基于单片机的GSM人体感应防盗系统设计.docx
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基于单片机的GSM人体感应防盗系统设计
西北民族大学
2011级毕业设计（论文）
基于单片机的GSM人体感应防盗系统设计
年级:
学号:
姓名:
专业:
电气工程及其自动化
指导老师:
二零一五年六月
摘要
随着社会的发展，人们生活水平的提高，家居安防问题日益受到重视。
为满足家居安全需求，本设计采用了热释电红外传感器以及GSM短消息报警模块，以AT89S52单片机为控制核心来完成家庭防盗报警器的设计。
TC35型GSM模块自带RS232通信端口，可以比较方便的与单片机和PC机连接，可实现报警信号通过无线传递的方式直接把报警信息快速的传递到用户手机上，报警方便及时。
通过GSM模块也能完成系统与PC终端相连的功能，方便多系统的协调统一管理。
当热释电红外传感器检测到人体释放的红外光谱之后经过信号放大、传送，单片机接收并分析处理，决定报警与否。
报警方式有本地声光报警以及通过GSM网络发送短消息到用户手机终端上，便于用户实时掌握现场情况。
关键词：
AT89S52；红外传感器；GSM；防盗报警
Abstract
Withthedevelopmentofsociety,people'slivingstandardsimprove,homesecurityhasattractedincreasingattention.Inordertomeetthesecurityneedsofhome,thisdesignusesapyroelectricinfraredsensorandTC35module,useAT89S52asthecontrolcenter.TypeTC35GSMmodulecomeswithRS232communicationport,itcanbemoreconvenientconnectionswiththemicrocontrollerandPC,enablingfastwirelessalarmsignaltransmission,whiletransferringthealarminformationdirectlytomobilephoneusers,tofacilitatethetimelywarning,throughGSMmodulesItenablesthesystemisconnectedtothePCterminal,convenientmulti-systemmanagementharmonization.Whenthepyroelectricinfraredsensordetectsinfraredspectroscopyafterthereleaseofthebodythroughthesignalamplification,transmit,receiveandanalyzesingle-chipprocess,decidewhetherornotthepolice.AlarmhasalocalaudiblealarmandsendingshortmessagesviaGSMnetworktotheuser'smobileterminal,user-friendlyreal-timegraspthesituation.
Keywords:
MCU；Infraredsensor；GSMmodule；Alarmcircuit
第1章绪论
GSM系统是依赖时分多址技术的移动通信体制中较为成熟、较为完善、同时也是广泛应用的系统[1]。
目前，国内的GSM数字蜂窝移动通信网基本上已经覆盖全国，是国民在陆地上的主要通信方式。
随着社会不断进步，科学技术、经济不断发展,人们对家居安全提出了更高的要求,对私有财产的保护意识不断的增强，从而提出了新的防盗要求。
尤其是在家居安全方面,就不得不时刻留意那些不速之客了。
本次设计了一个基于GSM网络的家庭防盗报警系统。
该系统利用GSM网络,可实时将布防区域的报警情况以短消息形式发送给设定好的接收手机。
本次设计以AT89S52单片机为核心，依赖GSM模块设计了一个家庭防盗报警系统。
该系统具有可扩展性高、经济性好、使用便捷等优点，具有较大发展空间。
1.1课题设计研究的背景
国外：
1950-1971年间美、英等国家的安防系统真正形成行业规模。
60年代主要依靠视频图像技术，70年代主要依靠计算机数字技术，80年代主要依靠生物识别技术，90年代依赖国际互联网技术[2]。
