家庭防盗报警器系统设计课程设计.docx
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家庭防盗报警器系统设计课程设计
1总体方案设计
现在市场上有各种各样的报警器，通过对它们进行分析比较，根据产品的功能要求和产品的性价比，决定采取由单片机为主要技术进行总体方案设计。
1.1系统的功能要求
根据实际要求，本毕业设计课题技术要求：
（1）应用场合：
家庭防盗报警；
（2）采用热释电红外传感器，一旦发现有人入室行窃，应发出声、光报警，并能显示出出事地点；
（3）预留相应接口，以适应家用电器联网的需求；
（4）220VAC供电；
（5）成本应控制在适合家用。
1.2总体设计方案
智能住宅安防报警系统开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况，根据我国住宅建设的实际情况，为满足新时期居民的居住要求，并充分考虑其经济性和可靠性。
系统组成框图如图2.1所示，根据系统拟达到的总体功能，将其划分为以下功能模块：
电源电路，热释电红外传感器电路、警铃电路、数码管显示电路、SIM900A通信电路等。
图2.1系统组成框图
红外探测器安装在用户家里需要防范的部位，例如门窗、厨房，卧室等，当系统开机时，一旦有人入侵，与之相应的报警探测器立即向用户端自动报警主机发出报警信号，接到警情事件后，自动报警主机立即进行确认，确认无误后，进行处理，同时显示入侵的地点，并做出相应的提醒。
1.3系统相关技术
本系统主要有电源电路，热释电红外传感器电路、警铃电路、数码管显示电路、SIM900A通信电路等部分组成。
下面我们将简要介绍单片机技术，传感器技术和GSM技术等。
2.3.1单片机技术
1.单片机的特点
所谓单片机就是一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定时/计数器和多种I/O接口电路等而具有一定规模的微型计算机。
单片机与通用微型计算机相比较，它在硬件结构、指令设置上均有其独到之处，主要特点如下：
（1）单片机中的存储器ROM和RAM是严格分工的。
ROM为程序存储器，只存放程序、常数及数据表格。
而RAM则为数据存储器，用作工作区及存放变量。
这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储空间，把已调试好的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中，这样，小容量数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加快单片机的执行速度。
但单片机上RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速数据缓冲存储器（Cache）用。
（2）采用面向控制的指令系统。
为满足控制的需要，单片机的逻辑控制能力要优于同等级的CPU，特别是单片机具有很强的位处理能力。
单片机的运行速度也较高。
（3）单片机的I/O引脚通常是多功能的。
由于单片机机芯上引脚有限，为了解决实际引脚和需要的信号线数的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。
（4）系列齐全，功能扩展性强。
单片机具有内部掩膜ROM、内部EPROM和外接ROM等形式，并可方便的扩展外部的RAM、ROM及I/O接口，与许多通用的微机接口芯片兼容，对应用系统的设计和生产带来极大的方便。
（5）单片机的功能是通用的。
单片机虽然主要是作控制器用，但是功能上还是通用的，可以像一般微处理器那样广泛地应用在各个方面。
2.单片机的应用
单片机在控制应用领域中，有如下几方面的优点：
（1）体积小、成本低、运用灵活、易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电仪一体化；
（2）面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比；
（3）抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其他机种无法比拟的；
（4）可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统得效率和可靠性大为提高。
单片机的应用范围十分广泛，下面仅列举一些典型的应用领域。
（1）工业控制：
数控机床，温度控制，可编程顺序控制，电机控制，工业机器人，智能传感器。
离散与连续过程控制；
（2）仪器仪表：
智能仪器，医疗器械，液体和气体色谱仪，数字示波器；
（3）电讯技术：
调制解调器，声象处理，数字滤波，智能线路运行控制；
（4）办公自动化和计算机外部设备：
图形终端机，传真机，复印机，绘图仪，磁盘/磁带机，智能终端机；
（5）导航与控制：
导弹控制，鱼雷制导，智能武器装置，航天导航系统；
（6）汽车与节能：
点火控制，变速控制，防滑车控制，排气控制，最佳燃料控制，计费器，交通控制；
（7）商用产品：
自动售货机，电子收款机，电子秤，银行计统机；
（8）家用电器：
微波炉，电视机，录像机，音响设备，游戏机[5]。
3.AT89S52的特点
AT89S52作为普通51单片机已与广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使用，且功能强大，因此本系统采用AT89S52单片机作为主控制芯片。
AT89S52的功能特性描述：
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
下面我们介绍一下AT89S52的引脚，AT89S52引脚排列如图2.2所示，各引脚的功能如下：
引脚结构
图2.2AT89S52引脚排列图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
PO口：
PO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l时，被定义为高阻输入。
PO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FLASH编程时，PO口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，PO输出原码，此时PO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1/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1/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。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向1/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口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下为管脚的备选功能：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INTO（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4TO（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。
