大专机电一体化毕业设计.docx

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大专机电一体化毕业设计

河南工业职业技术学院

HunanIndustryPolytechnic

毕业设计

类别毕业设计

题目图书馆智能防火报警系统设计

系名称机电工程系

专业及班级机电1002

学生姓名叶小青

学号19

指导教师田林红

完成日期2012年月日

摘要

本文介绍了住宅智能化中的防盗防火报警系统。

智能化防盗防火报警系统集防盗防火功能于一体，可全天候自动检测盗警和火警，当确定警情时自动通过电话报警。

传感器采用微波探测器和温度探测器，分别对盗情和火情进行检测，当有人闯入时，微波探测器检测到盗情，然后向单片机发出中断申请，单片机控制电话拨号电路，模拟摘机，自动拨打110，并播放预先录制好的录音，当发生火灾时，温度探测器检测到火情，则自动拨打119并播放录音，也可以自行设置所要拨打的号码，如事主的手机号码，录音需自行录制。

本系统采用了美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机，美国公司XICOR生产的低功耗CMOS的串行EEPROM-X25045，加拿大Mitel公司生产的DTMF信号编/解码芯片MT8888，语音模块采用美国ISD公司的ISD1420语音芯片，整体功耗较小，兼容性好，稳定性高。

本系统通过密码来识别主人身份，系统开启后只有输入正确的密码才能关闭系统。

本系统同时还具有自我诊断功能，出现故障能自动进行处理。

系统从硬件和软件两方面进行了抗干扰设计，使其具有较好的抗干扰能力，完成系统可靠工作。

[关键词]：

智能防火防盗报警系统；自动拨号；探测器

Abstract

Thisarticleintroducedinthehouseintelligentfireproofandtheft-proofalarmsystem.intelligentfireproofandtheft-proofalarmsystemsetfireproofandtheft-prooffunctioninabox,andall-weatherautomaticdetectionthetheft-alarmandthefire-alarm,thendialthepolicesentimentautomaticallywithtelephonecall.Thesensorusesthemicrowavedetectorandthetemperaturedetector,torobsthesentimentandthestateseparatelycarriesontheexamination,whensomepeoplebrokeinto,microwavedetectortodetectunauthorizedsituation,andthensenttotheinterruptionSCMapplications,MCUcontroltelephonedial-upcircuit,Simulatedpick,automaticallydial110,andplaypre-recordedsoundrecording,whenthefireoccurred,thetemperaturedetectortothefiredetection,automaticallydial119andaudiorecordingcanalsosetupbyanumbertodial,suchasthevictimPhonenumber,recordingownrecord.

    ThissystemusestheU.S.ATMELcompany'sAT89C51SCM,U.S.companiesXICORproductionoflow-powerCMOSSerialEEPROM-X25045,Canada,Mitelcompany'ssignalforDTMF/decoderchipMT8888,voicemoduleusingtheU.S.ISDcompany'sISD1420voicechip,asmalleroverallpowerconsumption,compatibility,andhighstability.

    Throughthissystemtoidentifytheowneraspassword,thesystemopenedonlyafterenteringthecorrectpasswordtoshutdownthesystem.Thesystemalsofeaturesaself-diagnosis,failurecanbeautomaticallyprocessed.Hardwareandsoftwaresystemsfromtwoaspectsoftheanti-interferencedesign,soastomakeitabetteranti-interferencecapabilities,reliablesystemtocompletethework.

Keywords:

intelligentfireproofandtheft-proofalarmsystem;automaticDial;detector

第一章绪论

改革开放以来，在城市大发展的过程中，大量外地人口涌入城市，给社会治安带来很大压力。

工厂、机关和居家失盗、失火、抢劫事件时有发生；个别地方尤为严重，损失惊人。

由此引起公安部门的高度重视和社会各届人士的普遍关注。

有些部门和居民小区开始派人白天守卫、夜间巡逻，并纷纷购置防护铁门、铁栏杆等被动防范措施，将主人装在铁笼子中以求安全。

一旦发生警性（如火警或煤气泄漏），才发现铁笼子将消防人员拦在事故现场之外，难以即时救助，实为弊端。

从整顿市容角度来看，亦不雅观。

为此，政府部门提倡采用高科技手段实现技术防范措施。

在社会治安的现实需求和政府部门的推动下，市场上国产和进口的防盗报警应运而生。

本文所要介绍的智能防盗防火报警系统，正是在智能住宅蓬勃发展的背景下，为了满足用户对安全的强烈要求，而设计并开发的。

系统的首要任务是根据住宅小区的类型、使用功能及防护风险等要求，为保障小区人身财产安全，通过运用传感器探测、双音多频远程数据传输等技术综合形成智能报警系统，从而达到保障住宅安全的目的[3]。

