基于单片机和GPRS网络的家庭防盗报警设计

题 目 基于单片机和 GPRS 网络的家庭防盗报警设计 学生姓名 姜勇 学号 1213014076 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 电子 1203 班 指导教师 贾建科 完成地点 物理与电信工程学院实验室 2016 年 6 月 5 日基于单片机和 GPRS 网络的家庭防盗报警设计作者：姜勇（陕西理工学院 物理与电信工程学院 电子信息工程专业 12 级 3 班，陕西 723000）指导老师：贾建科摘要 为了解决当前防盗系统存在的诸如可靠性较差、易破坏，易误报、漏报、处理时间延后、布线繁琐等问题，本 文 给 出 了 以 AT89S51 实 现 基 于 单 片 机 和 GPRS 网 络 的 家 庭 防 盗 报 警 设 计 方 案 。 整 个 防 盗 报 警 系统 由 家 庭 监 测 端 、 通 信 网 络 和 远 程 用 户 监 测 端 组 成 。 家 庭 监 测 终 端 由 控 制 模 块 ， 无 线 通 信 模 块 ， 数 据 采集 模 块 ， 信 号 处 理 部 分 组 成 。 当有警情发生时，红 外 传 感 器 接 收 到 有 人 入 侵 信 号 ， 发 送 电 信 号 到 控 制 端 ， 经过 信 息 处 理 ， 经 过 单 片 机 串 口 送 到 GPRS 模 块 发 射 ， 经 GPRS 通 信 网 络 以 短 信 息 的 形 式 发 送 到 预 设 手 机 号 码 ，从 而 实 现 家 庭 防 盗 报 警 。 硬 件 测 试 结 果 表 明 达 到 设 计 要 求 。 关键词 AT89S51；GPRS 网络；家庭防盗报警；Design of Home anti-theft and Alarm System Based on Single Chip Microcomputer and GPRS Author:JiangYong(Grade 12,Class 03,Major in Electronics GPRS network；home anti-theft and alarm system；目 录1 引言 .11.1 立题的目的及意义 .11.2 国内外的研究现状及发展趋势 .11.3 本系统主要研究内容 .22 系统方案设计 .22.1 系统总体设计思路 .2 2.2 系统方案 .22.3 传感器介绍 .32.3.1 热释电红外线传感器（PIR）简介 .32.3.2 PIR 的原理特性 .32.3.3 PIR 结构特性及安装 .42.4 AT89S51 单片机概述 .62.4.1 AT89S51 单片机的结构 .62.4.2 AT89S51 单片机的工作周期 .103 系统硬件设计 .113.1 单片机最小系统设计 .113.2 人体感应模块设计 .113.3 GPRS 模块设计 .123.4 电源供电模块设计 .133.5 按键控制模块设计 .143.6 LED 指示灯模块设计 .144 系统软件设计 .154.1 中断服务程序工作流程图 .164.2 报警电路流程图 .164.3 信号采集电路流程图 .175 硬件测试 .17I结论 .21致谢 .22参考文献 .23附录 A：外文文献及翻译 .24附录 B：程序 .29附录 C：主要元件清单 .35陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 35 页1 引言1.1 立题目的及意义当前，随着社会经济的快速发展，流动人口迅速增加，治安问题也变得日渐突出，家庭防盗早已成为社会热议的话题，由于目前防盗报警系统设计的不尽合理，抵挡不住犯罪分子“日渐高明”的作案手段，传统的防盗产品越来越不能满足人们日常家庭安全防范的要求，人们迫切需要一种智能型家庭防盗报警系统，现代通信技术、计算机技术、电子技术的快速发展，给基于 GPRS 家庭防盗报警系统的诞生提供有力的技术支持。现阶段，国内外的各类防盗报警器是以红外线、监控摄像、门磁窗磁等为基础进行开发研制，防盗报警设备从单一化、被动化、复杂化向多元化、综合化、智能化方向发展，功能逐渐增强，可靠性得以提高。在中国，众多家庭的安防还是主要依靠防盗门窗，这样不仅有碍美观，更为重要的是，不能非常有效地起到防盗作用，在实际使用过程中暴露出很多问题，诸如：容易遭到破坏、火灾时不易逃生，即使使用电子式防盗器，也容易失报、误报、可靠性低 1-3。为了解决当前防盗系统存在的诸如可靠性较差、易破坏，易误报、漏报、处理时间延后、布线繁琐等问题，基于单片机和 GPRS 网络家庭防盗报警系统是一种非常先进，并且相对成熟的一种安防技术，不依赖有线电话网，而是借助最可靠、最成熟的 GPRS 网络，系统是以红外传感器为检测元件，以单片机为控制核心，以 GPRS 模块为发送单元组成的一种自动防盗报警系统，可以使主人无论身在何处，都可以及时掌握家中情况。