家居智能防火防盗报警系统.docx

1、家居智能防火防盗报警系统家居智能防火防盗系统智能仪器仪表课程设计 摘 要基于这种情况，一个智能的家居安全防范系统是可以为人们提供更好，更可靠的安全保障。本次设计的家居智能防火防盗报警系统，能可靠的进行日常安全防范工作，及时发现火灾，盗窃等险情，发现后会发出警报并通知户主，可以在最大程度上将险情消灭在萌芽阶段。家居智能防火防盗系统是我国智能住宅的重点发展方向，也会是主要的，市场潜力最好的发展方向。因此，开发一个性价比高、可靠性高、功能人性齐全的安全防范报警系统具有重要的现实意义。本次设计出了家居智能防火防盗系统的整体方案，采用模块化的思路设计了防火检测，防盗检测，声光报警，短息报警，密码解除警报

2、等功能，使用89C51单片机控制实现智能报警。整个系统可以满足一般家庭的日常防火防盗检测报警，也可以加入主监控模块，批量使用于寝室，医院，宾馆等场所，集中对多个房间进行安全防范。本次设计的重点在系统硬件部分的设计，主要包括传感器的选择和电路设计，报警系统的设计，电源的设计。软件程序部分主要提出了设想和程序流程，具体的程序还有待调试。另外还分析了系统抗干扰的问题，并提出了一些有效的抗干扰措施。关键词：防火，防盗，智能报警系统，单片机控制第一章绪论1.1 概述现代社会物质资源丰富，人民生活水平不断提高，对住宅的要求也越来越高。不仅希望住所温馨舒适，也对安全性，智能性有了更高的要求。另外，随着生活水

3、平的提高，液化石油气、管道煤气进入了大多数家庭，各种家用电器也得到了广泛的使用，人们在享受这些现代化设施带来的便利的时候，却也增加了火灾隐患的危险。流动人口的增多，盗窃高科技作案手段和工具的增多，使得住宅的日常防范需要更大的提高。目前，我国正在蓬勃发展的智能住宅的安全防范系统用以满足人们安全防范的要求。智能住宅的安全防范系统是由安全对讲系统、防盗报警系统、防火(火灾报警)系统和防煤气泄漏系统等组成，安全防范系统是家庭、住宅小区防范外来侵害和自然灾害的一种最重要、最有效的手段，它大大提高了居民自身的安全感，已成为社会治安的一个重要组成部分，其中智能防盗、防火报警系统又是当前智能报警领域的技术热点

4、。智能型的家庭防火防盗报警系统，能可靠的进行日常安全防范工作，即使发现各种险情并通知户主，以便将险情消灭在萌芽阶段。这样的系统可以保证居民的生病财产安全，也可以形成管理系统，在医院，学生寝室，仓库等场所使用并统一管理。将智能化防火防盗系统引入家庭住宅已成为一种趋势，并且在智能化住宅的家庭智能管理系统中对防火防盗报警进行监控已经成为民用建筑领域向信息化和网络化发展的一个重要组成部分。1.2 智能防火防盗报警系统发展现状家居智能化是信息化社会的产物，家居智能化的内容一般包括：安全自动化(SA)，通信自动化(CA)，保健自动化(HA)和管理自动化(MA)，因此也称为4A系统。所谓智能化住宅，即是通过

5、一个高度集成的通信和计算机网络，把住宅安全防范系统、物业管理系统、公共服务系统、信息系统连接起来，建立集成平台与信息处理控制中心，各个系统独立运行又共享网络硬软件资源，实施智能化与最优化，为住户营造一个安全、自由、舒适的现代居家生活环境。居民住宅应当设置安全防范报警系统，对火灾、盗窃、入室抢劫等做到早发现、早报警，通过社会力量和科技手段来提高家庭抵御各种意外情况的能力。现代安防监控系统己经有了新的概念，通常称为安全自动化SAS(Security Automation System)，并与防火自动化系统FAS(Fire Automation System)共同构成智能建筑系统最底层的系统。目前国

