基于单片机的居室报警系统设计方案

1 基于单片机的居室报警系统设计方案 前社会背景 随着目前社会的不断发展进步，人们生活水平的不断提高，但是在我们身边有着越来越多的隐患。为了及早地发现和报警，把我们的人身财产安全损失减到最低。那么灾自动识别报警系统已经成为了我们日常生活中不可画缺的一部分了。而目前有很多的高层建筑物、商业建筑、工厂、密集住宅区，对消防报警系统的要求更加的严格核可。消防安全和消防设施作用的发挥对于系统设计、安装和使用该系统显得尤为重要。火灾自动报警系统提醒人们火灾的发生一般都是通过环境中产生的烟雾、热量等变量识别然后传送 到控制器再由控制器传到各个模块实现的。现在大部分的企业都主要面向货物存储地、大型超市、高层公寓、酒店等的大型场所的报警系统研发。而忽视了再居民住宅区、学校教室等的小型防火楼房。 不仅仅火灾给我们的生活带来了威胁，盗窃事件也经常威胁这我们。根据目前的社会发展趋势来看，由于我国人口分布不均，人口基数大，城市人口密集。因此城市中的人们都比较是在密集的住宅区定居。这些住宅区的主要特点是楼层较高和密集，人员流动较大，安全防范要提高。因此我们很有必要要提高家庭电子防盗报警系统。而本次设计也为了这种需求所设计的居室报警系 统来满足当今社会的需求。 2 2 系统总设计方案 计内容和要求 本设计主要是硬件和软件两部分。硬件还有数据收集模块、远程控制、报警等。因为报警系统主要是检测室内温度和烟雾的浓度识别来实现报警功能的。所以本居室报警系统的硬件主要由红外线人体传感器、温度传感器、烟雾传感器、报警模块、单片机控制电路来实现的。当居室遭到入侵时，装在门窗检测点上面的红外探头可以检测到人体辐射出来的红外能量，从而得知有人入侵，系统就会通过相应的处理把数据传到单片机，然后实现了报警。而当火灾发生的时候，居室 中的烟雾浓度会升高，热量也会升高，那么通过烟雾传感器和温度传感器检测到变量，经过 A/D 转变成数字信号传送到单片机，单片机分析处理后就会驱动报警器，实现报警。 统设计的总体思路 从这次的设计要求来以知道，硬件电路包括输出 /输入电路、单片机、扩展电路模块等组成。本次基于单片机的居室报警系统包括了硬件设计和软件设计这两部分。所以系统应该包含如下图的结构， 片机为核心控制、红外检测模块、温度检测模块、烟雾检测模块和 集这几部分，该系统的结构框图如图 2示。 图 2火防盗报警系统结构框图 在本次系统设计中，对于报警系统获取识别信息的途径主要有两种。一种是对于环境中烟雾浓度的识别，另外一种是红外光电管的识别。当环境中的烟雾浓度升高时，单片机将会识别该转换后的数字信号，从而触发中断，传到报警电路发出报警。而第二种识别，平时在没有遮挡物的时候，接收管可以接收到发射管发射出来的信号。当有人入侵经过，温度传感器 片机 按键 烟雾传感器 红外人体传感器 信号调理 声光报警 温度、浓度显示 3 会遮挡住发射管，由于红外线无法穿透物体，因此，接收管无法接收到信号，此时单片机会接收到一个高电平信号触发中断，产生了报警信号。 4 3 核心单片机电路 列单片机介绍 本系统的主要控制核心是 列单片机。它是具有低功耗，高性能，而且稳定的微控制器。在本系统中，它的主要任务就是通过中断信号，来判断是否发生了火灾和有人入侵居室，如果确实发生了火灾和有人进入，就会触发警报进行报警。 列单片机在电子产品领域中具有广泛应用，它在单晶的片上，拥有 8 位的在系统可编程的 具有 32 个 I/O 口， 2 个 16 位定时 /计数器， 片内 4K 的4K 字节 闪存 ， 128 字节随机存取数据存储器， 并且含有中断、串口等外设。 另外，能够进行 0 与非运算 ， 具有省点的功能模式 。 在空闲模式下，可以停止一些不必要的操作，节省了系统的损耗的同时又能够保持中断串口等外设的正常工作。