多用途智能防盗报警器的设计与实现10.01

1、 摘 要随着科技与生活质量的提升，现代生活的节奏加快，盗窃、入室抢劫、火灾等事件也随之增加，这毫无疑问地对社会的安定和人民的生活带来了很大的影响。人们在繁忙的生活中，不只是追求能有一个舒适的生存环境，更重视自己的生命和财产安全。因此，选择一种科学而又安全的方式来保护自己显得尤为重要，防火防盗报警器便成为目前需求量最大也最为实用的一种防护装置。本次课题是基于智能住宅安全防护设计的一款具有误报率低、可靠性高、使用方便、性价比高的防火防盗报警器。在本设计中，使用的是MCS-51系列单片机，具体的型号是AT89S51，利用热释电红外探测器HC-SR501和雷达式微波探测器XYC-WB-DC双重监测盗情

2、，在放火方面，主要从温度和气体浓度及烟雾方面进行入手，分别使用DS18B20和MQ-2来实现所需要的功能，并结合数字语音录放电路、GSM电路、LCD显示电路以及其他一些辅助电路实现火情盗情的实时语音拨号报警，相较于传统防火防盗报警器，大大提高了监测的准确度以及防护效率，而具有更高的实时性、可靠性。关键词：智能报警；防火防盗；AT89S51；传感器；语音拨号ABSTRACTWith the gradual improving of the science and technology, the quality of life has been better, and the rhythm of

3、modern life is getting faster and faster. At the same time, the theft, robbery, fire and other incidents are becoming more and more. There is no doubt that these events have brought a great impact on the stability of peoples lives. In this busy social life, people should not be satisfied with the cu

4、rrent situation, a comfortable environment, but they pay more attention to their own security of lives and property. Therefore, it is very important to choose a scientific and safe way to protect you. The fire alarm system will become the biggest demand and most practical kind of protection.This des

5、ign is an alarm with low false rate, high reliability, and easy to use. This cost-effective fireproof and theftproof alarm system was based on intelligent residential security protection. The core is MCS-51 series microcontroller (AT89S51), and the system uses a pyroelectric infrared sensors (HC-SR5

6、01) and a radar microwave detector (XYC-WB-DC) to monitor the theft, and uses the smoke sensors(MQ-2) and temperature sensors(DS18B20) to monitor the fire. At the same time, it combined with digital voice recording circuit, and GSM circuit, also the LCD display circuit and other auxiliary circuit ca

7、n achieve the fire alarm voice dialing. Compared with traditional fire and theft alarm system, this design has improved the accuracy of monitoring and the efficiency, also the alarm system has higher reliability. Key words: Intelligent Alarm; Fireproof and Theftproof; AT89S51; Sensor; Voice Dial目 录T

8、OC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc28594 第一章 绪论 PAGEREF _Toc28594 5 HYPERLINK l _Toc6718 1.1研究的目的和意义 PAGEREF _Toc6718 5 HYPERLINK l _Toc4180 1.2国内外研究现状 PAGEREF _Toc4180 6 HYPERLINK l _Toc18199 1.3我国家庭报警系统的发展趋势与展望 PAGEREF _Toc18199 7 HYPERLINK l _Toc10539 1.4论文主要工作 PAGEREF _Toc10539 8 HYPERLINK l _Toc15235

9、 1.5本章小结 PAGEREF _Toc15235 8 HYPERLINK l _Toc14261 第二章 系统整体方案的分析与设计 PAGEREF _Toc14261 9 HYPERLINK l _Toc21157 2.1智能语音报警系统的要求 PAGEREF _Toc21157 9 HYPERLINK l _Toc6065 2.2系统整体设计思路 PAGEREF _Toc6065 9 HYPERLINK l _Toc31141 2.2.1传感器的选择 PAGEREF _Toc31141 9 HYPERLINK l _Toc10351 2.2.2语音报警的选择 PAGEREF _Toc10

