家居安防GSM模块控制系统毕业论文.doc

家居安防GSM模块控制系统毕业论文目 录摘 要IAbstractII目 录IIIContentsVI第一章 绪论11.1 研究的背景、目的和意义11.2 国内外发展情况21.2.1 国外发展现状21.2.2 国内发展现状41.2.3 国内外发展趋势5第二章 家居安防系统的整体设计62.1 系统的整体结构62.2 51单片机72.2.1单片机的分类72.2.2 单片机的工作原理82.3 GSM模块92.3.1 GSM Modem模块的工作原理92.3.2 GSM Modem模块的主要功能和消息的发送协议102.3.3 常用的AT命令112.4 红外线传感器122.4.1 热电释红外线传感器的工作原理和结构132.4.2 红外线传感器的类型142.4.3 红外线传感器的特性152.5 温度传感器162.5.1 温度传感器的工作原理和使用要求162.5.2 温度传感器热电偶和热电阻的分类172.6 气体传感器182.6.1 气体传感器的工作原理182.6.2 气体传感器的性质和分类19第三章 家居安防系统的硬件设计213.1 主模块的设计213.1.1 单片机的选型213.1.2 AT89C52单片机的主要特点223.1.2 51单片机的最小系统243.2 GSM模块的设计28因此GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。简单来讲，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部手机23。283.2.1 GSM模块的选型283.2.2GSM模块的工作原理和电路设计图283.3 红外线传感器部分的设计313.3.1 红外线传感器的选型323.3.2 热释电红外传感器电路设计和PD632的内部原理图343.4 温度传感器的设计343.4.1 温度传感器的选型343.4.2 温度检测模块的原理和电路设计353.4.3 温度信号的提取373.5 CO气体传感器383.5.1 CO气体传感器的选型383.5.2 CO气体传感器的电路设计393.6 控制模块403.6.1 中间继电器原理403.6.2 中间继电器的作用403.6.3 继电器的接线方式413.7 电源模块的设计423.7.1 电源模块的设计要求423.7.2电源模块的设计电路433.8 液晶显示电路443.8.1 液晶显示器原理443.8.2 LCD显示屏的电路设计463.9 按键和蜂鸣器473.9.1 按键473.9.2 蜂鸣器48第四章 软件程序设计504.1 GSM模块的软件设计504.2 监控部分的软件设计524.3 显示控制子程序设计55第五章 总结与展望585.1 本设计的总结585.2 本设计的展望58致 谢59参考文献60附录一 本设计的整体电路图62附录二 GSM模块的主要代码63ContentsAbstractIAbstractIIChapter 1 Introduction11.1 The research background, purpose and significance11.2 The development of the situation at internal and abroad21.2.1 The development of the internal21.2.2 The development of the abroad41.2.3 Development trend of internal and abroad5Chapter 2 The overall design of the Home furnishing security monitoring system62.1 The overall structure of the system62.2 MCU72.2.1 classify of the MCU82.2.2 operational principle of the MCU92.3 GSM module92.3.1 operational principle of the GSM102.3.2 The main functions and message transmission protocol of the GSM112.3.3 Commonly used AT commands122.4 infrared sensor132.4.1 operational principle and structure of the infrared sensor 132.4.2 the type of the infrared sensor 152.4.3 the characteristic of the infrared sensor 162.5 temperature sensor162.5.1 operating requirement and operational principle of the temperature sensor172.5.2 the type of the temperature sensor172.6 gas transducer192.6.1 operational principle of the gas transducer192.6.2 property and type of the gas transducer20Chapter 3 hardware design of the Home furnishing security monitoring system213.1 The design of the main module213.1.1 choose the MCU223.1.2 the main features of AT89C52 233.2 design the GSM293.2.1 choose the GSM293.3 design the infrared sensor 333.3.2 circuit designand of infrared sensor and the internal principle of PD632353.4 design the temperature sensor353.4.1 the type of temperature sensor363.4.2 principle and circuit design of