单片机课程设计--智能家居报警系统设计.doc

单片机课程设计报告（题目）智能家居报警系统设计姓 名： 夏景锋 张锐凌 方壮壮 班 级： 电子科学与技术一班 学 号：201030570123/29 200930570108 指导老师： 姜 晟 邓小玲 日 期： 2013.06.032013.06.14 华南农业大学工程学院摘 要随着科技的发展与社会的进步，人们的日常生活越来越智能化，智能家居系统的设计倍受关注。报警系统作为智能家居系统的一个重要组成部分，其性能的好坏直接关系到整个智能家居系统的优劣。把无线网络技术应用到家居报警系统中，通过各种传感器实时采集家居的环境信息，通过无线的方式将信息传输给家居控制中心，能够弥补有线设备的缺陷，具有价廉、可靠性高等优点。本文设计了用STC89C52单片机实现的基于GSM短信模块的家庭无线防盗报警系统。此系统由单片机控制模块、液晶键盘模块、GSM模块、存储器模块和传感器模块组成，可解决传统安防系统存在的隐患，让家庭防盗更及时、使用更方便。它不再依赖有线电话执行报警，而是借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，以最直观的英文短消息形式，直接把报警情况反映到用户的手机屏幕上。关键词：防盗 STC89C52 GSM 智能报警目 录1方案比较与选择51.1总体方案确定51.2单片机控制电路61.3显示模块61.4键盘输入模块选择71.5密码存储模块71.6下载模块81.7整体方案确定82.电路硬件设计82.1电路设计82.2电路原理分析92.2.1 4X4键盘电路92.2.2 密码存储电路92.2.3 LCD显示模块102.2.4 GSM警报发送模块112.2.5报警灯模块122.2.6通信下载模块122.2.7 蜂鸣器电路132.2.8外围电路设计143软件功能设计153.1.GSM模块软件设计16返回：AT&F163.2存储模块软件设计163.3 液晶键盘模块软件设计173.4 密码锁软件设计184电路板制作、焊接、调试184.1电路板的制作184.2 电路焊接194.3 电路调试与结果194.3.1 密码锁调试194.3.2 开门调试194.3.3 修改密码功能调试194.3.4 报警功能调试194.3.5调试遇到的问题195 讨论及进一步研究建议206 课程设计心得20致 谢22参 考 文 献22附录23附录一、 PCB图23附录二、实物展示24附录三、 任务分配24附录四、 设计时间安排表24附录五、元件清单25附录六 仿真图26附录七、源代码261方案比较与选择1.1总体方案确定该设计是基于智能家居防盗报警系统，其主要由单片机控制模块、显示模块、密码锁键盘输入模块、密码存储模块、报警模块、GSM通信模块,模块等组成。该方案需要实现的功能包括：（其系统框图如图1所示）1采用44薄膜键盘作为智能密码锁输入，密码输入错误3次启动报警； 2采用发光二极管模拟门开状态；3采用蜂鸣器和二极管闪烁报警（声光报警）；4通过GSM报警与屋主通信。 图1 系统框图1.2单片机控制电路方案（1）: AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。方案（2）: AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。方案（3）：STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 且具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。 综合比较得出了，STC89C52操作比较方便，低功耗，高性能，功能多样，且在以后的拓展中能更方便的使用，估选择方案（3）1.3显示模块方案（1）：采用数码管显示数码管是利用发光二极管的特性组合而成的数字显示器件，通过控制相应的二极管状态来显示相应的数字。要使数码管正常显示就得有驱动电路驱动相应的段码。数码管显示方式可分为静态显示和动态显示，静态显示方式只适合显示单个的数字，因此设计应采用动态显示方式。动态显示方式利用人眼视觉暂留的特性，扫描的时间应不大于20毫秒，占用系统资源大，而且显示的个数和字型有限。方案（2）：采用LCD1602液晶显示1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点型液晶模块。它由若干个57或者511等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。1602的驱动电路带有11条指令，可以很方便的控制液晶的显示效果，如清屏、左移右移、光标显示等。另外1602显示的字符在下一条指令未到来之前不会改变，也就是能够维持显示的字符，其占用的系统资源也少。综合比较数码管和LCD1602，由于LCD1602占用资源较少并且控制方便，更加能够满足本系统显示模块的基本要求，最后选用方案（2）的LCD1602液晶组成本设计的显示模块。