【智能化家庭安全安防報警系統(tǒng)的設計（論文）6100字】

PAGEI智能化家庭安全安防報警系統(tǒng)的設計目錄TOC\o"1-3"\h\u28825摘要 II294000引言 337721工作原理 3109491.1系統(tǒng)框圖 312721.2系統(tǒng)組成部分 311511.2.1硬件部分 3177471.2.2軟件部分 4304182硬件設計 4122422.1最小系統(tǒng)電路的設計 4245862.2電源轉換電路 5129682.3信號采集與處理電路設計 5292262.3.1火焰采集電路設計 5107512.3.2紅外傳感器電路設計 525932.3.3甲烷檢測電路設計 5211982.4GSM模塊電路設計 6321912.5蜂鳴器及驅動電路設計 6280162.6LED指示燈電路設計 637102.7系統(tǒng)總體電路設計 6219823軟件設計 8203053.1GSM模塊驅動軟件設計 8180993.2紅外傳感器程序流程圖設計 9322713.3甲烷傳感器程序設計 9259603.4火焰?zhèn)鞲衅鞒绦蛟O計 1054424整體調試 10269934.1系統(tǒng)軟件調試 11167344.2系統(tǒng)硬件調試 12320214.3測試結果分析 12319115結語 1211836參考文獻 130引言在人們的日常生活中，安全一直都是人們擔心的問題。隨著科技的發(fā)展，經濟水平的不斷提升，人們居住的環(huán)境越來越密集，環(huán)境的復雜程度也越來越高。在日常生活中，電器和智能化設備使得家庭中需要使用電力的物品越來越多，引起的安全隱患不可忽視。家庭安全問題主要分為三個方面：火災、異常氣體和被偷竊，因此很需要一款檢測設備對這些問題進行檢測，而市面上這些設備都只有其中一種功能，并且價格較高，存在信息傳遞不及時等問題。所以利用單片機設計一個功能齊全的家庭安全安防報警系統(tǒng)成為了一種可能。它不僅有體積小、安裝方便、功能較齊全等優(yōu)點，而且有很高的性價比，因此應用前景廣泛[1]。對保障居民的生命財產安全，提高公安、消防、醫(yī)療、保安等部門的快速反應能力，有著重要的價值[2]。1工作原理1.1系統(tǒng)框圖智能化家庭安全安防報警系統(tǒng)總體結構如圖1所示。圖1智能化家庭安全安防報警系統(tǒng)框圖系統(tǒng)以STC89C52單片機芯片為核心，使用各類傳感器采集信號并傳遞給芯片，由芯片判斷信號來執(zhí)行相應的操作。通過紅外傳感器進行檢測是否有人，火焰?zhèn)鞲衅鳈z測是否有火焰產生，甲烷氣體傳感器檢測是否有甲烷或者包含甲烷的氣體產生，如果各類傳感器檢測到其所需的信號，則蜂鳴器進行報警；反之則不報警。如果紅外傳感器檢測到有人非法闖入，則黃燈亮，并會通過GSM模塊向用戶手機號發(fā)送英文短信：Someone；如果火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火焰發(fā)生，則綠燈亮，同時GSM模塊發(fā)送信息：Fire;當甲烷傳感器檢測到有甲烷氣體或包含甲烷的氣體產生，藍燈亮，同時GSM向用戶手機發(fā)送英文短信：Gas。1.2系統(tǒng)組成部分1.2.1硬件部分硬件部分由電源模塊、單片機最小系統(tǒng)模塊、傳感器電路模塊和蜂鳴器模塊組成。電源模塊由自鎖開關、5VDC電源以及電源二極管組成。單片機控制模塊由STC89C52芯片、晶振、復位開關等組成。傳感器電路模塊包括：火焰?zhèn)鞲衅髂K電路、甲烷傳感器模塊電路、紅外線傳感器模塊電路。