10、351 9 HYPERLINK l _Toc9812 2.2.3显示屏的选择 PAGEREF _Toc9812 10 HYPERLINK l _Toc13644 2.3系统的总体框架构成 PAGEREF _Toc13644 10 HYPERLINK l _Toc14367 2.4系统的基本原理与工作过程 PAGEREF _Toc14367 10 HYPERLINK l _Toc866 2.5本章小结 PAGEREF _Toc866 11 HYPERLINK l _Toc15763 第三章 系统硬件的分析与设计 PAGEREF _Toc15763 12 HYPERLINK l _Toc13693

11、 3.1单片机系统模块的分析与设计 PAGEREF _Toc13693 12 HYPERLINK l _Toc11002 3.1.1 AT89S51单片机介绍 PAGEREF _Toc11002 12 HYPERLINK l _Toc197 3.1.2单片机硬件电路设计 PAGEREF _Toc197 15 HYPERLINK l _Toc13011 3.2防火模块的分析与设计 PAGEREF _Toc13011 17 HYPERLINK l _Toc16327 3.2.1温度传感器DS18B20 PAGEREF _Toc16327 18 HYPERLINK l _Toc14144 3.2.2

12、烟雾探测器MQ-2 PAGEREF _Toc14144 20 HYPERLINK l _Toc7877 3.3防盗模块的分析与设计 PAGEREF _Toc7877 22 HYPERLINK l _Toc17303 3.3.1热释电红外探测器HC-SR501 PAGEREF _Toc17303 23 HYPERLINK l _Toc13166 3.3.2雷达式微波探测器XYC-WB-DC PAGEREF _Toc13166 25 HYPERLINK l _Toc14260 3.4智能语音拨号报警模块的分析与设计 PAGEREF _Toc14260 28 HYPERLINK l _Toc9071

13、 3.4.1语音录放模块 PAGEREF _Toc9071 29 HYPERLINK l _Toc23242 3.4.2 GSM拨号报警模块 PAGEREF _Toc23242 32 HYPERLINK l _Toc22655 3.5 LCD显示屏模块的分析与设计 PAGEREF _Toc22655 36 HYPERLINK l _Toc31168 3.6本章总结 PAGEREF _Toc31168 39 HYPERLINK l _Toc30160 第四章 系统软件的分析与设计 PAGEREF _Toc30160 40 HYPERLINK l _Toc5462 4.1编程软件介绍 PAGERE

14、F _Toc5462 40 HYPERLINK l _Toc8720 4.2系统软件设计总体概述 PAGEREF _Toc8720 41 HYPERLINK l _Toc1711 4.3主程序及各功能模块程序 PAGEREF _Toc1711 42 HYPERLINK l _Toc4699 4.3.1主程序 PAGEREF _Toc4699 42 HYPERLINK l _Toc29938 4.3.2温度检测模块程序 PAGEREF _Toc29938 43 HYPERLINK l _Toc26057 4.3.3 GSM拨号报警模块程序 PAGEREF _Toc26057 44 HYPERLI

15、NK l _Toc3356 4.3.4 LCD显示屏模块程序 PAGEREF _Toc3356 46 HYPERLINK l _Toc7819 4.4本章小结 PAGEREF _Toc7819 47 HYPERLINK l _Toc13627 第五章 系统的调试与实现 PAGEREF _Toc13627 48 HYPERLINK l _Toc11428 5.1硬件调试 PAGEREF _Toc11428 48 HYPERLINK l _Toc32426 5.2软件调试 PAGEREF _Toc32426 51 HYPERLINK l _Toc24521 5.3软硬件联合调试 PAGEREF _

16、Toc24521 53 HYPERLINK l _Toc30471 5.3.1调试过程 PAGEREF _Toc30471 53 HYPERLINK l _Toc240 5.3.2 调试中遇到的问题 PAGEREF _Toc240 57 HYPERLINK l _Toc13814 5.4本章小结 PAGEREF _Toc13814 57第六章 总结与展望 HYPERLINK l _Toc6543 PAGEREF _Toc6543 58 HYPERLINK l _Toc23964 6.1工作总结 PAGEREF _Toc23964 58 HYPERLINK l _Toc14538 6.2展望 P