the temperature sensor373.4.3 extract temperature signal383.5 gas transducer393.5.1 the type of gas transducer393.5.2 circuit design of the gas transducer 403.6 control module 413.6.1 the principle of middle electric relay413.6.2 The role of intermediate relay413.6.3 Wiring relay423.7 Design of power module443.7.1 Design requirements of power supply module443.7.2 Circuit design of power supply module443.8 A liquid crystal display circuit453.8.1 The principle of liquid crystal display453.8.2 Circuit design of display LCD screen473.9 Buttons and buzzers483.9.1 Buttons483.9.2 buzzers49Chapter 4 The software program design514.1 software design of the GSM module 514.2 software design of the monitoring part534.3 Display control subroutine design56Chapter 5 Summary and Outlook595.1 The design summary595.2 Prospect of the design59Thanks60Reference documentation61Appendix 1 The design of the whole circuit diagram62Appendix 2 The design of the overall block diagram63第一章 绪论1.1 研究的背景、目的和意义随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，实现了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居安防系统也因此而产生。现代社会，商品经济竞争日益激烈，工作节奏不断加快。对于全身投入竞争的人们，家务工作方面必然力不从心，家务管理因此就显得尤为重要。家居安防控制器可以提供智能控制方案，使家庭主人在处理家务方面，既快捷又省力。还提供舒适健康的环境，可以监视室内的温度、湿度，同时还可以通过远程通讯，实时反馈家中情况，避免如火灾，盗窃造成的经济和安全损失，使人们能够全身心地投入工作，从而提高生活质量。一切发明和创造都是为了人类的生活更加方便和舒适1。住宅智能化控制的开发与建设是21世纪发展的必然趋势。由于信息技术的大力普及和应用，极大推动住宅小区智能化建设的进程，更为住宅小区智能化提供了可靠的技术保障，实施起来更加容易和简捷。智能信息家电及智能家居安防系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化、个性化的独特魅力，它对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义。我国的家居安防开发相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，因此很多公司开发出的产品使用的是自己组网技术和信息交换协议，有的核心技术没有对外公开，技术复杂，不易掌握，有很多产品是针对特定的环境开发的产品，因此，限制了其使用的范围，而且由于是少数几家公司约定的技术，相关第三方产品缺乏，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，用户扩充系统很不方便，限制了其进一步的发展。还有的系统成本太高，普通用户难以承受，所以也没能广泛推广使用。因此设计一个符合国情、符合国家规范的集远程控制和本地控制为一体的智能家居安防控制系统具有非常重要的现实意义和深远的历史意义2。1.2 国内外发展情况1.2.1 国外发展现状自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居安防系统的方案。家居安防在 美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、 家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。2000年，新加坡有近30个社区的约5000户家庭采用了这种家庭智能化系统，而美国的安装住户高达4万户。2003年，网络化家居的建设带来了高达4500亿美元的市场价值，这其中有3700亿美元是智能家电硬件产品的价值，剩余的部分则是软件和技术支持服务的费用。现在，国外的智能家居安防系统技术己日趋成熟，预计今年，50%以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。于此同时，由于技术的日益标准化，这些新型智能家居安防系统将比比尔.盖茨耗资6000万美元的高端别墅便宜得多。由于家居安防的诱人前景和巨大市场，尽管国外市场真正启动也尚需时日，但并未能阻止企业去争食家居安防市场。虽然每家公司的策略各不相同，但它们都坚持同 样的信念：山那边遍地是金。IBM公司的迈克尔。凯罗斯克说：“这是个不容IBM公司忽视的市场机会3。”在智能家居安防系统研发方面，美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后挤身于智能家居安放系统的研发中。例如:微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等均已日趋成熟的技术强占家居市场。此外，日韩新等国的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发，对家居市场更是跃跃欲试4。