毕业设计（论文）-基于无线传输的防盗报警器电路的设计与实现.doc

毕业设计(论文)题 目：基于无线传输的防盗报警器电路的设计与实现学生姓名学 号专业班级 分院（系）指导教师（职称）2011年 6 月 诚信承诺书本人谨此承诺，本人所写毕业设计（论文）均由本人独立撰写，无任何抄袭行为。凡涉及他人的观点材料，均作了注释。如出现抄袭或侵犯他人知识产权的情况，愿承担由此引起的任何责任，并接受相应的处分。 学生签名：年 月 日浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 中文摘要基于无线传输的防盗报警器电路的设计与实现【摘要】 防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，便于迅速采取应急措施。防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。随着智能家居系统的发展，防盗报警和智能监控系统又有了更广泛的应用领域，防盗报警器作为整个报警和监控系统的最底层传感器网络，其性能直接影响到整个系统的组建和发展，开发一种可靠性高，安装方便的防盗报警系统是很有必要的。本设计采用nRF4L01无线通信模块来实现防盗报警节点的无线监控报警。防盗节点采用ATmega8单片机作为控制器，其集成的内部A/D转换器用于对采集烟雾传感器数据和扩展模拟传感器接口，通用I/O端口作为数字传感器接口，用于系统扩展使用。远程监控主机采用AT89S52单片机作为控制器件，配合12864液晶显示屏显示报警信息，通过蜂鸣器和高亮度发光二极管实现声光报警。 【关键词】 无线传输，防盗报警器，AT89S51单片机，ATmega8单片机 V浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 英文摘要Design and Implementation of the burglar alarm circuit based on the wireless transmission【Abstract】 The burglar alarm system is the important facilities to prevent robbery, theft and other unexpected events. Accurately display the security control center will be able by sound and light alarm signal to the crash site, to facilitate the rapid take emergency measures in the event of emergencies. Burglar alarm systems and access control systems, CCTV surveillance systems, visitor intercom system and electronic patrol system together constitute a security system.With the development of intelligent home systems, burglar alarm and intelligent monitoring system has a wide range of applications, anti-theft alarm as the alarm and monitoring system, the lowest level of sensor networks, the performance of a direct impact on the formation and development of the whole system, to develop a high reliability, easy installation of the anti-theft alarm system is necessary.This design uses nRF4L01 wireless communications module to the node of the wireless burglar alarm monitoring alarm. The burglar nodes using the ATmega8 microcontroller as a controller, and its integration of the internal A / D converter for the acquisition smoke sensor data and the extension of analog sensor interface, general purpose I / O ports as digital sensor interface for extended use. RMON host microcontroller AT89S52 as the control device, with the 12864 LCD display alarm messages, sound and light alarm buzzer and high-brightness light-emitting diodes.