基于物联网家庭防盗系统设计实现Word下载.docx

1、因此，小区安全防范系统建设已逐渐纳入许多小区建设的必备项目中。1.4 设计任务与要求 （1）该设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、单片机控制、GSM短信报警等模块子函数。（2）本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、单片机控制电路、GSM短信模块及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、报警信息告知用户等功能。终端由中央处理器、输入模块、输出模块、通信模块等部分组成。（3）系统可实现功能。当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态，探测器工作起来,当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信

2、号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL 电平至89C52单片机，经单片机处理运算后驱动执行短信报警电路使GSM模块，向用户发送短信息实现远程防盗报警功能。（4）红外线具有隐蔽性，在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。此类装置设计的要点：其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大地增加防护范围。当然，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。至于报警可采用声光信号。 第2章 系统方案设计2.1 系统总体设计思路基于GSM短信模块的家庭防盗报警系统组成如图2-1所示。该系统结构组成为前端探测器（热释电红外探测器）、单片机控制器、GSM短信模块、用户

3、终端。图2-1 基于GSM短信模块的家庭防盗报警系统本系统由五路热释电红外探测器采集五路（门、窗、阳台等报警监测点）报警信号，将报警信号送入89C52控制芯片，控制触发GSM短信模块向用户发送防盗报警信息，从而实现家庭用防盗报警系统的功能。基本工作原理如下:利用被动式热释电型红外传感器检测人体辐射的红外线，当检测到红外信号变化时，将其转化为微弱的电信号，经过信号处理电路对电信号进行滤波、放大、比较、输出高电平作为告警信息送给MCU，MCU判断是否报警，如果满足报警条件，就会发出控制信号，通过串行通信接口RS232，控制GSM短信模块给用户发短信息，实现防盗报警。2.2 系统方案设计本设计包括硬

4、件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、单片机控制、GSM短信模块报警等子模块。电路结构可划分为：热释电红外传感器、单片机控制电路、GSM短信模块及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、短信报警等功能。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：热释电红外传感探头电路、报警电路、单片机、复位电路

5、、GSM短信模块及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图2-2总体设计框图所示：图2-2 总体设计框图 处理器采用51系列单片机89C52。整个系统是在系统软件控制下工作的。设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL 电平至51单片机。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。驱动电路将控制信号放大并推动GSM模块向事先设定好的用户发送报警信息，从而实现相应报警功能。当报警延迟10s一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路使系统复位。2.3 传感器简介2.3.1

6、常见的几种红外传感器介绍（1）红外探测器：红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。（2）红外测温产品：HEITRONICS 拥有40多年非接触红外测温经验，50多种红外测温仪和非接触红外测温系统可满足不同行业用户的特殊需求,提供最优非接触红外测温解决方案。在高性能和高品质的红外测温产品市场，

7、来自德国的HEITRONICS以其在尖端领域应用中良好的品质纪录，被广泛公认为是世界一流的红外测温产品供应者而受到信任。HEITRONICS 系列产品已广泛应用于冶金，玻璃,造纸, 纺织, 橡胶, 木材, 制陶,塑料 涂层, 沥青 建筑, 电子, 食品,石化，水泥等工业制造、科学研究和实验领域。HEITRONICS红外测温仪部分产品KT19系列-50C - 3000C 智能型红外测温仪 智能测温系统 19种光谱范围 实时数字处理 5 ms响应时间 光学瞄准 ,带激光瞄准 LCD显示 可编程 ,RS232串行接口KT15D系列-50C 通用型红外测温仪 通用测温专家 响应时间50ms 可编程 R

8、S232串行接口 紧凑型结构KTX系列0C - 2000C 集成型红外测温仪 全金属外壳 抗电磁干扰 HD版适合在180C恶劣环境下工作 LS12系列-50C 线性扫描式测温仪 独立使用远端软件遥控 KT18S50C - 2500C 光谱式红外测温仪 响应时间10ms 距离目标系数为400:1 光学瞄准 硅探测器（3）压电传感器压电传感器（Piezoelectric sensor）是一种典型的有源传感器,它是以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,电介质表面产生电荷,从而实现外力与电荷量间的转换,达到非电量的电测目的.压电传感器的应用:可分为单向力,双向力和三向力传感器.压电传感器的物理基

9、础是压电效应,压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出,即根据输出电压或电荷的大小和极性,就可确定作用力的大小和方向.由此可见,压电传感器可以直接用于测力,或测与力相关的压力 位移 振动加速度等.（4）磁电传感器磁电传感器可分为两大类,一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感应式传感器,一类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器磁敏管的应用:不但具有很高的磁灵敏度,同时能识别磁场极性;而且体积小 功耗低,因而具有广泛的应用前景.（5）光电传感器光电传感器（Photoelectric sensor）是一种将光信号转换成电信号的装置,它具有结构简单,性能可靠,精度高,反应快等优点,在现代测量和自动