之后的产品大多利用超声波、红外发射/接收、微波等技术,结合有效的物业管理来改善人们的安防状况。
目前国际上大多采用技术较为成熟、工作可靠、易于扩展、操作相对简单便捷、经济性能较好的主动红外对射总线制报警主机的方式。
国内：
国内防盗报警产品的应用始于上世纪60年代初，最初被应用于故宫博物院的防盗报警器由北京市公安局技术科研制，值班人员根据罪犯行窃时报警器探测到并发出的声音作为报警信号采取应对措施[3]。
1982年时，结合防盗报警技术的发展状况，公安部与公安部第一研究所在故宫多个展厅内安装了以声控、被动红外检测、主动红外、超声波、微波等科学技术为主的防盗报警器。
由此，多探测手段相互结合的报警系统产生了。
一个全新水平阶段的防盗报警技术就此诞生了。
1984年的国庆阅兵时在天安门广场上建立的电视监控工程为加强安全保卫工作做出了重要贡献。
之后国内安防事业进入到了迅速发展、快速普及提高阶段。
1992年开封文物盗窃事件推动了入侵检测技术的迅速发展和具有防遮挡功能探测器的出现。
1996年，对重点单位和相关场所建设较大规模的区域联网报警网络项目的启动，国内的防盗报警商业化时代逐步形成。
21世纪后，随着福建、深圳以及浙江的一些生产厂商快速成长，投资规模的逐步扩大和企业实力的壮大，防盗报警产业在国内获得了快速的发展。
1.2课题设计研究的目的和意义
目的：
随着社会的发展，科学技术、经济水平不断提高,家居安防问题受到了巨大挑战,人们对私有财产的保护意识日益增强。
为了解决人们对住宅防盗提出的新的需要而进行了本次设计研究。
本设计用C语言编程为编程语言，以51系列单片机AT89S52和TC35模块来组成家庭防盗报警系统，用短消息形式把报警情况直接发送到设定好的手机上，从而更好的保证人们的人生财产安全[4]。
意义：
伴随着电子技术的快速发展，原来的局部化、简单化的报警系统正逐步向集成化、智能化蜕变[5]。
如今市场上大多数防盗报警系统主要依靠以太网络、固定电话拨号、集群系统等方式来进行报警信息的传递。
但它们有各自的缺点，如系统容易受到外界的干扰、经常会发生误报漏报现象使得系统工作时的可靠性不高。
本次设计设计了一个基于GSM网络的以单片机为控制核心的家庭无线防盗报警器以改善以上防盗方式的不足。
此设计可以较好的解决以上所述报警系统工作过程中出现的问题。
该设计不再依赖于电话线，通信光钎等有线通信方式来完成报警，而是通过可靠性高、技术成熟、性能稳定的GSM网络来完成报警工作，直接发送报警信号到设定好的手机上，让用户可以直接简单明了的知道布防区域的情况。
本次设计以热释电红外线传感器为基础来完成信号的检测工作。
它具有如下优点：
成本低廉、结构简单、抗干扰能力较强、性能稳定、安全可靠、安装比较方便、灵敏度高、安全可靠，由于隐蔽性能比较好，所以在布防区域内盗贼不易发现。
同时以C语言为编程语言，编程简单，修改简便。
1.3课题设计研究的主要内容
以固定电话拨号、以太网、集群系统等通信方式为基础的报警系统是目前市面上较为常见的防盗报警系统。
但它们有各自的缺点，如容易出现误报或漏报现象、容易受到外界干扰、反应速度较慢等，因此，在使用过程中的可靠性不高。
针对这些问题，本次设计以设计一个发现问题时反应灵敏、工作性能稳定、报警及时准确方便的报警装置为主要内容。
1.4课题设计研究进度计划
2014年11月28日-2014年12月10日选题；
2015年01月10日-2015年03月02日完成开题报告和任务书；
2015年03月02日-2015年03月15日查询、整理与设计有关的论文、杂志或者期刊等相关资料；
2015年03月15日-2015年04月01日完成硬件电路电路原理图的绘制测试工作，并且在万用板上完成硬件电路的设计与制作；
2015年04月01日-2015年04月10日对设计中需要用到的软件程序进行编写并完成相应的调试测试工作；
2015年04月11日-2015年04月19日完成设计报告的撰写修改工作，最终完成论文的定稿；
2015年04月20日-2015年04月30日完成答辩ppt的设计准备最终答辩准备工作。
1.5本章小节
通过对大量的书籍、期刊等资料的阅读，明确了本次课题设计的发展现状，以及进行这次设计的目的及其设计的意义所在。
提出了设计的主要研究内容并制定了相应的设计研究进度计划。
第2章设计功能指标要求
智能防盗系统是由硬件部分和软件部分组成的。
硬件指单片机、扩展的存储器、扩展的输入输出设备，传感器，GSM网络模块等部分；软件是各种工作程序的总称[6]。