在掉电之后，程序仍不会丢失， 保存 在 存储器 中 ， 晶振会停止震荡，直到下次上电开启。其具体 引脚 如下： 源电压 。 接地。 接外部 时钟输入端 和片内振 荡器 的高增益 反相放大器。 作为片内振 荡器 的高增益 反相放大器的输出端。 作为 复位 信号 输入 端。 只有在高电平的时候才有效 。 如果要对单片机进行复位操作的话，那么只需要在这个引脚上面，加上 2 个机器周期以上的高电平即可。 输入信号的时候，外部储存器允许访问的控制信号 。 当 高电平 的时候 ，那么就会读取存储 程序 的 存储器 。但是当访问的 超过 0，它就会自动跳转访问外部储存器中储存的数据。而当 输出为低电平时，它就会只读取外部储存器，地址为 0000H时片内的 储器将不起功能。 为引脚的另一个功能，作为输入编程电压。 在访问存储器时候， 该引脚可以产生信号，锁存地址，低 8 为的地址不能呗访问，确保了整个系统的安全。在平时， 产生脉冲信号，该信号的频率为晶振的1/6。闪存的访问必须经过 的有效信号之后才能够正常的开始。如果 存了地址，则该地址具有写保护的特性。此外，该信号可以为程序存储器提供相应的时钟信号 。在必要的时候，它还能够 禁止 作 放大地址单元 置，那是 特殊 放大 寄存器区中程序存储器 8这样 指令 会被应用 ，同时该引脚将会在单片机内部被拉高 ，并且 单片机 在 执行外部程序 的时候 ， 此时信号线将失效。 片内 程序储存 器 的读选通程序存储器信号 。当程序元需要访问外部空间的时候，该引脚会产生下降沿信号，用于触发对外部存储器的读写。此外，该引脚可以当做外部存 5 储器的使能信号引脚。 ： 一个具有双功能 8 位双向 I/O 口。当 加外部存储器时，以及 作为外部寄存器的地址总线，数据总线为分时复用端口。并且 也能够作为 I/O 口使用，需要加一个上拉电阻，才可以变成准双向口。当作为普通的 I/O 输入时， 应先向输出的锁存器端口外部的寄存器写入数据 1。而且 可驱动 8 个 载。 ： 是一个 8 位单功能的准双向 I/O 口，内部有上拉电阻。 是专为用户使用的准双向 I/O 口，当作为普通的 I/O 输入时，应先向端口的输出锁存器写入 1。 可驱动 4 个 载。 ： 是一个 8 位双功能的准双向 I/O 口，内部也有上拉电阻。 当作为地址输出线，它可输出高 8 位地址。 也可作为普通的 I/O 口使用。当作为普通的 I/O 输入时，先向输出锁存器写入 1。可驱动 4 个 载。 ： 是一个 8 位有第二输入功能的准双向 I/O 口，不存在高阻抗输入状态，有上拉电阻。 可作为通用的 I/O 口使用 。当作为通用的 I/O 输入时，先向输出锁存器写入 1。可驱动 4 个 载。 本设计选用 为主控芯片，其管脚如图 3示。 图 3管脚图 6 片机最小系统 果需要正常工作，那么外部的晶振电路是必不可少的。因为它所产生的一个固定频率的振荡信号可以作为单片机内部的时钟基准。单片机有两个引脚 端连接石英晶振，一个为输入一个为输出。外部连接两个匹配电容。外部晶振的频率越高，振荡器产生的震荡信号频率越高，单片机的工 作速度越快。但是并不是晶振越高越好，运行速度快对存储器的速度要求振荡器越高，对印制电路板的振荡器工艺要求也高，即要求线间振荡器的寄生电容要小振荡器，过高的速度会降低 51 单片机的运行稳定性。 振电路 在本次系统设计中主要使用的是 2上一个 30振电路主要作用的是 两个引脚。 要是用来输出和支持内部时钟电路的工作，并且作为反向震荡放大器， 为来自反向振荡的输出。一般选取电容 10阻 10K。这是为了在上电的时候， 的高电平可以保持两个以上机器周期，如图 3示。 