10、控制系统中,应用非常广泛,是一种很有发展前途的新型传感器.（6）人体热释电红外传感器介绍和应用:在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。（7）无线红外传感器无线红外传感器又名无线红外探测器无线智能幕帘/广角红外探测器采用美国军用红外传感器进行信号采集探测与摩托罗拉芯片组合集成单片机智能技术控制，自动温度补偿，微电流省耗，无误报，无漏报，探测距离远，工作稳定，性能可靠，外形精巧，美观大方。机内设置电源外拨开关，外出设防可以接通电源，达到更加省电的效果。它是根据人体红外光谱而工作，当人体在其接收范围内活动时，探测

11、器输出报警信号，广泛用于银行、仓库和家庭等场所的安全防范。它是目前可靠性较高的产品，红外探测部分采用报警器用传感器和红外专用处理IC。高频发射部分采用最新声表面（S）稳频技术，配合成熟的外围电路，使得产品具有红外探测灵敏度好、误报率低、高频发射频率稳定、发射功率大的特点。工作原理：红外广角型探头的防范区域是以其透镜始点，向前散发120度，长12米的圆锥形的探测区域，在这区域内，只要是热能动物在区域内活动，其散发的红外热能将被吸收。幕帘型探头工作原理：红外幕帘型探头的防范区域是以其透镜始点，向前散发120度，长12米的圆锥形的探测区域，在这区域内，只要是热能动物在区域内活动，其散发的红外热能将被

12、吸收2.3.2 热释电红外传感器简介被动式红外探测器不需要附加红外辐射光源，本身不向外界发射任何能量，而是由探测器直接探测来自移动目标的红外辐射，因此才有被动式之称。被动式红外探测器是利用热释电效应进行探测的。被动式红外探测器又称为热释电红外探测器，其主要工作原理便是热释电效应。热释电效应是指如果使某些强介电质材料（如钦酸钡、钦错酸铅P（zT）等）的表面温度发生变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的变化，从而使物质表面电荷失去平衡，最终电荷变化将以电压或电流形式输出。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

13、向有关的低频电信号。当热释电红外传感器受到红外辐射源的照射时，其内部敏感材料的温度将升高，极化强度减弱，表面电荷减少，通常将释放掉的这部分电荷称为热释电电荷。由于热释电电荷的多少可以反映出材料温度的变化，所以由热释电电荷经电路转变成的输出电压也同样可以反映出材料温度的变化，从而探测出红外辐射能量的变化。红外探测器的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量聚焦在探测器上，这样红外探测器就可以探测到某一个立体探测空间内热辐射的变化。当防范区域内没有移动的人体时，由于所有的背景物体（如墙壁、家具等）在室温下红外辐射的能量比较小，而且基本上是稳定的，所以不能触发报警器。当有人体突然进入探测区域时，会造

14、成红外辐射能量的突然变化，红外探测器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转化为相应的电信号，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的输出信号U，送往报警器，发出报警信号。红外探测器的探测波长为814um，人体的红外辐射波长正好处于这个范围之内，因此能较好的探测到活动的人体。被动式红外探测器属于空间控制型探测器，其警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成锥体感热区域，构成立体警戒。由于被动式红外技术具有监测距离较远，灵敏度较高，节能价廉等优点，本课题采用红外探测器作为报警探测器，并在设计中增加了自动声光报警的功能，使报警系统更加趋于完善。

15、2.3.3热释电红外传感器的原理热释电红外线（PIR）传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。如下图所示为热释电红外传感器的内部电路框图。热释电红外传感器的内部电路框图本设计所用的热释感器就采用这种双探测元的结构。其工作电路原理及设计电路如下图所示, 在VCC电源端利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET

16、放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过NPN的转化，输出OUT为低电平。热释电红外传感器原理图热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰 ，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化 ，并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电

17、荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式 ，该电阻阻抗高达104M，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片， 并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。2.4 51系列单片机的内部组成STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意

18、选择。主要特性如下：1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.2.工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）3.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz4.用户应用程序空间为8K字节5.片上集成512字节RAM6.通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真

19、器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8.具有EEPROM功能9.具有看门狗功能10.共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T211.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒12.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART13.工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）14.PDIP封装STC89C52RC单片机的工作模式掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序空闲模式：典型功耗2mA正常工作模式：典型功耗4Ma7m