1.2.2軟件部分軟件系統(tǒng)主要包括底層驅動程序和應用程序[3]。系統(tǒng)以單片機實時操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)系統(tǒng)，以KEIL軟件為開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)程序分為三個軟件層：底層以KEIL內核為主，擔任管理內部存儲器、通信服務和定時器管理等工作內容；中間層主要負責內存的芯片運行管理和通信服務程序管理；外層是硬件接口層，主要負責用戶程序編寫。項目程序的編寫是搭建在這三層的基礎上，底層和內層為開發(fā)者提供程序調用功能[4]。2硬件設計2.1最小系統(tǒng)電路的設計STC89C52芯片內部含有ROM/EPROM的存儲器，這是單片機組成最小系統(tǒng)的必要成分。使用單片機組成最小系統(tǒng)，我們不需要有復雜的外界電路，只需要將最小系統(tǒng)所需的RST電路和TIME電路連接上，就能夠實現(xiàn)其所需要的功能，如圖2所示。此外最小系統(tǒng)只能當做簡單容易的控制，如果需要使用到比較復雜的功能，必須使用外界電路[5]。STC89C52芯片的工作電壓在4.8到5.2V之間，其中此款芯片內部嵌入4KB的只讀存儲器空間和256KB的隨機存儲器空間的，而且部分引腳含有特殊功能的。此款芯片的子程序調用完全符合傳統(tǒng)的8051MCU[6]。除了上面具有的特點，另外具有性價比高，編程容易，工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點，最小系統(tǒng)如下圖2所示單片機引腳圖輸入輸出接口圖[7]。圖2STC89C52單片機引腳圖圖3最小系統(tǒng)電路圖.STC89C52單片機最小系統(tǒng)：單片機內部有ROM/EPROM的存儲內存，所以，單片機組成的系統(tǒng)是極小簡單系統(tǒng)。工作性能比較穩(wěn)定，安全，性價比較高。另外是受板子大小的原因，極小簡單系統(tǒng)只能當做簡單容易的控制使用的，如需要復雜功能，必須外接電路實現(xiàn)[8]。2.2電源轉換電路本控制系統(tǒng)所需要的電源均采用5V直流電源，所以可以直接使用市面上流通的手機適配器連接USB插口對整個系統(tǒng)供電，這樣可以保持電源穩(wěn)定且成本低。當電源上電時，可以通過白色LED燈判斷電源是否供電。2.3信號采集與處理電路設計2.3.1火焰采集電路設計本設計采用的火焰?zhèn)鞲衅髂K可以檢測波長在760nm~1100nm的光源信號。它的工作原理是利用了傳感器上特定的紅外線接收管對火焰產生的紅外線非常敏感的特點，把火焰信號轉換成單片機可以檢測并處理的信號，當單片機設定的管腳輸出低電平則代表檢測到火焰，反之則沒有。本文需要的是數據信號，因此在模塊電路中增加LM393比較器，比較器的輸入引腳連接火焰?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲆_，若火焰?zhèn)鞲衅魈筋^檢測到火焰信號時，把LM393輸出管腳拉低，例外電路中指示燈發(fā)亮，提示檢測到火焰信號。電路如下圖4所示。圖4火焰?zhèn)鞲衅髟O計原理圖從上圖可知4號引腳連接到VCC，3號引腳連接到GND，2號引腳是數字信號輸出，1號引腳是模擬信號輸出，要使用數字信號輸出，所以2號引腳（P14）連接到單片機I\O口，1號引腳懸空。2.3.2紅外傳感器電路設計本設計采用的紅外傳感器對外界光線強度反應能力很敏感，他是有一個紅外線發(fā)射模塊和反射紅外線接收模塊共同組成。