家庭防盗报警器系统设计

电子工程设计开题报告系别物理与电子信息工程系专业班级电信一班学生姓名指导教师目录1绪论11总体方案设计611系统的功能要求612总体设计方案613系统相关技术72报警器硬件设计1421主机电路设计1422热释电红外传感器1723SIM900A短信息收发模块1724MQ2烟雾气敏传感器1925蜂鸣器电路203报警电路2031主机电路设计20311时钟电路20312复位及复位电路2032热释电红外传感器2033SIM900A短信息收发模块2034MQ2烟雾气敏传感器2035蜂鸣器电路204电路元件清单20结论30致谢31参考文献32附录331总体方案设计现在市场上有各种各样的报警器，通过对它们进行分析比较，根据产品的功能要求和产品的性价比，决定采取由单片机为主要技术进行总体方案设计。11系统的功能要求根据实际要求，本毕业设计课题技术要求（1）应用场合家庭防盗报警；（2）采用热释电红外传感器，一旦发现有人入室行窃，应发出声、光报警，并能显示出出事地点；（3）预留相应接口，以适应家用电器联网的需求；（4）220VAC供电；（5）成本应控制在适合家用。12总体设计方案智能住宅安防报警系统开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况，根据我国住宅建设的实际情况，为满足新时期居民的居住要求，并充分考虑其经济性和可靠性。系统组成框图如图21所示，根据系统拟达到的总体功能，将其划分为以下功能模块电源电路，热释电红外传感器电路、警铃电路、数码管显示电路、SIM900A通信电路等。AT89S52单片机RS232串口通信SIM900A模块电源蜂鸣器SIM卡GSM网络GSM网络短消息服务中心用户手机红外传感器烟雾传感器红外探测器安装在用户家里需要防范的部位，例如门窗、厨房，卧室等，当系统开机时，一旦有人入侵，与之相应的报警探测器立即向用户端自动报警主机发出报警信号，接到警情事件后，自动报警主机立即进行确认，确认无误后，进行处理，同时显示入侵的地点，并做出相应的提醒。13系统相关技术本系统主要有电源电路，热释电红外传感器电路、警铃电路、数码管显示电路、SIM900A通信电路等部分组成。下面我们将简要介绍单片机技术，传感器技术和GSM技术等。231单片机技术1单片机的特点所谓单片机就是一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定时/计数器和多种I/O接口电路等而具有一定规模的微型计算机。单片机与通用微型计算机相比较，它在硬件结构、指令设置上均有其独到之处，主要特点如下1单片机中的存储器ROM和RAM是严格分工的。ROM为程序存储器，只存放程序、常数及数据表格。而RAM则为数据存储器，用作工作区及存放变量。这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储空间，把已调试好的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中，这样，小容量数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加快单片机图21系统组成框图的执行速度。但单片机上RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速数据缓冲存储器（CACHE）用。2采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要，单片机的逻辑控制能力要优于同等级的CPU，特别是单片机具有很强的位处理能力。单片机的运行速度也较高。3单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机机芯上引脚有限，为了解决实际引脚和需要的信号线数的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。4系列齐全，功能扩展性强。单片机具有内部掩膜ROM、内部EPROM和外接ROM等形式，并可方便的扩展外部的RAM、ROM及I/O接口，与许多通用的微机接口芯片兼容，对应用系统的设计和生产带来极大的方便。5单片机的功能是通用的。单片机虽然主要是作控制器用，但是功能上还是通用的，可以像一般微处理器那样广泛地应用在各个方面。2单片机的应用单片机在控制应用领域中，有如下几方面的优点1体积小、成本低、运用灵活、易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电仪一体化；2面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比；3抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其他机种无法比拟的；4可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统得效率和可靠性大为提高。单片机的应用范围十分广泛，下面仅列举一些典型的应用领域。1工业控制数控机床，温度控制，可编程顺序控制，电机控制，工业机器人，智能传感器。离散与连续过程控制；2仪器仪表智能仪器，医疗器械，液体和气体色谱仪，数字示波器；3电讯技术调制解调器，声象处理，数字滤波，智能线路运行控制；4办公自动化和计算机外部设备图形终端机，传真机，复印机，绘图仪，磁盘/磁带机，智能终端机；5导航与控制导弹控制，鱼雷制导，智能武器装置，航天导航系统；6汽车与节能点火控制，变速控制，防滑车控制，排气控制，最佳燃料控制，计费器，交通控制；7商用产品自动售货机，电子收款机，电子秤，银行计统机；8家用电器微波炉，电视机，录像机，音响设备，游戏机5。3AT89S52的特点AT89S52作为普通51单片机已与广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使用，且功能强大，因此本系统采用AT89S52单片机作为主控制芯片。AT89S52的功能特性描述AT89S52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。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。AT89S52具有以下标准功能8K字节FLASH，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，两个数据指针，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，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持两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。