基于GTM900C的家用安防系统毕业论文.doc

编号： 毕业设计说明书题 目： 基于GTM900C的家用 安防系统 学院： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 覃怀省 学 号： 0801130515 指导教师： 赵学军 职 称： 高级工程师 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2012年5月20日 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共2 页 摘 要传感器技术是现代科技的前沿技术，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置，称之为信息技术的三大支柱之一。目前敏感元器件与传感器在工业部门的应用普及率已被国际社会作为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。因此，传感器技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科正得到空前迅速的发展，并且在当今众多领域被越来越广泛的利用。本文设计了一种基于GSM网络通信的数据采集与控制系统，主要论述了采用STC12C5A60S2单片机为核心控制器，利用了GTM900C模块的无线通信功能，通过单片机的串口与GTM900C模块进行连接，单片机通过AT命令在模块上建立起PUD数据服务器，接收到网络客户端的命令并进行命令解释，实现客户端与模块之间的双向数据通信功能。本文首先对各系统组成模块进行了详细的阐述，介绍了单片机短消息收发系统的组成以及单片机与通信模块GTM900C 的接口方式，软件部分介绍了GTM900C的短消息AT 控制指令集，而且对中文短消息收发的协议数据单元( PDU) 格式进行了分析。最后介绍系统的具体制作过程和硬件、软件、整体调试，并给出了测试数据。本设计具有体积小、性价比高、可靠性强等特点，同时提供了透明、高效的数据采集与控制通道，可以在智能家居领域广泛应用。关键字：单片机；GTM900C模块；数据采集模块；12864显示；AT指令Abstract The sensor technology is cutting-edge technology of modern technology, many countries have sensor technology as important as the location and communication technology and computer technology, called one of the three pillars of the IT. Sensitive components and sensors are considered as an important symbol to measure a country of intelligent and digital network in the industrial sector penetration by the international community. Therefore, the sensor technology as a modern science is closely related to the emerging discipline is an unprecedented rapid development, and many areas in todays increasingly extensive use. Designed a data acquisition and control system based on the GSM network communications, discusses STC12C5A60S2 microcontroller as the core controller, use GTM900C module wireless communication capabilities to connect through the serial, and GTM900C module of the microcontroller, the microcontroller through the AT command module to establish a PUD data server, network client receives the command and the command interpreter to achieve two-way data communication between the client and the module function. First of each system component modules described in detail microcontroller short messaging system composition and the interface of microcontroller and the communication module GTM900C software section describes the GTM900C the message AT instruction set, and the Chinese short messages send and receive protocol data unit (PDU) format. Finally, this article introduces the specific production process of the system .Which includes the hardware, software and the overall debug, and then given the final test data.This design has a small size, cost, reliability and features, while providing a transparent, efficient data acquisition and control channel can be widely applied