當啟動模塊后，發(fā)射模塊會發(fā)送固定的紅外光線頻率，在紅外線遇到遮擋物時，固定的紅外頻率光線會被反射回來并被接收管接收，從而給單片機提供準確的信號，方便進行下一步處理。模塊工作電壓在3.3V~5V，而本系統(tǒng)的供電電壓是標準的5V電壓，所以可以直接給紅外模塊供電，不需要再額外增加電源轉換電路。在本設計電路中信號線P32與單片機管腳相連接，當檢測遮擋物時，P32輸出低電平，當遮擋物消失時，P32輸出高電平，因為直接輸出是數字信號，不需要增加模數轉換電路。設計了圖5模塊接線圖。圖5紅外硬件接線圖圖6甲烷傳感器硬件接線圖2.3.3甲烷檢測電路設計本設計運用的是甲烷傳感器，當甲烷檢測模塊檢測到空氣中有甲烷氣體時，它的導電率會因為空氣中甲烷氣體含量提高而提高。甲烷傳感器主要特點是靈敏度高、響應速度快、精度高并且抗干擾能力強，而且可以長期穩(wěn)定工作，不會發(fā)生老化，因此得到了普遍使用。圖6甲烷傳感器硬件接線圖。從圖可知4號引腳連接到VCC，3號引腳連接到GND，2號引腳是數字信號輸出，1號引腳是模擬信號輸出，因為要使用數字信號輸出，所以2號引腳（P15）連接到單片機I\O口，1號引腳懸空。2.4GSM模塊電路設計SIM900A是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，屬于雙頻GSM/GPRS模塊,采用SMT封裝，基于STE的單芯片案，采用ARM926EJ-S架構,性能強大，因此選用SIM900A作為GSM/GPRS模塊的芯片[9]?？稍诘凸β实那闆r下實現(xiàn)SMS、數據和傳真信息的傳輸。在節(jié)約能源方面，休眠工作模式下電流消耗可維持在10mA以下，另外，模塊內嵌TCP/IP協(xié)議，可以讓用戶很容易使用。SIM900A模塊若要穩(wěn)定的工作，則要有匹配的外圍電路搭配，硬件設計連接狂徒如圖7所示，主要分為VCC、GND、TXD、RXD四個引腳，兩個信號線與單片機信號引腳交叉相連接。本設計主要運用到了SMS與TCP功能，外圍電路包括串口電路、電源電路、SIM卡電路以及單片機相應接口電路。圖7GSM模塊硬件接線圖圖8蜂鳴器及驅動電路2.5蜂鳴器及驅動電路設計本設計選用的是5V有源蜂鳴器[10]。由于單片機的I/O管教輸出的電流小，不能讓蜂鳴器形成一定的電磁場，所以要增加額外的電流放大電路，并設計了圖8蜂鳴器及其驅動電路，放大電路中的三極管選用的是S9012。圖中三極管的1號管腳接電源VCC（5V），2號管腳通過串聯(lián)1K電阻接入單片機引腳（P13），3號引腳連接到蜂鳴器正端。在三極管2號管腳接入高電平（5V）時三極管會一直處于關斷狀態(tài)，則蜂鳴器處于無電源接入狀態(tài)；當三極管2號管腳接入低電平（0V）時，則三極管處于導通狀態(tài)，從而蜂鳴器接通電源，發(fā)生響聲，若再給三極管2號管腳接入高電平（5V）時，蜂鳴器停止發(fā)聲。2.6LED指示燈電路設計LED燈體積小，性能穩(wěn)定，使用壽命長，而且工作電壓較低，所以本設計使用LED燈作為各類信號指示燈。在LED燈電路內串聯(lián)1K電阻進行限流，當單片機引腳向LED燈發(fā)出低電平時，LED燈亮起，反之則不亮。2.7系統(tǒng)總體電路設計系統(tǒng)總體電路設計如圖9所示圖9系統(tǒng)原理圖3軟件設計本系統(tǒng)設計主要采用Keil軟件編寫與調試程序，程序語言采取易讀性和移植性更高的C語言編寫[11]。系統(tǒng)的總體框架是當系統(tǒng)上電后，首先進行模塊初始化，若有模塊器件損壞，則不能正常運行；然后系統(tǒng)開始采集數據和處理數據，若處理的數據正確，將數據傳輸給上位機進行進一步處理。