【Key Words】 Wireless，burglar alarm，AT89S51 microcontroller，ATmega8 microcontroller 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 目录目 录1 绪 论11.1防盗报警器的发展现状11.2防盗报警器的作用和意义21.3防盗报警器的发展趋势31.4本设计研究的主要内容31.5本文的主要内容42总体方案设计52.1总体功能分析52.2防盗报警检测的方法62.2.1被动式红外探测62.2.2主动式红外探测62.2.3主动式红外探测72.3无线通信方案选择72.3.1 Zigbee通信72.3.2 WIFI通信82.3.3 nRF24L01无线通信92.4主要器件的选型92.4烟雾传感器选择113系统硬件设计133.1 AT89S51最小系统电路设计133.2 ATmega8最小系统电路设计143.3红外报警检测电路设计153.3.1短距离反射式红外检测电路153.3.2远距离红外检测电路153.4雾检测电路设计173.5液晶显示电路设计183.6 nRF24L01接口电路193.7传感器接口电路设计193.7.1模拟信号传感器接口203.7.1数字信号传感器接口203.8预留通信接口电路设计214系统软件设计234.1节点传感器检测程序设计234.2传感器数据滤波234.3 nRF24L01程序设计254.4人机交互程序设计26结 论28参考文献29附 录A 防盗报警器电路图30附 录B 防盗报警监控主电路图31附 录C nRF24L01程序32附录C.1 nRF24L01.h32附录C.2 nRF24L01.c34附 录D LCD12864程序39致 谢43浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 图目录图目录图2.1浮标控制电路总体框图5图2.2反射式红外探测7图2.1 MQ-2型气敏传感器的温湿度特性12图2.1 MQ-2型气敏传感器的灵敏度特性12图3.1 ISP下载接口13图3.2电源滤波电容13图3.3时钟电路14图3.4上电复位电路14图3.5 ATmega8上电复位电路14图3-6 反射式红外检测电路15图3-7 红外接收解调电路16图3-8 烟雾传感器电路图17图3-9 液晶屏12864与AT89S51接口电路18图3-10 nRF24L01接口电路19图3-11 ATmega8ADC接口电路20图3-14 数字信号传感器接口电路21图3-15 RS-485通信接口电路22图4.1传感器检测程序设计23图4.1 nRF24L01发送程序流程图26浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 表目录表目录表3.1 ATmega8单片机与AT89S51单片机ISP接口比较15表3.2液晶屏LCD12864的端口功能表18表3.3 nRF24L01引脚功能说明19表3.4 RS-485通信标准性能参数22浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 1 绪 论1.1防盗报警器的发展现状防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，便于迅速采取应急措施。防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。家用防盗报警器是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。报警主机是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，使于迅速采取应急措施。防盗报警主机与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。防盗报警系统通常由:探测器（又称报警器）、传输通道和报警控制器三部分构成。 报警探测器是由传感器和信号处理组成的，用来探测入侵者入侵行为的，由电子和机械部件组成的装置，是防盗报警系统的关键，而传感器又是报警探测器的核心元件。采用不同原理的传感器件，可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的报警探测装。探测器是防盗报警器的核心部分，按照探测原理和工作方式可以分为：红外、微波、红外微波复合、振动、烟感、气感、玻璃破碎、超声波等等。其中红外探测器和烟雾传感器是用的很广泛的两种报警探测器。红外探测器还可分为主动红外和被动红外，烟雾传感器还可分为离子式和光电式。主动红外探测器由红外发射器和红外接收器组成。红外发射器发射一束或多数经过调制过的红外光线投向红外接收器。