硬件和软件只有紧密配合、协调一致，才能提高系统的性能价格比。
以下是设计所要实现的功能指标：
（1）根据报警器的发展现状，设计一个基于GSM移动网络的应用于家居安防的报警系统。
本设计包括软件部分、硬件部分，有信号检测、信号分析处理、短消息报警、本地报警、按键控制等模块。
（2）本设计依靠热释电红外传感器来完成信息的采集工作，使用单片机对数据进行分析处理，遵循用户自己设定的功能，系统自动完成本地报警功能，同时把报警地点的情况发送至设定好的手机上。
（3）设计要实现功能：
当用户需要离开布防区域时，只需要按下布防按键设定在布防模式，信号采集部分开始工作,若有人进入布防区域，信号采集部分将探测到人体释放的红外光谱产生电压信号，经过信号处理电路的分析处理放大后送入单片机，经过单片机的运算处理，决断是否需要执行报警。
若需要报警则自动启动中断服务程序以完成本地报警和通过短消息通知用户的功能，此时系统进入循环工作模式。
（4）热释电红外传感器可以准确检测到人体释放出的红外波段，能够有效判断是否有人员进入到防护区域内，误报漏报情况较少，同时检测范围较广并且隐蔽性较好[5]。
（5）通过Protel99SE软件完成电路原理图的绘制，选择C语言为编程语言，用KeilC51软件完成软件部分的编译调试烧录等工作。
第3章设计方案
3.1基本设计思路
根据设计所要达到的功能要求分析，可将设计分为下述几个模块：
信号采集、数据分析、信息反馈、短消息发送模块。
其中信号采集包含探测部分、信号放大处理部分、信号比较部分和A/D转换部分构成。
转换后的信号经过电路传送送到AT89S52单片机内，通过单片机对该信号的分析运算之后，决断是否需要驱动本地报警和GSM短信发送模块是否需要向已设置好的手机用户完成短信的发送。
3.2整体方案概述
若用数字电路来构成该防盗报警系统，设计电路将会变得复杂，而且工作时的灵活性差，处理效率不高，工作可靠性不足，这将系统向智能化方向扩展产生阻碍。
因此采用热释电红外传感器来完成采集信号的工作，经过单片机对数据的分析处理，由单片机来控制是否需要完成相应动作。
采集到的信号经过放大电路的放大处理后传送到单片机，经过单片机的分析处理，决定报警与否。
其具有成本低廉、功耗不高、空间占用小、技术比较成熟、灵活性高的优点。
用绘图软件来完成电路原理图的绘制可以使硬件电路简单化且所需功能实现相对简便。
基于GSM移动网络的家庭防盗报警系统应用本地报警和短消息通知方式向用户设定的手机报警。
此报警系统借助GSM移动网络，利用TC35模块以AT89S52芯片为控制核心，将布防区域的报警信息用短消息的形式准确有效的发送到用户设置好的制定手机上，实现实时报警的目的。
3.3关键硬件及电路设计方案介绍
本设计主要由硬件部分和软件设计部分构成。
包含信息采集、按键控制、数据的分析处理、报警等相关模块。
电路设计模块包含：
时钟电路模块、放大电路模块、发光二极管报警电路模块、复位电路模块、声音报警电路模块、单片机控制电路模块等。
单片机是本次设计的中心，整个系统有硬件和软件两个部分组成。
硬件包括数据处理芯片、信号传输设备、外围电路等，软件则由各工作程序一起组成。
从设计的要求分析得出该设计包含的结构如下所示：
信号检测电路、放大电路、报警电路、复位电路、信号处理器和控制管理软件；它们之间的构成框图如图3-1所示：
图3-1总体设计框图
选择AT89S52单片机为信号处理器，整个设计需要在程序语言的控制下完成工作。
若布防区域的热释电红外传感器检测到布防区域内的由人体辐射出来的红外光谱，则自动把该信号转换成微弱的电压信号后经过放大电路的放大处理，通过比较电路的比较对比后输送到门限开关，此时门限阀门打开将TTL电平输送到单片机内，经过程序部分的查询、系统识别判决之后决定是否应该发出入侵报警信号[6~9]。
若需要报警则通过驱动电路对相应的控制信号进行放大处理，驱动报警模块完成用户设定好的相关报警工作。
3.4软件流程设计方案
通过对系统工作原理的分析，结合硬件结构的设计，确定了如下工作流程图。
如图3-2所示：
图3-2主程序工作流程图
在有人员进入布防区域时热释电红外传感器将会检测到脉冲信号，通过放大电路的放大处理传送到单片机，经内部程序分析处理，决断是否需要报警。
若不需要报警则返回信号检测状态继续工作；若需要报警则驱动报警电路执行报警功能，当报警状态持续10秒后停止报警。
此时主程序进行循环运行，若传感器再次传来触发信号，则再次驱动报警电路执行报警功能使报警器进入一个连续循环的工作状态。