双音多频（DTMF）信令的传输速度，使得它广泛应用于各种通信和控制系统中。

DTMF信号收发芯片的发送部分采用信号失真小、频率稳定性高的开关电容式D/A变换器，可发出16种双音多频DTMF信号：

接收部分用于完成DT信号的接收、分离和译码，并以4位并行二进制码的方式输出。

当遇到盗情、火情等各种险情的时候，该系统可以通过电话网络自动向相关部门发出语音求救信号，从而达到保护用户生命财产的目的。

第二章系统设计方案

2.1智能报警系统的总体构成

本防盗防火报警系统是一种新型的电子安全报警系统，该系统的设计是将电子探测、智能控制和电话通讯技术相结合，从而形成一个防盗、防火报警系统[5]。

系统总体构成包括防盗防火探测器、用户端自动报警器与通讯线路三个模块，系统组成框图如图2-1所示。

防盗探测器微波探测器

防火探测器温度探测器

报警开关

紧急呼救开关

指示灯

控制输出/输入

图2-1智能住宅防盗防火报警系统组成框图

用户端自动报警器安装于居民住宅，用于对居民住宅各个不同部位的不同类型探测器进行监测与控制，并对从各个探测器采集来的数据进行处理。

当出现异常情况时，通过家中的电话线路自动拨号报警，并与中央控制器建立联系。

系统不需要另外占用电话线路，当有报警信号时，报警电话享有电话线路的优先权。

2.2报警系统的功能及工作过程

智能住宅防盗防火报警系统具有以下特点和功能：

1.系统采用模块化设计。

前端报警器能够快速、准确地检测到现场的异常状态，经确认后及时通报给中央控制器。

并能够可靠地进行盗情、火情报警，通过电话线拔打预先设置的1-6组电话／手机号码（小区监控管理中心电话、用户个人电话、用户单位电话、盗警电话110、火警电话119、紧急呼救电话），进行语音报警。

报警完毕自动回到警戒状态，等待下一次报警。

2.用户端自动报警器可检测探测器或传输线路发生的故障（如探头断线或掉电等）,并可向中央控制器报告故障情况。

3.系统开关机采用密码控制且允许修改密码，防止误报同时增加用户端自动报警器的保密性。

4.用户端自动报警器内提供备用电源，在没有市电的情况下，交直流供电自动切换，确保系统在停电时能继续工作。

系统的基本工作过程：

用户端的防范现场，一旦有人入侵、或发生火灾等紧急情况时，与之相应的报警探测器（各种防火、防盗及手动报警按钮等）则立即向用户端自动报警器发出报警信号。

接到警情事件后，自动报警器立即进行确认（多次巡检中断信号），若50s后无人解除警情同时警情确认无误后，进行事件的现场声（蜂鸣器）、光（LED）报警，同时用户端自动报警器自动向相关部门拨打预先设置好的报警电话号码，进行语音报警[。

在用户端自动报警器的面板上设有LCD显示器、键盘以及三色警灯（LED），三色警灯分别指示火灾或红外／微波双鉴的防火防盗报警、正常工作及系统出现故障的状态，即报警灯（红）、工作灯（绿）和故障灯（黄）。

正常时LCD显示时间，事件发生时锁定显示当时的时间。

用户端报警器同时具有探头故障报警功能，避免由于探头掉电而漏报，出现故障时点亮故障灯；如果判断探头掉线（被剪断），则声光报警。

如果出现误触发而报警时可以通过触发延迟时间（505定时器）去解除，另外用户端自动报警器还具备状态信息（如有无交流电、备用电池电量是否不足等）上报的功能，可以对预设的普通电话、手提电话实现报警。

