仓储安防监控系统的设计

第 I 页 摘 要 随着 经济的发展， 仓储的 安全问题越来越 受到 人们的重视 。仓储 的 安全，就是有一个迅速、有效、连动的防火、防盗、防爆的安防监控体系。 该系统设计 是 用片机 作为控制核心，应用多种传感器以及其他 元器件 ，组成 的 基于 单片机 的仓储安防监控系统 。 其主要实现的功能有入侵检测 、烟雾 检测、温度检测 等功能， 并 附有 按键 输入 以及液晶显示输出和 蜂鸣器报警 等。该系统 通过 红外 传感器来对入侵进行检测，通过烟雾传感器和温度传感器 共同来 对火灾进行 检测， 一旦检测到有入侵或者火灾， 蜂鸣器 就会报警 。其通过利用 不同的传感器对不同 的 情况 分别进行检测 ， 加上 单片机的控制作用， 可以 达到报警和显示作用 ， 可以有效地进行安防 监控 ， 从而达到 我们需要的 仓储安防监控 目的。 本 系统设计 详细 介绍了 红外 传感器 、 烟雾传感器、温度传感器的 原理 和特性，以及 片机的一些 性能和 特点 ， 给 出了 以 核心 的仓储安防监控系统的 硬件 电路 和 软件设计 方法 。 该 系统设计 具有设计 简洁、工作稳定、 性能良好 等 优点。 关键词 ： 仓储 安防监控系统 ； 片机；温度传感器；烟雾传感器；红外传感器。 第 of to of is a is as a of on is to of to to or it to of of so as to we in of of so 目录 目 录 摘 要 . I . I 第 1 章 绪论 . 1 题背景，目的和意义 . 1 储安防监控系统的现状 . 1 防监控 技术的发展方向 . 1 章小结 . 2 第 2 章 仓储安防监控系统 . 3 统的主要功能 . 3 感器基本原理 . 3 . 3 . 4 . 4 体方案设计 . 5 章小结 . 5 第 3 章 硬件系统设计 . 6 片机系统 . 6 . 6 . 6 外传感器模块 . 7 雾传感器模块 . 8 度测量模块 . 9 示电路模块 . 11 警电路模块 . 13 控系统 . 13 章小结 . 14 第 4 章 系统软件设计 . 15 程序设计 . 15 储安防监控系统主程序框图 . 16 于 测温子程序 . 18 章小结 . 19 第 5 章 系统测试及调试 . 20 统 硬件调试与硬件测量实验 . 20 目录 . 20 . 20 件调试 . 21 本章小结 . 21 第 6 章 结论 . 22 致 谢 . 23 参考文献 . 24 附录一 基于 片机仓储安防监控系统电路原理图 . 25 附录二 基于 片机系统 . 26 附录三 基于 片机系统 C 语言原程序 . 27 第 1 页 共 31 页 第 1 章 绪论 题背景，目的和意义 随着经济 的发展 ，物流仓库随之兴起，物流 仓库 负责物质 资源的存储 、 转运 ， 在经济生产中 占有 着 很重要 的 地位 。 仓库包括下面 几 种：粮库 、油库、金库、物资库 等。在仓库中，它 里面存储 的 物品都是关 乎 国计民生的 物质 ，有 国 民使 用 的 物资、企业 单位 生产 用的 物资 、易燃易爆 的危险品物资、 国家 军用物资 等等。 仓库 里面 除 了上面 所 说 的生产物资外，还 放 有 许多 的设备、财务等 多 种设施。 每天 在 仓库 工作的人员、车辆 的 流动 很 频繁， 它的 安防 工作仅仅 靠保安人员的巡逻是 不足 的 ， 必须 一起 在仓库 内 的 重要 场 地布置安防 系统，才 可以 达到实现仓库的综合管理 与安防 的综合目的。 因此， 基于这样的 形势 下， 为 了社会的安定、国家的长治 久安， 安防监控技术 发展起来 了。 