in the field of intelligent home.Keywords: SCM; GTM900C module; Dta acquisition module; 12864 display; AT commands 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 2 页目 录引言11 系统的概述11.1 系统总体结构21.2 系统工作原理22 硬件部分设计32.1 主控模块部分32.1.1 STC芯片简介32.2 终端探测传感器52.2.1 RE200B热释红外线传感器52.2.2 HC-SR501人体感应模块72.2.3 DS18B20温度探测传感器92.2.4 MQ-2型烟雾传感器102.2.5 MQ-7型煤气探测器132.2.6门磁传感器142.2.7紧急求助按钮142.2.8模拟传感器152.3 串口通讯模块152.4 GSM无线通信模块182.4.1 GTM900C模块简介182.4.2接口功能特性202.4.3 AT命令的简介212.5 电源模块212.6 矩阵键盘222.7 时钟电路222.7.1 DS1302芯片简介222.8 12864LCD显示242.8.1 12864概述242.8.2 12864的方框图252.8.3 LCD显示原理252.9 声光警号282.9 硬件制作292.9.1原理图的绘制292.9.2电路PCB图的绘制302.9.3电路板的制作313 软件部分设计313.1 软件的简介313.1.1编译软件313.1.2下载软件323.2 相关的AT指令333.3 流程图设计343.3.1主程序流程图343.3.2子程序流程图353.4 程序设计394 软硬件调试394.1 硬件调试394.1.1 基本电路板检查394.1.2主控模块调试394.2 软件调试404.3 综合调试结果415 测试结果数据416 总结45谢 辞47参考文献48附 录49附录1硬件电路原理图49附录2硬件电路PCB图50附录3软件设计程序51附录3.1主机部分主要程序51附录3.2从机部分主要程序58 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 54 页 共56 页引言在当今信息化时代发展过程中，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件传感器或智能传感器，已经成为各个应用领域中不可缺少的重要技术工具。获取各种信息的传感器无疑是“掌握”着这些领域和系统的命脉。传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制（包括遥感、遥遥控）的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信息化社会赖以存在和发展的物质与技术基础。现在传感技术与信息技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱，可以设想如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感技术，那么信息的准确获取信息就成为一句空话，信息技术和计算机技术就成为了无源之水。目前，从宇宙探索、海洋开发、环境保护、灾情预报到包括生命科学在内的每一项现代科学技术的研究以及人民群众的日常生活等等，无一不与传感器和传感器技术紧密联系着。可见，应用、研究和开发传感器和传感器技术是信息时代的必然要求。因此，毫不夸张的说：没有传感器及其技术将没有现代科学技术的迅速发展。随着我国国民经济和人民生活水平的不断提高，各种高档用品也大量进入人们的生活。但各种不安全因素也不断出现，一方面是各种家用设备所存在的安全隐患(如火灾、煤气泄漏)，另一方面是人为的恶意侵犯(如盗窃等)，所有的这些都对人们的正常生活造成了不良影响，所以需要一种智能的安防系统来最大限度的减小因此而产生的损失。目前家用安全防范系统装置的发展情况，既要降低成本，又要保证安全、可靠性。GSM网络是目前基于时分多址技术的移动通讯中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统，基于GSM短信服务的家用安全防范系统装置，是一种在移动网络上传送短信息的无线应用，也是一种信息在移动网络上储存和转发的过程。由于GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游，系统抗干扰能力强，通信误码率低，建立上述系统不须再组建专用通信网络，同时具有实时传输数据功能的短信应用。利用GSM的短消息功能进行远程控制，既避免了开发新的频率资源，又开辟了远程监控的新领域。因此，本文设计基于GTM900C的家用安全防范系统装置。随着GSM网络的各种新技术的不断推出，构筑在GSM网络上的安全防范系统必然能与移动通信技术的发展同步，该系统因而具有广阔的应用前景。1 系统的概述随着GSM网络移动通信技术的高速发展，移动通信技术已经应用到人们日常生活、工作的各个方面。基于GSM短信通讯的家居智能监控系统是一个综合利用GSM 网络、通信技术、计算机网络技术、自动控制技术与自动检测技术等构成的无线监控系统，能够实现终端环境的温度的检测、红外防盗报警器的监控、煤气泄露检测等功能。借助于移动通信GSM 网络、互联网，主人通过手机可以随时、随地掌握家居的状态和环境状况，提高了家居环境的安全系数。为了给用户创造一个智能、安全的生活居住环境，设计了基于GTM900C的家用安防系统。此系统可解决这些隐患，让家庭防盗等更及时、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，以最直观的中文短消息或电话形式，直接把报警地点的情况反映到您和保安的手机上显示。它采用主动式红外传感器进行检测，变有形的传统防盗网防盗窗为无形。为了给火灾时的逃生提供方便。并配备烟雾传感器和燃气泄漏传感器，实现防火、防燃气泄漏的作用等多功能安全防范系统。利用移动通信网络对家用安防系统进行远程控制，以华为的GTM900C模块为核心，配合单片机硬件电路设计家用安防系统装置，配置防盗、防火、防煤气等多个传感器接口，主人可以通过手机进行该系统的布防和撤防。1.1 系统总体结构本系统是一个有主控制系统组成分布式的监测系统。