目前市场上出现得智能家居安防控制系统主要有：（1）美国的X-10系统，该系统是通过电力线作为网络平台，采取集中控制方式实现多种功能，目前在国内应用极少，这套系统的功能较为强大，但它暂时不具备在国内市场推广的条件。首先，它是基于美国的电力环境设计的，很难适应国内恶劣的电力线环境；其次，它的功能虽然强大，但是针对西方消费的习惯设计的，难以满足国内消费者的要求；最后，也是最为重要的因素，它的价格也是国内的房地产品和普通消费难以接受的。（2）德国的EIB系统，该系统采用的是预埋总线及中央控制方式实现各种控制功能，目前在国内应用极少。究其原因，一个是其工程要求较为复杂、严格；另一方面，由于它需要进行线路预埋，因此主要客户对象是新建小区的开发商，但它较高的价格是这些开发商所难以承受的，所以一直无法打开国内市场。（3）新加坡8x系统，该系统采用预埋总线和集中控制方式实现各种功能，同时，利用的产品可对系统进行扩展。目前该系统在国内有少量应用。应该说8x系统最大优势在于系统较为成熟，是比较适合中国国情的系统，在国内及东南亚市场有成功应用的范例，但在系统架构、灵活性、价格等方面还难以满足要求。首先，BR采用的预埋总线方式决定了它的切入点只能是新建小区，对于旧房改造这一潜在的巨大市场它无能为力；8x系统的集中控制的方式降低了用户的可选择性，前期投入成本较高，而这正是房地产商最为关心的问题5。1.2.2 国内发展现状20世纪90年代中后期，国内的智能小区逐步兴起。我国的智能化住宅和智能化小区建设，最初始于广州、深圳和上海等沿海开放城市，逐步向内地扩展。智能住宅在我国的初次出现是在1997年。在建设部“97跨世纪住宅小区案竞赛活动”中，上海中皇广场被建设部科技委员会列为全国首家“智能住宅示范工程”开了全国智能住宅小区之先河6。1999年，建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程。为此，建设部住宅产业化促进中心先后颁布了全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则等对智能小区的建设加以指导，规范了智能化住宅小区建设中的目标与原则，拟自2000年起，用五年左右的时间，组织实施全国智能化住宅小区系统示范工程，以此带动和促进我国智能化住宅小区建设。通过采用现代信息传输技术、网络技术和信息集成技术，进行精密设计，优化集成，精心建设和工程示范提高住宅高、新技术的含量和居住环境水平，以适应21世纪现代居住生活的需要。 进入2000年后，上半年颁布了由信息产业部负责编制的建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范GB/T50311-2000及建筑与建筑群综合布线系统工程验收规范GB/T50312-2000，下半年，由建设部负责编制的智能建筑设计标准GB/T50314-2000，结束了多年来智能建筑设计处于无章可循，无标准可依的情况，这无疑为我国智能建筑健康有序地发展奠定了基础。在2000年8月建设部颁发了建筑物防雷设计规范GB50057-94的局部修改条文，重点就是解决在建筑中大量电子产品的防雷和防止浪涌对设备的破坏问题。这为智能建筑各种电子设备的安全提出了安全的措施。 2001年底，建设部住宅产业中心又在着手修改全国智能化住宅小区系统示范工程建设要点与技术导则己面世。法规性文件的制定与修订，为智能建筑及智能化住宅小区的建设和发展给出了依据和保障，随着技术的进步，许多新技术将应用到其中来。 到2010年我国超过7096家庭将有Internet入网设备，有5096以上会有多台设备，从而产生共享访问Internet的需求。建设部要求“到2010年，大中城市中60%-80%的住宅要实现智能化”。1.2.3 国内外发展趋势人类己进入21世纪，在高度物质文明的今天，追求环境绿色化、生活信息化己开成时尚，安全、舒适、方便、现代成为21世纪居家生活的象征。日益更新的现代科技的力量，打破了传统的时空界线，借助计算机网络和层出不穷的信息技术，改变了人类的生产、生活方式，科技正以超乎想象的速度更深刻地影响到人类的思维模式和生存状态。智能住宅是住宅技术创新的必然趋势。从智能建筑的发展进程看，它经历了单一专用系统、多功能系统、部分集成系统、一体化的集成管理系统等几个阶段，每个阶段都是技术创新的成果。总之，建设智能化住宅具有时代的前瞻性，顺应了当今信息社会的潮流，对进一步提高居民水平和生活质量具有非常重要的意义。可见，智能化住宅具有非常广阔的发展前景7。作为智能住宅的核心系统智能家居安防控制器，它的设计功能完善将推动住宅的发展。系统功能的集成化、客户使用的傻瓜化和市场的平民化将是未来智能家居安防控制器发展的趋势。系统的发展方向是绿色化。智能家居安防控制器的最终目标是囊括家务杂事。第二章 家居安防系统的整体设计2.1 系统的整体结构本设计采用51单片机为主体，外接各种传感器设备实现，家居保安系统和家用电器远程控制系统是家居系统的两个重要组成部分。特别是对普通家庭，提高人们生活质量有着重要的意义。其中，家居保安系统需要气体传感器和温度传感器，红外传感器能对住宅的火灾、有害气体泄露，等实现自动报警，能对盗窃以及入室抢劫实现自动报警。另一组成部分家用电器远程控制系统，通过GSM MODEM协议远程连接系统实现遥控一些开关和接收报警信号。系统的整体框图如图2.1所示8。图2-1系统整体设计框图整个系统所要完成的主要内容有:1、偷盗和火灾信号的检测。2、偷盗和火灾信号的及时发送。3、远程控制一些设备对特殊情况紧急处理。2.2 51单片机单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。 汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算机的总和，甚至比人类的数量还要多9。2.2.1单片机的分类单片机的分类，按应用领域可分为：家电类，工控类，通信类，个人信息终端类等等；按通用性可分为：通用型和专用型。通用型单片机的主要特点是：内部资源比较丰富，性能全面，而且通用性强，可覆盖多种应用要求。所谓资源丰富就是指功能强。性能全面通用性强就是指可以应用在非常广泛的领域。通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。小到家用电器仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。