基于单片机的家庭防火防盗系统.doc

长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 信息工程系长 春 工 业 大 学毕业设计、毕业论文题 目基于单片机的家庭防火防盗系统学 校长春工业大学人文信息学院专业班级电子信息工程 090311班 指导教师 李珉 姓 名周梦 2013年 月 日19 摘 要 目前市面上主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单、成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。同时它的信号经过单片机系统处理后方便和pc机通信，便于多用户统一管理。 本设计主要包括硬件和软件设计两个部分。硬件部分包括单片机控制电路、红外检测电路、驱动执行报警电路、led控制电路等部分组成。处理器采用51系列单片机at89s51。整个系统是在系统软件控制下工作的。软件部分可以划分为以下几个模块：数据采集、键盘控制、报警和显示等子函数。 关键词 单片机 红外传感器 数据采集 报警电路abstract nowadays, there are many kinds of alarms, such as pressure trigger anti-theft alarm, switch electronic anti-theft alarm, stress shielding trigger anti-theft alarm, which are the most popular in the market. however, all of these quite common alarms apparatuses have several shortcomings. this system used has hotly released the electricity infrared sensor, its manufacture simple，cost low, installs the antijamming ability strong, the sensitivity high, safe was reliable. this kind of security installment hiding, was not easily discovered by the bandits and thieves. simultaneously its signal after monolithic integrated circuit system processing the convenience and p the c machine correspondence, is advantageous for the multiuser unification management. this design designs two parts including the hardware and software. the hardware partially including the monolithic integrated circuit control circuit, infrared pokes head in the electric circuit, the actuation execution alarm circuit, the led control circuit and so on the partial compositions. the processor uses 51 series monolithic integrated circuits at89s51, the overall system is works under the system software control. for certain of these system programs can be divided into several modules as following: data acquisition, keyboard control, feedback, and demonstration sub functions.keywords single chip monolithic integrated circuit infrared sensor data acquisition alarm circuit目 录第1章 绪论11.1 防火防盗报警系统的概述11.2 研究的目的和意义1第2章 系统的总体设计22.1 总体设计思想22.2 系统总机构22.3 系统设计原理图3第3章 检测信号放大电路设计43.1 热释电红外传感器典型电路43.2 热释电红外传感器控制电路芯片的选择63.3 菲涅尔透镜原理7第4章 单片机接口电路设计84.1 at89s51的主要功能特性84.2 at89s51的内部结构及管脚8第5章 温度检测电路115.1 温度传感数据采集电路115.2 ds18b20温度传感器引脚功能12第6章 键盘电路13第7章 显示电路14第8章 软件设计168.1 程序框图16参考文献18长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 信息工程系第1章 绪论1.1 防火防盗报警系统的概述 防盗控制广泛可应用于工厂、家庭、汽车等场合。实现无接触、智能化报警是防盗控制系统目前的发展方向。目前市面上装备主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见 的报警器都存在一些缺点：压力触发式防盗报警器由于压力板安装在垫子内，当主机停止工作，很容易失报和误报，其可靠性低。开关式电子防盗报警器一般只有一个定点，有效范围小，而且各种开关也易坏，失报和误报率就高，不可靠。遮光式触发防盗报警器在受到太阳光照射就会引起误报，同时若遮住了光也会引起误报，所以这种报警器的可靠性也不高。还有，就闭路监控电路防盗系统而言：它的安装线路复杂，而且技术要求比较高，价格也比较昂贵，不利于广泛利用。本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单、成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。