家用安防系统设计.doc

军械工程学院本科毕业论文摘 要随着我国社会与经济的发展，人民生活水平不断提高，人们对区域治安环境以及安全防范的要求也越来越高，同时现代化技术高度发展的今天，犯罪更趋智能化，手段更隐蔽，所以保证区域的安全必须从运用现代化的防盗报警技术。本文介绍了一种以单片机为核心的家庭安防系统的设计，在设计中我们通过三种不同的报警探测器对火灾，盗贼入室，煤气泄漏等不同种类的紧急情况进行探测，通过单片机的地址转换和编码，传输给不同的报警装置（如：声音，灯光，电话）以保证家庭的安全。本文在绪论中首先介绍我这次设计的总体思想以及硬件设计电路图。第三章中我们将着重介绍硬件的组成及其设计。在第四章中我们将介绍系统软件的设计。最后我们在结束语中谈谈系统设计的特点及本次设计的心得收获。关键词 单片机；探测器；报警器；555定时器Abstract As Chinas social and economic development, and constantly improve peoples living standards, people on the regional security environment and security requirements are also increasing, while the development of modern high technology today, crime more intelligent, more subtle means, guarantee To the security of the region from the use of modern anti-theft alarm technology.In this paper, a microcontroller to the family as the core security system design, we adopted in the design of three different detector alarm of fire, theft burglary, a gas leak, such as different types of emergency situations to detect, through the single . Conversion of the address and the code transmission to a different alarm device (such as: sound, lighting, telephone) to ensure the safety of the family.This article first introduced in the introduction of my current thinking of the overall design and hardware design schematics. The second chapter, we will focus on the composition and hardware design. In the third chapter, we will introduce the system software design. Finally, we turn to the conclusion of the system design and characteristics of this design experience harvest.Keywords SCM,Alarm,Detector,555 timer目 录摘要.Abstract.第1章 绪论1第2章 设计方案2 2.1设计要求.2 2.2 设计思路.2 2.3 硬件电路设计框图.2第3章 单片机及其硬件电路设计.33.1 单片机.3 3.1.1 单片机的选择.3 3.1.2 时钟电路设计与器件选择.4 3.1.3 复位电路设计与器件选择.4 3.2 探测器设计.53.2.1 探测器的简介.53.2.2 感烟火灾探测器.63.2.3 热释电红外探测器.73.2.4 有毒气体探测器.9 3.3 报警器电路设计103.3.1 蜂鸣器报警器电路设计103.3.2 光电报警器电路设计.103.3.3 电话报警器电路设计.11 3.4电源设计12第4章 系统软件设计14结论.18致谢.19参考文献.2019家 用 安 防 系 统 设 计第1章 绪论在人类已经进入二十一世纪的今天，安全问题显得尤为重要，安全防范的概念已不再是国家重要部门、机构和金融、文博等重要保护单位的专利，它已被广泛地应用到了日常生活当中，尤其是我们的家庭。现代化居住格局使家庭生活的封闭性越来越强，随着居民经济收入的提高、生活条件和质量的改善，再加上家中老年人和孩子的增多，居民的安全防范已普遍为大家所关注。当前安全防范及报警系统是确保住宅、住户安全的极为重要的途径之一，同时也是数字化家庭的重要组成部分。遇到匪警、火警、煤气泄漏等紧急情况时，及时通过电话完成对外报警求助十分必要。如果家庭安防系统缺乏人性化设计，势必会破坏家庭的温馨气氛，甚至给居民造成心理上的压力和别扭。如出现一些火灾或煤气泄露险情以及财物被盗的情况，给家庭和社会带来巨大的损失，因此迫切需要利用高技术的智能化手段，为家庭提供一个安全舒适的家居环境。