6、外发达国家己经逐渐形成一个集安防、消防、医疗救护为一体的安全保障行业。安全技术防范行业真正形成行业规模是在第二次产业革命中即1950年1971年，首先在美国、英国等国家形成，像ADEMCO；VICON；CHUBO；AMERICA DYNAMIC等、60年代视频图像技术、70年代计算机数字技术、80年代生物识别技术以及90年代国际互联网技术的应用，使安防行业得到快速发展。就智能住宅中的火灾报警而言，目前出现的大型组合火灾报警系统或智能火灾报警系统，一般是根据灾前检知的光、热、烟、气、味等个别异常或是否达到某种阈值来做出判断的多阈值系统，多传感元件火灾探测器是智能型的装置，使用三种不同类型传感元件

7、的探测器记录模拟量的火灾参数，并将这些模拟量转换成数字信号，然后，探测器利用数值算法判定是否存在火灾危险。现在世界各国都在致力于研究和开发能早期预报火灾的火灾探测方法和设备，如利用神经网络所具有的自学习和自适应等特点，就可组成智能火灾探测系统，提高火灾探测系统的检出率，增进系统的可靠性。我国智能住宅安防系统相对国外来讲，是有较大差距的。现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门，虽有一定的防盗作用，在灾害发生的情况下，使逃生更加困难。另外，小区安全措施不足；居民安全意识有待增强：安全防范系统也急需普及。1.3 本系统的主要内容及现实意义 针对国内外的发展情况，可见建筑智能安全防范系统是

8、我国未来智能建筑建设的重点发展方向。本次设计的防火防盗报警系统实现功能包括：能对建筑的火灾、有害气体泄露等实行自动报警；还能对盗窃实行自动报警；用户端自动报警器对各传感器的信号进行检测和控制。研究的主要内容有以下几个方面：（1）根据家居智能防火防盗系统的基本要求，设计出系统的整体方案，采用模块化设计，尽量使其可用性强，适用范围广。（2）进行系统的硬件设计。包括芯片的选型，芯片外围电路的合理设计。主要模块有防火检测，防盗检测，电源，报警系统的设计。（3）进行系统的软件设计。主要对系统的主程序，过程控制程序，密码显示程序等。（4）对系统抗干扰等方面性能的分析。家居智能防火防盗系统是我国智能住宅的重

9、点发展方向，也会是主要的，市场潜力最好的发展方向。因此，开发一个性价比高、可靠性高、功能人性齐全的安全防范报警系统具有重要的现实意义。第二章系统总体设计方案2.1系统总体硬件构成本防盗防火报警系统是一种电子安全报警系统，该系统的设计是将电子探测、智能控制相结合，从而形成防盗、防火报警系统。系统总体构成包括防盗探测器、防火探测器、用户端自动报警器三个主要模块，如图2-1所示。图2-1系统整体方案防火探测器模块由温度探测器、感烟探测器、CO探测器组成，同样只有当烟雾探测器、CO探测器输出高电平信号且温度探测器检测到的环境温度达到温度报警阈值时，系统才由单片机响应相应的中断服务程序。防盗探测器模块由

10、热释电红外探测器、微波探测器组成，任一时刻，若只有一个探测器输出高电平，另一个为低电平都认为是干扰或是误报警信号，单片机都不予处理，只有当两者都输出高电平，系统才判定发生了盗情，触发相应的单片机中断处理程序。用户端自动报警器由键盘输入电路、密码显示电路、电源电路、声光报警电路等组成。键盘电路采用常用的矩阵键盘电路来实现密码的输入和修改以及紧急呼叫按钮；密码显示电路采用74LS164串行静态显示来实现；电源电路采用简单的桥式整流电路产生+5V、+12V直流电源给系统供电；声光报警电路由红黄绿三色发光二极管（LED）和蜂鸣器组成。2.2系统总体软件结构自动报警器软件部分采用模块化设计，分为主控模块