而 计算机技术 、 网络技术 和多媒体 技术的 发展 和成熟， 为仓储的 管理、 安防自动化 提供了强 大 的技术支持。 传统机械式仓储安防监控系统， 比如 防盗网、防盗窗，在实际使用中出现了很多问题，除了操作繁琐之外，还没达到安全的效果。同时，随着社会信息化进程的逐步深入，特别是传感器技术和先进的电子通信技术的迅猛发展，仓储 管理 的网络化与智能化将成为人们新的需求，智能仓储 安防监控 系统也由此成为了目前世界范围内的热 门的研究领域之一。 所以 ， 本毕设要求设计一仓储安防监控系统，其主要功能包括防火监测和入侵检测等。 储安防 监控系统的现状 在如今互联网经济日益繁荣的时代，仓储的安防监控已经受到越来越多的重视，国外很多知名企业已经能为仓储提供带有安防报警系统的智能化的解决方案，为众多仓储提供全面的安全防护和信息服务，其自动化、智能化水平已相当的高。如西方发达国家，他们具有比较完善的火灾，闯入等预防，监测，报警，检修及善后处理等体系。他们采用有计算机通过网络将各个节点的数据信息采集，统一到中央计算机来进行实时的分析处理 ，准确地发现险情隐患地方，并判断出险情是 什么 类型、特点，来启动不同的应急方案。这些发达国家已经将仓储火灾报警等安防系统和公共监控系统连接在一起，及时准确的发现险情，把 损失降到 最 低，值得我们学习。 防 监控 技术的发展方向 按照 目前的经济发展 趋势 来看， 安防 监控技术 必定 是沿着数字化综合安防集 第 2 页 共 31 页 成系统 发展 。前端 一体化 、视频数字化、监控网络化、系统 集成 化是 视频 监控系统 公认 的 发展 方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的 基础 2 。因此，安防 监控技术发展的 方向 必定是 数字化 。 章小结 本章是 全文的开篇概述，主要介绍了本设计题目的提出背景和意义，介绍了仓储安防 监控 系统的现状，仓储安防技术的发展方向。为下文的深入研究做了充分的铺垫。 第 3 页 共 31 页 第 2 章 仓储 安防监控系统 统 的 主要 功能 仓储 安防监控系统的 主要功能包括防火监测、入侵检测、 实时报警和显示 等 。 防火监测：当 有火灾发生的时候， 安防 监控系统能够 立即 检测到 。 入侵检测： 当有 外人 入侵的时候， 安防 监控系统能够立即检测到。 实时 报警：一旦 安防 监控系统 检测 到有火灾发生 或者有 外人入侵的时候， 会 立即报警。 显示 ：一旦 安防 监控系统 检测 到有火灾发生 或者有 外人 入侵的时候， 会 立即显示 ，供给 工作人员 查看 。 感器 基本原理 感器 原理 世界上的任何 物体只要 它的 温度超过零度就 会产生 红外辐射，事实上 和 可见 光 一样， 红外 辐射能够进行折射 与反射 ， 于是便 产生了红外技术 。红外技术是在最近几十年来发展起来的一门新兴的技术。 红外光 探测器因为其独有 的 优越性 而得到广泛的 重视 ，并且 在 军事 和民用领域得到了 很 广泛的应用。 军事方面 ，红外探测用 在导弹 制造、火控跟踪、警戒、目标侦查、 武器 热瞄准器、 舰 船 导航 等； 在 民用 方面 ， 广泛使用于 工业设备监控、安全 监控、 救灾、遥感、交通管理 和 医学 诊断技术等。 红外检测 就是用仪器 接收 被探测物发出或者 反射 的 红外 线， 以此 来掌握被测物所 在 位置的技术。作为 红外 探测系统的 核心元 件，红外传感器（ 也 称红外探测器）成为 研究 的一个热点。 红外 传感器 一种 能 够将 红外 光 辐射能转换成电能的光敏器件。 