1.2 研究的目的和意义 随着微电子技术与网络技术的飞速发展，人们对于居住环境的安全、方便、舒适提出了越来越高的要求，因此智能化住宅随之出现，也随着改革开放的深入和市场经济的迅速发展、提高，带来许多不安定因素，刑事案件特别是入室盗窃、抢劫居高不下，因此家庭智能安全防范系统是智能化社区建设中不可缺少的一项，而以往的做法是安装防盗门、防盗网，但普遍存在有碍美观，不符合防火要求，而且不能有效地防止犯罪分子对住宅的入侵，故利用高科技的电子防盗报警系统也就应运而生。 目前家庭住宅的主要防范措施是利用防盗门，商店的防盗措施主要是监控器和出门口的红外报警器。随着人们认识的深入，利用智能防盗、防火、防煤气将成为人们的首要选择，智能安防也是安防行业的发展趋势。 第2章 系统的总体设计 2.1 总体设计思想以at89s51单片机为控制中心，外部传感器为检测元件，通过按键控制其报警温度与传感器的开关，输出由led显示数码管与声光报警电路组成，其中温度传感器使用数字化的一线总线技术的传感器ds18b20作为检测器件，烟雾传感器作为烟雾气体的检测器件，红外传感器作为人体热释电检测器件，单片机i/o口通过接收各个传感器的返回状态值来判断是否进行报警，报警电路由单片机控制输出信号，蜂鸣器产生蜂鸣，对应报警指示灯点亮，且数码管可以显示实时温度，整个系统设计简单合理，通过单片机控制其外围器件，更加简单可靠，防盗控制系统的总体设计框图如图2-1所示：图2-1 防火防盗报警总体设计框图2.2 系统总机构 为了实现设计要求的基本功能，本系统必须包含四个基本功能模块：单片机控制模块、传感器模块、报警模块、显示模块。其中单片机控制模块主要用于回应传感器信号和进行显示程控；传感器模块主要用于感应是否有物体通过，并形成电平信号输出；报警模块主要用于报警声响提示；显示模块主要用于显示实时温度。 为完善系统的功能同时能够达到系统的设计指标，本系统必须包含以下功能模块：复位电路：实现单片机的复位控制；时钟电路：提供单片机所需的时钟频率。2.3 系统设计原理图图2-2 基本原理框图 系统基本原理如图2-2所示，由以上系统基本原理框架图可以看出，本系统的外围电路相对比较简单，功能的实现主要是从外部获取控制信号之后在单片机中进行数据处理，数据处理完毕之后单片机便将控制信号输出到报警电路进行报警，将显示数据输出到显示电路进行显示。系统基本原理利用单片机监控传感器信号来判断防火以及防盗事务发生并做出相应的反映，以到达时刻预防意外发生并在乎外发生时作出及时的调停办法。设计分为三个部门：信号监视部门，信号处理部门以及调停实行部门。信号监视部门有分离的小部门，有用于防火的烟雾传感器和温度传感器，有用于防盗的红外线发生器以及吸收器。设计简单但很实用。第3章 检测信号放大电路设计 3.1 热释电红外传感器典型电路 红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，他在各领域都得到广泛的应用。本章节主要介绍利用热释电红外检测报警的电路并由此得出检测信号放大电路。热释电红外传感器是利用红外辐射和红外测温的原理来探测的。红外测温处于非接触式测温，是测温技术中主要的手段，其特点是测温范围广，影响速度快和不明显破坏被测对象温度场，因而广泛被应用。非接触红外测温有以下几个优点：(1) 测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测温准确度；(2) 测温范围宽；(3) 探测器的响应时间短，反应熟速度快，易于快速与动态测量；(4) 不必接触被测物体，操作方便；(5) 可以确定微小目标的操作。 热释电红外传感器主要由高热系数的锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘钛等配合滤光镜片窗口组成，它能以非接触形式，检测出物体放射出来的红外能量变化，并将其转换成电信号输出。 金属、塑料封装热释红外传感器，内装有变换阻抗用的场效应晶体管，输出阻抗一般为1047k，顶端或侧面装有滤光镜片，用来选择接收不同波长的热释红外线。人体辐射的红外线中心波长为910m,而这种探测元件的波长灵敏度特性在0.220m,范围几乎是稳定不变的.在硅片表面上截止波长710m的滤光片,使波长超过710m的红外线通过,而小于7m的红外线被吸收,于是就得到只对人体敏感的热释红外线。如果用菲涅耳透镜配合放大电路，将检测出来的红外信号放大6070db，则可检测出1020m处人的行动。热释电红外传感器的文字符号为at。 图3-3为热释电红外传感器的典型应用电路。若at为双元件热释电红外传感器其内部电路见图3-1，其接收波长为6.514m，适用于防盗报警系统，输出阻抗为10k；若at为单元件热释电红外传感器其内部电路如图3-2所示，接收波长为120m，适用于温度遥测，但同样亦可用于防盗及自动控制系统。 图3-1 双元件热释电红外传感器 图3-2 单元件热释电红外传感器 图3-3中，当at接收到人体信号时，输出一个微弱的低频信号，其频率约为0.33hz。经晶体管vt1和运算放大器a1组成的两级放大器将信号放大至7075db。由a2等组成的电压比较器，设定一个参考电压。在无目标进入时，末级无输出；一旦有目标进入探测范围，at则有信号输出，经放大后，电压高于比较器设定电压时，a2输出高电位，vt2导通，继电器k吸合，其触点接通报警电路或控制电路，实现热释电红外探测之目的。图3-3 热释电红外传感器典型电路3.2 热释电红外传感器控制电路芯片的选择3.2.1 电路运算放大器集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多极直接耦合器放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，结构有差分放大极、电压放大极、输出极和偏置电路组成。输入级一般是差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成，输出级一般由电压跟随放大器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为各级提供合适的工作电流。3.2.2 低功耗、双运算放大器lm358 低功耗、双运算放大器lm358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 lm358引脚图如图3-4：图3-4 lm358引脚图lm358的特性：(1)内部频率补偿；(2)直流电压增益高(约100db)；(3)单位增益频带宽(约1mhz)； (4)源电压范围宽：单电源(330v)；双电源(1.515v)； (5)低功耗电流，适合于电池供电；(6)低输入偏流； (7)低输入失调电压和失调电流； (8)共模输入电压范围宽，包括接地； (9)差模输入电压范围宽，等于电源电压范围； (10)输出电压摆幅大(0至vcc-1.5v）。