17、AGEREF _Toc14538 59 HYPERLINK l _Toc5838 致 谢 PAGEREF _Toc5838 61 HYPERLINK l _Toc15434 参考文献 PAGEREF _Toc15434 62 HYPERLINK l _Toc8882 附录A PAGEREF _Toc8882 64 HYPERLINK l _Toc27284 附录B PAGEREF _Toc27284 66第一章 绪论1.1研究的目的和意义随着科技生活与经济的迅猛发展，人们对物质的追求也越来越高，而随着经济的大幅度提高，人们开始不仅仅只满足于温饱，而将目光转向更高层次的精神与物质上来，也因此开始

18、购买大量高档的物品1。然而，在现实生活中，由于思想教育与个人观念的不同，社会上仍然有一些不法分子存在着投机取巧的心理，想通过违法手段来获取非法利益，给许多住户带来了一定的威胁甚至危害，影响了正常的家庭生活。而家庭住宅的安全隐患还不止于此，为了生活更加便利，现在许多家庭都使用天然气、煤气作为厨房的燃料，冬日也时常用火箱、暖炉等工具取暖，虽然能给生活带来了诸多的便捷，但同时也增加了家庭住宅的火灾隐患。这些随之而来的，便是对于自身财产及安全的保障问题。如今，随着人们生活质量的稳步提高，人们对传统的家庭防护措施不再满足，而是要求有一个更加智能化安全化的住所，来保障自身以及财产的安全，而各式各样的防火、

19、防盗产品也应运而生。其中，结合了防火与防盗双重功能的家用报警器已成为目前最实用的家居防护装置。而随着时代的前进，电子系列产品同样在不停地推陈出新，层出不穷。科技飞速发展，科学技术作为中坚力量推动着整个社会，而人们在不断的进步与变化中，也在寻求着自身的安定，一个安定的环境和氛围也成为了人们最基本的需求和目的2。对于家庭安全防范来说，市面上的防火防盗报警器一般都采用单片机作为控制核心，利用相关的探测器、传感器监测警情信号，单片机在接收到信号后，触发报警系统，产生强光并伴随着警铃。而这种报警器缺乏与外界及时联系的手段，在家中无人的情况下，警情发生后如若无法及时告知，仍然会存在财产损害的情况，而无法达

20、到用户的实际目的，并且报警器存在着一定的误报率，尖锐的蜂鸣声和强光容易影响附近居住用户的生活，给住户带来不便。所以，人们开始寻求一种能预知警情并及时处理相应事故的方法，以便能有效地提高住宅安全，减少财产损失，达到真正的“以防为主，防治结合”的目的。本课题所研究的防火防盗报警器，以MCS-51系列单片机为控制核心，提高了产品效率，利用热释电红外探测器和雷达式微波探测器双重监测盗情3，利用温度传感器和感烟探测器集为一体的复合式火灾探测器双重监测火情，提高了产品的可靠性，大大降低了误报率和漏报率，且利用语音拨号报警装置，增加了与外界联系的手段，及时向住户报告相应的警情信息，提高了处理事故的机动性，达

21、到了更加先进的预防效果，对及时发现安全隐患，挽回经济损失有着重要的意义。1.2国内外研究现状步入21世纪，人类进入了数字化、信息化的时代，智能家居便是这个时代衍生出来的产物，而安全防护技术作为智能家居的其中一项分支，也快速地发展了起来。据有关部门统计，近些年来，全球家庭安防网络监控市场正以百分之四十的增长率呈爆发式上升，由此可见市场需求潜力的巨大，各国的运营商以及厂商针对这一市场也纷纷推出了各式各样的安防产品以及服务。而在不同的国家，家庭安防体系的发展也相应不同。美国是安全保障行业最早形成的国家之一，由Gold Book杂志提供的数据可知，美国将近五分之一的家庭安装了带有监控装置的安防系统，家