当红外线传感器探测到有非法人员入侵时，便会将警情发送给单片机，系统便会启动 GPRS 模块，将警情短消息发送到预设号码，或者自动呼叫预设号码，甚至是以彩信、实时监控等方式通知主人，使灾情得到及时处理，保护人们的生命财产安全。系统安装的方法相对灵活，性价比高，在未来的防盗技术发展空间很大，采用模块化的方法，方便系统的调试、维护和升级，可以满足不同的需求 4-6。1.2 国内外的研究现状及发展趋势上世纪初，报警系统开始在北美发展起来。在美国，报警呼救箱被放置在街头巷尾，当有呼救时报警箱会发出声响提示，以寻求附近警察的帮助；并且，报警呼救箱直接连接到附近的警局，使得各个警局也可以收到呼救信息。后来，依赖通信技术的快速发展，电报公司也加入到这个行业中，通过通信网络使得报警信息可以传送到更远的地方；但是这种电报方式由于众多限制因素难以普及，因此在稍后出现的电话报警系统理所当然地成为报警通讯的主要方式。在此后自动拨号系统的出现以及电话普及到千家万户，更使得通过电话报警的方式得到了前所未有的发展。从发展过程来看，报警行业的发展是以工业技术发展为基础的，只有具备良好的通信手段，才能够把各地的报警信息汇聚到相应的权威部门，然后由权威部门负责分配有限的警力来帮助到所有的社会个体。微电子技术促进了报警系统的发展，可划分为三个发展阶段，对应着三代产品：第一代报警系统是由纯分离的元件组成，特点:电路组成复杂，体积较大，功能单一，可靠性较差。第二代报警系统是利用集成芯片和分离元件组成的产品，特点:电路组成比较复杂，可以实现更多的功能，可靠性较高。 第三代报警系统是以单片机为控制核心，外加其它集成芯片和分离元件组成的产品，特点:功能齐全，可靠性高，更加智能化，电路组成比较复杂。市场上主要以第三代产品为主，第一两代产品由于不能适应时代的发展己经被淘汰。第陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 35 页三代报警系统又可分为两类，一类是适合居民小区联防报警的联网报警系统，另一类是适合家用的独立报警器。家用报警器产品己经比较成熟，而且功能也比较齐全。大多数报警器采用单片机作为控制核心，通过电话线实现向外界报警功能。但是这类报警器有很多缺陷，一个独立的报警系统，不能有效地与外界保持联系，虽然它可以通过固定电话与外界联系，但如果电话线被人恶意剪断，电话报警功能也会失效。国外智能监控防盗技术发展已处于一个较高水平阶段，通过研究北美的报警系统的发展过程，可以了解到防盗报警系统的发展情况。现在，在北美的安防产业中，联网报警服务模式是最成功的经营模式之一，联网报警将整个北美的安防产业从横向到纵向进行整合串并，形成了一个集中许多高科技手段和产业化管理水准的一体化综合性产业 7。美国棋诺亚公司是北美最大的安防跨国公司之-，在世界范围内也排在前列，公司从上世纪 30 年代开始出售简单的防盗报警器，其当时的业务范围和技术水平跟中国现在很多安防企业是相当的。到 70 年代，公司调整了产业的发展方向，变为联网报警服务商，并建立了全球首家网络管理中心，并引用了大量的网管技术、系统集成技术和电子技术，如今公司成为十分先进的联网报警服务平台，它在美国、加拿大、英国、香港、台湾等多个国家和地区都有分公司。1.3 本系统主要研究内容1. 系统设计包括硬件、软件两部分。硬件设计主要包括人体红外感应电路设计、单片机最小系统设计、GPRS 模块电路设计等相关的控制管理模块，软件设计主要包括初始化子程序、中断子程序、短信报警子程序。2. 整个防盗报警系统由家庭监测端、GPRS 通信网络和远程用户监测端组成。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，传感器工作时,当有人闯入，热释电红外传感器将探测到人体，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，发送电信号到控制端，经过信息处理，经过单片机串口送到 GPRS 模块发射，经 GPRS 通信网络以短信息的形式向用户发送短信息实现远程防盗报警功能。2 系统方案设计2.1 系统总体设计思路对目前市场家用防盗报警系统的发展现状和存在的各种缺陷进行分析，根据系统功能要求进行系统的整体方案设计，以传感器、单片机、GPRS 移动通信等技术为依托，设计一种基于单片机和 GPRS 网络的家庭防盗报警系统，结构组成如图 2.1 所示。整个防盗报警系统由家庭监测端、通信网络和远程用户监测端组成。家庭监测终端由控制模块，无线通信模块，数据采集模块，信号处理部分组成。通过用户端接收手机短信完成报警信息的接收。