1.4键盘输入模块选择方案（1）：采用44薄膜键盘采用薄膜键盘具有如下几方面的优点：(1)外形美观、新颖； (2)体积小、厚度薄、重量轻； (3)防潮、防尘、防油污及有害气体，密封性强、耐酸碱抗震；(4)使用寿命长、耐弯折。方案（2）：手动焊接44按键键盘在密码输入方面，可以参照矩阵键盘的工作原理，通过布局手动焊接44矩阵键盘，以单片机的P1.0P1.3各管脚作输入线，以单片机的P1.4P1.7各管脚作输出线。手动焊接键盘可以满足密码输入的基本要求，但硬件电路较麻烦且不如薄膜键盘美观。通过综合考虑，决定采用方案（2）的44薄膜键盘作为门禁密码锁的输入模块。 1.5密码存储模块方案（1）：采用Intel公司的6264芯片Intel公司6264芯片其容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造。由于该芯片搭建电路和操作时序复杂，因此不适合作为单片机外部数据存储器。方案（2）：采用Atmel公司的AT24C02芯片AT24C02是美国Atmel公司的低功耗CMOS型E2PROM，内含2568位存储空间，具有工作电压宽(2.55.5V)、擦写次数多(大于10000次)、写入速度快(小于10ms)、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。它是采用了I2C总线式进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和I/O线，并且支持在线编程，进行数据实时的存取十分方便（卢旭锦，2007），外部电路也容易实现。综合考虑6264芯片和AT24C02芯片，宜采用方案（2）的AT24C02为数据存储模块芯片。1.6下载模块方案（1）：串口通信口则是用USB转串口线或串口线。方案（2）： ISP下载是用ISP下载器加一个ISP软件程序将编好的程序烧录到单片机上，实施方便，性能好。1.7整体方案确定 综上，可知，从方便于实施，性能相对比较稳定，适合使用的方面进行考虑。由上述，我们从个方面考虑，得出的需要的模块为：STC89C52实现单片机控制模块， STC89C52单片机P1引脚外接44矩阵键盘实现密码锁模块, 1602液晶模块实现LCD模块, 串口下载器实现下载模块。2.电路硬件设计2.1电路设计为实现本组所设计的智能家居报警系统，电路图如图2所示，由密码锁、LCD显示模块、报警模块、通信下载模块和外围功能电路等功能模块组成。图2 智能家居报警系统电路原理图2.2电路原理分析2.2.1 4X4键盘电路 本设计采用的是矩阵式按键键盘，它由行线和列线组成，也称行列式键盘，按键位于行列的交叉点上，密码锁的密码由键盘输入完成，与独立式按键键盘相比，要节省很多I/O口。本设计中使用的这个4*4键盘不但能完成密码的输入还能作特别功能键使用，比如修改密码后退功能等。键盘的每个按键功能可以在程序设计中设置 。键盘的内部原理如图3.图3 4*4键盘2.2.2 密码存储电路通过引脚P3.4、P3.5将密码保存到AT24C02，使用外部ROM储存可在断电重启后仍保存前一次设置的密码。地址线全都接地即地址选择位A2、A1、A0全部为0，写入指令为0xa0，读数据指令为0xa1。如图4所示。图4密码存储电路2.2.3 LCD显示模块LCD显示模块用于显示系统状态，密码锁操作状态。显示模块使用LCD1602，是由液晶显示屏和其译码电路组成，能显示数字英文，两行显示，界面友好。16个对外接口，8根数据线使用并行连接方式，接单片机P0口，3根控制线分别接单片机P2.0、P2.1、P2.2引脚，另外5根线用于电源、接地以及控制背光，分别接电源、接地和可调电阻。如图8所示。 图5 LCD显示电路2.2.4 GSM警报发送模块利用单片机发送转换成传输命令字的信码，发送给TC35。发送短信时，每发送一条指令给GSM模块，TC35返回一条指令。打电话时，同样的通信方式，不同的通信命令字。 只需设计一个TTL转RS232电平电路,连接到MCU的UART口,另一端直接连接到TC35。TC35的实物图如图6.2、指令输出的方法 单片机串口设置成模式1(9600,N,8,1),依次将AT+xxx以ASCII码形式输出到UART口;接收TC35的数据采用中断方式。AT指令的定义程序见下：char code AT_Tc35=AT+; /连机测试char code Bps_Tc35=IPR=38400; /波特率char code Text_Tc35=CMGF=1; /文本模式char code Read_Tc35=CMGR=; /读信息char code Send_Tc35=CMGS=; /发送信息图6 GSM实物图2.2.5报警灯模块报警灯电路是通过LED发光二极管来发出报警的光信号。使用一个发光二极管，用单片机P2.4引脚控制，需要报警时，单片机输出方波信号使LED灯闪烁。