家庭安防报警器的设计.doc

家庭安防报警器的设计一、系统方案设计1.1 概述随着社会经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，人们对其住宅的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对安全性、智能性等方面也提出了更高的要求，智能住宅的安全防范系统也应运而生。现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。本设计是利用51单片机来进行家庭安防报警器的设计，其中包括防盗部分、防火部分和防煤气泄漏部分。防盗部分可采用红外传感器，防火部分可采用温度传感器和烟雾传感器，而防煤气部分可以采用气体泄漏传感器，从而由此实现防盗、防火、防燃气泄漏的作用。1.2系统方案框图 图1系统原理图二、工作原理2.1 检测原理检测电路中在防盗报警上主要是利用红外传感器来实现，当有人或动物通过红外传感器的时候，红外传感器检测到人体发射的红外线，将报警信号送入控制芯片中，触发声光报警；煤气泄漏通过气敏传感器的化学反应，将电信号同样是送入控制芯片实现报警；火灾报警主要通过温度传感器检测室内温度，如果温度超过传感器上限报则会产生报警信号送入控制芯片，从而实现报警。2.2 硬件芯片介绍2.2.1 单片机at89c51at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。at89c2051是一种带2k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本。at89c单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图片见下图：图2单片机at89c51主要特性：与mcs-51 兼容 4k字节可编程闪烁存储器 使用寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0hz-24hz三级程序存储器锁定128*8位内部ram32可编程i/o线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2.3 传感器的选择 2.3.1红外传感器热释电红外传感器是利用红外辐射的热辐射作用引起元件本身的温度变化检测信号，其探测率、响应速度都不如光子型传感器。但由于热释电型传感器可在室温下使用，灵敏度与波长无关，所以应用领域广。考虑到实际情况，即主要用于保护人身安全问题，而不是用于非常精密的场合，故本课题选用热释电红外线传感器，既能利用此传感器的优势，又能满足要求，从经济上和实用价值综合考虑来看是一理想的选择。在热释电红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器(ptr ) , ptr能将红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。另一个是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它用来配合热释电红外线传感器，以提高接收灵敏度。用菲涅尔透镜配合放大电路将信号放大60-70db,就可以检测10-20m处人的活动。图3热释电红外线传感器结构示意图图4 热释电红外线传感器等效电路图热释电红外探测器电路采用的器件是热释电红外传感信号处理器bis0001、热释电红外传感器re200b和少量外接元器件。如下图5.图5 红外探测器的电路原理图当热释电红外探头接收到人体发出的红外线后，经过转化，将信号传输到bis0001的第一级运算放大器的同相输入端，即14脚，从uo脚(2脚)输出高电平信号，送单片机进行报警处理。在本设计中，输出信号为脉冲信号，送给单片机的信号是高低电平，很容易实现检测并报警。输出延迟时间tx由外部的r9和c7的大小调整，值为tx=24576r9c7:触发封锁时间ti由外部的r10和c6的大小调整，值为ti= 24r10c6。图6 被动红外探测器的检测方向 2.3.2温度传感器ntc热敏电阻是指具有负温度系数的热敏电阻。是使用单一高纯度材料、具有接近理论密度结构的高性能陶瓷。因此，在实现小型化的同时，还具有电阻值、温度特性波动小、对各种温度变化响应快的特点，可进行高灵敏度、高精度的检测。本系统采用ntc热敏电阻，热敏电阻的电阻温度特性可近似地用式1表示。 (式1) r=r0 exp b(1/t-1/t0)但实际上，热敏电阻的b值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异，最大甚至可达5k/c。因此在较大的温度范围内应用式1时，将与实测值之间存在一定误差。热敏电阻温度特性如下图7 热敏电阻温度特性 2.3.3燃气泄漏传感器 气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分气敏传感器在使用中，其热丝可能烧断，但难以发现，致使用户在毫不知情的情况下继续使用已失效的燃气报警器。为能及时发现传感器的损坏，本系统特别设计了气敏元件自检电路（由r3r7、vt2、vt3等组成），元件正常时，r3上有电压信号，如热丝烧断，该信号为0，vt3集电极输出低电平至单片机，点亮黄灯报警，能使用户及时发现。同时，气敏传感器不直接焊入电路，而是通过七脚电子管座与电路连接，若损坏可方便地从管座中拨出换新，从而解决了更换难的问题。 