红外传感器按其应用能分为下面几个领域：（ 1）红外辐射计，用于辐射与光谱测量；（ 2）搜索及跟踪系统， 用来搜索与跟踪红外目标，确定它的空间位置并对它的运动进行追踪；（ 3）热成像的系统， 会生成整个物体红外 辐射的分布图像，比 如红外图像仪和多光谱扫描仪 ；（ 4）红外测距离和通讯系统；（ 5）混合系统 红外线 是一种不可见光 ,波长比 红光要长， 由于是位于可见光中红色光以外的光线所以称为红外线。其波长在 000 红外传感器按工作原理的 不 一样可以分为光子型与热电型两类。光量子型可以直接把红外光的能量转换成电能，比如对红外线很敏感的光敏电阻与 型光生伏特效应器件，它们能在温度 低的情况 下工作，灵敏度高并且响应速度快，但红外线的波长响应范围窄，可以用于遥感成像等方面。热电型传感器是 利用辐射热效应，当探测元 件 接收 到 红外光后变成热能使材料的温度上升，进 而 电化学特性改变。测量 其中 一种 性能 的改变 ，就可以 测量 第 4 页 共 31 页 出红外辐射。 很多 情况下是通过热电 的变化 来 测量 辐射的 。一旦元件 接收辐射， 进而 引起非电量的物理变化 的时候 ，可以通过 合适 的 变换 后 探测与 其 相应 的 电量变化 。 人们利用这个原理制成了测量光辐射的元件。这类器件中应用最广泛的是红外光敏热释电效应器件 。热 电型 传感器 对红外辐射的响应时间比光 子 型 传感器 的 响应 时间要长得多。 但 热电型传感器不需要 冷却， 光 子 型 传感器大部分 要冷却。 红外传感器测量 时 不和被 测物体直接 接触 ， 对 于应用 环境温度 要求不高， 并且 灵敏度高，响应 快 。 感器原理 烟雾 传感器是通过 检测 烟雾的浓度来实现 预防火灾 的， 烟雾 报警器 的 内部 使用 离子式 的烟雾 传感器， 这种 离子式烟雾传感器 具有技术 先进， 工作 稳定可靠的 特点， 被广泛使用在 各种消防 报警 系统中 ，它 的 性能比 气敏电阻类 的 火灾报警器 要 好得多 。 它 的工作原理是 一旦有烟雾进入的时候，由于 中和作用， 电离室 的电离 电流会减少很多，电离室 的阻抗 随之 会增大， 所以可以按照 变 显示 出烟雾 的 变化 。经过 一些电路转换， 输出检测电信号，以此 来驱动蜂鸣器报警 。 用得最多 的 烟雾 探测 方法 有 两种 ：离子感烟 探测 和 光电感烟 探测方法 。离子感烟 探测方法 的 里面的 电离室 是 密封的，烟雾 不可以进去 ，没有烟雾 的时候 离子 能 到达 另一个电极， 里面和外面 的 电离 室电压 与 电流平衡； 如果有 烟雾进入外 电离 室 的时候 ，烟雾 就会 阻挡离子 去 对面电极，外电离室 的电场从而失去 平衡 ，报警器 探测到后 就会 报警。光电 感 烟 探测主要 利用红外 线 探测，分前后反射式、 后 向反射式 。 后向 反射 式对黑烟、灰烟 不够 敏 感。 感器 原理 温度 传感器（ 是 根据 物质 的许多 物理性质随温度变化的规律，把温度转 变成可以方便处理的 电 信号输出 的传感器。这些 有 规律性变化的物理性质 大多数是气 体。温度传感器是 温度 测量 仪器 的 最主要 部分， 种类丰富 。温度传感器根据 测量方式 的 不同可分为接触式和非接触式 。 接触式温度 传感器中 的 探测 部分与被测物体 有良好的接触，又 叫 温度计 。 温度计 利用 传导或 者 对流达到热平衡 状态 ，从而使温度计的 显示数值 能 够 直接表示被测 物体 的温度。 非接触式 温度传感器当中 的的 敏感 元件和 被测 物体 不 直接 接触，又 叫 非接触式测温 仪表 。