家居安全自動警報系統(tǒng)設(shè)計說明

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）家居安全自動報警系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生： 琴 所在系部： 電氣信息系 專業(yè)班級： 電子信息工程 指導(dǎo)老師： 日 期： 二O一三年十月Home furnishing security alarm system designByQinzhangOctober 2013學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)院有關(guān)保管、使用學(xué)位論文的規(guī)定

2、，同意學(xué)院保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評選機構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于 1、 ，在 年解密后適用本授權(quán)書。 2、不 。 （請在以上相應(yīng)方框打“”） 作者簽名： 年月日 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 摘 要隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人們對自己生活環(huán)境的要求也日益增加，安全、舒適的居住環(huán)境成了每個家庭住戶必備的生活需求，提出了住宅安全保障的自動化問題。本課題從中國用戶的實際情況出發(fā)，將傳統(tǒng)的報警系統(tǒng)、紅外報

3、警系統(tǒng)、可燃氣體泄漏報警系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)等獨立的系統(tǒng)進行優(yōu)化整合。通過單片機進行控制，設(shè)計組成一個綜合性的全方位的家居安全報警系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩部分。在信號檢測硬件部分,熱釋電傳感器應(yīng)用在防盜系統(tǒng)中，溫度傳感器可以實時監(jiān)控室溫度，判斷險情，CO傳感器用于檢測室是否有可燃氣體泄漏。西門子的無線通信模塊TC35I具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、便于操作等特點。矩陣鍵盤用于設(shè)定模塊的工作狀態(tài)、液晶顯示器實時顯示當前的安全狀況。當發(fā)生緊急情況時，可以實現(xiàn)語音、短信報警。該安全系統(tǒng)具有實時性好，操作簡單，具有良好的人機界面等特點。關(guān)鍵詞: 安全系統(tǒng) 傳感器 TC35IAbstractWith t

4、he rapid development of Chinas national economy, the living standard of the people is improving continuously, people also unceasingly make demands of the living conditions. Safe and comfortable living environment has become an essential feature of every household living need, and the automation of r

5、esidential security is proposed.From the actual situation of Chinese users, this paper optimizes and integrates traditional alarm such as Infrared alarm system, combustible gas leakage alarm system. Fire alarm system and so on to form an all-round comprehensive residential alarmsystem by using MCU s

6、ystem control to provide reliable security services. This system is mainly includes hardware and software parts. In the signal detection hardware part, Phroelectric infrared applies in guarding against theft system. The temperature sensor is able to monitor the real-time indoor temperature and ident

7、ify dangerous circumstance and the CO sensor is used for toxic gas detection. We can also set the tasks through the keyboard and show the working information through the LED. The alarm system also has timeliness well, the human-machine interface friendly, the management operation simple.Key words:Se

8、curity System ;sensor; TC35I1 引言隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們的家居生活正變得越來越舒適便利。然而，生活中總存在這樣那樣的一些安全隱患：如火災(zāi)、煤氣中毒、盜竊案件等，嚴重危害到人們的安全。早期人們安全防的主要方法是安裝防盜門，防盜窗，防盜網(wǎng)等。這樣不僅有礙美觀，還不符合防火的要求。于是智能家居的概念應(yīng)運而生。人們利用高科技智能設(shè)備來代替原來的物理安防，初期的家庭安全報警系統(tǒng)存在靈敏度不高、效率低、誤報率高、功能單一、耗能大等缺點。所以一套高效快捷、安全可靠、靈活方便的報警系統(tǒng)對家庭用戶來說非常重要。1.1 國外研究概況美國知名電器生產(chǎn)企業(yè)Honeyw