片机晶振电路 位电路 列单片机的复位一般都是由外部的复位电路来实现的，通过外部复位电路来实现复位引脚 。复位电路工作原理是给电源 电的时候，电容 行充电，电阻 出现电压，从而使单片机复位；然后，电容 电完毕，电阻 的复位电流降到 0，电压也降为 0，那么单片机就进入复位工作。工作期间，按下按键，那么电容会放电复位，同时在电阻 会出现 电压，使得单片机复位。 位松手，电容 又复位充电，几个毫秒后复位，单片机进入工作状态，如图 3示。 +5片机的复位电路 8 4 温度传感电路 绍 一种常用的温度传感器。它体积较小，适用范围较广，抗干扰能力较强，检测精准等特点。它的主要特点是采集数据为数字信号，能够直接传给单片机处理。同时它可以提供 9 位的温度读数，显示温度。而且它是 单线接口方式， 只 需要一条线 就可以使单片机 与 现 双向通讯 ，无 须外接电源。 作电路 本设计 单片机的 连，采集到温度信号后，将数据传输给单片机当温度达到预先设定的上限值（本文的上限值是： 45 ），则 灯点亮，蜂鸣器报警，数码管显示当前的温度值，如图 4示。 图 4作电路 9 5 烟雾传感电路 雾传感器 本次系统设计中 主要使用的是 体 传感器 。它的主要是由 二氧化锡 (成，这种材料的 电导率 是 较低的。 体传感器 的灵敏度很高，尤其是 液化 石油气 、氢气，天然气 等 。 它的主要原理是 电导率随可燃气体 的 浓度增大 而增大 。 并且该 传感器 价格便宜，安全可靠，是一种理想的气体检测传感器 。 因此，本设计采用 体传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心，烟雾传感器的外观和结构图如图 5图 5示。 图 5图 5感器的介绍 它对天然气、液化石油气等可燃气体识别灵敏，反应迅速，还能长期持续工作，具备良好的重复利用。并且对于工作电压的要求低， 24V 以下都能工作。并且加热电压为 5是由于它初期是 稳定状态的，会吸附空气中的水蒸气，因此不能马上进入工作状态。长期不通电工作后必须要预热几分钟，使粘附水蒸气蒸发了，它才能够正常工作。而在此我们称为初期稳定时间。 10 绍 能特点 司生产的 8 位分辨率的 A / D 转换芯片，多达 256 的最大分辨率可适用普通模拟转换的要求。芯片只需要 32 S 转换时间，输出的是一个双数据可以用作数据验证，以便减少数据误差，转换速度快且稳定还有强大的性能。单独的芯片使能输入，使更多的设备连接和处理器控制变得更加 方便。通过 据输入，就可以很容易地选择通道来实现功能。 部引脚及其说明 引脚说明如下： 片选使能，在低电平时有效。 两路模拟输入通道，或作为 数据信号的输入端，选择通道控制。 数据信号的输出端，模数转换 数据输出 。 芯片时钟输入。 电源的输入端和基准电压的输入端。 电源接地端。 片机对 控制原理 别是通过 四个管脚与单片机相连。但由于在 们不是在同一时间有效，而且还因为，单片机接口是双向的，所以一般我们将在一条线上并联使用 有连接工作时，这是因为 入为高，则芯片不工作。当需要 A/D 变换，则应该终止 的第一件事情是拉低电平，并且需要保持低 电平直到转换结束。然而，芯片此时开始的转换，那么处理器将发送一个脉冲信号到芯片的时钟输入端之前，接收第一时钟信号， 都要高电平，这表明起始位。在此之前的第二个和第三个时钟脉冲时，在为了选择信道的功能， 入端一般有 2 位数据，其功能如表 5 表 5 11 输入形式 配置位 选择通道 分输入 0 0 + - 0 1 - 单端输入 1 0 - + 1 1 + 由表 5知，当配置位的差分输入的 0 和 0 的时候，那么选择通道 为正输入端 会作为负输入端 配置位的差分输入的 0 和 1 的时候，那么选择通道 会作为负输入端 会作为正输入端 当配置位的单端输入的 1 和 0 的时候，那么选择通道 进行单通道转换。