基于单片机的防火防盗报警系统.docx
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基于单片机的防火防盗报警系统
基于单片机的防火防盗报警系统
Firealarmsystembasedonsingle-chipmicrocomputer
摘要
近年来，随着各高校规模的扩大，在校生的数目飞速增长，学生宿舍的不安定因素也越来越多。
由于同学们安全意识不强，盗窃、火灾等危害学生财产和生命安全事件的发生概率也在增长，给各高校的平安校园建设带来一定困难。
为此，在计算机技术、电子信息技术和无线通信技术的基础上，文中提出了宿舍智能防火防盗报警系统的设计。
该系统可以对学生宿舍内部中的盗窃、火灾和违章用电等不安全因素进行监控，如有警情可迅速告知宿舍管理人员前去处理，实现了对学生宿舍的安全监控，缩短了对宿舍中突发事件的反应时间，给高校学生的平安求学带来了保障。
文中提出了一种宿舍智能防火防盗报警系统的设计。
系统中，监测电子系统以ATmega16为控制核心，辅以各种传感器，对学生宿舍的安全信息进行采集，如有警情通过无线通信模块传送至监控中心，自动提示值班人员前去处理，实现了对学生宿舍的安全管理。
关键词：
mega16；烟雾传感器；热释电人体红外传感器；报警系统；无线通信模块
ABSTRACT
Inrecentyears,withtheexpansionoftheuniversityscale,thenumberofstudentsincreasedrapidly,unstablefactorsaremoreandmorestudentsdormitory.Asaresultofthestudents'safetyawarenessisnotstrong,theprobabilityofoccurrenceoftheft,fireandotherhazardsstudentspropertyandlifesafetyeventisontheincrease,bringcertaindifficultytobuildingapeacefulcampusinCollegesanduniversities.Therefore,basedoncomputertechnology,electronicinformationtechnologyandwirelesscommunicationtechnology,thispaperputsforwardthedesignofintelligentfirealarmsysteminthedormitory.Thesystemcanmonitorelectricinsecurityfactorsofstudentdormitoryinthetheft,fireandillegal,suchasalarmcanquicklyinformdormitorymanagementpersonneltodealwith,thesafetymonitoringofthestudentdormitory,toshortenthereactiontimeofunexpectedeventsinthedormitory,totheuniversitystudent'sstudybringspeacesecurity.
Thispaperpresentsadesignofintelligentfirealarmsysteminthedormitory.Inthesystem,monitoringelectronicsystemwithmega16asthecontrolcore,supplementedbyavarietyofsensors,acquisitionofsafetyinformationonthestudentdormitories,suchasalarmthroughthewirelesscommunicationmodulearetransmittedtothemonitoringcenter,automaticallypromptsthestaffondutytodealwith,therealizationofstudentdormitorysafetymanagement.