这种仪表 可以 测量运动 着 的物体、目标 不大与 热容量小或温度变化 很快 （瞬变） 物体 的表面温度，也可 以 测 出 温度 场 的温度是 怎样分布 的 。 根据 传感器 制作材料 与 电子 元件的 特性 ， 温度传感器 又可以 分 成 热 电阻与 热 电偶 这 两种。 热电阻类型 的传感器 ，它的 金属随着温度 会改变，它的电阻值也会 发生变化。 对于 不 一样的 金属来说， 其 温度每 改变 一度， 它 的电阻值变化是不 一样 的，而其 电阻值 的改变可以 直接 作为可 利用的信号输出。 热 电阻 一 共有两种变化 的 类型： 一种 第 5 页 共 31 页 是正 温度 系数 ， 另一种是负温度系数。热电偶由两个不 一样 材料的金属线组成， 将两个的其中一头焊接在一起。对这个连接 在 一起的 一端 进行加热，在 两金属 不加热的部位就有 出现 电位差 。 出现的 电位差的数值 大小和 不加热 地方 测量点的温度有关， 与 这两种 金属 的 材质有关。这种 情况会 在很宽的温度范围内出现， 假如能够准确 测量 出 这个电位差，然后 测 量 出 没有 加热 地方 的环境温度，就可以 推出 加热点的温度。由于 其 必须 要 两种不同材质的 金属 ，所以 叫它 为热电偶。不 一样 材质 制作 的热电偶使用 在 不 一样 的温度范围，它们的灵敏度也各不 一样 。热电偶的灵敏度是指加热 地方的 温度 每改变 1 时，输出电位差的变化量。对于大 部分 金属材料 制作 的热电偶而言，这个 变化量 大约在 5 40微伏/ 之间。 体方案设计 仓储 安防监控 系统一般包含三个模块：数据采集部分、数据处理部分、报警显示部分。 按照系统设计的功能的 要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、温度测量模块、烟雾检测 模块、红外 检测 模块、 声 报警模块、显示模块 等几 个模块组成。单片机主控 模块 的芯片使用 51 系列 片机，该单片机工作性能稳定 并且 廉价，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。系统 设计总 框图如 图 2示 ： 图 2系统设计 总 框图 章小结 本章就 仓储 安防监控系统进行了 基本 的介绍，包括 系统的 主要功能、红外传感器 原理 、烟雾传感器原理、温度传感器原理， 并 提出了系统的总体 设计 方案。 红外探测模块 烟雾探测模块 单片机控制系统 （显示模块 温度测量模块 声 报警模块 供电单元 第 6 页 共 31 页 第 3 章 硬件系统设计 硬件设计电路是系统的基础，硬件电路的设计是否合理，性能是否优秀，将直接影响整个系统的稳定性和可实现性，如果硬件电路没有设计好，那么软件程序做得再好也是无用的。这一章中将就系统的硬件部分的各个模块的设计进行阐述，包括硬件的核心控制部分单片机模块、红外 传感器 模块、烟雾 传感器模块、温度 测量 模块、 声报警 模块 、显示模块。 片机系统 单片机（ ，非常适用在控制领域，所以又叫作微控 制器（ 一般情况 下 ，单片机由一块集成电路芯片组成，其 基本结构 包含有 央处理器）、存储器、 I/O 接口电路、 定时 /计算器及中断系统 等。所以，单片机只需要与简单的软件及外部设备相组合，就可以成为一个单片机应用控制系统。 由于 片机具有低功耗 、 高性能 的特点 ，又 满足系统功能的要求，所以本 系统 的 单片机 模块 使用 片机。 