通过GSM网络，控制系统在主控制系统的控制下进行工作，基于GTM900C的家用安防系统总体结构框图如下：控制模块 （单片机）控制模块（单片机）防盗探测器GTM900C模块用户手机远程控制煤气探测器其他传感器单片机下载线GSM 网络LCD显示屏备用电源PC机紧急求助按钮声光警号感烟/温探测器时钟电路键盘图1.1 系统总体结构框图1.2 系统工作原理在系统中，单片机作为主控单元起着核心作用，主要用来启动GTM900C模块、检测模块的在线情况、三极管的输出电平和采集模块的数据传送。它通过UART与GTM900C模块进行通信，包括传送指令和传输数据，通过相应的AT指令对模块进行初始化和通信数据的接收发送。系统上电以后，首先由单片机相应I/O口启动GTM900C模块，然后用指令检测SIM卡的状态，若SIM卡安装正确，则模块返回指令，再由单片机控制GTM900C完成模块初始化。当有新的短信息到达时，GTM900C模块将单片机唤醒，继而读取模块发回的信息内容，并对其进行解码。根据短信内容控制单片机I/O口输出的高低电平，完成对家用安防系统采集模块的工作状态进行控制，并在LCD上显示各个传感器的的状态。系统主要由各类探测传感器、前端控制主机、GSM无线通信模块、GSM网络手机、用户、计算机监控中心等组成，结构框图如图1-1所示。探测器负责监控探测警戒，探测器可安装多个，譬如：热释红外线传感器、门磁开关、火警探测器、煤气探测器等。控制器负责分析整理各探测器发来的报警信息，识别警情类型，并利用串口控制GSM模块将相应的报警信息通过GSM网络传送至用户或计算机监控中心。当警情为人员入侵时，控制器同时驱动讯响报警器以及时阻吓人侵人员。报警主机上安装有液晶显示器和43矩阵键盘。用户可以在此输入密码后进行时间/日期设置、修改报警模式、设防、撤防以及修改主人、保安电话等。该系统同时具有日期和时间显示功能，还可实时监控环境温度。GSM模块选用华为公司GTM900C无线通信模块，用于建立无线通信链路，接收和发送报警短消息。用户手机用于接收警情信息，以便在有情况发生时及时通知用户本人。2 硬件部分设计基于GTM900C的家用安防系统硬件部分主要包括：主控模块部分、终端探测传感器、GSM无线通信模块、电源模块、矩阵键盘、时钟电路、LCD显示屏、声光警号等。2.1 主控模块部分2.1.1 STC芯片简介STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒)对电机控制，强干扰场合。（1）增强型8051CPU，1T单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；（2）工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V - 3.5V（5V单片机）；STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V - 2.2V（3V单片机）；（3）工作频率范围：035MHz，相当于普通8051的0420MHz；（4）用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字节；（5）片上集成1280字节RAM；（6）通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA；（7）ISP（在系统可编程）/ IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；（8）有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)；（9）看门狗；（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；（11）外部掉电检测电路：在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.33V，误差为5%；3.3V单片机为1.31V，误差为3%；（12）时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为5%到10%以内)用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz17MHz；3.3V单片机为：8MHz12MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；（13）共4个16位定时器：两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；（14） 3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟；（15）外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2)，CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)；（16）PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列2路）：可用来当2路D/A使用，可用来实现2个定时器，也可用来实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)；（17）A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)；（18）通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可以用定时器或PCA软件，也可以用定时器或PCA软件实现多串口；（19）STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)；（20）工作温度范围：-40 +85(工业级)/0 75(商业级)；（21）封装：LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC-44，QFN-40I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口，还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU，三线通信，还多了个串口。