3.3 菲涅尔透镜原理目前人体验知系统中的光调制器一般都采用多元阵列式菲涅尔透镜，它起到红外辐射收集器和调制器的双重作用。热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。加装菲涅尔透镜可使传感器的探测半径从不足2m提高到至少8m范围。菲涅尔透镜实际是一个透镜组，每个单元一般都只有一个不大的视场，且相邻的视场既不连续，也不交叉，都相隔一个盲区。这样，当人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器上，形成一个不断交替变化的盲区和亮区，使得敏感单元的温度不断变化，传感器从而输出信号，或者说，人体在监控范围内活动时，进人一个视场后，又走出这个视场，再进人另一视场对传感器而言，相当于一会儿看到人，一会儿又看不到人，人体的红外线辐射不断改变传感器的温度。使之有一个又一个相应的电信号。 菲涅尔透镜不仅可以形成亮区和盲区，而且还有聚焦作用，其焦距一般在5cm左右。菲涅尔透镜一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白色半透明状。需要说明的是:在每次接通电源时，传感器要有几秒到十几秒的“预热”时间，在这段时期内该传感器不起作用。第4章 单片机接口电路设计4.1 at89s51的主要功能特性at89s51是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes isp (in-system programmable)的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和isp flash存储单元，功能强大的微型计算机的at89s51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。at89s51具有如下特性：(1)8位中央处理器（cpu）；(2)数据存储器(128b ram)；(3)程序存储器（4kb flash rom)；(4)4个8位可编程并行i/o口（p0口,p1口，p2口，p3口）；(5)1个全双工的异步串行口；(6)2个可编程的16位定时器、计数器；(7)1个看门狗定时器；(8)中断系统具有5个中断源，5个中断向量；(9)特殊功能寄存器(sfr)26个；(10)低功耗节电模式有空闲模式和掉电模式。(11)3个程序加密锁定位。4.2 at89s51的内部结构及管脚 at89s51管脚说明：(1)vcc：供电电压；(2)gnd：接地；(3)p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须接上拉电阻。(4)p1口：p1口是一个由内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收和输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部拉高，将用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 (5)p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。(6)p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89s51的一些特殊功能口，如下表4-1所示，p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 表 4-1管脚 p3.0p3.1p3.2p3.3p3.4p3.5p3.6p3.7第二功能 rxd（串行输入口）txd（串行输出口） /int0（外部中断0）/int1（外部中断1）t0（定时器0外部输入） t1（定时器1外部输入）/wr（外部数据存储器写选通）/rd（外部数据存储器读选通） (7)rst：复位输入端口。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。(8)ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用做定时器。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。ale只有在执行movx，movc指令时ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态的ale禁止，置位无效。(9)/psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号不会出现。 (10)/ea（vpp）：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000hffffh)，不管是否有内部程序存储器。但是在加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部为程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源(vpp)。(11)xtal1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。(12)xtal2：片内振荡器反相放大器的输出端。at89s51管脚图如图4-2：图4-2 at89s51内部结构图第5章 温度检测电路5.1 温度传感数据采集电路 传感器是检测系统中的必要工具，处于检测系统的输入端，是检测系统的第一环节，通常是检测系统与被测量对象间的接口，我们将自动检测装置中最初感受被测量并将其转换为可用信号输出的器件称为传感器，它由敏感元件，转换原件和其他辅助部分组成，传感器的工作特点具有高精度，低成本，高灵敏度，稳定性好，工作可靠，抗干扰能力强，动态特性良好，结构简单，便于维护，功耗低等。基本功能如下：(1)它是一种测量装置，具有一定精度，能完成检测任务；(2)其输入量是某一被测量，或是物理，化学，生物； (3) 其输出量是一种物理量，这种量便于传输，转换处理，显示等；(4) 传感器的输入量与输出量是已知的。 