本章节主要介绍了系统总体设计方案，确定了原理框图，对报警系统的运行做了分析，并设计了防火和防盗探测器，为后续章节研究防火防盗报警系统的模块化设计打下了理论基础。

第三章系统硬件设计

3.1防盗探测器电路设计

实际电路中，是由振荡器电路产生并发射近微波段电磁波形成微波场，天线把电信号转换为相应的电磁波辐射到周围空间，辐射半径可达10m以上（如果想继续增大辐射半径或提高灵敏度可以通过调整天线的大小和方向来完成）。

当有人在场中运动时，反射回去的微波将发生频率变化，从而使微波探测器输出一个与人体运动速度有关的低频电信号。

根据该特性，也选择微波探测器用于盗情的检测。

图3-1微波探测器原理框图

环形天线和它周围的电阻、电容和MOS场效应管组成了近微波段高频自激振荡电路（它的振荡频率在1GHz左右），微波探测器原理如图3-1所示，当电路接通电源以后，振荡产生的单频、等幅信号通过外接天线发射到空间，产生一个立体空间微波防护区，天线既发射振荡信号，也接收回波。

反射回来的微波信号与原信号之间混频后产生微弱的频移信号，该信号送放大器进行放大。

放大后的信号送窗口式鉴幅比较输入端，经比较将一定强度的探测信号转换为宽度不同的等幅脉冲输出。

微波探测器电路使用的主要元件是单电源通用四运算放大器KIA324P、环形天线、微波振荡管C3355及一些外围元器件，外接＋6V电源。

其电路图如图3-2。

当有人在该微波防护区内移动时，振荡频率和幅度发生相应的变化。

根据多普勒效应，该波动的频率与物体运动的快慢有关，而幅度与距离有关。

混频后高频信号因为过高而失去作用，剩下微弱的低频信号经U1作前级放大，10pF电容与7.5K电阻构成充电电路，充电电压作为第一级比较器U4的基准电压，同时实现延时功能，即只有前级放大电压高于该参考电压时，输出才为高电平，此时，C9O15导通，最后信号经U2、U3构成的窗口比较器比较后输出探测到的信号。

实验过程中报警范围实测约为7-8米，探测到有效信号时，有20秒的报警信号输出，LED发光做出预警指示，可有效的进行实时探测。

该电路可以工作在较宽的电压范围内（标准电压是32V，但实际可以工作在很宽的电压范围内），当检测到异常信号时为高电平。

图3-2微波探测器电路图

3.2防火探测器电路设计

温度探测器使用数字温度传感器DS18B20,5V直流电压供电。

DS18BZO的测温原理是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，把温度信号直接转换为串行数字信号，通过内部计数器对受温度影响的振荡器周期的计数可实现温度测量。

探测器中DS18B20采用寄生电源供电方式，保证在有效的DS18B2O时钟周期内能提供足够的电流，图3-3中采用一个MOSFET管和MCU的I/O口来完成对DS18B2O的总线上拉，然后通过另一I/O对DS18B2O进行控制并取得温度值。

图3-3温度探测器电路

3.3用户端自动报警器总体设计

用户端自动报警器是本课题的设计重点，自动报警器组成框图如图3-4所示，主要包括拨号模块、语音模块、电话接口模块、键盘／密码显示模块以及电源模块。

报警器功能已在1.2节具体描写过，这里不再详述，本节着重介绍与自动拨号功能相关的硬件电路设计。

图3-4用户端自动报警器组成框图

3.3.1自动报警器电路设计

自动报警器电路见图3-5。

时钟电路由两个30P的电容和12MHz的晶振构成。

复位电路由电阻、电容、二极管和按键开关构成，具有上电复位和手动复位的功能。

单片机的INTO、INT1分别与盗警、火警传感器相连，实现各种警情的采集。

为防止环境干扰信号对触发中断的影响，当响应中断后，对中断信号多次（如5次）巡检，确认是中断信号时，才去执行中断处理子程序，否则认为是外界干扰信号不执行报警处理，有效降低误报几率。