图2.1 主控模块电路2.2 终端探测传感器终端探测传感器主要有防盗、防火和防煤气泄漏等传感器，根据需要选用并安装在适当的地方，用于采集非法入侵和危险信号并传送给单片机；单片机负责接收、处理感应器信号，判别是否有险情发生。若有，则发送报警短信给户主，同时根据需要开启本地声光报警，并打开/关闭相应的电磁阀，如已实现小区联网，同时还会给联网中心的主机发送报警信息；户主还可以通过手机短信监控，进一步确认家中是否发生险情。可以接收主机的控制信号，执行相应的工作状态。2.2.1 RE200B热释红外线传感器本报警系统采用宏晶科技生产的STC12C5A60S2系列单片机为数据报警处理核心。选用RE200B型热释电红外线传感器作为红外探头检测人体发射出的红外线并转换成电信号输出。 CMOS数模混合专用集成电路芯片BISS0001用来处理红外探头输出的电信号并向监控单元申请外部中断。为能够存储自定义的控制手机号码，在片外扩展了一片可电擦除可编程的非易失性存储器24LC01B。该芯片在掉电后仍然能够保存所存储的数据，且在常温下可长期保存。为了使监控单元能够与GTM900C模块、PC通讯，采用MAX232芯片进行电平转换。由于GTM900C、PC与监控单元进行数据通讯并不是同时进行的，因此监控单元只用一个串口就可以完成与GTM900C和PC的通讯。具体的硬件结构如图2.2所示：图2.2 热释红外线传感器RE200B应用电路图RE200B采用TO-5封装形式，正常工作直流电压3-10V；信号输出电压最小值2.5V，典型值4V；噪声输出电压最大250mV，典型值90mV，频率响应0.3Hz 3Hz，增益10Bb。该传感器探测范围平视角138度，仰视角125度。在传感器前安装菲涅尔透镜可以增大探测范围，增强传感器工作的稳定性。此传感器工作在714um的红外光谱之间，正常工作周围环境温度范围-300-700，储存温度-400800 。为了防止该传感器工作失灵，防止传感器丢失其物理特性，切勿将该传感器置于以下情况或环境中:（1）在温度快速变化的环境中。（2）在强烈震动的环境中。（3）在浓雾环境或者干扰传感器接收红外线的环境中。（4）有流动的腐蚀性气体或海风的环境中。（5）暴露在阳光直射的环境中。BISS0001工作原理 BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。 以不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM(0.5VDD)后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。COP3是一个条件比较器。当输入电压VcVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平），可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 以可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效状态。在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。 系统采用GTM900C模块进行短信的收发。当热释电红外线传感器RE200B检测到人体发射出的红外线并转换成电信号输出，经过BISS0001信号处理芯片向监控单元申请外部中断，这时监控单元响应外部中断，一条包含报警信息的短信通过GTM900C模块发出后，它首先通过GSM网络传送到SMSC，SMSC将短信转发给自定义的报警接收者手机号码。同时报警接收者通过手机发送内容为“打开报警语音”的短信息给GTM900C模块，GTM900C模块收到短信后会给出提示信号，本终端模块上的微控制器收到提示信号后就从GTM900C模块读取该短信，如果检测到该短信来自设定的手机号码。系统就会按照短信的指令执行相应的操作，然后将操作执行的结果反馈给手机。2.2.2 HC-SR501人体感应模块HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。图2.3 HC-SR501人体感应模块实物图（1）电气参数表一 HC-SR501电气参数表产品型号 HC-SR501人体感应模块工作电压范围 直流电压4.5-20V静态电流 50uA电平输出 高 3.3 V /低 0V触发方式 L 不可重复触发/H 重复触发延时时间 5-200S(可调)可制作范围零点几秒-几十分钟封锁时间 2.5S(默认)可制作范围零点几秒-几十秒电路板外形尺寸 32mm*24mm感应角度 100 度锥角工作温度 -15-+70 度感应透镜尺寸 直径:23mm(默认)（2）功能特点、全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。、光敏控制：可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。、温度补偿：在夏天当环境温度升高至 3032，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。、两种触发方式：（可跳线选择）a、不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；b、可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。、具有感应封锁时间(默认设置:2.5s封锁时间)：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒几十秒钟)。、 工作电压范围宽：默认工作电压 DC4.5V-20V。、 微功耗：静态电流50微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。、 输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。（3）使用说明、感应模块通电后有一分钟左右的初始化时间，在此期间模块会间隔地输出0-3 次，一分钟后进入待机状态。、应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产生误动作；使用环境尽量避免流动的风，风也会对感应器造成干扰。