发射器与接收器之间没有遮挡物时，探测器不会报警。有物体遮挡时，接收器输出信号发生变化，探测器报警。 被动红外探测器中有2个关键性元件，一个是菲涅尔透镜，另一个是热释电传感器。自然界中任何高于绝对温度（-273o）的物体都会产生红外辐射，不同温度的物体释放的红外能量波长也不同。人体有恒定的体温，与周围环境温度存在差别。当人体移动时，这种差别的变化通过菲涅尔透镜被热释电传感器检测到，从而输出报警信号。为了克服单一技术探测器的缺陷，通常将2种不同技术原理的探测器整合在一起，只有当2种探测技术的传感器都探测到人体移动时才报警的探测器称为双鉴探测器。市面上常见的双鉴探测器以微波加被动红外传感器为主。离子式烟雾传感器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。从系统的角度来看，防盗报警系统的智能化和网络化是比较明确的发展方向。目前的防盗报警通信形式主要有：（1）、电话拨号防盗报警器利用主机，通过无线或则有线连接各类探测器，实现防盗报警功能。主机连接固定电话线，如有警情，按照客户设定的手机或则电话号码拨号报警。 （2）、GSM防盗报警器利用主机，通过无线或者有线连接各类探测器，实现防盗报警功能。主机内置GSM手机卡，如有警情，按照客户设定的手机或则电话号码拨号报警。 （3）、GPRS防盗报警器主机通过GPRS将报警信息传输到接警中心或者相关人员手机上或邮箱里。（4）、互联网报警器将报警器主机通过无线或者有线形式，连接到Internet，如果有报警信号，主机可以将报警信息上传到网络服务器，也可以以及时通信的形式将报警信号传递到相关终端PC上。1.2防盗报警器的作用和意义防盗报警器的适用范围很广，主要有紧急救助、烟火报警、防剪线报警、煤气泄漏报警、保险柜防盗报警、货物仓库防盗报警、工厂重地、禁区防盗报警、金融部门防抢防盗报警、机关单位、机密档案防盗、商店商场物品仓库防盗报警、住宅小区商住楼联网防盗报警、家庭住宅、汽车停车库防盗报警等方面。就汽车防盗报警系统而言，随着我国改革开放以来，人们生活水平不断提高，汽车越来越成为人们生活中不可缺少的一部分，从世界上第一辆T型福特车被盗开始，偷车已成为现今社会里最常见的犯罪行为之一，这已成为一个严重的社会问题。随着汽车数量的增多，车辆被盗的数量也逐年上升，这给社会带来极大的不安定因素，担心爱车被盗，成为困扰汽车用户第一位的难题。 据统计，目前汽车失窃案发最多的是美国，每年有150万辆汽车被盗，即每隔20秒就有一辆车被盗；香港每年也有4000辆高级轿车失窃。从国内情况看，近几年盗窃汽车案件不断增多，据统计2002年全国发生盗车案件10万多起，平均每天被盗300多辆车，并且近几年还在继续增加，上升势头越来越猛。因此，防盗报警器作为人民财产安全的一道保护屏障，不管是现在还是在将来，都有他的用武之地，随着互联网、智能家居和物联网的发展，防盗报警器也将会与时俱进，满足越来越智能化和网络化的市场需求。1.3防盗报警器的发展趋势随着技术的不断进步，许多实用而且方便应用的技术飞快地发展起来，在防盗报警器的发展过程中，不断扩大的网络化、智能化、微型化、无线化等是他的发展方向。网络化是指将防盗报警节点通过GSM、GPRS或者有线方式连接到Internet，使用户能够在任何地方都可以查询和接收到报警状态信息，网络化是未来物联网和智能家居发展的一大趋势。在防盗报警器的安装过程中，布局和布线给安装带来了很多不便，并且有线连接给安全性带来了问题，采用无线通信联网和微小型化的传感器节点来组成报警器节点也是迫在眉睫。当前，出现了许多短距离无线通信的结局方案，例如本设计中的nRF24L01无线通信模块，Zigbee通信技术，WIFI通信技术等，都可以用到防盗报警器节点的联网中，通过这种小区域的联网，将防盗报警器信号汇集到防盗监控主机，再发布到Internet网络，是无线化的很好的结局方案。1.4本设计研究的主要内容本设计的主要研究内容是基于无线传输的防盗报警器电路的设计与实现，实现防盗信号的检测和报警信号的无线传输是需要解决的重点问题，另外需要防盗报警器具有检测环境中的烟雾浓度的功能。报警监控节点实时采集报警信号和烟雾浓度信号，通过无线传输方式发送到监控主机上，监控主机通过友好的人际交互界面显示报警状态和烟雾信号浓度。最终完成电路原理图和硬件电路图设计以及软件编程和硬件的功能调试。通过对单片机编程、熟悉模拟和数字电路、掌握无线传输模块的正确使用以及传感与检测技术的学习和掌握，完成控制电路的设计、控制器的编程和浮标实物的制作和调试，设计出一套基于无线传输的防盗报警系统，该系统能够在检测到报警状态的时候，将报警信号通过无限传输的方式发送给监控主机，并开启声光报警提示，并实时检测环境的烟雾浓度发送给监控主机。能够按期完成论文的撰写和实物的制作及演示。本课题拟采用软硬件相结合组成实际控制系统。主要分为以下几个部分：系统方案确定，电路设计，控制方式分析和程序编写。然后拟采用AT89S51单片机，ATmega8单片机，烟雾传感器，红外传感器，nRF24L01无限传输模块等完成整个系统硬件的搭建，最后进行软件的编程及其功能的调试。1.5本文的主要内容本文介绍的主要内容安排如下：（1）第一章 绪论。