9、ell公司生產(chǎn)的家庭安全系統(tǒng)具有完善的功能，人性化的服務(wù)，實現(xiàn)了對家居生活的全方位控制，帶給人們?nèi)碌氖孢m生活體驗。Honeywell公司生產(chǎn)的家庭安全系統(tǒng)包括戶外探測部分，樓宇對講部分，家居控制部分以與網(wǎng)絡(luò)家電部分。戶外探測部分由紅外報警電路，火災(zāi)報警電路，煤氣報警電路，門磁報警電路組成，涵蓋了各類安全報警圍。樓宇對講部分可以進行戶外、客廳與廚房、浴室的射頻對話功能。家居控制部分控制家庭水電閥門、空調(diào)、窗簾、門鎖，保證家居能源安全。網(wǎng)絡(luò)家電部分可以實現(xiàn)智能化家電功能，居住者可以遙控家電工作。國家庭安全報警系統(tǒng)目前基本上都具有火災(zāi)報警，煤氣泄漏報警，防盜報警和緊急呼叫報警功能。利用煙霧傳感器、

10、溫度傳感器、紅外傳感器、門磁電路實現(xiàn)探測功能。同時，部分產(chǎn)品附帶安裝攝像頭，進行二十四小時實時監(jiān)控。但是在產(chǎn)品質(zhì)量與功能上與國外還存在一定差距。據(jù)市場調(diào)查，有少部分市區(qū)家庭安裝了簡易安全報警裝置，將報警信息發(fā)送到用戶指定的 ，由于產(chǎn)品的質(zhì)量部穩(wěn)定，沒有采取有效的誤報警防措施，且報警信息又得不到有效的分析過濾，處警也得不到有效的保證，因此防效果不理想。也有部分小區(qū)通過與樓宇對講系統(tǒng)共有設(shè)備與線路，在室分機并接安全報警裝置，將報警信息發(fā)送到小區(qū)物業(yè)的方式來實現(xiàn)家庭安防目的。但是由于各類產(chǎn)品功能原理不同，互相間存在不兼容現(xiàn)象，對報警信息不能進行有效的處理，安防效果不明顯。1.2 本課題設(shè)計的意義本文

11、根據(jù)國外研究現(xiàn)狀，研究并設(shè)計了基于GSM無線技術(shù)的智能家居安全保駕系統(tǒng)，最大限度地滿足用戶人性化需求。本家居安全報警系統(tǒng)以無線數(shù)據(jù)通訊模塊TC35I作為通訊電路主要器件構(gòu)建GSM通訊模塊、串口通訊模塊MAX232用于計算機通訊。本系統(tǒng)具有以下特點：無線控制的智能家居安全報警系統(tǒng)免去了傳統(tǒng)有線報警系統(tǒng)在小區(qū)和主宅復(fù)雜的布線工作，保障了非小區(qū)住戶和分散用戶的實用，適合于各種家庭住宅。此課題的研究對普與中國家居安防系統(tǒng)居有現(xiàn)實意義。2 設(shè)計原理與方案根據(jù)國外在家居安防方面上的研究和發(fā)展成果，家居安全系統(tǒng)勢必向著多功能化發(fā)展。結(jié)合中國人的居住條件和實際情況，完成一款家居安全系統(tǒng)的設(shè)計，需要以下幾種方法

12、：（1） 用紅外線感應(yīng)器對人體體溫的感應(yīng)；（2） 用溫度感應(yīng)器對火焰和室溫度進行感應(yīng)；（3） 用CO氣體感應(yīng)器對煤氣進行感應(yīng)；（4） 用GSM模塊進行事故發(fā)生時的實時通知根據(jù)以上方法，設(shè)計了硬件系統(tǒng)總體框圖： AT89C51LCDRS232串口通信TC35i模塊SIM卡揚聲器電源鍵盤熱釋電紅外傳感器溫度傳感器煤氣泄漏傳感器本系統(tǒng)以AT89C51為核心，外設(shè)部分由鍵盤輸入模塊、LCD顯示模塊、電源模塊、揚聲器報警模塊、GSM通信模塊、傳感器感應(yīng)模塊組成。電源模塊利用家用220V電壓轉(zhuǎn)化為單片機與其外設(shè)模塊電壓，鍵盤和LCD模塊控制輸入和輸出，設(shè)定時間和通訊。揚聲器GSM通信模塊則用于聲光報警和短