Keywords:
mega16;SIM300communication;smokesensor;humanpyroelectricinfraredsensor
绪论
课题研究的相关背景
随着人类的进步和社会科学与技术的迅猛发展，人类开始迈入数字化和网络化为平台的智能化社会，人们对工作、生活等环境的要求也越来越高，开始出现了比如智能化仪表、智能化家电、智能化汽车、智能化小区等具有不同职能成都的产品、设备工具甚至工作环境和生活环境，并且呈现出高速发展的趋势。
伴随着数字化与网络化的进程买智能化的浪潮席卷了世界的每一个角落，成为一种是不可当的历史趋势。
其中正在兴起的智能小区建设热潮，反映了国际社会信息化和智能化的发展要求，是21世纪的主流和趋势。
课题研究的目的
近年来，随着科技的发展和人们安全防范意识的提高，钢质防盗门和钢质窗户防盗网等传统的防盗措施已不能满足人们的需要。
迫切需要一种面向普通家庭用户，性价比高，运行可靠，可拒非法入侵者于户外的智能防盗报警系统来代替防盗门、防盗网。
因此本设计的目的就是为了找到一种适合普通家庭式防盗系统。
国内外研究现状及发展动态
防盗报警系统是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并辅助提示值班人员或其主人发生报警的区域部位，显示可能采取的对策的系统。
防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。
一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号，使于迅速采取应急措施。
防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了入侵防范系统。
防盗报警系统通常由探测器（又称防盗报警器）、传输通道和报警控制器三部分构成。
报警探测器是由传感器和信号处理组成的用来探测入侵者入侵行为的电子和机械部件组成的装置，是防盗报警系统的核心，而传感器又是报警探测器的核心元件。
采用不同原理的传感器件，可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的报警探测装置。
中国防盗控制技术的发展大致起源于上世纪60年代初北京故宫博物院的安防报警系统。
当年，中国老一辈的安防技术工作者在完全隐蔽、可靠报警、绝对防火的全木质结构环境下完成了该系统的安装与调试，该系统就发挥了很好的作用。
之后的若干年，中国安防技术一直是以防盗报警系统为主，其应用场合也主要限于金融与文博系统。
由于当时基于光电导摄像管的摄像机体积大且价格昂贵，因而在安防技术市场中可视化的闭路电视监控系统的应用案例极少。
随着时代的变迁，智能防盗技术有了较大的发展，1994年秋在北京全国农业展览馆举办的展览会上，展出了部分关于防盗控制系统产品；1995年夏在天津国际展览中心的消防安防设备展览会上，展出了更多的安防技术相关产品，气氛火热。
紧接着到1996年，由中国安防产品行业协会等单位主办了全国首届“国际社会公共安全产品博览会”，一下子吸引了国内外300多厂商参展，由此标志了中国防盗及安防技术市场的形成。
在国内安防防盗市场开始蓬勃发展的同时，2001年11月，中国安防界在深圳成功举办了首届中国安防论坛，全国人大副委员长、中国科协主席周光召院士题词。
中国科学院和中国工程院的5位院士以及国内30多位安防领域的知名专家、教授发表了演说，较全面地展示了中国安全防范领域的技术动态和发展方向，促进了学术界和企业界的交流与合作，探讨了中国公共安全行业如何应对WTO，以及行业发展、管理、动作更加科学化、规范化的有关问题。
首届安防论坛的举办，为架构中国安防的理论体系，研讨中国安防的发展战略，开创良好的学术氛围，为举办更大规模的学术论坛积累了经验，创造了条件。
到2008奥运项目——首都国际机场捷运系统监控项目就是在先进的数字化、网络化视频监控系统中进一步整合了无人驾驶车辆自动传感监控系统、无线移动网络系统以及多系统的智能网管系统，一改传统电视监控系统仅仅是画面监视及简单报警联动的实现方式，而安防系统整体解决方案（TotalSolution）概念必将成为现代电视监控系统的发展方向。
基于单片机的防火防盗报警系统研究内容
本系统采用mega16单片机作为控制系统的控制核心，利用烟雾传感器实现烟雾检测，热释电人体红外传感器实现人体检测，红外光电传感器检测人员进出，sim300模块实现异地通讯和网络控制实现短信报警功能，键盘输入密码解警，无线发射器和无线接收报警器实现贵重物品进出检测，蜂鸣器模块实现声音报警，所有记录情况采用液晶显示。