GPRS 网络家庭监测端用户监测端陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 35 页图 2.1 系统组成2.2 系统方案本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为人体感应模块、单片机最小系统、GPRS 网络模块、按键及指示灯模块、电源供电模块等。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，单片机是本设计的核心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统由硬件系统和软件系统组成。其中硬件包括单片机最小系统、I/O 设备、和外部应用电路等组成的系统，软件由各个子程序组成。单片机应用系统的设计过程包括总体方案设计、硬件设计、软件设计等部分。从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：人体感应模块电路、指示电路、单片机最小系统电路、GPRS 模块及相关的控制管理电路组成；图 2.2 是总体设计框图：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。红外传感器接收到有人入侵信号时，发送电信号到控制端，经过信息处理，经过单片机串口送到 GPRS 模块发射，经 GPRS 通信网络以短信息的形式发送到用户端手机，实现家庭防盗报警。通信网络图 2.2 总体设计框图2.3 传感器介绍2.3.1 热释电红外线传感器简介热释电红外线传感器是一种新型高灵敏度探测元件，它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化成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作防盗防火报警、自动检测、电源开关控制等 8。热释电红外线传感器应用电路如下：用双元件型热释电红外传感器来探测移动的人体,传感器内部是由两个敏感元件反相连接,在人体静止的时候，两个元件的极化程度相同,电压互相抵消。当人体移动时两个元件极化程人体感应模块89S51单片机最小系统用户终端（移动电话）按键控制及指示灯电路GPRS模块电源供电电路陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 35 页度不同,导致净输出电压不为 0。2.3.2 PIR 的原理特性热释电红外线传感器是一种尺寸为 2*1mm 的探测元件，由高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、硫酸三甘钛、钽酸锂等制成。每个传感器内部有两个探测元件，它们反极性串联，用来抑制由于自身温度升高而产生的干扰。当探测元件接收到人体红外信号之后，将它转变成微弱的电信号，再经过传感器内部的场效应管放大后向外输出。一般会在探测器的前方安装一个菲涅尔透镜，用来提高红外传感器的灵敏度和测量的范围，菲涅尔透镜由聚乙烯制成，透镜的上、下两部分各分成若干等份，组成一种光学系统透镜，透镜配合放大电路使用，可将信号放大 70 分贝以上 9。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，用来提升它的探测范围和接收灵敏度。若有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地经过“盲区 ”和“ 高灵敏区 ”，接收到的红外信号以强弱变化的脉冲形式输入，增强其能量输入幅度。人体辐射的红外线中心波长为 9-10um，而探测元件的波长灵敏度在 0.2-20um 范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为 7-10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器；一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而输出电压信号。 12在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。 2.3.3 PIR 结构特性及安装图 2.3 热释电红外传感器内部结构图如图 2.3 所示，是一个热释电红外传感器的内部结构图。在使用时，传感器的 D 端接电陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 35 页源的正极， S 端是信号输出端， G 端接电源的负极。在传感器的内部，为了