码的设置。

其他情况下，当从机监测到火源或者可燃性气体时，从机都会发出报警信号至主机，主机会控制相应的播放地址，控制语音模块语音报警。

1.4开发环境与运行环境

1.4.1开发环境

处理器是Intel®酷睿2双核CPUT6600，内存为2G内存，硬盘为500G的硬盘；使用Microsoft®Windows™XPProfessional操作系统；KeiluVision4为开发环境；STC-ISP为下载软件。

1.4.2运行环境

处理器是Intel®Pentium®4及以上的处理器，内存是128M以上的，硬盘是10G以上容量；使用Microsoft®Windows™9X/NT以上版本为操作系统；屏幕分辨率为800*600或以上的。

第二章系统方案的选择与比较

2.1设计思路

本系统以Smsp430单片机为主控制核心，设计制作了监控主机和监控从机。

监控从机采集宿舍内的可燃气体、火源和人员进入情况，通过无线网络传输给监控主机，监控主机显示从机的安防情况并适时地进行声光报警。

其中无线网络运用NRFCC1100进行数据的传输。

图2.1为系统的整体结构框图。

图2.1系统总体结构框图

2.2控制器模块

方案一：

选用ATMEL公司的AT89C51作为该系统的微控制器。

51单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，成本低。

但51单片机功耗较高、运行速度慢、储存空间小内存只有8Kb。

方案二：

选用msp430系列单片机作为该系统的微控制器。

msp430系列单片机数据处理速度快，耗能低，保密性能好，内存空间大，抗干扰性好，内部集成资源丰富，具有A/D转换等电路。

考虑到本系统软件编程较为复杂，对单片机性能、内存要求较高，本设计采用了方案二，选用msp430系列单片机作为该宿舍防火防盗系统的微控制器。

2.3人体检测模块

方案一：

用摄像头检测。

摄像头能全方位监控到宿舍内是否有人。

但摄像头检测需要的成本较高，而且宿舍属于私人空间，用摄像头监控会侵犯宿舍内成员的隐私权。

方案二：

采用微波传感器。

微波传感器是利用微波特性来检测一些物理量的器件，时间常数小，反应速度快，可以进行动态监测与实时处理。

为了使发射的微波具有一致的方向性，天线应具有特殊的构造和形状，且存在零点漂移，易受外界环境因素的影响。

方案三：

采用热释电传感器。

热释电传感器能够检测到人体由于体温作用向外发射的红外线，能够把热信号转换成电信号，再加上简单的外围电路就会生成和单片机兼容的数字信号。

综合题目，从使用方便角度考虑本系统选用方案三。

2.4烟雾检测模块

方案一：

检测仓库内的烟尘。

当仓库内起火，烟雾中含有大量的烟尘，烟尘超过一定量时认为仓库内起火并报警。

但是当打扫卫生也会有大量的烟尘，对系统有很大的干扰。

方案二：

检测空气中的可燃气体。

当仓库内起火时，物品燃烧不完全会产生大量的CO，CO为可燃气体，通过检测可燃气体含量可以判断仓库内是否起火。

这种方法抗干扰能力强，即使仓库充斥其他的可燃气体，对于这样存在的安全隐患，也应该报警排除隐患。

综上考虑，本设计选用方案二。

2.5声光报警模块

方案一：

采用蜂鸣器和发光二极管共同构成声光报警电路，这种方案材料容易取得，而且廉价，占用的I/O口资源较少。

方案二：

采用ISD公司生产的专业语音芯片ISD4004和发光二极管相配合的方案。

ISD4004语音芯片采用SPI总线进行操作，需要外加独立键盘进行录音，程序控制简单，占用的I/O口资源较少，而且存储空间相对较大，价格便宜。

方案三：

采用BMP5008系列语音模块和发光二极管相互组合的方式。

采用专用录音控制芯片（BLR3808）外加SPI接口的NORFLASH，可以获得从30秒－32分钟的录音容量，且录音信息掉电后不会丢失。

可外接多种音源录音，音质好，音量可调，可靠性和抗干扰性能强，操作简单，但是占用的I/O口资源相对较多，程序精简，但价格较贵。

综上考虑，由于方案二性价比较高，选其作为主机的声光报警模块。

而从机的I/O口资源相对紧张，所以确定方案一为最佳的方式。

2.6键盘输入模块

方案一：

采用16个小按键手动焊接4*4的矩阵键盘。

这种方案取材容易，焊接简单，操作简便，采用程序分离按键容易实现。

方案二：

采用TFT彩屏液晶显示器，通过程序编写出按键界面，然后再进行键盘的分离操作。

这种方案，程序控制较为复杂，价格较为昂贵。

综上所述，考虑到性价比的问题，本设计最终确定采用方案一。

2.7显示模块

方案一：

用数码管进行显示。

数码管亮度高、显示速度快、显示效果简洁明了。

但是数码管需要实时的进行动态扫描，需要外加三极管或者锁存器进行驱动，硬件电路设计较为复杂。

且显示信息简单、有限，只能显示有限的数字和符号，在本题目中应用受到很大的限制。

方案二：

采用不带字库的液晶1602显示器。