上位机与主控端直接通信，实现人机交互，体现智能化。
主控端可以与各监控端通信，能显示当前各监控端的安全信息。
监控端具有人体监测、烟雾监测、声光报警。
烟雾传感器放大电路、声光报警电路、键盘电路、稳压电源电路经过测试均达到较好效果。
利用有线通信实现主控端对各宿舍监控端传感器模块的控制。
经过测试，本系统能够很好的完成题目各项要求。
第一章基于单片机的防火防盗系统总体设计
本次毕业设计选用avr单片机atmega16作为主系统，利用烟雾报警器识别是否有火灾用LCD12864液晶显示屏和声光报警系统输出，运用3*4矩阵键盘控制和sim300模块进行远程无线报警系统实现上位机与主控端直接通信，实现人机交互，体现智能化来完成本次设计。
1.1基于单片机的防火防盗系统总体功能
本防盗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、单片机控制和通信技术相结合，从而形成一个可靠的防盗报警系统。
系统总体构成包括烟雾模块、信号采集与处理模块、短信自动报警器和键盘显示模块等。
当用户离家时，把系统置于工作模式，防盗、防火探测器不断地进行采集，当在警戒范围内出现人体时、家中发生煤气泄漏或火灾时，信号处理电路向单片机输出信号，单片机与短信模块通信，短信通知家主，同时启动本地声光报警，提起周围人的警惕。
1.2系统组成
图1-1基于单片机的防火防盗报警系统框图
第二章方案论述与比较
2.1控制模块方案
方案一：
采用通用的51单片机作为主控制器。
51单片机通用灵活、价格低廉、使用方便，但此单片机字长有限，数据处理能力很弱，处理速度较慢，资源不够丰富，需要扩展较多的外围电路，降低了系统的可靠性，增加了制作的费用，难以满足本设计要求。
方案二：
可编程逻辑器件CPLD,它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、标准产品无需测试等特点，可实现较大规模的电路设计。
但是，该器件主要依赖于软件设计，缺少硬件的配合，致使
程序设计复杂，难以使用，运算速度太快。
CPLD同样难以满足本设计的需要。
方案三：
采用mega16单片机来实现，此单片机I/O接口比较多，易于扩展外围电路，开发板集成了键盘、数码管，时钟、另外方便的是该芯片内置在线仿真，编程接口，可以方便实现在线调试，这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。
对以上三种方案进行比较，方案一需要扩展较多的外围电路，降低了系统的可靠性，增加了制作的费用，方案二依赖于软件设计，缺少硬件的配合，致使程序设计复杂，难以使用，采用方案三接口比较多，使用灵活，可以方便实现在线调试，这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。
2.2电源模块方案
方案一：
采用两节4.2V可充电式锂电池供电，经过7805的电压变换后给单片机系统和其他芯片供电。
锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。
但锂电池的价格过于昂贵，这会大大超出我们的预算，为遵循此次大赛成本低的原则，放弃了这种方案。
方案二：
采用9V干电池经7805降压、稳压后给单片机系统和其他传感器供电。
电池电量低，使用后丢弃会对环境造成污染，不符合绿色环保的理念。
方案三：
采用直流稳压电源。
输出精度高，0到32V可调，调节范围大，使用简单，能为单片机提供稳定的工作环境。
经过比较，采用方案三。
2.3无线模块方案
方案一：
红外通信，红外通信器件易得，价格低廉，但必须直线收发是其致命弱点。
方案二：
采用自制的无线电发射和接收电路进行无线收发，此方案虽然思路简单，但是硬件电路的连接与调试十分复杂，装置工作时的稳定性难以保证。
方案三：
综合使用RS485总线和RS232总线，通过RS485与RS232接口转换，将通过RS485的信息通过RS232传到单片机上，但是这需要连线布局，较为麻烦。
方案四：
采用sim300无线通信模块，sim300无线通信协议十分简单，以低电平作为起始位，高电平作为停止位，中间可传输5—8比特数据和一比特奇偶校验位，奇偶校验位的有无和数据比特的长度有通信双方约定。
收发可同时进行，互不干扰。
综上考虑，我们选用sim300无线通信模块，确保了通信的流畅性和准确性
2.4显示部分设计方案
方案一：
采用八位共阴极LED数码管进行显示，利用单片机串行口的移位寄存器工作方式，外接MAX7219串行输入共阴极显示驱动器，每片可驱动8个LED数码管。