图3-5自动报警器电路

P2.1与语音电路相连，实现语音的回放控制。

P2.2接通讯接口转换芯片的数据发送、接收片选端／RE（DE）。

P2.3与电话接口电路相连，实现模拟摘挂机的控制。

P2.4接探头掉线检测端，单片机对该口定时查询，正常时为高电平，当检测到低电平即发出掉线警报。

P2.5接交流电源掉电报警信号（交流断电后由直流电源继续供电，直流电源放电低于预警值后向自动报警器发直流断电预警信号。

P1.0、P1.1、Pl.2为接键盘电路的三根I/0口线，Pl.3接紧急呼救按键。

Pl.5接液晶显示器的串行时钟输入端，Pl.6接液晶显示器的数据输入端。

Pl.7接多路开关CD4O51的片选端INH,PI.4、P2.6分别接多路开关的输入端A、B。

多路开关输出分别接报警LED、蜂鸣器，有警报发生时开关的输出I/O口给出高电平信号。

PO.O、P0.1、P0.2和P0.3分别与MT8888的DO、Dl、D2和D3相连，用作数据总线。

P2.0与MT8888的RSO相连，控制MT8888内部寄存器的选择。

P2.7与MT8888的CS相连，控制MT8888的选通。

P3.6、P3.7分别与MT8888的WR和RD相连，控制MT8888的读写。

P0.4、P0.5接EEPROM的串行输入和串行输出端，P0.6、PO.7分别接EEPROM的串行时钟输入和片选输入端。

3.3.2串行EEPROM-X25045

本设计中采用了具有可编程的串行EEPROM-X25045。

X25045是美国公司XlCOR低功耗CMOS的产品（备用电流10uA、工作电流3mA），它把看门狗定时器、VCC监控电路和EEPROM三种常用功能组合在单个封装内，增大了电路密度，减少了体积，提高了系统的可靠性，是设计成直接与许多通用的微控制器系列的同步串行外设接口（SPI）相接的512X8位EEPROM。

本系统中X25045依次存储了标志字段、用户编号、话机号码、报警器编号、警情代号、系统设置等数据信息。

VCC监控功能是指只要VCC电平降至低于最小转换电压或者看门狗定时器达到其编程的超时极限值，RESET的输出为高电平。

X25045包括一个8位指令寄存器，它可以通过SI（P0.4）输入来访问，数据在SCK（P0.6）的上升沿由时钟同步输入。

在整个工作周期内，/CS（P0.7）必须为低电平，/WP必须为高电平。

X25045监视总线，如果在预置时间内没有总线活动，那么它将提供RESET信号输出。

在S1线上输入的数据在/CS变为低电平后的SCK的第一个上升沿被采样，由SCK的下降沿输出到50（P0.5）线上。

SCK是静态的，允许用户停止时钟并在其后恢复操作。

所有的指令、地址和数据都以MSB（最高有效位）在前的方式传送，读和写指令的指令格式中均包含有地址高位A8，此位用于选择器件的上半部或下半部。

在上电和字节、页或状态寄存器写周期完成以后及／WP变为低电平时，写使能锁存器被复位（即禁止写操作），因此写操作前必须设置写使能锁存器。

如图3-6所示：

图3-6状态寄存器格式

本系统中对X25045的读数据、写数据、置位写使能的操作过程简述如下：

1.从X25045中读数据的操作为：

把／CS拉低以选择芯片：

发送8位的读（READ）指令；送8位的字节地址；将所选定地址的存储器中的数据移到S0线上。

继续提供时钟脉冲可连续读出接下的地址空间中的数据。

每移出一个字节数据之后，字节地址自动增加到下一个较高地址。

达到最高地址（$1FFH）时，地址计数器翻转至$OOH，无限循环下去。

把／CS置为高电平，可以中止操作。

2.置位写使能锁存器操作为：

/CS先被拉到低电平；由时钟同步送入写使能指令；将/CS变为高电平，否则写操作忽略。

3.写数据到X25045的操作为：

拉低/CS并保持在低电平；发送写指令；写数据。

可以连续写多达4个字节的数据，但必须是这4个字节驻留在同一页上。

否则计数器将翻转到页的首地址并重新写可能已有数据写入的任何单元。

X25045具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口（SerialPeripheralInterface,SPI），最高可达1MHz串行时钟频率。

这里用单片机的三根口线Pl.3、Pl.4、Pl.5来模拟SPI接口。

X25045接口电路如图3-7所示，P0.4与X25045的串行输入脚SI相连，用于输出操作码、字节地址以及写入数据；P0.5与X25045的串行输出引脚SO相连，用于读出数据；P0.6与X25045串行时钟输入脚SCK相连，作为串行数据输入和输出的时钟信号。