11、、读取报警模块、声光报警模块、短信报警模块、密码显示与解除报警模块。应用C语言编程，在Keil uVISion2 环境里，使用编程器将程序写入单片机。图2-2主程序流程图。图2-2系统软件主程序流程图第三章检测电路设计检测电路设计是本次设计的重点之一，检测电路部分包括防火检测电路与防盗检测器电路两大部分，其中详细设计了温度传感器、烟雾传感器、CO传感器、热释电红外传感器、微波传感器检测电路。由多种类型传感器实现多元信号综合检测是本系统中探测电路部分的基本设计思想，多元信号检测一方面完成信息的实时监测任务，另一方面大大降低了信号检测部分的误报率，提高了整个系统的可靠性和抗干扰性。另外还详细介绍了

12、无线传输模块，即各位置传感器信号和主机之间信号的无线传输。3.1防火检测电路设计防火检测电路是由温度传感器，烟雾传感器和一氧化碳传感器构成的复合型火灾检测电路。多传感器设计思想解决了传统防火传感器一直存在的误报率高的问题，增强了火灾探测的可靠性。复合型火灾检测原理如图3-1所示。由于单元探测技术所采用的单一参数火灾探测器(包括阈值触发式和模拟量式)对火灾特征信号响应灵敏度的不均匀性，导致它对实际火灾的探测能力受到了限制，尤其是用于对家庭住宅火情的准确探知更是尤为重要。因此，报警系统中对火灾信号的检测采用多传感器/多判据的火灾探测技术，将探测器探测到的多元火灾探测信息经单片机进行综合判断，在软件

13、设计中加入对传入的三信号进行综合判断后再进行报警处理。图3-1 复合型火灾探测器原理示意图实际上，响应各种不同类型的火灾，通常使用不同类型的火灾传感器，比较实验结果如表3-1所示。烟雾传感器不仅可探测一般火情，对阴燃火尤其有极好的探测效果，主要用于火情早期各种燃烧的烟雾颗粒进行探测，这一点就弥补了温度传感器对阴燃火不敏感，响应速度慢以及不能区分是火灾的热还是空调或烹饪蒸气的热等缺点。但温度与烟雾传感器都不能区分有些烟雾究竟是火灾的烟还是烹饪蒸汽或香烟的烟雾，由此，在设计中增加了CO探测部分，可以探知早期火灾烟雾中的CO成分，这样就大大降低了各种环境因素的干扰，提高了报警的可信度。因而吸引采用温

14、度、感烟、CO三种传感器来组成火灾探测器。表3-1 火灾探测器比较实验对照表传感器类型单传感元件阈值探测器多传感元件探测器试验火类型光电感烟型差温探测器感烟探测器光电和差温复合型木材明火TF1不适合最佳最佳很适合太材执解火TF2最佳不适合适合最佳棉绳阴燃火TF3最佳不适合很适合最佳聚胺酯塑料火TF4很适合适合很适合很适合正庚烷火TF5很适合很适合最佳最佳无烟液体火TF6不适合最佳不适合适合温度传感器完成对环境温度进行实时采集，设定一个温度报警阈值，考虑到夏天温度较高，设定发生火灾时的报警温度阈值为48。当烟雾传感器和CO传感器都发出报警信号时，若测得的温度值大于48时，就发出报警信号，单片机控

15、制声光报警器报警。A 温度传感器特性使用温度传感器。可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。电路连接简单，同种产品性能相差不大，性能稳定，可以方便的替换坏掉的传感器。而且价格不高。温度传感器有很多种，按输出量可分为模拟和数字温度传感器。模拟输出温度传感器具有很高的线性度 (如果配合一个模数转换器或ADC可产生数字输出)、低成本、高精度(大约1%)、小尺寸和高分辨率。它们的不足之处在于温度范围有限(-55150)，并且需要一个外部参考源。数字输出温度传感器带有一个内置参考源，它们的响应速度也相当慢(100 ms数量级)。虽然它们固有地会自身发热，但可以采用