20、A掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备2.4.1 STC89C52单片机的内部组成图2-4画出了STC89C52单片机的内部系统组成的基本框图： 外时钟源 外部事件计数 INT0 INT1 内中断 控制 并行口 串行通讯 图2-4 STC89C52 单片机系统组成基本框图由图2-4可以看出，MCS51系列单片机89C52是由中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出（I/O）口电路、定时器/计数器等若干部件组成，再配置一定的外围电路，如时钟电路、复位电路等，即可构成一个基本的微型计算机系统。2.4.2 STC89C52单片机引脚及功能共40条

21、引脚，分为端口、控制、电源三类：（1） 端口线：4个8位端口共32条引脚，用于传输数据、地址、控制、状态等信息。P0口（P0.0P0.7）：多功能端口，用于传输数据、地址。P0口在传输数据信息时，输入带缓冲、输出带锁存，使用非常方便。P1口（P1.0P1.7）：单功能端口，用于数据输入/输出传输。P2口（P2.0P2.7）：多功能端口，用于传输地址信息或作为普通I/O端口。P3口（P3.0P3.7）：多功能端口，用于传输控制信息或作为普通I/O端口。传输控制信息时： P3.0：RXD，串口输入 P3.1：TXD，串口数出 P3.2：INT0，外部中断0输入 P3.3：INT1，外部中断1输入

22、P3.4：T0，计数器0输入 P3.5：T1，计数器1输入 P3.6：WR，“写”控制信号线 P3.7：RD，“读”控制信号线（2） 电源线：共2条，VCC、VSS（GND）。（3） 控制线：共6条，传送控制信号。ALE：地址锁存，用于区分在多功能端口传送的数据/地址信息，ALE=0/1：数据/地址。EA：允许访问外程序存储器。EA=0/1：片外/片内存储器有效。PSEN：片外ROM选通。RST：芯片复位线。XTAL1、XTAL2：外接石英晶体输入线。图2-5为STC89C52单片机的引脚图：图2-5 STC89C52单片机引脚结构2.5 RS-232C接口 RS-232C通信接口是一种标准的

23、串行接口，其通信标准在国际上得到了广泛的应用。在电气特性上RS-232C采用负逻辑，要求高、低两信号间有较大的幅度，标准规定如下： 逻辑“1” ：-5 -15V。 逻辑“0” ：+5 +15V。 RS-232C规标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根 ，他们的管脚分配如图2-6，接口定义说明如下表2-1所示。图2-6 RS-232 （DB9）的引脚图表2-1 RS-232 （DB9）的接口定义编号名称功 能 说 明1DCD载波检测2RXD接收数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备好5GND信号地6DSR数据准备好7RTS请求发送8CTS允

24、许发送9RI振铃提示 通常的应用系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，比如PC和色温计，PC和单片机之间的通信，双方都能发送和接收，它们的连接只需要使用三根线即可，即RXD,TXD和GND，连接方式见图2-7。图2-7 “三线连接法”2.6 TC35短信模块简介 西门子公司TC35型GSM收发模块是比较常用的GSM模块，可工作在GSM900 MHz和GSM1800MHz 两个频段。TC35模块体积小、安装方便，可以根据具 体需要很方便地嵌入应用系统中，通过40脚ZIF（零插拔力）连接器与应用电路连接，通过一个串行接口与应用电路实现信息交换。TC35结构如图1所示。 TC

25、35模块可以传送语音、数据、sMs和传真，单电源供电（3.3V5.5V），工作温度范围为-20C +55C ，串口可以工作于多种波特率：1.2kbit/s、2.4kbit/s、4.8kbit/s、9.6kbit/s、19.2kbit/s、38.4kbit/s、57.6 kbit/s和115.2 kbit/s，使用AT命令集对串口进行操作，并对TC35进行编程，TC35可以工作于降功耗方式、休眠方式、软件激活方式、通话方式等多种方式，具体应用如图2-8所示。图2-8 TC35结构图 第3章 硬件电路设计.1 电源电路设计电源电路的功能介绍：此电路在整个设计中起着很重要的作用，是提供器械运转的原动

26、力。此电源为直流稳压电源包括降压、整流、滤波、稳压三部分，最终将电网中220V的交流电压转换为5V的直流电压提供给后面的工作电路。在整个电路中电源部分起到重要的作用，如果电源部分不能实现整个电路都不能运行。（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成较低的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=，式中是变压器的效率。在本电源电路中取的数值为22，故降压后副边电压值为10V。（2）整流电路：利用D1D4 4个二极管组成的一个桥式整流电路，将50Hz的正弦交流电转化成脉动的直流电。整流后的电压约为9V。（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分通过C101加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：芯片7805稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压波动和负载电阻的变化而变化。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器，主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳太器，其基本原理相同，均采用串