在实际上，由于考虑到开门，该LED灯也作为开门的示意灯。报警灯电路如图7所示。图7 报警灯电路2.2.6通信下载模块 采用工作方式1，单片机的通信引脚RXD、TXD通过芯片MAX232进行电平转换连接串口，单片机的TXD引脚发送信号到MAX232的T1IN，RXD引脚从MAX232的R1OUT接收信号。该模块可通过连接串口与GSM模块进行通信，发送控制命令及接收应答信号。还可以通过连接串口把程序下载到单片机芯片中。如图8所示。图8 串口通信下载电路2.2.7 蜂鸣器电路单片机的P3.7引脚产生低电平使蜂鸣器发出响声，通过三极管放大。充当键盘按键提示音，每按一下键盘会有一声蜂鸣声提示，密码锁状态提示音，确认密码后有若干下蜂鸣声作为密码锁状态提示音，也可参与报警。如图9所示。图9 蜂鸣器电路2.2.8外围电路设计（1）电源电路包含电源接口、电源指示灯、电源开关，电源指示灯可直观表达电路供电情况，电源开关可便开启关闭电路。如图10所示图10 电源电路（2）复位电路复位电路使用外部按键手动复位，连接单片机reset引脚，用于对单片机芯片进行复位。在系统运行时，按下按钮可对系统进行复位操作。如图11所示。图11 复位电路(3)时钟电路使用外部时钟源，外接11.095MHz的晶振，通过XTAL1和XTAL2对单片机提供工作时钟。如图12所示。图12 晶振电路3软件功能设计该系统主要实现功能是：输入密码，密码正确则进入开门；当密码错误次数小于3次，可以重新输入。当错误大于三次，声光报警和GSM报警。修改密码，则按照输入旧密码，输入新密码的顺序进行修改。当错误次数大于三次时候都会报警。3.1.GSM模块软件设计TEXT模式。TEXT 发送模式：（相对简单很多。）发送：AT返回：ATOK发送：AT+CMGF=1返回：AT+CMGF=1OK发送：AT+CSCA=+8613010130500返回：AT+CSCA=+8613010130500OK发送：AT+CMGS回：AT+CMGS送：XXXXXX(0-9，A-Z)XXXXX 是指阿拉伯数字0-9，英文26 个字母A-Z返回：XXXXXX(0-9，A-Z)XXXXX 是指阿拉伯数字0-9，英文26 个字母A-Z发送：1A(十六进制发送)返回：+CMGS: XXXOK以上为 TEXT 方式发送截图：如果不能正常发送，返回ERROR，则说明需要格式化。可以发送AT&F 命令格式化。发送：AT&F返回：AT&F 3.2存储模块软件设计在本系统中，AT24C02的存储功能主要是通过I2C总线来实现串行读写，其流程图如图20所示。I2C总线在写入和读取一个8位二进制数时，总是高位在前低位在后。在读函数_24C02Read(unsigned char l_address)中，先向I2C总线发出读取24C02的写地址，在完成I2C串口协议后，写入24C02的读地址，再读取存储器对应位置的数据。在写函数_24C02Write(unsigned char dat，unsigned char l_address)中，先向总线发出写24C02的地址，在完成I2C串口协议后，写入24C02的写地址，然后写入数据。图13 AT24C02读写流程图3.3 液晶键盘模块软件设计在本系统中，LCD1602液晶显示是通过调用void display(uchar pos,uchar *q)函数实现的，其流程图如图21所示。在void display(uchar pos,uchar *q)函数中，pos是写入的位置，q指向要写入的数据所在的数组。该函数主要调用lcd_wcmd()，lcd_pos()两个函数，先写显示地址，后写显示数据。单片机P0口接LCD1602的数据引脚，P21、P22、P23分别接LCD1602的RS、RW、EP引脚，通过单片机控制液晶显示。图14 LCD1602显示流程图3.4 密码锁软件设计密码锁实现了密码修改，存储，输入的功能。具体的流程如图15.图15 密码锁模块4电路板制作、焊接、调试4.1电路板的制作在制作电路板之前，先画好PCB电路图。注意点有三个：1、元件的封装。注意焊盘的大小和焊盘之间的距离。2、注意线宽大小，本设计把线宽调至0.8mm。3、布局和布线。注意尽量少飞线和单层PCB板布线。电路板的制作过程为：（1）电路图原理图设计；（2）PCB板图设计（元器件位置、连接图等）；（3）线路打印；（4）将PCB板图复制在PCB板上；（5）曝光，时间约为900S；（6）腐蚀、漂洗；（7）开孔；（8）打磨；4.2 电路焊接焊接时要注意下问题：(1)检查一下电路板铜线是否存在隔断，若存在，则进行焊锡把隔断的铜线线路进行相连。(2)对照原理图以及PCB图来进行焊接。(3)注意排阻和电容的极性，插座的方向等问题。(4)焊锡时注意某些相近的管脚是否相连导致短路。4.3 电路调试与结果4.3.1 密码锁调试4.3.2 开门调试4.3.3 修改密码功能调试4.3.4 报警功能调试4.3.5调试遇到的问题调试过程中，基本功能都能一次到位，主要遇到的问题是GSM模块不能正常使用，具体如下。