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[6]。
2.3.2热释电红外传感器技术
现在有关家庭防盗的传感器非常多，有人体热释电传感器、门磁传感器、振动位移传感器、红外线反射开关无线探头、门把手人体接近感应传感器、雷达波人体检测无线探头等等。
本系统考虑到不仅要满足可靠探测的需要，而且还需经济实用和安装操作简便，所以选用了人体热释电红外传感器完成防盗监测。
当盗贼企图从门窗进入室内时，人体热释电传感器能检测到人体移动的红外信号。
热释电红外传感器是一种新型的利用红外辐射热效应的原理进行工作的探测器，其原理是利用热释电晶体材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应。
晶体受辐射照射时，由于温度的改变使自发极化强度发生变化，结果在垂直于自发极化方向两个外表面之间出现感应电压，利用这个感应电压的变化可以测量光辐射的能量。
因为热释电传感器的电信号正比于传感器温度随时间的变化率，不像其他热传感器需要有个热平衡的过程，所以其响应速度比其他热传感器快很多。
而且它的光谱响应范围宽，在室温下工作无需致冷，使用方便，因此本课题中的红外传感器选用的就是热释电传感器[7～8]。
1.热释电效应
由于热释电晶体自然存在时，内部会产生固有的自发电极化，通常情况下这类晶体并体并不显出外电场，因为对导体来说，这种自极化的自由电荷分布将与内电矩相抵消；对绝缘体来说，极化引起的表面电荷会吸引杂散电荷趋附到晶体表面从而使得二者中和掉。
当晶体的温度发生变化时，晶体的自发极化强度也随之改变，在与极化强度方向垂直的晶体表面就会产生热释电电荷，如果晶体的温度变化足够快，内部的或外界的电荷来不及补偿中和热释电电荷，这时会显出电场。
这种晶体随温度变化而产生电荷的现象就是热释电效应[9～10]。
2.热释电红外传感器结构及工作原理
热释电红外传感器系统主要有光学系统、热释电红外探测头、信号滤波和放大、信号处理电路等几部分组成。
其组成框图如下图所示：
图2.3热释电红外传感器系统组成框图
红外热释电处理芯片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，具有较高性能的传感信号处理能力，它配以热释电红外传感器和少量外围元器件构成被动式热释电红外开关，能自动快速开启报警装置。
由于红外热释电传感器只对不断快速变化的红外信号才敏感，而自然界的红外信号一般都是缓慢变化或者是不变的，因此探头部分需要一个能对红外辐射进行调制的装置，本课题所使用的菲涅尔透镜。
由于菲涅尔透镜采用了特殊的光学透镜组合，因此能在探测器前方产生一个交变的场区，即产生了一个交替变化的“盲区”和“有效区”。
这样，外部目标的红外辐射通过菲涅尔透镜照射到敏感单元上的将会是交变的红外辐射，当这个交变的红外信号照射到探测器晶体上面，晶体的温度会发生变化，从而引起自发极化强度的变化，晶体表面的束缚电荷因此也会发生变化，这样就产生了一个随红外辐射变化的电信号[10～12]。
红外热释电传感器的正确安装应满足下列条件：
（1）红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。
（2）红外线热释电传感器远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。
（3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。
（4）红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。
红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。
2.3.3GSM模块
目前，在国内已经开始使用的GSM模块有Falcom的A2D系列，Wavecom的WM02系列，西门子的SIM900A系列模块，这些模块的功能、用法差别不大。
其中SIM900A系列模块性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证。
西门子的SIM900A模块是西门子推出的无线模块，功能丰富，设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积。
SIM900A与GSM2/2+兼容、双频（GSM900/GSMl800）、RS232数据口、符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，且易于升级为GPRS模块。
该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。
因此本此课题研究选用西门子的SIM900A模块。
它主要是由射频天线、内部F1ash、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的Zip插座组成。
其中GSM基带处理器是核心部件，它的作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送过来的AT指令。
射频电路部分主要实现信号的调制与解调，实现外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换，匹配电源为处理器以及射频部分提供所需的电源，插座是提供给用户的应用接口主要有音频接口、数据接口、SIM卡接口、电源及其控制接口。
SIM900A工作频段为双频GSM900MHz和GSMl800MHz（phase2/2+）：
支持数据、语音、短消息和传真。
SIM900A的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-TRS232接口标准。
它有固定的参数：
8位数据位和l位停止位，无校验位，波特率在300bps～115kbps之间可选，硬件握手信号用RTSO/CTSO，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集。
GSM模块提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07规范。
GSM07.07中定义的ATCommand接口提供了一种移动台（MS）与数据终端设备（DTE）之间的通用接口，GSM07.05对短消息作了详细的规定。
在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示消息，数据终端设备可以向短消息模块发送各种命令[13]。
3报警器硬件设计
我设计红外防盗报警系统是由中央控制器、人体热释电红外传感器、SIM900A通信模块、警铃电路部分组成。
控制器采用单片机AT89S52，检测部分采用红外感应芯片BISS0001，警铃电路设计。
概况起来可分信号采集端，数据处理显示，警铃电路三部分。
本文从硬件和软件两方面介绍了红外防盗报警系统，对硬件原理图和程序图作了简洁的描述。