此时也可以通过中断方式在报警时间未到10秒时，按下取消报警按键来停止报警。
中断服务程序工作流程图，如图3-3所示；
图3-3中断服务程序工作流程图
3.5本章小结
通过对整体设计方案的研究分析，确定了基本的设计思路，明确了具体需要用到的元器件以及电路原理图的构思方案，确定了软件流程图的方案设计，为具体的硬件电路的设计以及软件设计提供了有效可行的设计方案。
第4章设计的具体电路、程序
4.1硬件电路设计
因为本次设计的硬件电路中元件数量不是特别多，所以采用Protel99SE绘图软件软件来完成所有硬件电路原理图的绘制工作。
4.1.1放大电路的设计
在该电路中Vi端为放大电路的电压信号输入端，Vo端为该放大电路的放大电压信号输出端。
放大电路如图4-1所示：
图4-1放大电路图
4.1.2时钟电路的设计
XTAL1引脚为反向放大器的输入端，XTAL2引脚为反向放大器的输出端。
片内振荡器可以以此反向放大器为基础进行配置。
若采用外部时钟源驱动器件，则XTAL2不接。
一个机器周期包含六个状态周期，一个状态周期包括两个振荡周期。
因此，一个机器周期共有十二个振荡周期。
如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，则一个振荡周期为1/12us，因此一个机器周期为1us。
如图4-2所示：
图4-2时钟电路图
4.1.3复位电路的设计
复位有上电自动复位和外部按键手动复位两种。
单片机在时钟电路工作以后,只需在RESET端持续给出两个机器周期的高电平即可完成复位操作。
根据设计要求分析本设计采用了手动按键复位的方式。
电路图如图4-3所示：
图4-3复位电路图
4.1.4发光二极管报警电路的设计
将发光二极管一端与电阻连接上后再与单片机的RXD引脚相连，另一端接VCC引脚，AT89S52的RXD引脚被置为低电平后，二极管将会被点亮。
电路图如图4-4所示:
图4-4二极管报警电路图
4.1.5声音报警电路的设计
在单片机的P25引脚上将Speaker、三极管、电阻连接上之后就构成了声音报警电路。
如图4-5所示：
图4-5声音报警电路图
4.1.6单片机连接热释电红外传感器电路
用一个热释电红外传感器与单片机的引脚连接完成信息采集工作，如图4-6所示：
图4-6单片机连接热释电红外传感器电路
4.1.7按键电路图
用3个按键分别完成布防、撤防、取消报警的功能，其中：
S2为布防按键；S3为撤防按键；S4为取消报警按键。
具体电路如图4-7所示：
图4-7按键电路图
4.1.8AT89S52单片机各引脚连接图
AT89S52单片机各引脚与各电路应用模块的连接，如图4-8所示：
图4-8单片机各引脚连接图
4.1.9TC35模块通信连接
由于TC35模块上带着RS232端口，所以在进行与单片机的连接工作时只要用一个TTL转RS232电平的电路即可将其和AT89S52的UART口相连,另一端则可以直接连接到TC35。
MAX232芯片和COMPIM串口端共同组成了串口模块，COMPIM端口与GSM连接，而MAX232则完成与单片机的连接工作。
用TC35模块和AT89S52单片机连接来实现通过短消息报警的功能，连接电路如图4-9所示：
a）TC35模块与单片机引脚连接图b）串口通讯示意图
c）TC35模块与单片机连接图
图4-9TC35模块通信连接图
4.2元器件选择
在确定了设计方案并完成了电路原理图的绘制工作后，对元器件进行选型以完成硬件电路的焊接工作。
4.2.1数据采集部分的选择
若用红外光电对管来实现防盗报警的信息采集工作，优点是电路设计相对简单，布防时将其安装到门窗上，即使有人员在家也不影响布防工作。
但是布防复杂且在风吹起窗帘遮挡的时候容易产生误报错报现象，可靠性不高。
用来制作热释电红外传感器的主要材料是高热电系数的材料，一般在其内部安装两个以反极性串联方式接入的探测元件以防止由于工作时它本身温度的上升而产生的干扰[10]。
其内部场效应管可以将探测接收到的红外辐射转变成的电压信号放大后向外输出。
探测器的前方装设了一个用透明塑料制成的菲涅尔透镜来增加探测器的探测灵敏度，这样还可以提升探测的范围。
将其结合放大电路一起使用，可放大信号到70分贝以上，如此可以准确测出20米范围内是否有人员活动。
探测元件的探测波长灵敏度为0.2~20um，在该范围内几乎稳定不变，但是人体辐射的红外线中心波长为9~10um，因此需要在传感器的顶端加装一个可透过波长为7~10um光线的滤光镜片，其它波长的红外线将会被滤光镜片所吸收[11]。