方案二：
采用点阵字符型TS12864A-3LCD液晶显示，可以显示数字与阿拉伯字母等字符，随着半导体技术的发展，TS12864A-3LCD的液晶显示越来越广泛的应用于各种显示场合。
方案三：
采用lcd12864显示屏，带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块
比较这三种方案，数码管显示驱动简单，但显示信息量少，功耗大；利用液晶显示可以工作在低电压、低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑，选用lcd12684来实现显示功能。
2.5烟雾检测模块方案
方案一：
采用光敏传感器，该传感器是最常见的传感器之一，可以对许多烟雾浓度进行检测，但是在进行检测时要将烟雾信号转化为光信号才可以，经尝试，电路不稳定，不易控制。
方案二：
采用烟雾传感器，它是一种离子是烟雾传感器，工作性能稳定可靠，低功耗，结构设计独特，防虫、防尘、抗外界光线干扰并且有特殊的防潮设计。
可以广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器，并且价格适中。
综合考虑我们选择方案二。
2.6提示锁门模块
方案一：
采用自制的蜂鸣器电路，实现声光报警。
该方案实现比较容易，蜂鸣器的声音可以很好的提示锁门。
并且所有报警电路都用蜂鸣器模块，节省了I/O口线资源。
方案二：
采用mega16编程的语音模块，以软件的形式实现。
程序设计较为复杂，并且降低程序执行效率。
综合考虑，选用方案一。
2.7贵重物品检测模块
方案一:
采用振动传感器。
将振动的加速度转换成与之成比例的电压输出。
可以检测环境振荡及低振荡，当物体移动时就报警，达到实时检测，但是其抗干扰能力低，而且麻烦，不利于一些经常移动的物体检测。
方案二：
根据超市等一些大型场合的防偷盗检测原理，采用贴条形码的形式，将贵重物品的表面贴上条形码，将检测装置放置在宿舍的门口，当物品被拿出时便报警。
方案三：
采用再昂贵物品上装信号发生器，在监测地点装信号接收器，当贵重物品被拿出超过一定范围之后，自动发生报警信号，以此来监测贵重物品。
此物品小巧，便宜，使用简单并且监测效果较好。
综合上述方案，考虑推广普及成本及监测效果，采用方案三。
第三章硬件设计
3.1传输模块设计
SIM300是一款三频段GSM/GPRS模块，可在全球范围内的EGSM900MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz三种频率下工作，能够提供GPRS多信道类型多达10个，并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四种GPRS编码方案。
SIM300结构小巧，外形尺寸仅40mm*33mm*2.85mm，几乎可满足所有对产品尺寸有要求的工业应用，比如智能电话，掌上电脑和其他移动设备。
模块与移动应用设备通过一个60引脚的板板连接器相连，它提供了模块与开发板的所有硬件接口，除了RF天线接口。
SIM300内部功能模块有：
键盘和SPI类型的LCD接口，方便用户开发自己的应用设备。
具有调试和数据输出两个串口，帮助开发人员更容易开发产品。
双音频通道，包含两个麦克风输入和两个话筒输出，由AT指令配置其工作模式。
SIM300有两种RF天线接口：
一种是天线连接器、一种是天线焊点。
天线连接器型号为MURATAMM9329-2700，或者用户也可以通过天线焊点自己焊接天线。
SIM300具有低功耗设计，睡眠模式下的电流消耗仅为2.5mA。
SIM300内部集成了TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IPAT指令，使用户利用该模块开发数据传输设备变得非常简单方便。
SIM300是小体积即插即用模块中完善的四频GSM/GPRS解决方案使用工业标准界面，使得具备GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz功能的SIM340以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。
SIM340的优良性能让它应用于许多方面，例如WLL、M2M、手持设备等等。
四频GSM/GPRS模块，外形尺寸40mmx33mmx2.85mm支持用户定制的MMI和键盘/LCD内嵌强大的TCP/IP协议栈
3.2键盘模块设计