专用型单片机的主要特点是：针对某一种产品或某一种控制应用而专门设计的，设计时已使结构最简，软硬件应用最优，可靠性及应用成本最佳。专用型单片机用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，不能再修该的单片机。例如电子表里的单片机就是其中的一种。其生产成本很低。3.按总线结构可分为总线型和非总线型。如我们常常见到的89C51单片机就是总线结构，在后面讲解单片机的内部结构时，我们就可以看到，89C51单片机内部有数据总线，地址总线，还有控制总线（WR，RD，EA，ALE等）。非总线型的单片机其外部的引脚很少，可使成本降低10。2.2.2 单片机的工作原理单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即逐条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一的一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令逐条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。2.3 GSM模块GSM Modem是一种使用移动通讯系统的调制解调器。GSM Modem就像一部手机一样通过SIM卡注册到运营商，当GSM Modem连接到电脑上的时候，电脑可以通过它与移动网络进行通讯，用户还可以通过它来接收和发送彩信以及短信。传统的调制解调器连接到电脑，让拨号连接到其他计算机系统。而GSM调制解调器以类似的方式运作，除了它发送和接收数据通过无线电波比一条电话线。这种类型的调制解调器可通过通用串行总线(USB)电缆或串行电缆连接外部设备。然而，更普遍的是，它是一个小装置，可直接插入电脑或笔记本电脑的USB端口或卡插槽11。2.3.1 GSM Modem模块的工作原理GSM Modem是一个通用的通信设备，但因为服务是基于订阅的，它必须安装SIM卡。此卡的调制解调器连接到正确的供应商和运营商网络设备的用户标识。这样，GSM Modem运作就像一个手机，事实上，许多蜂窝电话也为同一目的使用SIM卡。由于SIM卡实际上包含了所有的用户数据 ，这些卡通常GSM Modem和GSM手机的互换。类似的方式拨号调制解调器将信号由模拟信号和数字信号之间相互转换，GSM Modem转换到数字数据短消息服务(SMS)通过无线网络发送和接收消息的消息。SMS消息的小型脉冲拨号调制解调器的数据包一样的发送和接收的数据。许多第三代(3G)和第四代(4G)智能手机使用GSM技术，使他们可以作为电脑的无线热点 。它们可以连接到电脑通过无线宽保真网络或通过蓝牙。这允许用户访问自己的智能手机作为GSM调制解调器，而不是传统的WIFI连接互联网。2.3.2 GSM Modem模块的主要功能和消息的发送协议GSM模块的主要功能有以下5点：1.收发短信；2.借助短信实现远程小批量数据传输；3.语音通话（GSM电话）；4.数传模式实现无线实时数据通信；5.无线上网（自动应答型）； 欧洲电信标准协会(ETSI)指定了一个短消息发送协议作为GSM标准的一部分。该规程定义了三个接口协议:即块模式，文本模式和PDU印模式，用于移动台和终端设备之间通过异步接口传送SMS短消息。 块模式是一个二进制协议，用于移动台和SMSC（short message service center短信服务中心）之间短消息传输的PDU封装。这个协议包括了错误检测，适用于应用和移动台之间链路容易出错的情况，特别是在需要控制远程设备时。 文本模式是在为GSM修改的AT指令集的基础上定义的基于字符的协议。这种模式适合非智能终端或终端仿真器，及建立在ITU V25ter之类的命令结构上的应用软件。应用将消息按简单文本传递到手机组成TPDU。这意味着文本模式提供的功能较少，它不支持或不会自动将收到的消息传给应用(除非通知)。 PDU模式和文本模式很相似，区别只是它将组装短消息TPDU的任务留给应用完成。该模式使AT命令集能方便地组构更多复杂的PDU，例如既可以传递二进制数据又可以传送字符数据12。基于文本的协议的优点是用户不需要任何特殊的客户软件发送短消息。他们能用任何终端仿真软件拨叫适当的消息中心，并用提供的不同选项发送短消息。但最大的缺点是对扩展字符集的支持能力有限。用户只能发送短消息和接收发送确认，SMSC不能通知用户是否己经成功传递了消息。在显示SMS信息，可能使用不同的字符集和不同的编码方式。如果你想阅读手机上的信息，手机会为你选择一种合适的编码。那么一个可以阅读SMS消息的应用要么使用Text模式，要么是PDU模式。如果使用Text模式，那么应用将绑定(或限制在)一些可能的编码选择中。在某些情况下是不够的，如果使用PDU模式，那么就可以使用任何编码方式。2.3.3 常用的AT命令AT命令集是调制解调器通信接口的工业标准，AT命令是调制解调器可以识别并执行的命令。AT命令简单、容易掌握，使用它可以配置调制解调器，配合通信软件工作，与远端系统通信，发起或应答一个呼叫。使用AT命令设置调制解调器时，用户使用的通信软件必须提供一个到调制解调器的直接连接状态，使用户能够从命令行输入所需的AT命令，如在WINDOWS 98下的“超级终端”中建立一个直接到串口的连接便可使用AT命令，也可直接用AT命令设置串口属性，通过串口控制调制解调器。AT命令集从TE(Terminal Equipment)或DTE(Data Terminal Equipment)向TA(Terminal Adapter)或DCE(Data Circuit Terminating Equipment)发送的。通过TA，TE发送AT命令来控制MS(Mobile Station)的功能，与GSM网络业务进行交互。用户可以通过AT命令来进行呼叫、短信、电话本、数据业务、补充业务、传真等方面的控制。GMS模块的通信全部采用AT+XXX的格式完成。常见的AT指令表2.1如下:表2.1常见的AT指令连机AT回车GSM模块连机后应答:OK网络注册AT+CREG？回车回答x(x=2)脱网，x=1注册，x=2状态不明）发送模式设置AT+CMGF=1回车采用文本模式，PUD模式为AT+CMGF=0设置短消息中心AT+CSCA=XXX回车具体号码由当地运营商决定接收短消息AT+CMGR=X回车从X存储区读取号码删除短消息AT+CMGD=X回车从X存储区删除号码发送短消息AT+CMGS=XXX回车发送短消息的目标号码改变波特率AT+IPR=XXX回车改变波特率保存已有参数AT&W回车保存已有参数2.4 红外线传感器热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。