13、信報警。傳感器感應(yīng)模塊組成由熱釋電紅外傳感器電路、溫度傳感器電路、煤氣泄漏傳感器電路組成，用于探測盜竊、火災(zāi)、可燃氣體泄漏等情況。2.1 單片機 AT89C51原理本設(shè)計采用的MCU是C51系列的AT89C51。該單片機以MCS-51為核，其中包括一個CPU，128B的RAM，32個I/O口，工作頻率在33MHz。 其引腳排列如圖所示：AT89C51管腳功能介紹：VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編

14、程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。 P1口：P1口是一個部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。 P2口：P2口為一個部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存

15、儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（

16、外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器

17、時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引

18、腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2.2 GSM模塊GSM模塊TC35I是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM。工作在GSM900和GSM1800雙頻段，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。其數(shù)據(jù)接口（CMOS電平）通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，并且支持Text和PDU格式的SMS，可通過AT命令或關(guān)中斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)。TC35主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、電源模塊（ASIC）Flash閃存，ZIF連接器、天線接口6部分組成。作為TC35

19、的核心，基帶處理器主要處理GSM終端的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。TC3535模塊的正常運行需要相應(yīng)的外圍電路與其配合。TC35共有40個引腳，通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動與關(guān)機電路、數(shù)據(jù)通信電路、語音通信電路、SIM卡電路、指示燈電路等連接。TC35i模塊有40個引腳，通過一個ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。TC35i的第15引腳是正電源輸入腳通常推薦值4.2V，第610引腳是電源地。11、12為充電引腳，可以外接鋰電池，13為對外

20、輸出電壓(共外電路使用)，14為ACCU-TEMP接負溫度系數(shù)的熱敏電阻，用于鋰電池充電保護控制。15腳是啟動腳IGT，系統(tǒng)加電后為使TC35i進入工作狀態(tài),必須給IGT加一個大于100ms的低脈沖,電平下降持續(xù)時間不可超過1ms。 1623為數(shù)據(jù)輸入/輸出，分別為DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0 和DCD0。tc35i模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口實際上是一個串行異步收發(fā)器，符合ITU-T RS232接口標準。它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗位，波特率在300bps115kbps之間可選，默認9600。硬件握手信號用RTS0/CTS0，

21、軟件流量控制用XON/XOFF，CMOS電平，支持標準的AT命令集。其中18腳RxD0、19腳TxD0為TTL的串口通訊腳，需要和單片機或者PC通訊。TC35i使用外接式SIM卡, 2429為SIM卡引腳，SIM卡同TC35i是這樣連接的:SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通過SIM卡閱讀器與TC35i的同名端直接相連，ZIF連接座的CCIN引腳用來檢測SIM卡是否插好，如果連接正確，則CCIN引腳輸出高電平，否則為低電平。   TC35i的第32腳SYNC引腳有兩種工作模式，一種是指示發(fā)射狀態(tài)時的功率增長情況，另一種是指示TC35i的工作狀態(tài)

22、，可用AT命令A(yù)T+SYNC進行切換，本模塊使用的是后一種。當LED熄滅時,表明TC35i處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài)；當LED為600 ms亮/600ms熄時，表明SIM卡沒有插入或TC35i正在進行網(wǎng)絡(luò)登錄；當LED為75 ms亮/3s熄時，表明TC35i已登錄進網(wǎng)絡(luò)，處于待機狀態(tài)。 30、31、32腳為控制腳，其中30為RTC backup，31為Power down，32 為SYNC。3538為語音接口，35、36接揚聲器放音。37、38可以直接接駐極體話筒來采集聲音（37是話筒正端，39是話筒負端）2.3 熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外線（FIR）傳感器是20世紀80年代發(fā)展起來的一種新

23、型高靈敏度探測元件，它是一種能夠檢測人體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器，它能組成防入侵報警系統(tǒng)或各種自動化節(jié)能裝置。菲涅爾透鏡是一種由塑料制成的特殊設(shè)計的光學(xué)透鏡，它用來配合熱釋電紅外線傳感器，以達到提高接收靈敏度。用菲涅爾透鏡配合放大電路將信號放大6070dB，就可以檢測1020m處人的活動。熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，當人體進入警戒區(qū)，人體溫度會引起環(huán)境溫度輻射場的變化，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外探頭感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異信號，則在負載電阻上產(chǎn)生一個電信號，電信號的大小決定于敏感元件溫度變化的快慢，將這個電信號加以