智能家居安防系统能在各种紧急情况出现的第一时间报警，通知物业管理中心和住户，把险情消灭在萌芽状态，减少各种损失，为家庭生活的安全舒适提供强有力的保障。第2章 设计方案2.1 设计要求可以识别不同的安全隐患（例如：强盗入室，煤气泄漏，火灾）。用不同的报警方式来传递报警信息（例如：声音，光源，电话）。2.2 设计思路这套家用安防系统，总体设计思路是由探测发射电路和接收报警电路两部分组成。通过探测器和数字电路经过单片机的控制，解调、译码和声光报警等环节，将电信号转为声音、光源从而达到无线报警的目的。2.3 硬件电路设计框图第3章 单片机及其硬件系统设计3.1 单片机VccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.08051P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD P3.0TXD P3.1INT0 P3.2INT1 P3.3T0 P3.4T1 P3.5WR P3.6RD P3.7XTAL2XTAL1Vss12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221图3.1 8051单片机引脚图自从1975年单片机问世以来，它的历史不过只有三十多年，但发展十分迅猛，到今天，单片机的年产量以亿为单位进行计算，单片机的应用范围也以最初的计算机发展到仪器、工业控制、计算机外部设备、军事设备、交通、家用电器等几乎所有的领域。图3.1所示为8051单片机引脚图。3.1.1 单片机的选择该家庭安防系统采用MSC-51系列单片机中的8051单片机作为核心部件。它包括1个8位的面向控制的CPU、128字节RAM、4KB ROM、21个特殊功能寄存器、4个8位并行I/O口、1个全双工异步串行端口、两个16位定时器/计数器、2个优先级别的中断源5个及振荡器与时钟产生电路，寻址范围为64KB。3.1.2 时钟电路设计与器件选择任何一个正常的单片机电路中都需要有能够正常使用的时钟电路和复位电路，这样才能使单片机能够正常运转。8051单片机2个时钟电路引脚XTAL1和XTAL2引脚通过外接反馈一个石英晶体（频率范围为1.212MHz）和两个微调电容（30pF左右）或者外接标准时钟信号两种方式产生系统工作所需要的基本震荡信号。图3.2所示即是利用外接石英晶体和微调电容产生CPU工作时钟的电路图。C2C1XTAL2XTAL1图3.2 外接石英晶体时钟电路引脚接线图3.1.3 复位电路设计与器件选择8051单片机RST引脚为复位信号输入端，该端高电平有效。保持两个机器周期以上的高电平，就可以完成CPU系统复位操作，使系统的一些单元内容回到规定值。8051单片机RST引脚为复位信号输入端，该端高电平有效。保持两个机器周期以上的高电平，就可以完成CPU系统复位操作，使系统的一些单元内容回到规定值。+1K22uF+5VVccRST/VPDVss图3.3 上电复位电路图图3.3所示是实现上电（或加电）时复位功能的电路图。系统没有加电时，电阻和电容上没有电压。系统加电后，电容由+5V电源对其逐步充电，使电容两端电压从0V开始增加，而电阻上的压降（即RST引脚电压）则从+5V开始减小；只要电阻与电容的时间常数合适，RST引脚电压保持高电平的时间大于两个机器周期，就会使系统完成复位。RST引脚电压降为低电平时，系统开始工作，CPU开始从程序存储器的0000H字节单元取指令执行。3.2 探测器设计3.2.1 报警探测器介绍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置。（1）报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。（2）报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。（3）报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。除了以上区分以外，还有其他方式的划分。在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范要求。 报警探测器作为传感探测装置，用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。在各种各样的智能建筑和普通建筑物中需要安全防范的场所很多。这些场所根据实际情况也有各种各样的安全防范目的和要求。因此，就需要各种各样的报警探测器，以满足不同的安全防范要求。根据实际现场环境和用户的安全防范要求，合理的选择和安装各种报警探测器，才能较好的达到安全防范的目的。当选择和安装报警探测器不合适时，有可能出现安全防范的漏洞，达不到安全防范的严密性，给入侵者造成可乘之机，从而给安全防范工作带来不应有的损失。报警探测器要求具有防拆动、防破坏功能。当报警探测器受到破坏、人为将其传输线短路或断路，以及非法试图打开其防护罩时，均应能产生报警信号输出；另外报警探测器还应具有一定的抗干扰措施，以防止各种误报现象的发生，例如：防宠物和小动物骚扰、抗因环境条件变化而产生的误报干扰等。报警探测器的灵敏度和可靠性是相互影响的。合理选择报警探测器的探测灵敏度和采用不同的抗外界干扰的措施，可以提高报警探测器性能。