其主要性能参数： 与 品 指令系统 互相 兼容 8用 程序空间 1000次擦写周期 工作电压 ：（ 5 工作 频率 范围： 040片 上集成 512字节 系统可编程） 32个可编程 I 3个 16位定时计数器 全双工串行 工作温度 范围： 85（ 75 ） 内带 2掉电标识和快速编程特性 并行 I/O 口 引脚功能说明 ： 图 352 单片机引脚功能图 第 7 页 共 31 页 （ 1） ： 内部 有 8 个 双向 I/O 口， 即 可以当地址 口 使 用，也可以当数据口 使 用 。当作为 通用口应用的时候， 要求 外接上拉电阻。 （ 2） ： 内部 自带上拉电阻，所以作通用口 使用 的时候不需要外接。 （ 3） ： 内部 自带上拉电阻，所以作通用口 使用 的时候 也 不需要外接 。 （ 4） ： 内部 自带上拉电阻 ， 其主要 功能 有两个 ： 一个是作为通用 I/O 口 ，另一个是具有第二功能。 外 传感器 模块 该 系统的红外传感器 电路模块使用 的是 外 光电开关 漫 反射式避障 传感器 。 发射出来 的 光经过调制后发射出去，接收器对反射回来 的 光线实现解调输出，可以避免可见光的影 响。透镜的设置，让红外传感器最大范围可以检测 80 厘米的地方（因为红外光的特性，不一样颜色的物体，可以探测的最大距离也有不一样；白色物体的 探测距离 最远，黑色物体的探测距离 最近）。探测障碍物的范围能按照要求通过后面的电位器旋钮进行调节。 这种传感器具有探测范围广、受可见光影响小、价格便宜、装配简单、使用方便等优势，能广泛应用在机器人躲避障碍物、流水线计件等大部分场所。 外 光电开关 漫 反射式避障 传感器的 实物图与电路图 如 图 33示 ： 图 3外 光电传感器实物图 图 3红外 光电传感器 电路图 电气特性： U:5 I:100 脚 ： 棕色： 色： 色： 尺寸： 直径 :17 传感器自身长度 :45 引线的长度 :45外光电传感器 数： （ 1）输出 电流 2）消耗电流 0|0) / 判断警报 ; / 有警报 B=1; / 无警报 第 18 页 共 31 页 于 测温子程序 图 4测温子程序流程图 数字 温度传感器 控制能分为 3 个流程，分别是初始化、写操作与读操作。 初始化 流程为： （ 1） 开始把 数据线置高电平 “ 1” Y 初始化 写命令 跳过读序列号操作（ 0 写命令 启动温度转换（ 0 温度转换结束 ? 初始化 写命令 跳过读序列号操作（ 0 写命令 读温度寄存器（ 0 写 存结果 开始 结束 N 第 19 页 共 31 页 （ 2）延时 （ 3）数据线拉到低电平 “ 0” （ 4）延时 （ 5）数据线拉到高电平 “ 1” （ 6）延时等待（ 倘若 初始化成功 那么 15 至 60内 能有 一个由 返回的低电平 “ 0”，按照这个 状态 能 来确定它的 是否 存在） （ 7） 如果 了数 据线 是 低电平 “ 0” 后， 又 要延时 一下 ， 它 延时的时间 是从发出的高电平 “ 1” 开始计算 （第（ 5）步的时间算起） 至少在 480 （ 8） 然后把 数据线再拉到高电平 “ 1” 后 完成 。 写操作 流程为： （ 1） 第一 要把数据线 设置成 低电平 “ 0” （ 2）延时 15 s （ 3） 根据 从低位到高位的 次序 发送字节（ 每 次 仅 发送一位） （ 4）延时 45 s （ 5）将数据线拉到高电平 “ 1” （ 6）重复上 面 （ 1） 至 （ 6）的操作直到 全部 字节 都 发送完为止 （ 7）最后将数据线拉高。 读操作 流程为： （ 1）将数据线拉高 “ 1” （ 2）延时 2 s （ 3）将数 据线拉低 “ 0” （ 4）延时 15 s （ 5）将数据线拉高 “ 1” （ 6）延时 15 s （ 7）读 取 数据线的状态 可以 得到 1个状态位，并 且 进行数据处理。 