24、放大，便可以驅(qū)動各種控制電路。熱釋電紅外傳感器如圖所示熱釋電紅外傳感器的主要工作參數(shù):工作電壓:常用的熱釋電紅外傳感器工作電壓圍為315V;工作波長:通常為7.514 m;源極電壓:通常為0.41.1V，R=47k;輸出信號電壓:通常大于2.0V;檢測距離:常用熱釋電紅外傳感器檢測距離約為610m；水平角度:約為120°；工作溫度圍:1040。2.4 MQ-7甲烷、天然氣傳感器MQ-7氣敏傳感器由微型AL2O3瓷管、SnO2敏感層，測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。填充活性碳的過濾腔體，進一步減弱了氮氧化物、烷類等氣體的

25、干擾。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4只用于信號輸出，2只用于提供加熱電流。MQ-7氣敏傳感器對一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，同時具有長期使用壽命和可靠地穩(wěn)定性。如圖為MQ-7靈敏度曲線其中溫度：20相對濕度：65%氧氣濃度：21%RL=10KRs:器件在不同氣體，不同溫度下的電阻值。R0：器件在潔凈空氣下的電阻值。MQ-7傳感器標準工作條件符號備注參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Vc回路電壓10VDCVH (H)加熱電壓（高）5.0V±0.2VAc or DCVH (L)加熱電壓（低）1.5V±0.1VAc or DCRL負載電阻可調(diào)RH 加熱電阻31±3室

26、溫TH (H) 加熱時間（高）60±1 secondsTH (L) 加熱時間（低）90±1 secondsPH加熱功耗約350mwMQ-7傳感器靈敏度特性符號參數(shù)名稱技術(shù)參數(shù)備注Rs敏感體電阻2-20在100ppmCO 中濃度斜率小于0.6Rs (300ppm)/Rs(100ppm)標準工作條件溫度：20±2 相對濕度：65%±5%Vc:5.0V±0.1V VH（高）:5.0V±0.1V VH（低）:1.5V±0.1V預(yù)熱時間不短于48 小時探測圍：10ppm-1000ppm 一氧化碳敏感體功耗（Ps）值可用下式計算：Ps=

27、Vc2×Rs/(Rs+RL)2 傳感器電阻（Rs），可用下式計算：Rs=(Vc/VRL-1)×RL2.5 DS18B20溫度傳感器DS18B20溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的采用1-Wire總線技術(shù)的典型產(chǎn)品。它可以將被測溫度直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，因此單片機可以方便地通過串行總線實現(xiàn)讀取。另外，1-Wire具有成本低、節(jié)省I/O口、抗干擾能力強、便于總線擴展和維護等特點。DS18B20部結(jié)構(gòu)圖如下DS18B20通過編程后，可實現(xiàn)912位的溫度度數(shù)。由于DS18B20可以由數(shù)據(jù)線本身提供電源，因此單片機與其連接時，需要一根數(shù)據(jù)線和和一根地線。由于每片DS18B20部都有一個獨

28、特的片序列號，所以一條單總線上可以掛多片DS18B20，特別適合構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)。工作性能如下：1- Wire數(shù)據(jù)通信；可用數(shù)據(jù)線供電，電壓圍為3-5.5V；12位分辨率時最大工作周期為750ms可選擇寄生工作方式檢測溫度在-55+125被測溫度在-10+85時，精度為±0.564位光刻ROM，置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1報警系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計本課題采用AT89C51單片機作為主控芯片，AT89C51具有很強的實用性能，同時價格便宜，已被廣泛運用于各種電子儀器中。在AT89C51單片機的XTAL1、XTAL2端口外接定時元件，使單片機部振蕩器產(chǎn)生自激震蕩。外部震蕩元件使用12MHz石英晶體和30pF電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路。為避免程序出錯或操作錯誤引起系統(tǒng)出現(xiàn)死鎖狀態(tài)，在單片機RST端口外設(shè)復(fù)位電路，利用一個手動開關(guān)和電容構(gòu)成。3.2 GSM模塊與單片機連接的設(shè)計通訊模塊TC35與單片機連接的電