由于X25045的复位输出信号为高电平有效，故和89C51复位方式一致。

本系统中自动报警器也将处理过的数据存入X25045。

看门狗定时器（WDO和WDI）位用于设置延时时间。

这些非易失性的位通过WRSR指令来设置。

本系统中采用0.6s的超时周期。

第四章系统软件设计

自动报警器软件部分采用模块化设计，分为主控模块、摘挂机模块、拨号模块、语音模块、显示模块及读写数据模块。

应用汇编语言编程，在KeiluVISion2环境里，使用Top2000-B型编程器将程序写入单片机。

编程语言的软件设计采用MCS-51汇编语言编写自动报警器中相关程序（如拨号、语音、读写X25045等）。

4.1控制模块程序设计

由于单片机的P3.2和P3.3脚分别和防盗、防火传感器相连，因此，一旦发生险情，转密码子程序，若解码正确则取消报警，否则将产生中断，在中断服务子程序里，位地址7FH被置1，证明发生险情，然后根据险情类别，将7EH或7DH置1，其中，7EH为盗警标志位，7DH为火警标志位。

主程序在运行期间首先检测探头与电源状态，一切正常后等待中断的发生。

当检测到7FH（中断标志）被置1后，调密码显示子程序，密码正确系统重新检测中断信号，密码有误则主程序首先判断7EH的情况，如果被置1，则调用控制模块PROCESS完成后续处理，处理完成后记录报警信息，再检测是否同时发生了火险，即7DH是否被置1，如果被置1，则同样调用控制模块PROCESS完成后续处理。

如果没有发生盗警，即7EH没有被置1，则不用检测7DH，认为发生了火警，则直接调用PROCESS完成后续处理。

图4-20主程序流程图

图4-21控制模块PROCESS流程图

图4-21为控制模块PROCESS流程图，它是整个系统软件的核心，控制整个系统完成摘机，信号音判断、拨号，发出语音求救信号，最后挂机。

由于考虑到拨号音、忙音、回铃音的存在，因此这个模块较主程序复杂一些。

首先，调用摘机子程序模拟摘机，再调用检测和判断子程序判别是否有拨号音，如果没有，则跳转到ERROR，调用挂机子程序，延时后重新调用摘机子程序；如果检测到拨号音，则接下来调用拨号子程序，在拨号子程序里，将根据7EH、7DH被置位情况拨相关部门的电话，如管理中心电话或户主电话等。

拨号完毕后，重新调用检测和判断子程序，判别此时是忙音还是回铃音，如果是忙音，则跳转到ERROR，调用挂机子程序，延时后重新调用摘机子程序：

如果是回铃音，则重新调用检测和判断子程序，判别此时对方是否摘机，如果仍然是回铃音，则继续调用检测、判断子程序，直到505计时时间到，则调用挂机子程序，延时后，再重新调用摘机子程序；如果不是回铃音，则调用语音程序，将事先录制好的报警语音回放出来，最后调用挂机子程序，结束process模块的执行，返回主程序，等待再次被调用。

4.2拨号模块程序设计

信号音检测与判断

图4-22检测子程序流程图

图4-23判断子程序流程图

MT888O在工作之前要进行初始化，它的初始化过程要经过下面的步骤：

读状态寄存器、写CRA=000OB、写CRA=000OB、写CRA=IOOOB、写CRB=OOB、读SR、写CRA=11OIB、写CRB=D000OB。

为了检测信号音，应将MT8888设置为呼叫处理模式，即CP模式。

该模式下MT8888可检测各种信号音，如拨号音、忙音、回铃音。

只要位于中心频率45OHz、带宽25OHz左右的信号音就可以经滤波器选择、高增益比较器限幅、从施密特触发器得到代表信号音的方波信号，并从IRQ/CP端输出，微处理器可通过IRQ/CP端分析呼叫过程。

根据程控交换机的标准，拨号音为45OHz的连续正弦波，正负误差25Hz，忙音为45OHz的正弦波，0.35s通，0.35s断，回铃音为450Hz的正弦波，1s通，4s断。

因此，依据MT8888的CP检测模式，可对IRQ脚输出的方波计数5s，根据结果判断是哪种信号音。

拨号音计数上限：

（450+25）*5=2375，计数下限：

（450-25）*5=2125：

同理，忙音的计数范围是1041-1212，回铃音的计数范围是425-475，无信号音的计数为O。

考虑到计数误差，我选择了2000作为拨号音和忙音的分界线，900作为忙音和回铃音的分界线，400作为回铃音和无