它目标正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的搂道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。开启监视器或自动门铃上的应用。结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等。您可以根据自己的奇思妙想，结合其它电路开发出更加优秀的新产品或自动化控制装置13。2.4.1 热电释红外线传感器的工作原理和结构 在自然界中，任何高于绝对温度(-273)的物体都将产生红外光谱，物体的温度不同，其释放的红外能量的波长也不一样，因此红外波长与物体温度有着密切联系。 被动红外探测器有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器，它可将波长为8-12m间变化的红外信号转变为电信号，同时能对自然界中的白光信号具有抑制作用。在设置了被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器所感应到的只是背景温度，一旦人体进人警戒区移动时，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器所感应到的则是人体温度与背景温度的差异信号。所以，红外探测器的红外探测的基本原理就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。 另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有折射式和反射式两种形式。菲涅尔透镜在被动红外探测器中起到两个作用：第一是聚焦作用，就是将热释的红外信号折射或反射在热释电红外传感器上；第二个作用是在警戒区内划分若干个明区和暗区，这样进入警戒区的移动物体就能以温度变化的形式在热释电红外传感器上产生变化的热释红外信号，热释电红外传感器也就能产生变化的电信号14。一般人体的恒定体温在37左右，能够发出特定波长10m左右的红外线。被动式红外探头就是将人体发射的10m左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后再聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，一旦接收到移动人体红外辐射温度变化就会失去电荷平衡，向外释放电荷，其后续电路经检测处理后将产生报警信号。热释电红外传感器在结构上引入场效应管，其目的在于完成阻抗变换。由于热电解元件输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式。故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2-20m。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外15。2.4.2 红外线传感器的类型红外线传感器依动作可分为：1.将红外线一部份变换为热，藉热取出电阻值变化及电动势等输出信号之热型。2.利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因PN接合之光电动势效果的量子型。热型的现象俗称为焦热效应，其中最具代表性者有测辐射热器(Thermal Bolometer)，热电堆(Thermopile)及热电(Pyroelectric)元件。热型的优点有：可常温动作下操作，波长依存性(波长不同感度有很大之变化者)并不存在，造价便宜；缺点：感度低、响应慢；量子型的优点：感度高、响应快速；缺点：必须冷却(液体氮气)、有波长依存性、价格偏高；红外线的波长比可见光长而比电波短。红外线让人觉得只是由热的物体放射出来，可是事实上不是如此，凡是存在于自然界的物体，如人类、火、冰等等全部都会射出红外线，只是其波长因其物体的温度而有差异而已。人体的体温约为36-37，所放射出峰值为9-10m的远红外线，另外加热至400-700的物体，可放射出峰值为3-5m的中间红外线。2.4.3 红外线传感器的特性 1.因这种探头是以探测人体辐射作为目标的，所以热释电元件必须对波长为10m左右的红外辐射非常敏感。 2.为了排除环境的干扰，使红外线热释电传感器仅对人体的红外辐射敏感，在其辐射照面通常覆盖特殊的菲涅尔滤光片。 3.被动红外探头，其传感器包含两个电极化方向相反的互相串联或并联的热释电元。环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使产生释电效应相互抵消，探测器无信号输出。 4.人体一旦进入探测区域内，人体红外辐射通过镜面聚焦的同时也将被热释电元所接收，由十两片热释电元件接收到的热量不同导致热释电也不同，他们不能互相抵消，这时通过信号处理报警。 5.选择不同性能菲涅尔滤光片，就会有不同的焦距即感应距离，这样监控视场也不相同，当视场越多时，则控制作用越严密。 被动式热释电红外探头本身不发生任何类型的辐射，具有器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉的优点。 另外，人体的运动方向也在很大程度上影响着红外线热释电传感器对人体的敏感程度。当人体径向移动时，红外线热释电传感器反应最不敏感，当人体按横切方向(即与半径垂直的方向)移动时，则红外线热释电传感器的反应最为敏感。所以，要想获得最佳检测灵敏度，选择合适的安装位置是至关重要的环节，否则将会出现热释电红外探测器误报警。2.5 温度传感器温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。 从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器16。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为人们的生活提供了无数的便利和功能。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。