16、自动关闭和单次转换模式使其在需要测量之前将IC设置为低功耗状态，从而将自身发热降到最低。数字输出温度传感器不需要外部线性化电路转换。此外，由于其IC集成特性，自然会降低成本。可与常见的计算机总线（例如I2C总线、SPI总线和SMBus等）连接。而且它们允许与远端其它传感器进行通信，以完成一些控制任务。设计采用常用的数字温度传感器DS18B20，5V直流电压供电。图3-2 为DS18B20引脚分布图。DS18B20的性能特点：采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），测温范围为-55-+125，测量

17、分辨率为0.0625，内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，适配各种单片机或系统机，用户可分别设定各路温度的上、下限，内含寄生电源，价格较低，约为8元人民币。（a） PR-35封装（b） SOSI封装 图3-2 DS18B20 引脚分布图B 温度传感器电路设计在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时VDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。图3-3 温度传感器电路图外部供电和寄生供电方式电路都比较简单，外部供电方式不需接场

18、效应管，可节省一个器件，因而本设计采用外部供电方式连接。图3-3为温度传感器电路图。只需要把DS18B20的信号线DQ接单片机的P3.4口。再在DQ上接一上拉电阻，GND接地，VDD接+5V直流电源，通过软件的编写就能用此电路实现温度的采集。烟雾传感器完成对环境中的烟雾状况进行检测，当发生火灾时，环境中烟雾浓度变化较大，当CO传感器与烟雾传感器都输出报警信号时，可触发单片机外部中断1（INT1）进行处理。同时调温度值，若温度超过报警阈值，则进行火灾报警，声光报警器发出报警信号。A烟雾传感器的特性烟雾传感器是为了检测空气中的烟雾颗粒浓度，可以采用气敏传感器。由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，

19、不可能用一种传感器来检测所有的气体，气敏传感器的种类也很多。气敏传感器具体类型及其特点如表3-2所示。通过比较上述几种传感器的特点，从电路结构、价格、实现难易度考虑，选择半导体式传感器来检测烟雾。半导体式气敏传感器是利用半导体气敏元件（主要是金属氧化物）同待测气体接触，造成半导体的电导率等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度。可分为电阻式和非电阻式，电阻式气敏传感器是利用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制成敏感元件，利用敏感材料接触气体时其电阻值的变化来检测气体的成分或者浓度；非电阻式气敏传感器是一种半导体器件，它们与被测气体接触后，如二极管的伏安特性或场效应管的阈值电压等将会发生

20、变化，根据这些特性的变化来测定气体的成分或浓度。表3-2 气体传感器类型几特点类型原理检测对象特点半导体式若气体接触到加热的金属氧化物（SnO2、FeO3、ZnO2等），电阻值会增大或减小还原性气体、城市排放气体、丙烷七、烟雾颗粒等灵敏度高，构造与电路简单，但输出与气体浓度不成比例接触燃烧式可燃性气体接触到氧气就会燃烧，使得作为气敏材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大燃烧气体输出与气体浓度成比例，但灵敏度较低化学反应式利用化学溶剂与气体反应产生的电流、颜色、电导率的增加CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2等气体选择性好，但不能重复使用光干涉式利用与空气的折射率不同而产生的干涉现象与空气折射率

21、不同的气体，如CO2等寿命长，但选择性差热传导式根据热传导率差而放热的发热元件的温度降低进行检测与空气热传导率不同的气体，如H2等构造简单，但灵敏度低，选择性差红外线吸收散射式由于红外线照射气体分子谐振而吸收或散射量进行检测CO、CO2等能定性测量，但装置大，价格高B烟雾传感器电路设计HQ-2是一种电阻式气敏传感器。它的灵敏度为40PPM, PPM是体积浓度表示法，一百万体积的空气中所含污染物的体积数，即PPM。即当环境中烟雾颗粒浓度超过40ppm时，烟雾传感器的阻值下降很快。图3-4为该烟雾探测电路原理图。电源用设计的+5V+12V直流电源供电。HQ-2气敏管A-B之间的电阻，在无烟环境中为