系統(tǒng)運行流程圖如圖10所示。如圖11信號處理軟件總流程圖。圖10系統(tǒng)運行流程圖圖11信號處理軟件總流程圖3.1GSM模塊驅動軟件設計GSM模塊是控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠程報警的重要模塊，當存在控制參數超過原來預期的設定值時，可將報警信息編輯成短信信息，然后通過GSM模塊發(fā)送出去，及時告知用戶或者監(jiān)控人員，使得警情傳遞更加及時可靠，報警系統(tǒng)更加方便、實用[12]。本設計系統(tǒng)主要實現(xiàn)當家庭發(fā)生安全事故后，設備通過GSM模塊向手機用戶發(fā)送報警短信指令。圖12是短信接受流程圖。圖12短信接受流程圖圖13紅外傳感器模塊軟件運行流程圖3.2紅外傳感器程序流程圖設計紅外傳感器系統(tǒng)程序采用信號查詢方式進行，首先系統(tǒng)發(fā)出觸發(fā)信號，然后傳感器發(fā)送紅外信號，當有紅外信號被反射回來，系統(tǒng)通過計算時間差值，自動計算出距離值，檢測是否有障礙物，其中紅外傳感器模塊運行流程圖如圖13所示。`由圖可知，當系統(tǒng)上電后，首先進行模塊初始化，然后傳感器發(fā)送紅外信號，當有信號反射回來時，系統(tǒng)自動計算高電平持續(xù)時間，利用這個時間就能計算傳感器到遮擋物之間的距離，檢測是否有障礙物。3.3甲烷傳感器程序設計本文設計的控制系統(tǒng)模塊甲烷濃度檢測采用甲烷專用傳感器，其原理是把采集到的甲烷信號轉化為電壓信號送入LM393比較器，比較器模塊把采集到的電壓信號與閾值作對比，確定是否有甲烷信號，若有甲烷信號則傳感器輸出電壓會小于閾值電壓，則LM393比較器輸出低電平給單片機，否則LM393比較器輸出高電平。單片機引腳接受到低電平，則判斷有甲烷異常信號，則自動啟動報警裝置。圖14是程序運行流程圖。由圖可知，系統(tǒng)上電后，甲烷傳感器首先進行模塊初始化，然后控制中心讀取LM393輸出引腳電平值，若是低電平，則檢測甲烷信號，則系統(tǒng)自動蜂鳴器報警和發(fā)送報警短信。圖14甲烷傳感器程序運行流程圖圖15火焰?zhèn)鞲衅鞒绦蜻\行流程圖3.4火焰?zhèn)鞲衅鞒绦蛟O計本文設計的控制系統(tǒng)火焰信號采集采用專用火焰?zhèn)鞲衅?，其原理是把采集到的火焰信號轉化為電壓信號送入LM393比較器，比較器模塊把采集到的電壓信號與閾值作對比，確定是否有火焰信號。若有火焰信號則傳感器輸出電壓會小于閾值電壓，則LM393比較器輸出低電平給單片機，否則LM393比較器輸出高電平。單片機引腳接受到低電平，則判斷有火焰異常信號，則系統(tǒng)自動啟動報警裝置。圖15是程序運行流程圖。由圖可知，系統(tǒng)上電后，火焰?zhèn)鞲衅魇紫冗M行模塊初始化，然后控制中心讀取LM393輸出引腳電平值，若是低電平，則檢測火焰信號，則系統(tǒng)自動蜂鳴器報警和發(fā)送報警短信。4整體調試調試平臺搭建完成后，需要對軟件程序進行調試，若程序沒有問題，就驗證系統(tǒng)功能是否滿足要求，若是功能要求沒有達到，則需要調試程序，直到所有的功能均能實現(xiàn)為止，如圖16、圖17、圖18、圖19。圖16檢測到火焰并發(fā)送短信圖17檢測到甲烷并發(fā)送短信圖18檢測到有人并發(fā)送短信圖19系統(tǒng)整體調試4.1系統(tǒng)軟件調試軟件調試步驟如下：在菜單欄中單擊“工程”，并輸入工程文件名“智能化家庭安全安防報警系統(tǒng)”，然后保存下來；器件選擇“Atmel”目錄下的“AT89C52”。