22、庭电子安防行业年业务额高达333.5亿美元4。目前，美国emWare公司又推出了一种新型的家庭远程监控系统，这种系统正在被广大美国家庭所认可，并普及开来。这种新型系统采用了全新思维理念的安全防护技术，能够让外出或工作的人们通过因特网来监控自己的住宅安全，用户只需要在计算机运行的网络浏览器软件中用鼠标点击一下，即可使用该技术达到监控的目的。据了解，编写在该系统中的软件不仅可以控制门锁的开关，还可以控制家中的恒温、安全、娱乐设备，例如空调，防盗窗，电视机等，甚至连家中的病人都可以实现无人监护。英国也是首批发展安全保障行业的国家之一，他们尤其重视视频监控方面的发展，将其运用于交通、医院、学校、银行、

23、工业等重要场所，而安装了不少监控设备，数量在全球排至首位5。也因此刺激了CCTV市场的发展，在现有情况下，每年仍以百分之二点九的速率稳步增长，其中，家庭联网视频监控也在逐步增加。而近期有关安全防护技术的展会2016年英国伦敦国际安全技术展览会(IFSEC 2016)也将于2016年的6月21-23日在伦敦举行，此次的展出将会看到各类新品和最新技术，安全防范类、楼宇智能类、消防监控类、装备类、个人安全类都是此次展出的重点。在日本，有关家庭报警业务的发展十分快速，其中，西科姆公司更是在业界内公认的龙头老大。早在20世纪60年代起，西科姆公司就已经将自己的业务放在了安全服务运营商，并在上个世界八十年

24、代正式推出了独创的综合家庭安全服务6。西科姆公司在联网报警服务上主要采用两种运营模式：设备购买制以及设备租赁制，目前，西科姆在日客户已达130万户，年营业额超50亿美元。不仅仅是西科姆公司，日本的电信公司NTT运用自己运营电信业务这一强大优势，打开了安全服务业务的大门，退出了i-mode模式，可以通过手机或者其他电子移动设备对家中的家电或其他设备进行操控，将M2M远程控制的理念应用在了远程监控方面7。我国家庭安防报警市场发展时间并不长，相比较欧美等国家的家庭安防报警系统而言，我国的报警系统仍存在着较大差距，报警产品也相对较低。前些年我国的报警业务主要以ADEMCO、BOSCH、以色列EL、日本

25、艾礼富等国外品牌为主。随着国外报警产品的引进，刺激并带动了我国的家庭安防市场，以深圳、福建泉州为中心的安防产业迅速发展和壮大，形成自己的民族品牌，例如：福建冠林科技有限公司，自1990年创立以来便迅速发展，时至今日已拥有超50家分支机构，主打AH8000数字家居系统，是国内率先推出的以TCP/IP协议为基础的数字化在线智能家居系统；时刻防盗电子有限公司，主打产品为基于SK 2S9G GSM/PSTN的双网报警控制器，可以通过电话进行报警，既可以使用家庭固定电话也可以使用GSM及手机进行报警，也就是说兼容了有线和无线的方法，十分便利；深圳市安博士电子科技有限公司，是与德国想过产业公司进行严密合作

26、的公司，主要产品安博士全语音防盗报警器，这种报警器的特点是无线连接，分区布防。除了能够实现应有的基本功能外，还可以进行远程的监控以及在线语音报警8。但整体来说，我国的安防企业普遍较小，抗风险能力相对较低，也没有形成特别突出的民族龙头品牌，但就目前的形势而言，我国的安防市场还有很大的上升空间，可谓是机遇与挑战共存。1.3我国家庭报警系统的发展趋势与展望世界日新月异，物联网和智能家居的概念逐渐走进寻常百姓家。其中，改变最大的几样之一就是报警器，以前的报警器只有单一的拨号报警功能，而如今人们使用的报警器多位智能控制的，从而使报警器有了更多的增值服务。目前市场上的报警器通常会选择分块设置，产品出厂，除