22、几十千欧，有烟雾环境中可降到几千欧。一旦有烟雾存在，A-B间电阻迅速减小，比较器LM393通过电位器Rp所取得的分压随之增加，当正向端电压高于负向端时，比较器LM393翻转，输出端便可输出高电平触发信号，经与非门进入单片机进行处理。图3-4 烟雾检测电路图3.1.3 CO传感器CO传感器实现在火灾发生时，对空气环境中的CO含量进行监测，当空气中CO浓度达到报警时阈值，且烟雾传感器输出发出报警请求信号时，两个信号通过与非门后，可向单片机申请中断处理，当温度也达报警值时，单片机控制进行声光报警信号输出。A CO传感器的特性CO气体检测仍然采用气体传感器，原理与烟雾传感器相同，这里不再赘述。QM-N

23、10气体传感器输出信号直线性、重复再现性优越、不受湿度影响、电池可驱动。适用于民用一氧化碳报警器、便携式CO探测器、环境监测器、浓度计等。作为CO敏感元件，对CO响应的选择性好，并具有低功耗、灵敏度高、稳定性好等特点。检测浓度：01000ppm输出电流：4010nAPPM重复性：2 精度：5PPM应答时间：30 秒飘移：5 /年使用寿命5年。QMN10气敏半导体传感器在洁净空气中的阻值大约有几十K，接触到有害气体时，电导率增大，电阻值急剧下降，下降幅度与CO浓度在0.005%0.5%范围内成正比。除了可进行防火检测报警外，它还可用于家庭对煤气、一氧化碳、液化石油气等泄露实现检测报警。生活环境中

24、的一氧化碳浓度达0.81.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。它的灵敏度为40PPM，当环境内的CO含量超过40PPM时，传感器的阻值发生明显的改变。B CO传感器电路设计图3-5为CO气体检测电路原理图，当QM-N10没接触到CO气体时，其A-B两电极间呈现高阻抗，使得三极管的发射结反偏，三极管截止不通，三极管发射极e端输出低电平，送入与非门，与非门输出高电平无法触发报警中断信号，当QM-N10接触到CO气体后，其A-B两电极间的电阻值下降很多，三极管基极通过分压管分得一个0-5V间能使三极

25、管发射结导通的电压，可以通过调节可变电阻来改变探测器的响应阈值。设计使三极管发射极e端的跟随电阻分得4.3V左右的电压，此端呈现高电平，有效信号可送入与非门，只要从烟雾探测器传来的信号也为高电平信号就能触发单片机的外部中断1，进行防火报警。图3-5 CO气体检测电路图3.2防盗检测电路设计单探测技术入侵报警器的误报率高，除探测器的选型、安装、使用不合理外，其报警器的质量、稳定性和可靠性也可能较差。采用多种探测技术，能较好的解决误报率高这一难题。复合探测技术报警方式是将两种或两种以上的探测技术结合在一起，以“相与”的关系来触发报警装置，当两种或以上探测器同时或相继在短暂时间内都探测到入侵目标时，

26、才发出报警信号。对超声波、声控、微波、热释电红外等单探测技术报警器和以微波热释电红外双探测技术报警器等进行测试后发现，采用双探测技术探测方式的报警器的误报率要比采用单一探测技术的报警器的误报率低得多。其中以微波热释电红外探测双探测技术报警器的误报率为最低。据报道，这种双探测技术报警器的误报率可以采用单一探测技术的报警器的误报率降低421倍，可比其他几种类型的双探测技术报警器的误报率降低约270倍。所以本系统将采用微波热释电红外探测双鉴探测技术。其原理示意图如下：图3-6微波-热释电红外双鉴探测原理示意图双鉴探测器工作时将探测到的红外和微波两种信号经过与非门处理后送单片机，即只有同时检测到两个探