由以上分析选择热释电红外传感器来实现信号采样处理的工作。
4.2.2单片机选型
选择单片机型号需要考虑的因素如下所属：
1．市场货源
系统设计所需要的单片机只能从目前市场上所供应的单片机中选择，所选的单片机型号必须有稳定、充足的货源供应，这样才能找到合适的开发软件对其进行开发设计。
2．单片机性能
根据设计所需要的功能，结合市场上在售单片机型号的各项性能的分析，选择一个易于实现设计所要达到的技术指标，性价比较高的片子。
尽量避免选择性能过分高于所需要求的单片机，造成资源的浪费和成本的增加。
单片机性能要充分考虑片内硬件资源，单片机工作过程中的运行速度，在工作过程中是否可靠，占用空间是否合理等方面的因素[12]。
除此之外，还应该考虑设计时硬件焊接和软件设计方面的容易程度，在满足要求的前提之下尽量减小相应的工作量。
同时也需要考虑开发工具的性能价格比和上手难易度。
3．设计周期
由于设计时间紧，因此还得考虑自己对所选择的单片机的熟练程度。
选择一个好的开发工具可以大大降低设计时的困难程度，节省设计时间。
因此，也应考虑开发工具的选择。
AT89S系列单片机是在AT89C系列之后推出的功能更加强大的新产品。
AT89S系列和AT89C系列相比：
在运算速度方面有了显著提升，同时片内集成有看门狗定时器、低功耗休闲、掉电模式中断恢复等诸多功能。
AT89S52单片机是AT89S系列中的增强型高档机产品，它的片内存储器容量与AT89S51相比增加了一倍，片内有8KB的Flash程序存储器和256B的RAM。
还增加了16位定时／计数器等其它较强的功能。
根据分析比较，选择AT89S52单片机来进行本次设计任务。
4.2.3GSM模块
TC35是西门子新研发的GSM通信模块。
设计方案中短消息报警功能可以通过它便捷、安全而又可靠地完成。
该模块可以在3.3至5.5V的电压范围内正常运行。
40引脚的ZIF连接器可以完成电源、数据、语音、控制信号等的相互交换工作。
ZIF连接器可以与SIM卡卡托通信，50Ω天线连接器则与天线连接以实现相关数据的传输工作[13]。
在没有外界硬件电路与之相连的情况下可以完成FR、HR和EFR语音信道编码的工作。
4.3相关程序清单及各部分说明
完成各功能模块相对应的程序编写，调试正确后将其综合进行总程序的编译调试工作。
4.3.1延时子函数
函数功能：
产生短暂延时
voiddelayms（uintxms）
{
uinti,j;
for（i=xms;i>0;i--）
for（j=110;j>0;j--）;
}
4.3.2按键子函数
函数功能：
控制报警
voidkey（）
{
if（K1==0）
{
delayms（5）;
if（K1==0）
{
while（!
K1）;//等待按键释放
EA=1;
ET0=1;//启动定时器0
TR0=1;
flag1=0;
LED2=0;//绿灯亮，说明安防已启动
}
}
if（num1==60）//一分钟后布防
{
flag1=1;
EA=0;
ET0=0;//关闭定时器0
TR0=0;
num1=0;
}
if（K2==0）//紧急报警键
{
delayms（5）;
if（K2==0&&flag1==1）
{
while（!
K2）;
flag2++;
if（flag2==2）
flag2=0;
}
}
if（flag2==1）
{
BEEP=0;//蜂鸣器报警
delayms（70）;
BEEP=1;
delayms（70）;
LED2=1;//关闭绿色指示灯
LED1=0;//启动红色指示灯
}
if（flag2==0&&flag1==1）
{
LED1=1;//关闭红色指示灯
BEEP=1;//关闭蜂鸣器
LED2=0;//启动绿色指示灯
}
}
4.3.3报警子程序
函数功能：
实现报警功能
voidbaojing（）
{
if（flag1==1）
{
if（（IN==0||flag==1））
{
ET0=0;//启动定时器0
TR0=0;
flag=0;
LED1=1;//关闭红色指示灯
BEEP=1;//关闭蜂鸣器
LED2=0;//启动绿色指示灯
}
if（IN==1&&flag==0）
{
ET0=1;//启动定时器0
TR0=1;
LED2=1;//关闭绿色指示灯
LED1=0;//启动红色指示灯
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