温度传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。2.5.1 温度传感器的工作原理和使用要求 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。温度传感器热电偶的结构形式为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：1.组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；2.两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；3.补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠；4.保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。2.5.2 温度传感器热电偶和热电阻的分类常用温度传感器热电偶可分为标准温度传感器热电偶和非标准温度传感器热电偶两大类。所调用标准温度传感器热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的温度传感器热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化温度传感器热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化温度传感器热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化温度传感器热电偶。我国从1988年1月1日起，温度传感器热电偶和温度传感器热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化温度传感器热电偶为我国统一设计型温度传感器热电偶。常用的温度传感器热电阻可分为精通型温度传感器热电阻，铠装温度传感器热电阻，端面温度传感器热电阻，隔爆型温度传感器热电阻工业常用温度传感器热电阻感温元件（电阻体）从温度传感器热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过温度传感器热电阻阻值的变化来测量的，因此，温度传感器热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。铠装温度传感器热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为2-8mm，最小可达1mm。与普通型温度传感器热电阻相比，它有下列优点：1.体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；2.机械性能好、耐振，抗冲击；3.能弯曲，便于安装4.使用寿命长。端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向温度传感器热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度17。隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型温度传感器热电阻可用于B1a-B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。2.6 气体传感器气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，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、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。2.6.1 气体传感器的工作原理气体的采样方法直接影响传感器的响应时间。目前，气体的采样方式主要是通过简单扩散法，或是将气体吸入检测器。根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。 要进行具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。2.6.2 气体传感器的性质和分类稳定性：传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。 响应特性 （反应时间）：传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因而频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点 (稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过大的误差18。线性范围：传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。灵敏度：灵敏度的选择通常在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的于扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。气体传感器是化学传感器的一大门类，从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上目前还没有统一，要对其进行严格的系统分类难度颇大。 通常以气敏特性来分类，主要可分为：半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光化学型气体传感器、高分子气体传感器等。第三章 家居安防系统的硬件设计 本设计用单片机作为主控模块的核心，GSM短信息系统进行无线通信，实现远程监控，它具有节约建设费用、节约维护费用、节约使用费、方便实施等优点。通过红外传感器对人体的监测，实现防盗，CO传感器的信息采集防止煤气泄漏，温度传感器监测室温，防止火灾。通过简单的电气控制电路作为控制模块的核心，结合GSM模块实现，远程控制家电的开关，方便生活19。3.1 主模块的设计3.1.1 单片机的选型 针对一定的用途，恰当的选择所使用的单