GSM程序：运用计算机软件输出指令，能使用TC35正常通信（收发短信、打电话都没问题）；将计算机与单片机连通，收发指令亦可准确完成。但在实测过程中，程序不能通过单片机与TC35模块连通。尝试过的解决的办法：1、将编写的程序在单片机与计算机之间运行并通过，验证程序的正确性；2、修改波特率；3、修改串口及数据线；4、验证数据串口公口母口的传输线有没有交叉。得到结果：计算机与单片机可正常通信；计算机软件（tc35-tc35i串口专用工具）与TC35连接通信正常。单片机与TC35连通出现故障，单片机发送的连接指令，TC35不能对其作出响应，无返回命令。最终通过转换接口引线，使TC35与单片机引脚正确连接，从而解决计算机与单片机可正常通信，计算机软件（tc35-tc35i串口专用工具）与TC35连接通信正常，但单片机与TC35连通出现故障的问题，使GSM模块能够正常工作，在发现入侵者后报警系统启动时向手机发送短信或打电话。5 讨论及进一步研究建议 改进方案 本小组设计的只是一个不太完善的智能家居报警系统，在其实用性和功能上仍有进步和完善的空间：（1）.在实现了语音警报阻吓的基础上，增加摄像头录像功能。报警被启动的时候触发摄像头的开启，记录犯罪者的样貌，使其使用性大大增加。一方面能增加该报警系统的阻吓度，另一方面能够将数据交予公安机关协助公安机关捉拿惯犯。（2）实现GSM与手机的双向通信。在GSM向屋主发送警报后，屋主能通过手机向GSM发送处理指令，这样能更快速的进行下一步的指令操作。（3）可增加语音模块，进行人机交流，更具人性化，语音报警也更具有威慑力。（4）可以使用指纹或者IC卡之类的智能代替密码锁，这样更不会让密码被破解等带来的损失。6 课程设计心得 在本次的课程设计中，我们感触良多，很多的事情并不是我们想像的那么简单，“纸上谈兵”的弊端也很明显地突出额。不过因为不懂的很多，能尝试的也就很多，我们从零开始建造一个系统，在这个过程中我们都收获了很多：（1） PCB第一次失败了，我们得知了，孔太少了，封装不对，等等原因，我们就去修改，去想，而不是快速地去做第二次。焊上元器件后，我们知道了，布线要按照布线规则外，还要去看事物图，不然会为调试等造成很多的不便。（2） 重视分工，重视合作，重视个人，重视意见。一个课程设计，不是一个人的工作，要懂得自己去思考，自己去解决问题，也要关注别人的进度，在讨论的过程中，发表自己的意见，提出自己的想法，我们在想法上是平等的，方案是在讨论中不断改变的。（3） 调试的过程中，编程的过程中，我们从不熟悉开始，去请教，去查阅资料，我们明白了，要用自己去探索，去思考的心。Smart Alarming System for SecurityAbstract:With the development of science and technology and the progress of the society, peoples Daily life tend to more and more intelligent, and the design of the intelligence system raise peoples concern. As an important component of smart home system, the performance of alarm system is directly related to the superior and inferior. Through the various sensors collecting real-time household environment information and wireless information transmission way to household control center, the wireless network technology application to household alarm system can make up the defects of cable equipment, with low price and high reliability etc. This article designed a family guard against theft and alarm system based on GSM with STC89C52. This system consists of MCU control module, alarm module, lcd & keyboard module, gsm module, memory module, which can solve hidden trouble of traditional guard and alarm system, being more timely and convenient.Key words