1602为并口操作，占用的I/O口资源较多。

但是程序控制简单，价格低廉。

方案三：

采用带字库的LCD显示。

12864液晶能显示图形汉字，显示信息丰富。

接口电路简单，可以和单片机直接相连，可以采用串行传输，节省了I/O口资源。

LCD的全中文界面显示，使得显示内容丰富，易于人机交流。

综合考虑本设计采用方案二和方案三相结合的方式，用12864液晶用于主机显示相关数据，1602液晶用于从机显示相关信息。

2.8数据通信模块

方案一：

采用PT2262/2272编解码电路。

PT2262/2272是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，其外部元器件少，电压工作范围较宽，焊接、编码操作简单，成本较低[4]。

但是其编解码的数据量较小，不能实现多通道控制，抗干扰能力和传输距离较差，相对于单片机的传输速度慢，不适于实时大量的数据传输。

方案二：

采用NRFCC1100射频收发器。

NRFCC1100射频收发器工作在433/868/915MHz的ISM频段由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成。

NRFCC1100可以自动产生前导码和CRC可以很容易通过SPI接口进行编程配置，功耗低[5]。

最大传输数率达到500kbps，开阔地传输距离达到300-500米，具有无线唤醒等功能，灵敏度达到-110bBm，可靠性高，可广泛用于各种场合的短距离无线通信领域。

综上考虑，由于本设计系统较为复杂，故选择方案二。

2.9A/D转换模块

方案一：

选择逐次比较型A/D转换器ADC0804，该芯片采用CMOS工艺20引脚集成芯片，分辨率为8位，转换时间为100us，输入电压为0~5V。

芯片内具有三态输出数据锁存器，可直接连接在数据总线上。

但是ADC0804为并口操作，占用资源较多，可以连接的传感器输入口较少，不适合本设计。

方案二：

采用msp430单片机内部自带的AD转换器。

msp430单片机的A/D转换接口在P1口，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到25KHz。

8路电压输入型A/D，可做温度检测、电压电池检测、按键扫描、频谱检测等[6]。

可以通过软件设置8路中的任何一路为A/D转换，不作为A/D转换的口可继续作为I/O口使用。

综上考虑，因为本设计使用的传感器数目较多，采用直接调用内部A/D寄存器方式简单易行，适合本设计，选择方案二。

2.10时钟模块

方案一：

采用DS12C887时钟芯片。

DS12C887时钟芯片内部有世纪寄存器，利用硬件电路可以解决“千年”问题[7]。

该芯片自带锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能保持10年之久。

DS12C887可以通过一个多路复用的单字节接口访问，该接口支持Intel和Motorola模式。

但是DS12C887芯片为并口操作，占用资源较多，而且芯片价格昂贵，不易采纳。

方案二：

采用DS1302时钟芯片。

DS1302芯片体积小，为串口操作，占用I/O口资源少，可以通过外加备用纽扣电池实现掉电不丢失，价格便宜，容易实现。

综上考虑，本系统确定方案二为最终的方案。

第四章系统软件设计

4.1程序流程图

4.1.1监控从机流程图

N

图4.1.2监控从机流程图

4.2软件设计特点

软件设计采用模块化编程的方法，每一个模块对应一个头文件和一个C文件，各模块之间耦合度较小，程序修改、维护方便，程序的可移植性好。

第五章理论分析与计算

5.1热释电传感器检测灵敏度分析

本系统热释电红外传感器采用具有较高性能的传感信号处理集成芯片BISS0001，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。

BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路[11]。

该传感器的灵敏度主要由输出延迟时间和触发封锁时间决定，前者称为Tx，由外部的R9和C7的大小调整，后者称为Ti，由外部的R10和C6的大小调整。

根据芯片资料，输出延迟时间Tx≈49152*R9*C7，触发封锁时间Ti≈24*R10*C6。

R9/R10一般用470Ω，C6/C7可以选0.1uF，即Tx=2.31.0s，Ti=1.128s。

5.2AD转换模式选择分析

Msp430单片机A/D由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器。

该款芯片的A/D为逐次比较型A/D转换器。

有两种转换结果模式选择，8位或者10位转换结果选择。

本设计选用转换器的10位转换结果方式，选择10位转换结果。

第六章系统测试

一个设计在经历了方案