主要介绍了防盗报警系统的发展现状和研究意义，对其发展趋势等问题作了探讨。（2）第二章 总体方案设计。介绍了系统设计方案和工作原理，以及核心器件的选型和系统的参数计算。（3）第三章 系统的硬件设计。对系统各模块的硬件设计进行详细介绍，给出了系统硬件设计的总体框图和各模块的详细电路图。（4）第四章 系统的软件设计。主要介绍了本系统中AT89S51单片机和ATmega8单片机的编程和程序原理流程图。（5）结束语 阐述了本系统的设计思想，简要描述了本系统的设计特点，并对进一步的研究提出了展望。44浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 2总体方案设计2.1总体功能分析防盗报警器是一个防盗检测节点，担任的主要功能是检测报警传感器的数据，包括防盗传感器数据和环境参数传感器，并通过无线方式发送给报警监测主机，防盗监测主机主要负责查询防盗报警器节点的工作状态和接收防盗报警器节点的传感器数据，通过综合处理判断后作出响应，并提供良好的人际交互界面。防盗报警器节点的主要功能模块分为传感器模块、声光报警模块、无线通信模块、电源模块和微控制器；防盗报警监测主机的主要功能模块分为无线通信模块、人际交互界面、声光报警模块、电源模块和微控制器，如图2-1所示。传感器微控制器无线通信模块声光报警装置节点电源微控制器无线通信模块声光报警装置人机交互主机电源报警器节点监控主机图2.1浮标控制电路总体框图传感器模块有报警监测传感器和烟雾传感器，当有监测范围内有异常情况的时候，报警监测传感器能够准确及时动作出响应，将信号传递给节点控制器，烟雾传感器主要负责实时监测环境中的烟雾浓度，将数据传递给监控节点控制器，准确及时地监测到火灾情况的发送。无线通信模块实现中短距离的将防盗报警节点与监控主机之间的通信，将监控节点的数据发送给监控主机，监控主机可以实查询报警器节点的状态，通过相关通信协议和命令控制报警器节点。报警器节点处的声光报警装置主要是在有入侵者的时候负责警告入侵者和提醒使用者，以及在火灾发生时提醒本地的人群。监控主机的声光报警装置用于及时提醒远程监控中心的用户，一边及时准确地作出判断和响应。2.2防盗报警检测的方法2.2.1被动式红外探测被动红外探测器采用被动红外方式，已达到安保报警功能的探测器。被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及信号处理电路等部分组成。探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。被动红外探测器的核心组件是热释电传感器，其主体是薄皮铁电材料，该材料在外加电场的作用下极化，当撤去外加电场时，仍保持极化状态，称为自发极化。自发极化强度与温度有居里点温度。在居里点温度下，根据极化强度与温度的关系制造成热释电传感器。当一定强度的红外辐射到已极化的铁电材料上时，引起薄皮温度上升、极化强度降低，表面极化电荷减少，这部分电荷经放大器转变成输出电压。如果相同强度的辐射继续照射，铁电材料温度稳定在某一点上，不再释放电荷，即没有电压输出。由于热释电传感器只在温度升降过程中才有电压信号输出，所以被动红外探测器的光学系统不仅要有汇聚红外辐射的能力，还应让汇聚在热释电传感器上辐射的热量有升降变化，以保证被动红外探测器在有人入侵时有电压信号输出。在数字化被动红外探测器中，热释电传感器输出的微弱电信号直接输入到一个功能强大的微处理器上，所有信号转换、放大、滤波等都在一个处理芯片内进行，从而提高了被动红外探测器的可靠性。2.2.2主动式红外探测主动红外探测器采用主动红外方式，以达到安保报警功能的探测器。主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。主动式红外探测器类似于超声波反射式测距的原理，如图2-2所示，当有障碍物进入安全距离内后，红外接收器接收的红外线就会发生变化，从而产生报警信号。障碍物红外发射器红外接收器图2.2反射式红外探测2.2.3主动式红外探测震动探测器是以侦测物体振动来报警的探测器，可以在非法人员通过凿墙、挖洞时发出报警，可以通过非法人员产生的震动发出报警。探测灵敏度可以调节。适合用于柜员机、墙壁、玻璃、保险柜等，防止任何敲击和破坏性行为发生。震动探测器采用最新科技piezo压电式技术传感器与数字信号处理相结合，对震动信号的频率、震幅强弱和持续时间进行精密的震动信号分析和处理，以区分处理真正的攻击行为和自然环境的震动干扰,确保快速可靠的最佳探测性能和超强的抗误报功能，特别适合用于保护ATM取款机、自动柜员机、保险箱、金库和门窗等防敲击物体。2.3无线通信方案选择2.3.1 Zigbee通信Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已。但是Bluetooth的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介质访问层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。