27、了设置安装好一些必要的功能外，还会预留一些可供用户自行操作的接口。大多数的附加功能都是通过对不同模块进行添加而实现的，例如：网络模块、语音拨号模块、GPRS模块、家电控制模块等9。由此可以看出，智能家居的逐步普及带动了防火防盗报警器行业的发展，并逐步转变了市场需求，这样一来功能多样化带有多种模块及升值服务的智能多用途报警去将变得更加有竞争力。目前，虽然我国的智能家居缺乏具体的标准，各家有各自的配置方案，但这一定是未来的发展趋势。防火防盗报警器也是智能家居的一部分，防火防盗报警器的发展也必定能促使智能家居的发展。家庭安防已经迈进了智能化时代，随着技术的不断革新，人们将花费更少的钱，便可轻松掌握家

28、中的动态。智能家庭安防系统将会通过安装在用户住宅中的网关终端，采集有害气体泄漏、火灾、烟雾、门禁、视频监控等设备的信号或数据，即使住户远在千里之外，家中不论大小动态尽在掌握之中。且当一旦家中出现异常情况，便通过所设定的报警系统，向住户发送短信或者拨打紧急电话，确保家庭的生命财产安全。除了这些功能以外，在未来更先进的远程控制系统中，智能化还充分考虑与各种网络电器相互联接，对家居进行综合布置和管制，使住户可以轻松地远程开关房门、灯、冷暖气设备等。1.4论文主要工作根据国内外的研究以及发展情况来看，智能住宅安全防范技术已成为我国未来智能住宅安全建设的重点发展方向10。本次课题主要研究并设计的是隶属于

29、智能家居大分类里面的多用途防火防盗报警器，主要是为了满足大部分住户对家庭防火防盗的基本要求。其实现的功能有：对非法分子入侵行为的监测、对烟雾及火灾情况的探测、LCD显示屏显示警情类型、语音拨号报警、系统异常自动复位。（1）硬件方面：1.单片机主控电路，包括晶振电路、复位电路的设计。2.传感器探测电路，包括盗情监测模块和火情监测模块的设计。3.LCD显示电路。4.语音报警电路，包括语言录放模块和GSM电路的连接设计。5.电源电路。（2）软件方面：1.主程序设计，包括对传感器的信号接收处理以及报警函数的编写。2.温度检测子程序设计，包括DS18B20的读写数据和数据转换程序。3.GSM拨号子程序设

30、计，包括GSM初始化及数据传输程序编写。4.LCD显示子程序的设计，包括温度显示和三种报警类型的显示程序编写。（3）软硬件联合调试：1.利用程序烧录工具将已编译的程序烧录进单片机中。2.以功能模块划分，按先后顺序主逐一进行调试。3.整体功能联合调试。 1.5本章小结本章论述了有关家庭安全防范的目的以及重要性，介绍了有关智能家居安防技术的历史发展与国内外研究现状，并对我国的智能住宅发展进行展望，由此而引出本论文研究课题，从硬件、软件、软硬件调试三个方面对所设计的防火防盗报警器进行总体的概述。第二章 系统整体方案的分析与设计2.1智能语音报警系统的要求本课题要求在智能安全防护的范围中，使用MCS-

31、51系列单片机AT89S51，设计出一款具有误报率低、可靠性高、使用方便、性价比高的防火防盗报警器。它的主要功能是放火和防盗，能够实现外部情况的自动检测和自动报警。其中，由红外探测器和微波探测器实现盗情报警，由温度探测器和烟雾探测器集为一体的复合式探测器实现火情报警，并结合数字语音录放电路、通话电路，以及其他的一些必要的辅助电路，来完成设计出一款性能高的多用途防火防盗报警器。2.2系统整体设计思路2.2.1传感器的选择本次设计中所使用的传感器均选择了可直接与AT89S51单片机的I/O口相连的元器件，可简化布线，并易于实现。热释电红外传感器选择了HC-SR501，它不仅具有全自动感应功能，而且