新建一個空白文本，再見好的空白文本中編寫程序源代碼，程序編寫好以后保存文件并將文件名稱命名為“智能化家庭安全安防報警系統(tǒng).c”。程序保存后，對編寫的程序進行編譯和調試。單擊編譯按鈕，系統(tǒng)會對程序進行編譯，定會對出現(xiàn)的錯誤進行提示。按提示找出錯誤，并進行修改，直到沒有錯誤為止。圖20軟件調試圖21提示信息4.2系統(tǒng)硬件調試當上面的程序編譯沒有問題時，將程序燒錄到單片機里面，并測試設計的功能設否滿足最開始所需要滿足的需求。（1）傳感器信號源采集并功能驗證：系統(tǒng)需要采集三個信號源：分別是火焰信號源、甲烷信號源和紅外遮擋信號源。當系統(tǒng)上電后，各個模塊自動進行初始化，待模塊初始化正常并完成后，對各個信號源進行采集。當使用打火機火焰靠近火焰?zhèn)鞲衅鲿r，火焰?zhèn)鞲衅魃系男盘枱袅疗?，并且LED綠燈被點亮，蜂鳴器發(fā)出聲音，說明火焰?zhèn)鞲衅鞑杉交鹧嫘盘?，并工作正常。甲烷傳感器對甲烷等異常氣體敏感，而打火機的氣體成分也是由甲烷等構成，所以使用未成功點燃的打火機靠近甲烷傳感器，此時傳感器上的信號燈亮起，并且LED藍燈被點亮，蜂鳴器發(fā)出聲音，說明甲烷傳感器采集到甲烷信號，并工作正常。紅外傳感器只要被遮擋就會傳遞信號，所以當紅外傳感器被遮擋時背部的紅燈亮起，并且LED黃燈被點亮，蜂鳴器發(fā)出聲音，說明紅外傳感器采集到信號，并工作正常。（2）GSM發(fā)送短信功能驗證：經過第一步驗證后，如果紅外傳感器檢測到有人，則LED黃燈并且GSM連接的LED黃燈點亮，同時GSM模塊發(fā)送短信：Someone；如果火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火焰，則LED綠燈亮，GSM連接的LED黃燈點亮，同時GSM模塊發(fā)送短信：Fire；如果甲烷傳感器檢測到有甲烷，則LED藍燈燈亮，GSM連接的LED黃燈點亮，同時GSM模塊發(fā)送短信：Gas。4.3測試結果分析在進行測試時，最終的測試結構會因為實際環(huán)境參數、測試步驟和測試設備等因素而發(fā)生改變，例如在本設計中，當實際環(huán)境參數采集到異常信號時，會因為系統(tǒng)子程序存在一定的延時，可能導致采集的信號數據不準確。為了降低實驗對實際采集到的信號數據的誤差，通常采用這三種辦法對系統(tǒng)進行修正。通過去圖書館查找相關資料獲??；通過一定的理論推導和仿真實驗獲??；經過多次實驗結果分析然后獲取。本次運用的環(huán)境參數采集傳感器可以通過查找技術手冊獲取誤差修正值，在系統(tǒng)程序中，通過一定的子程序，提高運行時間的準確性。5結語此次設計中，利用STC89C52單片機作為控制器和主要硬件，通過對火焰?zhèn)鞲衅?、甲烷傳感器以及紅外線傳感器的控制以及對其傳輸過來的信號處理，實現(xiàn)對火焰、甲烷氣體、以及非法闖入等信息進行充分地判斷與應對。通過使用GSM模塊將單片機處理過的信號發(fā)送至指定的手機號碼進行準確的報警。此次設計通過單片機完成對整個過程的監(jiān)督與報警，減少了實際的操作難度，提供了更加精確的信息。并且此系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的長時間運行，更加便捷。參考文獻亢健，陳亞棟，任秀偉等.家用電器遠程控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].微型機與應用,2013,24(8):66-68.闞寶朋，章萬靜，趙隴.基于Zigbee技術的CC2530