ZigBee作为一种个人网络的短程无线通信协议，已经日益为大家所熟知，它最大的特点就是低功耗、可组网，特别是带有路由的可组网功能，理论上可以使ZigBee覆盖的通讯面积无限扩展。相对蓝牙，红外的点对点通信，和WLAN的星状通信，ZigBee的协议就要复杂得多了。目前市场上的ZigBee射频收发“芯片”实际上只是一个符合物理层标准的芯片，它只负责调制解调无线通讯信号，所以必须结合单片机才能完成对数据的接收发送和协议的实现。而单芯片也只是把射频部分和单片机部分集成在了一起，不需要额外的一个单片机，它的好处是节约成本，简化设计电路，但这种单芯片也并没有包含ZigBee协议在里面。这两种情况都需要用户根据单片机的结构和寄存器的设置并参照物理层部分的IEEE802.15.4协议和网络层部分的ZigBee协议自己去开发所有的软件部分。这个工程量对于做实际应用的用户来讲是很大的，开发周期以及测试周期都是非常之长的，更由于是无线通讯产品，它的产品质量也不是很容易得到保障的。2.3.2 WIFI通信Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。Wi-Fi 原先是无线保真的缩写，Wi-Fi 的英文全称为wireless fidelity,在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证”，实质上是一种商业认证，同时也是一种无线联网的技术，以前通过网线连接电脑，而现在则是通过无线电波来连网；常见的就是一个无线路由器，那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用WIFI连接方式进行联网，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路，则又被称为“热点”。由于WiFi的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的因此WLAN无线设备提供了一个世界范围内可以使用的，费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口。用户可以在WiFi覆盖区域内快速浏览网页，随时随地接听拨打电话。而其它一些基于WLAN的宽带数据应用，如流媒体、网络游戏等。台式机无线网卡功能更是值得用户期待。有了WiFi功能我们打长途电话（包括国际长途），浏览网页、收发电子邮件、音乐下载、数码照片传递等，再无需担心速度慢和花费高的问题。 WiFi在掌上设备上应用越来越广泛，而智能手机就是其中一份子。与早前应用于手机上的蓝牙技术不同，WiFi具有更大的覆盖范围和更高的传输速率，因此WiFi手机成为了目前移动通信业界的时尚潮流。现在WiFi的覆盖范围在国内越来越广泛了，高级宾馆，豪华住宅区，飞机场以及咖啡厅之类的区域都有WiFi接口。当我们去旅游，办公时，就可以在这些场所使用我们的掌上设备尽情网上冲浪了。WIFI通信主要用于大数据流量的无线设备联网，其传输距离较短，需要在很小范围内有无限路由节点，而且成本较高。2.3.3 nRF24L01无线通信nRF24L01是由NORDIC出品的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm 时电流消耗为11.3mA ，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。其是SPI接口可以方便地与MCU连接，无线通信协议部分都已经集成在芯片内部，不需要编写复杂的网络通信协议，不需要像使用WIFI通信模块一样编写复杂的TCP/IP协议栈。2.4主要器件的选型本设计中监控主机采用了价廉的 AT89S51芯片。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S51芯片有40个引脚，核心部分为MCS-51内核。片内集成4k Bytes Flash片内程序存储器、128 Bytes RAM数据存储器、2个16位可编程定时器/计数器、5个中断优先级、2层中断嵌套中断、6个中断源、32个外部双向I/0端口和两个全双工的串口通信接口UART，工作频率最高可达33MHz，支持在线编程下载，即ISP下载功能，AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，故而取代了89CXX系列的下载方式，也是因为这样，ATMEL公司已经停止生产89CXX系列的单片机，现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品。P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：监控节点单片机需要对烟雾传感器进行检查，本设计采用了内部集成A/D转换器的8位单片机ATmega8作为控制器。ATmega8 是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高档单片机。在AVR家族中，ATmega8是一种非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点。