图8 qm型气敏传感器检测原理图2.4 测量电路介绍2.4.1报警器主机自动报警器是本课题的设计重点，主要包括控制器、拨号模块、语音模块、电话接口模块、键盘模块以及电源模块。根据系统设计的需要，本报警器的主机由一片at89s51单片机和一片io扩展芯片8255a组成，主机电路如图9 所示。 po口为数据总线，分别和8255a的数据总线、mt8888的数据线连接。p1. 4连接拨号语音转换电路的三极管基极，用于dtmf音频信号和语音信号的切换;p1. 6接isd 1420语音芯片的放音脚playl/，低电平有效;pl. 7用于模拟摘挂机控制，实现系统和用户话机的工作切换;p2. 0与mt8888的rso相连，控制mt8888内部寄存器的选择;p2. 1. p2. 2接8255a的a0, a1地址线;p2. 5连接系统的现场报警警铃;p2. 6连接8255a芯片的选通端cs，用于控制8255a的选通;p2. 7与mt8888的cs相连，控制mt8888的选通。rxd, txd预留为主控计算机串行通讯口;t1口连接mt8888的工rq/cp端，用于计数监测电话音方波信号的个数:工nto口经非门与红外探测器输出端相连，用于接收报警信号，引发中断;wr, rd分别与mt8888以及8255a的wr和rd相连，控制mt88 88及8255a的读写。图9 自动报警器主机电路图2.4.2语音电路的设计语音电路应完成预录提示音，为“家里有盗贼入侵，请及时赶回”。同时，在电话接通后，可以将语音播放。根据系统的功能要求，系统选择了isd1420语音芯片。图10语音电路图如图9，在本电路中，将所有的地址线接地，即设为“0”。当系统处于录音状态时，recled引脚端口被置为低电平，此时发光二极管led被点亮，提示录音开始，当录音结束时，led熄灭。所要播放的语音信号从麦克输入，经mic和mic ref引脚输入芯片内部的放大器放大，放大后的输出信号从模拟输出端anaout输出，再经电容c3祸合至模拟输入端ana in再一次放大，经放大后的音频信号从sp-输出推动扬声器发音。sp+和电话接口电路相连，以送出语音信号。2.4.3电话接口电路因为平时电话外线连在用户话机上，系统与电话线断开，只有当需要报警时，系统才接上电话外线，这样系统才不会影响到电话的正常使用;另外，拨号电路、语音电路输出的音频信号均需要通过电话外线送出。如图10所示。图11 电话接口电路2.4.4 键盘接口电路本报警器一共设了16个键，其中包括10个数字键和5个功能键。五个功能键分别是:密码输入键、密码修改键、录音键、放音键、紧急呼叫键。在此我们采用4x4键盘，需要8根i/0线。因为8051自身的输入/输出端口有限，所以系统扩展了输入/输出口8255a。在该电路中，44键盘与8255a的pc口相连，8255a的c口低四位pco-pc3作为行扫描输出，c口高四位pc4-pc7作为列输入，均为低电平有效。8255a的a0, a1端分别接单片机的p2. 1, p2. 2, cs与单片机的p2. 6相连，数据线和po口相连，读写线和单片机的对应读写线相连，如图12所示。因为8255a的pco-pc3工作方式为输入，工作方式0, pc4-pc7为输出，工作方式0，所以控制字为:10000001 (81h).图12键盘接口电路2.4.5电源电路的设计备用电源电路如图12所示。图13备用电源电路三、系统软件设计3.1 软件设计方法 本系统采用了单片机at89c51，软件主要分为主体部分、防盗部分、防火部分和防煤气泄漏部分。包括了主程序，数据采集程序，判断显示程序，报警程序，二进制转换成十进制数程序和串口通信程序。3.2 测试系统流程图3.2.1防火部分3.3.2防盗部分图14程序流程图3.3系统软件proteus软件是英国labcenter electronics公司出版的eda工具软件，它不仅具有其它eda工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。它能实现原理布图、pcb自动或人工布线、spice电路仿真等功能。本设计就是利用这个软件来进行仿真的。四、课程设计体会和总结此次课程设计既是对学校所学知识的一次总结和综合应用，又是为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好的开端。所以在此有必要对这次的课程设计作一个系统的总结。这次课程设计，这不仅是对我的一种锻炼，也是对我这学期所学知识尤其是单片机的知识的综合检查。从开始设计到设计的完成，我感觉收获很多，不仅在理论上有了很大的升华,并且还在实践中锻炼了自己。使自己成长了许多。本设计为多功能家用安防报警器包括防盗报警部分，防火报警部分，防煤气泄露部分等。它经过多次修改和整理，可以满足人们的基本要求，但因为水平有限，此电路中也存在一定的问题，譬如说设计中没能实现煤气泄露检测这一功能。本想通过增加电路解决，但过于复杂。本设计中仿真时用开关作为红外传感器来用不是很稳定，但是可以基本实现其功能。本次专业方向课程设计让我懂了很多，也收获了很多。让我学会了理论联系实际的正确设计思想，训练了综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。也学会了较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力。参考文献1、陈伟.mcs一51系列单片机实用子程序集锦.清华大学出版社.199