当配置位的差分输入的 1 和 1 的时候，那么选择通道 会只进行单通道转换。在收到第 3 时钟脉冲，输入电平 没有任何效果，然后 I 端输出的数据，以及将读取数据 收到的第 1 个与第 4 个时钟脉冲将 从数据转换输出，然后接收每个脉 冲， 端将输出下一个数据。直到前 11 个脉冲到来前，都输出最低位数据，因此，在完成输出数据的一个字节的目的。从该数据，输出数据相对的下一个字节也开始，也就是从第 11 个时钟脉冲输出 后，它会输出 8 位数据，直到第 19 个脉冲到来时的数据输出，同时也标志着这是第一次 A/D 转换完成。 ，所以需要串联电阻。然后再经过放大电路后，传到行采集，信号经过 A/D 转换模块转换之后，传送到单片机进行处理 ,如图 5示： 图 5。通常接收管和发射器都是红外线发射管成套运用的。红外光电对管的特征与原理如下：红外线接收管接收红外光电，它主要是将红外光信号，转变成电信号的半导体电器件，它的核心部分是有一个特殊材料的 ，与普通的红外光二极管主要区别是，红外光线接收管为了更大接收面积的接受入射光线，它会尽量做大它的 面红外光电积，同时电极的面积应该越小，同时 的电结很浅，一般小于 1 微米。红外线接收二极管的工作原理，主要是受到红外光电反向电压的作用。每当有物体遮挡时 ，此时红外光电没有受到光照，那么它的反向电流很小，我们称之为暗电流。然而当有红外线光照时，受到强烈的光照，那么红外线光子携带着能量进入 后，把能量传给束缚在共价键上被物体遮挡的电子，就会使少量这些电子的挣脱了共价键，产生了电子空穴对。它们在反向电压的作用，会发生漂移，同时在光照变大，反向电流也会更加的明显变大，光照强度越大，反向电流也越大。通常我们称这种特性“光电导”。在平时无遮挡物，接受管可以收到发射管发射出来的信号，在发射管的输出端会一直为低电平。当有物体经过，遮挡住发射管时，由于红外线无法穿透物体 ，因此，接受管无法接收到信号，此时有高电平信号产生。具体的电路如图 6示： 图 6电传感器电路 13 警电路 本次系统设计使用蜂鸣器灯光作为报警警报。通过单片机接收温度传感器、气体传感器和红外传感器的数据，判断环境变量来确定是否进行报警。 鸣器 当单片机接收到的信号判断为超过环境中的设定值时，就会把 通，驱动蜂鸣器，发出报警声，如图 6示： 图 6鸣器报警电路 键设置电路 在单片机上接上按键控制电路的两端，一端是地线，另一端是 图 6 图 6键设置电路 其中四个按键分别为红外人体传感器，控制烟雾浓度，控制火灾温度，加减浓度和温度上限值。 14 按键 1：代替红外人体传感器进行仿真操作； 按键 2：火灾温度值和烟雾浓度值设置按键，可以设置火灾温度和烟雾浓度的上限值，本设计的火灾温度上限值为 45，烟雾浓度上限值为 2； 按键 3：增加预设环境中的烟雾浓度上限值和温度上限值； 按键 4：减少预设环境中的烟雾浓度上限值和温度上限值； 光电路 闪光报警电路，一端和地线相连，另一端和 3口相连。显示火灾情况和居室 入侵报警情况，电路图如图 6 图 6示电路 示电路 火灾报警显示电路采用 阳极数码管，用来显示环境中的温度和烟雾的浓度。电路图如图 6 图 6示电路 15 7 系统软件设计 本次设计中，软件编程部分主要解决的是识别判断环境中的温度传感器、烟雾传感器和红外人体传感器传来的数据，进行判断处理作出报警。其逻辑流程图如图 7示。 是 否 图 7辑流程图 统主程序 在本次系统设计中，上电 之后首先是对单片机系统进行初始化。单片机中断的初始化主要是为了更好的实现单片机检测信号的到来。