、感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元B元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时，红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量按以上要求。2.2.3 DS18B20温度探测传感器(1) DS18B20简介DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板(ONBOARD)专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测与数据处理。在其内部共有三种形态的存储器资源，分别用于存放DSI8B20 ID编码的只读存储器ROM、数据存储器RAM和常用于温度报警值存储的EEPROMJ。(2) DS18B20 温度值的读取DS18B20的温度存于其内部RAM的第一和第二个字节，其高五位为符号位，如测得的温度大于零，则这五位全为零，否则全为1，后面12位按权重存放。若S：0，则将测得的值乘以各位所对应的权重值再相加即可得实际温度。若S：1，则将测得的值取补码后各位乘以所对应的权重值再相加也可得实际温度。(3) 系统实现DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55+125，在-10一+85范围内，精度为O.5。DS1822的精度较差为2。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，它的测量精度可以配置成9位、lO位、ll位或l2位4种状态。温度传感器在测量完成后将测量的结果存储在DS18B20的两个8BIT的RAM中。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前,高位在后。根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位。复位成功后发送一条ROM指令。最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500s，然后释放，DSI8B20收到信号后等待1660s左右，后发出60240s的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。温度采集模块选用数字式温度传感器DS18B20，其可以与单片机I/O口直接连接，不需要外接A/D转换模块。DS18B20的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；可通过数据线供电，电压范围为3.05.5；温度测量范围为55125；测温分辨率可达0.0625；温度以9位或12位A/D转换。DS18B20采用3脚PR35封装，电路如图2.4所示：图2.4 DS18B20与单片机接口电路图DS18B20的工作是由单片机软件程序控制的，控制方法如下：.复位操作：首先单片机应向DS18B20输送复位信号，将数据线拉低并保持480-960us再释放，然后由上拉电阻拉高16-60us，最后再由DS18B20发出响应低电平60-240us就完成复位操作。.写操作：单片机先将数据线拉低1 us以上，再写入数据。.读操作：读数据之前，单片机应先将数据线拉低，再释放。DS18B20在数据线从高电平跳低后15us内将数据送出，单片机在15us后读取数据线。2.2.4 MQ-2型烟雾传感器(1)工作原理半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。半导体气敏传感器的分类如表二所示。表二 半导体气敏传感器的分类类型所利用的特性工作温度代表性被检测气体电 阻 型电阻表面电阻控制器300450C可燃性气体体电阻控制器300450C700C以上乙醇、可燃性气体非电 阻型二极管整流特性室温200CH2、CO、乙醇晶体管特性150C H2、H2S本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200300温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少， 从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受 到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以 获得这种烟雾存在的信息。遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自 动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。MQ-2型传感器的结构图如 图2.5所示： 图2.5 MQ-2型传感器的结构图 (2) MQ-2型传感器的特性及主要技术指标 (A) MQ-2型传感器的一般特点 (a) MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。 (b) MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。 (c) MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。 (d) 电路设计电压范围宽，24V以下均可，加热电压50.2V。 (B) MQ-2型传感器的基本特性 (a) 灵敏度特性 烟雾传感器在最佳工作条件下，接触同一种烟雾，其电阻值RS随气体浓度变化的特性称之为灵敏度特性，用K表示：K=RS/R0式中，R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电阻值。虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性K的值也会各有差异，但是它们都遵循同一规律，logRS = mlogC + n式中，m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于烟雾，m值为1/21/3；C为检测烟雾的浓度。n为与检测烟雾，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。 (b) 初期稳定特性 半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电存放时间达到15天左右时，初期稳定时间一般需要5分钟左右。 (c) 加热特性 半导体烟雾传感器一般要在较高的温度(200450)下工作，所以需要对其加热。由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相接，当加热丝局部短路造成器件过热或放电时，可能引发事故。所以必须使用传感器生产厂家推荐的加热电压，使其工作在较安全的范围内。MQ-2型烟雾传感器加热电压为50.2V，加热电阻为313。当加热丝断路时，由于热惰性缘故，烟雾传感器的气敏特性并不立即消失，此时检测必出现较大的误差。为避免出现这种情况，并及时发现气敏元件的故障，需要设计加热丝故障诊断报警电路。 (C) MQ-2型传感器的特性参数： (a) 回路电压：(Vc) 524V； (b) 取样电阻：(RL) 0.120K；(c) 加热电压：(VH)50.2V；(d) 加热功率：(P)约750mW ；(e) 灵 敏 度：以甲烷为例R0(air)/RS (0.1%CH4)5 ；(f) 响应时间：Tres10秒 ；(g) 恢复时间：Trec30秒 。(3) 烟雾检测报警器工作原理 本论文中的烟雾检测报警器以STC12C5A60S2单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。 首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入STC12C5A60S2单片机；然后，在STC12C5A60S2单片机内A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝或电缆线和传感器断线或接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。当然几种状态的报警信号是各不相同的。 2.2.5 MQ-7型煤气探测器MQ-7气体传感器的气敏材料，是用在清洁空气中电导率低的二氧化锡(SnO2)。采用高低温循环检测方式。低温（1.5V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-7传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值；Ro 表示传感器在1000ppm 氢气中的电阻值，图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。传感器典型的灵敏度特性曲线图2.6所示：图2.6 传感器典型的灵敏度特性曲线图中纵坐标是传感器电阻比（Rs/Ro）。Rs表示在含100ppm 一氧化碳、各种温/湿度下的电阻值；Ro表示在含100ppm 一氧化碳、20/65%RH下的电阻值温/湿度的影响。受温度、湿度影响的典型曲线如图2.7所示：图2.7 受温度、湿度影响的典型曲线基本测试回路：图2.8 传感器的基本测试电路该传感器需要施加2个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。这种传感器具有轻微的极性，VC 需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC 和VH 可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。MQ-7气敏元件的结构(结构A或B)，由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，为了改善传感器的选择性，传感器气室用活性炭过滤层与外界隔开。加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。2.2.6门磁传感器门磁开关主要由开关和磁铁两部分组成，开关部分由磁簧开关经引线连接。定型封装而成；磁铁部分由对应的磁场强度的磁铁封装于塑胶或合金壳体内。当两者分开或接近至一定距离后，引起开关的开断从而感应物体。 图2.9 门磁开关图2.2.7紧急求助按钮在系统处于撤防状态下，发生入侵险情时，主人可以通过紧急求助按钮向室内、外人员进行求助。人为触发家庭内部的入侵探测器、燃气泄露探测器与紧急求助按钮，报警控制中心应可实时接收到来自入侵探测器发出的报警信号，包括时间、区域及类别。报警信号应能保持至手动复位。紧急求助按钮在紧急情况下或进行系统功能检测室使用。2.2.8模拟传感器通过四位拨码开关模拟成四个传感器模块实现“0”和“1”两者高、低电平的变换，给单片机两种不同的高、低信号，模拟传感器的功能。2.3 串口通讯模块为了让控制系统GSM900C模块与计算机之间可以进行数据相互传递，本系统都是采用MAX232芯片来实现。MAX232芯片管脚及其内部电路图如图2.10所示。图2.10 MAX232管脚及内部电路结构图图2-10的MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5v单电源供电。它是一种把电脑的串行口RS-232信号电平（-10V，+10V）转换为单片机所用到的TTL信号电平（0，+5V）的芯片。其内部结构可分为三个部分：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/COMS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R2IN、R2IN输入转换成TTL/COMS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5V）。MAX232芯片的主要特点如下：（1）单5V电源工作。（2）两个驱动器及两个接收器。（3）30V输入电平。（4）低电源电流，典型值是8mA。（5）符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28。（6）ESD保护大于MIL-STD-883标准的2000V。MAX232芯片在电路中与串口及单片机的连接如图2.11所示。图2.11 串口通讯模块电路目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。由于其发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以RS-232适合本地设备之间的通信。在RS