下面我们介绍一下AT89S52的引脚，AT89S52引脚排列如图22所示，各引脚的功能如下引脚结构图22AT89S52引脚排列图VCC供电电压。GND接地。PO口PO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L时，被定义为高阻输入。PO能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，PO口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，PO输出原码，此时PO外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向1/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P2口为一个内部上拉电阻的8位双向1/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P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向1/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口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下为管脚的备选功能P30RXD串行输入口P31TXD串行输出口P32/INTO外部中断0P33/INT1外部中断1P34TO记时器0外部输入P35T1记时器1外部输入P36/WR外部数据存储器写选通P37/RD外部数据存储器读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出6。232热释电红外传感器技术现在有关家庭防盗的传感器非常多，有人体热释电传感器、门磁传感器、振动位移传感器、红外线反射开关无线探头、门把手人体接近感应传感器、雷达波人体检测无线探头等等。本系统考虑到不仅要满足可靠探测的需要，而且还需经济实用和安装操作简便，所以选用了人体热释电红外传感器完成防盗监测。当盗贼企图从门窗进入室内时，人体热释电传感器能检测到人体移动的红外信号。热释电红外传感器是一种新型的利用红外辐射热效应的原理进行工作的探测器，其原理是利用热释电晶体材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应。晶体受辐射照射时，由于温度的改变使自发极化强度发生变化，结果在垂直于自发极化方向两个外表面之间出现感应电压，利用这个感应电压的变化可以测量光辐射的能量。因为热释电传感器的电信号正比于传感器温度随时间的变化率，不像其他热传感器需要有个热平衡的过程，所以其响应速度比其他热传感器快很多。而且它的光谱响应范围宽，在室温下工作无需致冷，使用方便，因此本课题中的红外传感器选用的就是热释电传感器78。1热释电效应由于热释电晶体自然存在时，内部会产生固有的自发电极化，通常情况下这类晶体并体并不显出外电场，因为对导体来说，这种自极化的自由电荷分布将与内电矩相抵消；对绝缘体来说，极化引起的表面电荷会吸引杂散电荷趋附到晶体表面从而使得二者中和掉。当晶体的温度发生变化时，晶体的自发极化强度也随之改变，在与极化强度方向垂直的晶体表面就会产生热释电电荷，如果晶体的温度变化足够快，内部的或外界的电荷来不及补偿中和热释电电荷，这时会显出电场。这种晶体随温度变化而产生电荷的现象就是热释电效应910。2热释电红外传感器结构及工作原理热释电红外传感器系统主要有光学系统、热释电红外探测头、信号滤波和放大、信号处理电路等几部分组成。其组成框图如下图所示菲涅尔透镜热释电红外传感器放大电路比较器电源图23热释电红外传感器系统组成框图红外热释电处理芯片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，具有较高性能的传感信号处理能力，它配以热释电红外传感器和少量外围元器件构成被动式热释电红外开关，能自动快速开启报警装置。由于红外热释电传感器只对不断快速变化的红外信号才敏感，而自然界的红外信号一般都是缓慢变化或者是不变的，因此探头部分需要一个能对红外辐射进行调制的装置，本课题所使用的菲涅尔透镜。由于菲涅尔透镜采用了特殊的光学透镜组合，因此能在探测器前方产生一个交变的场区，即产生了一个交替变化的“盲区”和“有效区”。这样，外部目标的红外辐射通过菲涅尔透镜照射到敏感单元上的将会是交变的红外辐射，当这个交变的红外信号照射到探测器晶体上面，晶体的温度会发生变化，从而引起自发极化强度的变化，晶体表面的束缚电荷因此也会发生变化，这样就产生了一个随红外辐射变化的电信号1012。红外热释电传感器的正确安装应满足下列条件（1）红外线热释电传感器应离地面2022米。（2）红外线热释电传感器远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。（3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。4红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。233GSM模块目前，在国内已经开始使用的GSM模块有FALCOM的A2D系列，WAVECOM的WM02系列，西门子的SIM900A系列模块，这些模块的功能、用法差别不大。其中SIM900A系列模块性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证。西门子的SIM900A模块是西门子推出的无线模块，功能丰富，设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积。SIM900A与GSM2/2兼容、双频GSM900/GSML800、RS232数据口、符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，且易于升级为GPRS模块。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。因此本此课题研究选用西门子的SIM900A模块。它主要是由射频天线、内部F1ASH、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIP插座组成。其中GSM基带处理器是核心部件，它的作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送过来的AT指令。