采用不同的抗干扰措施，决定了报警探测器在不同环境下的使用性能。了解各种报警探测器的性能和特点，根据不同使用环境，合理配置不同的报警探测器是防盗报警系统的关键环节。3.2.2 感烟火灾探测器火灾探测器是传感器大家族中的一个特殊分支，现在使用较多的烟雾传感器（分离子感烟式和光电感烟式两类）、红外感光传感器和感温传感器。其中烟雾传感器应用数量最多，应用场合最为广泛，约占比例在90%以上，是我们将之比喻为“哨兵部队”的主要组成部分。烟雾传感器不管是离子式还是光电式都有一个共同特征，既“机电一体化设计”。烟雾检测室在离子感烟探测器中术语称为“电离室”，在光电感烟探测器中术语为“光室”。我们将火灾探测器喻为“哨兵”烟雾检测室则是“哨兵”的心脏，这是我们对探测器进行“体检”和“治疗的关键部位。从结构上看，烟雾检测室既要做成烟雾很容易进入的形式，又要防止昆虫的进入和多变气流的影响，所以在感烟室的最外面设置了一层屏障，选用材料通常是中等目数的金属网，在金属网内，就是组成烟雾检测室的关键部件了。图3.4是离子感烟探测器电离室的电原理图，图中为放射源镅（Am241），A、B、C分别为组成电离室的三个极板。 图3.4 离子感烟探测器在正常工作状态下，放射源发出的射线电离了电离室的空气，便有电流从A经B流向C，这时电离室是一个典型的电阻元件。初始条件下，在B点的电位Vb。是相对稳定的，当烟雾进入AB之间的检测室时，电离状态发生变化，导致AB之间的电阻阻值变化而BC组成的参照室因不感觉烟的存在，基本保持初始状态不变根据欧姆定律；在B点上分压值相应变化，这一变化经过电路放大，做为火警信号输出，从而实现烟信号至电信号的转变。 3.2.3 红外探测器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(PIR)，另一个是菲涅尔透镜热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达104M，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器来完成阻抗变换。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，并在它的两面上镀上金属电极，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。 图3.5是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。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。图3.5 双探测元热释电红外传感器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0.220m。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，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。菲涅尔透镜,简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹.通过这些齿纹,可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用.传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。菲涅尔透镜可以极大的降低成本。典型的例子就是PIR（被动红外线探测器）。PIR广泛的用在警报器上。这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10微米左右（人体红外线辐射的峰值）。 菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上。第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。菲涅尔透镜的主要作用就是将探测空间的红外线有效地集中到传感器上。通过分布在镜片上的同心圆的窄带（视窗）用来实现红外线的聚集，相当于凸透镜的作用。这部分选择主要是看透镜窄带的设计及透镜材质。考虑透镜的参数主要有：光通量、不同透镜同心度、厚度不均匀性、透镜光轴与外形同心度、透过率、焦距误差等。菲涅尔透镜窄带（视窗）的设计一般都是不均匀的，自上而下分为几排，上面较多、下边较少，一般中间密集、两侧疏。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜；下边较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。人体发射的10微米左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。 图3.6 人体通过传感器时产生的信号如图3.6就是人体通过红外传感器时产生的信号。图中所示的是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。3.2.4 有毒气体探测器 图3.7 有毒气体探测器原理图如图3.7所示，我们通过QQB传感器对有毒气体（一氧化碳等）在空气中的浓度过高时，采集其数据并对其经行分析。