在这之后，便开始等待外部中断的到来，当环境中温度烟雾浓度和红外接收器产生变量，会产生相应的电平变化，触发中断，产生检测温度 检测烟雾 检测入侵 进行 A/单片机进行数据处理 是 否 超 过 设 置 上限 ？ 是 否 有 人 入侵？ 报警子程序工作 显示环境中的温度和烟雾浓度 返 回 开 始 16 报警。报警时，程序控制 进行闪烁，如果单片机没有接收环境中的变量时，则单片机处于等待中断的模式。主程序主要是要进行初始化，以及设置中断的矢量和调用显示等。 度采集处理模块 由于本次使用的是集成了数字信号转变的温度传感器。所以不需要 A/D 转换。为了方便展示本次设计，将温度传感器的报警温度 设定为 40，在实际当中其报警温度为 60。温度采集转换的流程图如图 7示： 图 7度采集流程图 雾采集处理模块 度变换概念 传感器元器件检测物理变量的方法，一般都是通过传感器感受环境中的变量，转换为电信号，再经过数据采集系统后得到与被检测相对应的数字信号。也就是说在不同的智能设备中，同样的数字量所代表的是不一样的。通常采用一定的处理技术将这些数字量转换为具有不同纲量的相应物理量，这一技术称为标度变换。 度变换的原 理 开始 对 输入控制温度 读取环境中的温度 返回 17 如果被测量物理量，它的变化范围为 理量的实际测到数据量为 应的数字量是 m 对应的数字量是 应的数字量是 果传感器的整个采集系统是线性相关的，那么它的标度变换公式就是： 0+( （ 7 在本设计中，由于采集的是负载电阻的电压值，再而算得出烟雾传感器的电阻值，从而求得对应的浓度值。则有： 0+(0+(5( (255 1 （ 7 据采集 系统上电就会驱动 行 A/D 转换，转换好的数字信号传到单片机之后，把相应的数据存在储存器，这是由中断服务程序完成。注意：当 高变为低的时候，就会选择 时钟的上升沿， 部的多路地址移位寄存器就会把的数据存入。在第一时钟周期中， 高电平，这意味着起始位置，那么将输入两个进入配置位。当启动位和配置位 输入了之后，选通模拟通道，此时转换就开始。从转换开始之后，一个时钟周期的延时，就会使得选定的通道稳定。紧接着它会在第 4 个时钟下降沿的时候，输出转换数据。它会先输出最高位 (在把转换结果输出了之后，又会从最低位开始再一次输出数据 (这两次发送的最低位会共享。 18 8 结束语 智能家居防火防盗报警系统的普及，能够保障人们生命财产安全，可以有效的尽早对火灾发生发出警报，以及居室的非法入侵进行报警。它是集防火防灾和人身生活安全的设备仪器。 本次设计的居室报警系统主要由温度传 感器，烟雾浓度传感器和红外人体传感器构成。 度传感器它体积较小，使用环境广泛，封装多种多样，适合小型设备的使用。 雾传感器可以 检测多种可燃性气体， 成本低，可靠性高，是一种理想的气体检测传感器。它可以把环境中的烟雾浓度进行气 电导率会随着可燃气体浓度变化，转换成电流信号，通过 A/D 转换电路成数字信号，再发送到单片机进行处理。体感应传感器是基于红外线技术的元器件，它的灵敏度强，可靠性高，应用广泛。 片机是一款低能耗、具有可编程的存储器，而且 应用范围广泛，容易上手，价格便宜，扩展性强，适合我们本次的系统设计要求。 如果再在本次的设计系统上加以扩展功能，就可以使本系统功能更加的完善和强大，可靠性和安全系数更高。 19 附录 1 基于单片机的智能家居防火防盗报警系统仿真图 20 附录 2 基于单片机的智能家居防火防盗报警系统程序源代码 21 22 23 24 25 26 参考文献 1 灾自动报警系统设计规范 M中国计划出版社 . 2 李群芳 ,肖看 理、界面及应用 嵌入式系统技术基础 清华大学出版社 ,2005. 3 谭浩强着 言程序设计 清华大学出版社 ,2006 4 张义和 ,王敏男 ,许宏昌，等 1 单片机 人民邮电出版社 ,2008. 5 周丽娜 路设计技