3.1主机电路设计
报警器的主机采用AT89S52单片机来实现。
单片机是将中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器及输入输出接口电路等计算机主要部件集成在一块集成电路芯片上的微型算机。
现在世界上已经有很多大公司能够生产单片机，随着超大规模集成电路的迅猛发展，单片机的功能也日渐强大，运算速度日益提高，相继出现了32位和64位单片机，但根据实际系统的需要和产品的性价比，本文选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89S52，构成系统的主机。
主机部分的电路原理图如图3.1所示，它由复位电路、振荡电路组成。
图3.1主机部分原理图
3.1.1时钟电路
AT89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图3.2所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图3.3所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用[13]。
图3.2内部方式时钟电路图3.3外部方式时钟电路
3.1.2复位及复位电路
1.复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表3-1所示。
表3-1一些寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
IP
××000000B
SBUF
不定
IE
0×000000B
PCON
0×××0000B
TMOD
00H
2.复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图3.4所示。
图3.4复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3.5（a）所示。
这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
图3.5（a）上电复位图3.5（b）按键电平复位图3.5（c）按键脉冲复位
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3.5（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图3.5（c）所示[14]。
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
本系统中采用上电自动复位，其复位电路如图3.5（a）所示。
3.2热释电红外传感器
本系统采用的热释电传感器成品的引脚示意图如图3.6所示，引脚功能如下：
数字1脚：
电源负极
数字2脚：
信号输出，高电平有效，4～6V和工作电压有关
数字3脚：
电源正极DC6～9V
W1：
灵敏度调整
W2：
输出延时调整5～120秒
图3.6热释电红外传感器的引脚示意图
它的技术参数如下：
1、工作电压：
DC6～9V
2、电平输出：
和电源电压相同
3、感应角度：
水平：
90～140度；垂直：
15～30度
4、静态电流：
小于750μA
5、无信号输出：
0V
6、感应距离：
0.5～15米
7、外形尺寸：
28mm×38mm高25毫米（最高点）
8、输出电平：
4～6V与工作电压有关
9、工作时间：
可调5-120秒范围
当探测器检测到异常的情况，由2脚输出一个高电平，发送到单片机上，单片机做出报警处理。
3.3SIM900A短信息收发模块
GSM模块选用SIM900A模块，通过标准AT指令控制。
GSM无线通信模块SIM900A具有语音、数据呼叫、短消息等许多功能，本系统主要采用GSM模块SIM900A的短消息接收和发送功能。
基于AT89S52与GSM的短消息收发系统的组成框图如图3.7所示。
图3.7 系统组成框图
该系统主要有两个通信模块AT89S52与GSM通信模块SIM900A，实现MCU与GSM模块之间的有线数据传输；GSM与手机通信模块，实现GSM模块与手机之间的无线数据传输。
本设计采用PC机处理数据，通过单片机转发给SIM900A。
GSM通信模块SIM900A
是利用串口进行数据传输的，所以就可以使用AT89S52的串口和它直接进行数据传输，MAX232是完成电平转换的功能。
设计电路框图如图2所示。
图3.8系统设计框图
SIM900A模块的正常运行需要相应的外围电路与其配合。
SIM900A共有40个引脚，通过ZIF连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、SIM卡电路、指示灯电路等连接。
SIM900A主要由GSM基带处理器、GSM无线模块、电源模块、闪存、ZIF连接器、天线接口6部分组成，共有40个引脚，通过一个ZIF连接器引出。
这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入／输出、SIM卡、音频接口和控制。
第1～14脚为电源部分，其中1～5为电源电压输入端Vbatt+，6～10为电源地GND，11、12充电引脚，13对外输出电压（外电路使用），14为ACCU—TEMP接负温度系数的热敏电阻；15、30、31和32脚为控制部分；16～23为数据输入／输出；24～29为SIM卡引脚；33～40为语音接口用来接电话手柄[15]。
SIM900A模块及其外围设计电路图见图3
图3.9SIM900A模块及其外围设计电路
3.4MQ-2烟雾气敏传感器
它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。
在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。
一旦有烟雾窜逃外电离室。
MQ-2/MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（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加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-2/MQ-2S气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。
这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。
图3.10烟雾传感器实物图
3.5蜂鸣器电路
本系统的蜂鸣器报警电路如图3.11所示，蜂鸣器用一个三极管0913来驱动。
单片机引脚P3.4接0913的基极输入端。
当P3.4输出高电平1时，三极管导通，蜂鸣器两端获得约+5V的电压而鸣叫；当P3.4输出低电平0时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。
图3.11蜂鸣器
4电路元件清单
51最小系统，SIM900A模块，烟雾传感器模块2个，热释电红外传感器，1个，蜂鸣器1个，电阻，电容若干。
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