3.3 报警器电路设计3.3.1 蜂鸣器提示电路系统发声电路主要是由一个蜂鸣器B1和一个三极管T1组成，当T1的基极是高电平的时候T1导通B1发声，当T1的基极是低电平的时候T1截止B1不发声。通过单片机的口线来控制T1的基极。当单片机定时时间到，系统会通过一个I/O口输出高电平来控制蜂鸣器发声。图3.8即为蜂鸣器电路连接图。VccBELL80505.1KP1.2图3.8 蜂鸣器电路连接图3.3.2 光电报警器电路设计首先接通电源通过发光二极管的发送和接收（有两路），通过三极管的放大，再有74LS04反相器来改变它的高/低电平，通过74LS247译码器和反相器74LS04使LED显示不同的数字，通过74LS32或门与555定时器构成的多谐振荡电路来实现有选择的间歇式报警。当光路未被挡住时，红外接收管产生电流Ibe增大，经三极管放大后Uc约为5V经反相器后输出为低电平，通过74LS247与74LS04使LED显0，当第一路光被挡住时，电流Ibe很小电压Uc略为零经反相器后输出为高电平，通过74LS247与74LS04使LED显1，当第二路光被挡住时，也是电流Ibe很小电压Uc略为零经反相器后输出为高电平，通过74LS247与74LS04使LED显2，当两路都被当时，与上面同样的道理使LED显3，其中当两路信号有任意一路输出为高时，通过74LS32或门，由555构成的多谐振荡器处于工作状态发出间歇式报警。 图3.9 光电报警器电路图3.3.3 电话报警器电路设计这是利用电话线自动线自动向手机电话拨号并报警的电话装置。如图3.10所示，Rt、1.5V电池和IC1、IC2组成防盗报警信号检测电路，报警线一旦碰断，则IC1的2脚呈低电平，555置位，IC2多谐振荡器起振，T=0.693（R4+2R5）C2，图示参数的振荡周期为6秒左右，IC2的周期脉冲作为IC3脉冲分配电路的时钟CP0在CP作用下,Q0输出的低电平使IC1复位、自锁，3脚锁定输出高电平，同时，VT1导通，K1吸和，自动完成摘机操作。第二个CP进入，使Q2输出一高电平，VT2导通，K2吸和，将自动拨号电路的#（重发键）接通，通过VT4、VT5及电话线，将电话机集成块内预先存放的电话号码发往自动交换机，发送号码时间18秒。在第6个CP时钟后，IC3的12脚(CO)转为低电平，VT3导通，K3吸和，将录音机或报警器启动，发出报警音响，在第10个CP时钟后，IC3的12脚（CO）及Q0（3脚）变成高电平，VT1、VT3截止，K1、K3释放，使电路挂机IC4(S2560A)和拨号键盘VT4、VT5等组成自动拨号电路，可储存20位数码。 图3.10电话报警器电路图3.4 电源电路现在的单片机系统大部分都是采用市电（220V，50Hz）供电。电网的冲击，频率的波动将直接影响到实时控制系统的可靠性，稳定性。因此在单片机系统和市电之间必须配备稳压电源已经采取相应的抗电源干扰的措施，并采取一般的供电保护措施。如图3.11，我们这里采用直流9V供电，本电源系统在稳压电路7805后电源电路中我们使用了三个滤波电容，使用滤波电容主要目的是为了消除电源波动对系统的干扰，提高系统的抗干扰能力，其中103电容是用来滤高频杂波干扰，470u电容是用来滤低频杂波干扰。采用滤波电容能有效的消除电网电源波动产生的干扰。稳压电路7805后输出5V电压供所有器件使用。VinVoutGND12+103103470uFVcc7805POWER +9V图3.11 电源电路第4章 系统软件设计为使程序清晰可读且运行速率高，本系统软件采用模块化结构设计，由主程序、中断服务程序和相关子程序(如延时子程序、光电子程序、放音子程序、拨号子程序等)组成。其主程序流程图如图4.12所示。拨号报警子程序流程图如图4.13所示。ORG 0000H 设报警信号存储地址为30HLJMP KEEPORG 0003H 30H 强盗入室报警存储单元LJMP LOOPORG 0006H 31H 火灾报警存储单元LJMP LOOP1ORG 0009H 32H 煤气报警存储单元LJMP LOOP2KEEP: MOV R1 , #00H MOV R0 , #30H MOV R2 , #03HNEXT1: MOV R1 , R0 取报警号T1_LOW1: JB R1 , BELL INC R0 DJNE R3 , NEXT1 RETBELL: ACALL TIMER 10LOOP: MOV A , #03 放音自程序 MOV SBUF , A CLR A JNB A , NEXT1 JB A , NEXT2NEXT2: ACALL TIMER 10LOOP1: MOV A , #06H 光电子程序 MOV SBUF , A CLR ALJAMP KEEP TIME10: MOV R5 , #80H 延时 10sLL1: MOV R6 , LL2LL2: DJNE R6 , LL2 DJNE R5 , LL1系统初始化开始检测警情火灾煤气泄漏强盗入室放音子程序报警光电子程序拨号程序NNNYYY10S10S返回图4.12 主程序流程图 图4.13 拨号报警子流程图结 论这篇论文介绍了针对各种不同情况的家用报警装置。限于我所学的只是结构，可能还存在我所没有考虑到的问题，存在必然的局限性。该系统整体而言清晰简单，经济实用。当家中有人时出现安全隐患时