我们采用3×4键盘实现输入密码解码解除报警功能，并且可以用键盘模拟锁门与未锁门，开启与关闭人体检测功能与贵重物品报警系统。
连接mega16单片机控制声光报警。
具体电路图如下图所示
图3.1键盘电路图
3.3烟雾检测模块
烟雾报警器，别称火灾烟雾报警器、烟雾传感器、烟雾感应器等。
一般将独立的，实物产品电池供电、或交流电供电电池为备电，现成报警时能发出声光指示的，称为独立式烟雾报警器。
由总线供电，总线上可以连接有多个，与火灾报警控制器联网、通讯组成一个报警系统，报警时现场无声音，主机有声光提示，这类感烟报警装置一般称之为感烟探测器。
感烟探测器分带地址编码的、不带地址编码的。
我们采用烟雾传感器，每个宿舍安装一个烟雾传感器，它是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，当有烟雾时它产生一个高电平，并将此高电平输出给单片机，单片机得到高电平信号控制报警装置发出报警信号，并使LED灯发光。
我们未采用现有的烟雾传感器的模组。
调试过程中我们尝试过多种方案，如利用反相器等设计的方案，最终确定用该模块实现烟雾检测。
最终设计的烟雾传感器电路原理图如下图所示
图3.2烟雾传感器原理图
3.4人体检测模块
题目要求我们检测出宿舍人员的进出情况并记录人数，若只用两个热释电人体红外传感器来检测并计数，由于它的反应速度较慢，当两人或两人以上同时进入宿舍时它无法识别，因此，我们额外用了两个红外传感器来计数。
考虑到以上情况，我们采用热释电人体红外传感器来识别是否有温度变化（即是否进出物是人），用红外避障传感器来统计出入人数。
功能特点1.全自动感应当有人进入其感应范围则输入高电平人离开感应范围则自动延时关闭高电平。
输出低电平。
2.光敏控制（可选模块预留有位置可设置光敏控制白天或光线强时不感应。
光敏控制为可选功能,出厂时未安装光敏电阻。
如果需要请另行购买光敏电阻自己安装。
3.两种触发方式L不可重复H可重复。
可跳线选择默认为H。
不可重复触发方式即感应输出高电平后延时时间一结束输出将自动从高电平变为低电平。
可重复触发方式即感应输出高电平后在延时时间段内如果有人体在其感应范围内活动其输出将一直保持高电平直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。
可重复触发方式即感应输出高电平后在延时时间段内如果有人体在其感应范围内活动其输出将一直保持高电平直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。
4.具有感应封锁时间（默认设置0.2秒）感应模块在每一次感应输出后（高电平变为低电平）可以紧跟着设置一个封锁时间在此时间段内感应器不接收任何感应信号。
此功能可以实现（感应输出时间和封锁时间）两者的间隔工作可应用于间隔探测产品同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
5.工作电压范围宽默认工作电压DC5V至20V
6.微功耗静态电流65微安特别适合干电池供电的电器产品。
7.输出高电平信号可方便与各类电路实现对接。
人体检测功能可关闭，需要时用键盘开启。
开启时如果检测到有人就开启声光报警。
通过算法可使两个红外避障传感器分辨人员进、出两种状态。
从而计算出宿舍人数。
当宿舍人数为零，并且门已锁时（可用键盘模拟），开启人体检测，如果检测到有人进入，则进行报警。
热释电红外传感器原理图如下图3.3所示
图3.3热释电红外传感器原理图
3.5显示模块设计
在系统中，利用LCD12864液晶显示模组作为显示模块，利用键盘相应按键显示时间、人数、人员的进出情况、烟雾检测情况以及输入密码解警情况。
该模块具有计数、状态显示、时间显示等功能。
带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
引脚图如图3.4所示
图3.4LCD12864引脚图
表3-1LCD12864的引脚
引脚
名称
功能
备注
1
GND
液晶供电。
必须连接，否则液晶不工作。
2
VCC
液晶供电。
必须连接，否则液晶不工作。
3
NC
无连接。
4
RS（CS）
5
RW（STD）
6
En（SCLK）
7
DB0
并行数据位。
串行中不使用。
8
DB1
并行数据位。
串行中不使用。
9
DB2
并行数据位。
串行中不使用。
10
DB3
并行数据位。
串行中不使用。
11
DB4
并行数据位。
串行中不使用。
12
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