章小结 本章对系统的软件部分进行了讨论和设计，系统的软件程序是用 C 语言来编程的，并使用 软件进行编译写入单片机。软件 系统设计采用模块化设计，使得主程序 变得 简洁，条理清晰 ， 方便阅读和调试 。 第 20 页 共 31 页 第 5 章 系统 测试 及 调试 系统 的 硬件电路 设计 和 软件编程 设计做好 之后，很多时候系统并不是 就 一定能够 实现 我们想要的功能， 想要 达到预期的结果还 需要经过 调试这一 步。 只要 硬件电路设计或者软件编程设计有那么一点点的出错，如果 不经过 调试，可能系统根本没有 办法运行。所以说， 想要 有完美的系统，必须要经过调试 ，可 见调试这一步是必不可少的。 统 硬件调试与硬件测量实验 硬件电路制做完成后，便可进入硬件调试工作。制作完成的电路板如图 5示。最上面 的波动开关 给系统上电的 ， 下面 从左到右的 3 个按键分别为火灾温度设定值 加 1、 火灾温度设定值减 1、 系统 复位键。通电后显示当前实际温度值、 火灾温度设定值 、入侵 情况 （ Y、 N） 、火灾 情况 （ Y、 N） 。系统硬件由直流 5V 直接供电。调试过程比较简单，系统基本上达到预想的设计要求。接下来进行测试实验。 图 5实物 图 试 实验 入侵 检测 ：一旦 红外光电传感器检测到有人 入侵，会 直接报警和在液晶显示屏上显 第 21 页 共 31 页 示 “Y” 。 烟雾 检测：一旦烟雾传感器检测到有烟雾，会直接报警和在液晶显示屏上显示“Y” 。 检测 结果如 图 5示 ： 图 5工作 图 件调试 在软件 测试的时候 ，由于 程 的 不 合理和 延时 的 不恰当， 使 实际温度检测出现问题， 系统没能 达到预期效果 。后来 经参照资料和修改，终于达到了如期的效 果。 本章小结 本章主要 是 对系统的软硬件进行了调试，针对 没有实现功能的 部分 进行了修改 。 第 22 页 共 31 页 第 6 章 结论 论文在查阅国内外相关资料，对现有安防监控系统性能比较的基础上，完成了仓储安防监控系统的设计。 该设计是以单片机为核心的应用系统，利用火灾检测 和入侵检测原理 ，通过硬件设计和软件程序的编写，最终实现了仓储安防 监控 功能。系统硬件包括超入侵检测模块、烟雾检测模块 、 测温模块、显示模块和 报警模块 等；在软件设计中，采用了模块化程序设计思想。本次设计主要由硬件和软件两方面结合来实现仓储安防 监控 功能。在完成设计之 后，又分析了影响 系统功能实现 的因数，对今后改进提供了理论基础。 第 23 页 共 31 页 致 谢 经过了几个多月的时间，本次毕业设计最终圆满的完成了。在本次设计中，我深深的体会到了实践是理论最好的检验方式。本次设计是对我四年来所学知识的一次综合性考验，无论是动手能力还是理论知识都得到了很大提高。 本次设计是在李震老师的精心指导下完成的。李老师认真负责的工作态度、严谨的治学精神和深厚的理论水平都使作者受益匪浅。在撰写过程中，李老师提出的积极的修改意见和建议帮助我克服了许多困难，使论文得以圆满完成，在此表示衷心的感谢！也向在本文在撰写 过程中所有提供过帮助的老师和同学表示感谢。最后我要感谢我的母校以及在母校辛勤工作的各位老师，是你们的无私奉献，让我能够在知识的海洋畅游，你们的诲人不倦的师德及以身作则的作风必将对我以后的学习、生活及工作产生深刻的影响，在此表示崇高的敬意和衷心的感谢。 第 24 页 共 31 页 参考文献 1 物流 仓储安防监控系统 的 解决方案 2 网络视频监控系统的现状和发展 - 网游漫笔 - 博客频道 - 3 物联智能家居家庭安防系统关键技术研究 刘畅 -武汉工程大学硕士论文 4 张正义 ,张永 征 ,郑晓海 ,段敬恩