本电路温度传感器数据采集部分由温度传感器ds18b20和电阻r14等器件组成。ds18b20支持一线总线接口，测量温度范围为55+125。可直接将被测温度转化成串行数字信号，以供单片机处理，通过编程ds18b20可以实现912位的温度读数，信息经过单线接口送入ds18b20读、写和执行温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。由于ds18b20温度传感器要求，r14为上拉电阻，选r14=4.7k。如图5-1所示:图5-1 温度传感数据采集电路5.2 ds18b20温度传感器引脚功能 温度传感器选用达拉斯公司的单线数字温度传感芯片ds18b20(8引脚soic封装)，其引脚分布如图5-2所示：图5-2 ds18b20引脚分布图 ds18b20引脚功能说明如下：(1) nc(1、2、6、7、8脚)：空引脚，悬空不使用；(2) vdd(3脚)：可选电源脚，电源电压范围35.5v。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地；(3) dq(4脚)：数据输入/输出脚。漏极开路，常态下高电平。 ds18b20温度传感器是美国dallas半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。 ds18b20的性能特点如下：(1) 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；(2) 多个ds18b20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；(3) 无须外部器件；(4) 可通过数据线供电，电压范围为3.05.5；(5) 零待机功耗；(6) 温度可以实现912位数字值读数方式；(7) 用户可定义报警设置；(8) 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件；(9) 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。第6章 键盘电路 按键分为独立式按键与行列式按键，两种按键都可以与单片机i/o口直接相连，但是两种按键的工作方式大不相同，独立按键的每一个按键都需要一根独立的i/o口使用，而矩阵按键是成阵列排列的，用行扫描控制的i/o口与列扫描控制的i/o口的个数相乘的个数即为按键的个数。所以在使用多按键的设计中，大多选用矩阵按键作为键盘的输入部分，而在本设计中使用了8个按键作为按键输入，所以选用矩阵按键作为键盘的部分，其电路图如图6-1所示：图6-1 键盘电路图 使用单片机的p1.0口与p1.1口作为行控制口，使用p1.4p1.7作为列控制口，单片机通过软件编程控制其按键值的判断，在判断中我们采用编程扫描的方式，也就是在无中断产生时，不断的扫描按键程序，判断过程为：先将p1.0与p1.1置0进行行扫描，判断是否有列值按下，其判断时对p1口赋值0xf0，如果有按键按下，行列将会有一处交点，相当于对两个i/o短路，则另一个列i/o口也被强制下拉为低电平，该值中的高8位将会有某一列全部为0，有按键按下，则将该列编码值保存，然后将p1口赋值0x0f；进行全列扫描，判断行是否有为0的状态，然后将这个行编码值保存，最后将行列值的编码值进行或运算，就组成按键的原始编码值，完成了按键的扫描。 第7章 显示电路数码管显示的工作原理:八段led显示器由8个发光二极管组成。基中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。led显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极led显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极led显示器。如图7-1所示：图7-1 数码管引脚图 在选用共阴的led时，只要在某一个发光二极管加上高电平，该二极管即点亮，反之则暗。而选用共阳极的led时，要使某一个发光二极管发亮，则需加上低电平，反之则暗。为了保护各段led不受损坏，需要外加限流电阻。为了要显示某个字型，则应使此字形段的相应点二极管点亮，也即送一个不同的电平组合代表数据来控制led显示的字型，此数据称为字符的段码。共阴和共阳结构的led显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8个笔划段dpgfedcba对应于一个字节(8位)的d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0,于是用8位二进制码就可以表示需要显示的字符的字形代码。本电路采用共阴极接法。数码管显示有两种方式：静态显示与动态显示；由于设计为了简化电路，降低成本，以此选用动态显示方式。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存的功能,单片机将要显示的数据送出后就不再控制led，直到下一次显示时再传送一次新的数据。只要当前显示的数据没有变化，就无须理睬数码显示管。动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示器的com端，使每个显示器轮流点亮。在轮流点亮过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据。图7-2 显示电路 其电路图如图7-2所示，图中srd2为上拉电阻排，电阻值为10k，驱动芯片用74hc573作为驱动使用，u2为位选驱动，u3为段码驱动，单片机的p0口接led的段码驱动，单片机的p2口接led的位选码驱动，该器件驱动电流可以达到100ma，而led数码管全亮时，最大电流可以达到32ma，如果全部驱动输出会将数码管烧坏，所以在程序中使用pwm输出的控制，在消隐时，也就是禁止数码管的输出，之后加上一段时间的延时，要确保加入的时间与显示时间和不能超过20ms，同时74hc573具有锁存功能，在本设计中没有使用该功能。 第8章 软件设计8.1 程序框图 完成对程序的初始化设置与按键程序的执行，初始化单片机的i/o口与定时器0的设置，i/o口的初始化主要有关闭蜂鸣器，关闭报警指示灯，检测口复位，然后进行