但由于采用了小引脚封装（为DIP 28和TQFP/MLF32），所以其价格仅与低档单片机相当，再加上AVR单片机的系统内可编程特性，使得无需购买昂贵的仿真器和编程器也可进行单片机 嵌入式系统的设计和开发，同时也为单片机的初学者提供了非常方便和简捷的学习开发环境。 ATmega8的这些特点，使其成为一款具有极高性能价格比的单片机，深受广大单片机用户的喜爱，在产品应用市场上极具竞争力，被很多家用电器厂商和仪器仪表行业看中，从而使ATmega8迅速进入大批量的应用领域。 ATmega8 是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机。AVR单片机的核心是将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与ALU（算术逻辑单元）直接相连，实 现了在一个时钟周期内执行的一条指令同时访问（读写）两个独立寄存器的操作。这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期。因此，ATmega8可以达到接近1MIPS/MHz的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍。2.4烟雾传感器选择本设计拟采用MQ-2型气敏传感器，该传感器具有广泛的探测范围，较高的灵敏度和快速的响应恢复速度，有一的稳定性和较长的使用寿命以及简单的驱动电路等特点，适用于家庭，工厂的气体泄漏检测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾探测等。MQ-2气敏元件由微型三氧化二铝陶瓷管、二氧化硅敏感层、测量电极和加热器构成，固定在朔料或者不锈钢制成的腔体内，加热器位气敏元件提供必要的工作条件。其温湿度特性曲线如图2-3所示，灵敏度曲线如图2-4所示。图2.1 MQ-2型气敏传感器的温湿度特性图2.1 MQ-2型气敏传感器的灵敏度特性浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 3系统硬件设计3.1 AT89S51最小系统电路设计本设计选用了Atmel公司的8位单片机AT89S51，该单片机是基于MCS-51内核，具有在线编程（ISP）的4k Bytes Flash存储器，256Bytes RAM空间，可外扩存储空间64k Bytes，32个可编程的I/O引脚，集成了异步串口和16位定时器，最高工作时钟频率可达33MHz。单片机的最小系统电路包括ISP程序下载接口、电源电路、晶振电路和上电复位电路，下面做详细分析。ISP程序下载接口是一个双排10针的接口座子，与单片机的P1.5（MOSI）、P1.6（MISO）、P1.7（SCK）和复位引脚RESET连接。图3.1 ISP下载接口电源滤波电容如图3-2所示，本设计选择了一个470F的电解电容和两个0.1F的瓷片电容，电解电容用于储能，抑制电压波动对单片机的影响，瓷片电容可以滤除电源中的高频干扰信号，在设计PCB时，这几个电容要尽量靠近单片机的电源和地引脚。图3.2电源滤波电容本系统的单片机时钟选择12M晶振，如图3-3所示，晶振两端分别接22pF电容到地。图3.3时钟电路单片机的上电复位电路采用一个10F电容和10k电阻串联，在上电时候，电容和电阻分压，给单片机的复位引脚提供了一个高电平信号，使单片机复位，当电容充电完成后，复位引脚被下拉到地，单片机正常工作。 图3.4上电复位电路3.2 ATmega8最小系统电路设计ATmega8单片机的最小系统电路包括电源滤波电路、ISP在线编程接口、上电复位电路、时钟电路等，其中时钟电路、ISP在线编程接口和电源滤波电路与AT89S51类似，主要是在引脚配置不兼容和上电复位信号电平不一样。ATmega8单片机的上电复位与AT89S51单片机的上电复位电平刚好相反，ATmega8单片机的复位信号时地有效，而AT89S51单片机的上电复位信号时高有效，所以ATmega8单片机的商店复位电路如图3-5所示。图3.5 ATmega8上电复位电路Atmega8单片机的在线编程接口与AT89S51单片机一样，只是引脚配置不一样，他们的区别见表3-1。表3.1 ATmega8单片机与AT89S51单片机ISP接口比较AT89S51ATmega8MISOP1.6PB4MOSIP1.5PB3SCKP1.7PB5RSTRSTPC63.3红外报警检测电路设计3.3.1短距离反射式红外检测电路本设计中采用的短距离反射式红外检测报警电路如图3-6所示，发送端由单片机和三极管C8050控制发送管的开通和管段，电阻R4为红外发射管的限流电阻，电阻R5为接收端光敏三极管的上拉电阻，光敏三极管的集电极输出，发射极接地。该电路结构简单，元器件较少，但是检测距离较短只有数厘米左右，这也是一般不用调制发射管的发光频率来较低干扰的原因。图3-6 反射式红外检测电路3.3.2远距离红外检测电路远距离反射式红外检测电路去了考虑到发射管的发送功率外，还要考虑到传输范围内的自然光的干扰等问题。