27、测器输出端口为高电平信号时，自动报警器才会响应盗情报警信号，否则不报警。从而弥补了微波探测器监视面积较大的弱点，但红外探测器对环境温度的变化比较敏感，而微波探测器所检测的只是活动的目标，所以对于如果只是温度变化引起的干扰并不会被自动报警器响应。通过这样双重的检测就进一步减小了外界干扰，降低了报警信号误报的发生率，下面详细分析本系统中热释电红外传感器与微波传感器电路的设计原理、特点以及实际的工作过程。A 热释电红外传感器特性热释电红外传感器通常包括热释电晶体、电极、氧化膜、衬底、FET和负载电阻几个组成部分，热释电晶体一般是PZT或其他材料，在晶体上下表面分别设置电极，在上表面再加一层黑色氧化膜

28、以提高其转换效率。热释电晶体的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗很高，一般为10K47K，而且输出电压信号又极其微弱，故在管内附有FET放大器及厚膜电阻，以达到阻抗变换的目的。在管壳顶端装有滤光镜片及窗口，用以选择接收不同的波长。在窗口上装滤光镜的目的是使不需要的红外线不能进入传感器。一般热释电红外传感器在光谱范围内的灵敏度是相当平坦的(并且不受可见光的影响)。一般常用硅质聚乙烯材料的滤光镜，它能以非接触形式检测出物体放射出来得红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。传感器探头前部装有菲涅尔透镜。由于人的活动频率范围在0.110Hz，因此需要对人体活动频率加以增频，

29、而菲涅尔透镜是一种多面反(折)射镜，比较理想。当人体进入菲涅尔透镜的一个视场时，在热释电传感器上产生一个交变红外辐射信号，就会使传感器电路产生一个微弱的电压信号。热释电红外传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，可以将其转化为与人体运动速度，距离，方向等有关的低频电信号。由热释电传感器的特性知电压响应度与入射光辐射变化的频率成反比，因此，当恒定的红外辐射照射在探测器上时，传感器没有电信号输出，所以恒定的红外辐射不能被检测到;而物体移动速度越快，同样的入射功率下，输出电压就会越小，只有达到报警阈值电平时，传感器才会有电压信号输出。根据该特性，选择热释电红外探测器适用于盗情信号的检测。传感

30、器原理框图如图3-7所示，当人体进入警戒区，人体温度会引起环境温度辐射场的变化，通过菲涅尔透镜，热释电红外探头感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，则在负载电阻上产生一个电信号，电信号的大小，决定于敏感元件温度变化的快慢。经过后级比较器与状态控制器产生相应输出信号U0。图3-7热释电红外线探测器原理框图红外发射接收有两种方式，可以采用主动和被动方式。主动方式需要红外接收源和相应的接收、检测设备，红外线的发、收光路，或对准，或依靠反射方式进行。为了加大监控距离，要求发射功率较大，接收灵敏度较高。主动方式最大的缺点是把运动着的生物体和运动着的非生物体区分开来，只要将红外线束或红外光路遮挡，就会触

31、发误报。如果有物体坠落遮挡，都会导致误报。被动式红外传感技术是利用红外敏感元件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大、处理，对被监控的对象实施监控。它能可靠地将运动着的生物体（人）和飘落的物体加以区别。同时，它还具有监控范围大、隐蔽性好、抗干扰能力强和误报率低等特点。综合考虑后本设计采用被动式红外传感器作防盗传感器。红外线波长范围大致在0.761000m之间。物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足m*T=2989（um*k）其中m为最大波长，T为绝对温度。人体的正常体温为3637.5C，即309310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为m=2989/（309310.5）=9.679.64um中心波长为9.65um。从内部结构分，热释电红外传感器有单探元、双元件、四元件及特殊型。双探元是将两个特性一致的探测元进行串接，组成差动平衡电路，有利于抑制因探测元自身温度变化而产生的干扰。四元件与双元件类似。用于人体探测的热释电红外传感器多采用双（探测）元或四元的器件。由于灵敏度要求不是很高，加之四元件价格相比双元更贵，因而设计最终采用双元的热释电红外传感器。选择了几种器件作比较，如表3-3所示。表3-3几种红外传感器的主要参数型号Q74P228LN084性能说明探测元双元双元双元探头类型封装形式TO-5TO-5TO-5金属封装响应度