射频电路部分主要实现信号的调制与解调，实现外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换，匹配电源为处理器以及射频部分提供所需的电源，插座是提供给用户的应用接口主要有音频接口、数据接口、SIM卡接口、电源及其控制接口。SIM900A工作频段为双频GSM900MHZ和GSML800MHZPHASE2/2支持数据、语音、短消息和传真。SIM900A的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITUTRS232接口标准。它有固定的参数8位数据位和L位停止位，无校验位，波特率在300BPS115KBPS之间可选，硬件握手信号用RTSO/CTSO，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集。GSM模块提供的命令接口符合GSM0705和GSM0707规范。GSM0707中定义的ATCOMMAND接口提供了一种移动台MS与数据终端设备DTE之间的通用接口，GSM0705对短消息作了详细的规定。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示消息，数据终端设备可以向短消息模块发送各种命令13。3报警器硬件设计我设计红外防盗报警系统是由中央控制器、人体热释电红外传感器、SIM900A通信模块、警铃电路部分组成。控制器采用单片机AT89S52，检测部分采用红外感应芯片BISS0001，警铃电路设计。概况起来可分信号采集端，数据处理显示，警铃电路三部分。本文从硬件和软件两方面介绍了红外防盗报警系统，对硬件原理图和程序图作了简洁的描述。31主机电路设计报警器的主机采用AT89S52单片机来实现。单片机是将中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数器及输入输出接口电路等计算机主要部件集成在一块集成电路芯片上的微型算机。现在世界上已经有很多大公司能够生产单片机，随着超大规模集成电路的迅猛发展，单片机的功能也日渐强大，运算速度日益提高，相继出现了32位和64位单片机，但根据实际系统的需要和产品的性价比，本文选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89S52，构成系统的主机。主机部分的电路原理图如图31所示，它由复位电路、振荡电路组成。图31主机部分原理图311时钟电路AT89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图32所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1212MHZ之间选择，电容值在530PF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图33所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHZ的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用13。图32内部方式时钟电路图33外部方式时钟电路312复位及复位电路1复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表31所示。表31一些寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0P3FFHSCON00HIP000000BSBUF不定IE0000000BPCON00000BTMOD00H2复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期即二个机器周期以上。若使用颇率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间应超过4US才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图34所示。图34复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号RST送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图35A所示。这佯，只要电源VCC的上升时间不超过1MS，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。图35A上电复位图35B按键电平复位图35C按键脉冲复位按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，其电路如图35B所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图35C所示14。上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHZ晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。本系统中采用上电自动复位，其复位电路如图35A所示。32热释电红外传感器本系统采用的热释电传感器成品的引脚示意图如图36所示，引脚功能如下数字1脚电源负极数字2脚信号输出，高电平有效，46V和工作电压有关数字3脚电源正极DC69VW1灵敏度调整W2输出延时调整5120秒图36热释电红外传感器的引脚示意图它的技术参数如下1、工作电压DC69V2、电平输出和电源电压相同3、感应角度水平90140度；垂直1530度4、静态电流小于750A5、无信号输出0V6、感应距离0515米7、外形尺寸28MM38MM高25毫米（最高点）8、输出电平46V与工作电压有关9、工作时间可调5120秒范围当探测器检测到异常的情况，由2脚输出一个高电平，发送到单片机上，单片机做出报警处理。33SIM900A短信息收发模块GSM模块选用SIM900A模块，通过标准AT指令控制。GSM无线通信模块SIM900A具有语音、数据呼叫、短消息等许多功能，本系统主要采用GSM模块SIM900A的短消息接收和发送功能。基于AT89S52与GSM的短消息收发系统的组成框图如图37所示。计算机MCUGSM模块MOBILE图37系统组成框图该系统主要有两个通信模块AT89S52与GSM通信模块SIM900A，实现MCU与GSM模块之间的有线数据传输；GSM与手机通信模块，实现GSM模块与手机之间的无线数据传输。本设计采用PC机处理数据，通过单片机转发给SIM900A。GSM通信模块SIM900A是利用串口进行数据传输的，所以就可以使用AT89S52的串口和它直接进行数据传输，MAX232是完成电平转换的功能。设计电路框图如图2所示。SIM900AAT89S52MA