本设计给出了一种远距离红外检测信号调制和解调的电路原理图，其发射部分与短距离红外发射电路类似，只是提高了输出功率，用40kHz的驱动信号去控制发射管发射红外信号，相当于红外波作为40kHz信号波的载波，而接收电路如图3-7所示。图3-7 红外接收解调电路根据安装时红外发射器和接收器之间的距离不等，接收头产生的信号强度也不一样，接收电路涉及到对接收信号的放大、滤波和解调制，解调制即检波。图3-7是红外接收滤波电路，其通频带为30kHz-50kHz，中心频率40kHz，用于将光敏三极管的信号进行滤波，滤除高频和低频干扰信号，信号在经过放大和整形，处理成为标准占空比50%的方波，再送到检波电路，通过检波电路的检测，由单片机来处理检波电路检测的状态。LM567为通用锁相环电路音调译码器，LM567的基本功能概述如下：当LM567的3脚输入幅度25mV、频率在其带宽内的信号时，8脚由高电平变成低电平，2脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的2脚输入音频信号，则在5脚输出受2脚输入调制信号调制的调频方波信号。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。其压控振荡器的中心频率是由5、6脚外接的电阻R1和电容元C1件参数觉得，由以下公式计算： （2.1）2脚外接电容影响着锁相环的信号捕捉带宽Bw，其关系为： （2.1）该公式表明，f0与C2的值越大，捕捉带宽就越窄，因此可通过改变C2的值来调节捕捉带宽。如图3-7是有LM567芯片构成的红外波40kHz检波电路，由LM567的带宽Bw与压控振荡器中心频率f0的关系式可知，LM567中锁相环的扑捉带宽Bw与频率f0有关，而频率f0又和外部RC元件值有关。因此可以通过改变外部RC元件的值来改变中心频率f0，相应地就改变了捕捉带宽Bw。在实际应用中，通常总是将电容C的值固定，通过改变电阻R的值来改变捕捉带宽，从而完成对不同频率通道的译码工作。在改变电阻的方法中，有采用电位器调节电阻值得方法，也有采用波段开关将不同电阻值的电阻分别接入的方法，在本电路中因为输入频率为40kHz固定，所以采用了固定电阻值。本设计中解调的红外调制波频率为40kHz，取R11=20k，C12=2.2pF，有以下计算公式可以验证解调频率： （2.1）3.4雾检测电路设计烟雾传感器检测电路如图3-8所示，MQ-2型烟雾传感器有3个接线端，分别为1脚电源，2脚模拟信号输出，输出范围为0VCC，3脚接地。本设计中，传感器输出信号经过一级电压跟随电路后接到ATmega8单片机的模拟转换器输入端，电阻R8和电容C10组成高频滤波电路。图3-8 烟雾传感器电路图ATmega8单片机具有10位的逐次逼近型ADC转换器，ADC与8个通道的模拟选择器连接，对来自端口C的8路单端输入电压进行采样，单端电压输入以0V为基准，ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。ADC由单片机的AVCC引脚单独提供电源，ADC的基准电压有2.56V的内部基准和AVCC，基准电压可以通过在AREF引脚上加一个电容解耦来更好地抑制噪声信号。本设计中ADC的基准电压为AVCC为5V，则10位ADC转换器的采集精度理论上可以达到 （2.1）3.5液晶显示电路设计本设计在监控主机的人际交互界面采用了液晶屏YJD12864C-1，液晶屏与单片机AT89S51的接口电路如图3-9所示。该液晶屏带中文字库，可现实4行8列共32个16*16点阵的汉字，或者64个16*8的半角字符。图3-9 液晶屏12864与AT89S51接口电路表3.2液晶屏LCD12864的端口功能表端口状态功能说明GNDI电源参考点VCCI电源，5VDC供电VOI液晶对比度调节端RSI寄存器选择端：1 数据，0 指令RWI读写选择端：1 读，0 写EI使能信号DB0DB7I/O数据输入输出端口CS1I左半屏显示选择端CS2I右半屏显示选择端RETI复位信号，低有效VEEI液晶驱动电压输出端LED+I背光正（或名 A、BLA）LED-I背光负 (或名 K、BLK)3.6 nRF24L01接口电路无线传输模块nRF24L01的接口电路如图3-10所示，由于该模块需要3.3V的供电电压，本设计中用到了一片线性稳压电源芯片ASM1117-3.3V，将单片机系统的5V电源稳压成3.3V输出供给无线传输模块，图中电容C25、C26和C24为电源去耦电容，提高电源质量。由于单片机系统端口电压为5V，在本设计中直接在数据线上串电阻的方式来实现电平的兼容，经过实际测试，该电路工作稳定可靠。图3-10 nRF24L01接口电路表3.3 nRF24L01引脚功能说明端口状态说明CEI片选CSNISPI使能SCKISPI时钟MOSIOSPI数据输出MISOISPI数据输入IRQO中断输出信号端3.7传感器接口电路设计本设计中，考虑到防盗报警器安装后需要后续扩展，增加其他功能，需要外接其他传感检测装置，为简化电路设计，本设计将考虑到的传感器接口也集成到了防盗报警器系统中，在本设计的模型中没有将这一部分电路的实物做出来，主要包括输出模拟量的传感器接口和输出数字量的传感器接口，