32、还有灵敏度高，可靠性强，超低功耗等特点。微波探测器选择了XYC-WB-DC，是运用了多普勒雷达技术的探测器，不仅具有可靠性高，抗干扰能力强等特点，还其感应的距离和角度也非常之广。将这两个传感器结合作为盗情监测模块，能大大提高盗情监测的准确度。温度传感器选择了DS18B20，属于数字式温度传感器，感应精度高，温度检测范围为-55度到+125度，适用于家庭火灾温度探测。烟雾探测器选择了MQ-2半导体气敏元件，适用于液化气、甲烷、丙烷等可燃气体以及烟雾的检测。将这两个传感器结合作为火情监测模块，能大大提高火情监测的准确度。2.2.2语音报警的选择语音录放模块选择了ISD1820语音芯片，不仅操作简单

33、，使用方便，且语音高度还原，可直接受AT89S51单片机控制。拨号报警模块决定使用由射频芯片、存储器、功率放大器等集成的GSM模块，选择SIM900A作为处理芯片，价格合理，操作容易，可直接通过串口接入单片机来实现拨号报警功能。2.2.3显示屏的选择显示模块选择了LCD液晶显示屏，显示屏的型号是LCD1602，能够实现“警情类型显示”及“温度显示”的功能，正常情况下显示温度数值，如若发生火情，则显示“jingbao 119”，如若发生盗情，则显示“jingbao 110”。2.3系统的总体框架构成本系统的主要功能是，将产品安装在住宅中时能够检测出外部信号实现防火防盗，由四个传感器组成的防火防盗

34、模块热释电红外传感器和雷达式微波探测器（盗情）、温度传感器和烟雾气敏探测器（火情）对住宅进行实时监测，并将所检测到的信号传输给单片机，单片机会对接收到的信号进行分析，如若发生异常情况，则在LCD显示屏上显示警情类型，并通过GSM模块进行远程语音拨号报警。智能报警系统框架图如下图2.1所示。热释电红外探测器雷达式微波探测器温度传感器烟雾气敏探测器AT89S51单片机LCD显示屏语音录放GSM拨号报警图2.1 智能报警系统框架图2.4系统的基本原理与工作过程本系统有防盗报警和放火报警两种类型，对系统进行上点后，系统编开始复位且处于待机状态。当热释电红外监测器发出的光被遮挡，微波检测器采集到警情信号

35、，有入侵行为发生或者温度传感器检测到温度上升至报警设定值，烟雾探测器检测到可燃气体或烟雾时，则将采集到的警情信号传送至单片机，单片机接收到警情信号分析后进行处理，如果确认有警情发生，判断出警情类型，并在显示屏上显示出来，如果是火情信号，则显示屏显示“jingbao 119”，如果是盗情信号，则显示“jingbao 110”。在确认情急情况的种类后，单片机便通过程序向程序中写着的电话号码进行自动拨号报警，同时，单片机还会驱动语音录放电路，使其播放之前已经录制好的报警声效。2.5本章小结本章详细介绍了课题整体的设计思路，经过多方面考察以及资料的翻阅，了解了各类不同传感器及其他元器件的特性，从而确定

36、了所需要运用的各模块元件，并对系统的整体结构进行了分析，详述了家庭智能语音防火防盗报警器的基本原理以及工作过程，对本次所设计的报警系统有了大致的描述。第三章 系统硬件的分析与设计3.1单片机系统模块的分析与设计上个世纪七十年代，因特尔公司的胡夫成功地研制出了人类史上首个四位的微处理器芯片Intel 4004，这意味着以此为代表的首代微处理器正式出现在世人的眼前。此后，Intel公司不断改良创新，先后推出了Intel 8008、Intel 8080、Altair 8800等微处理器芯片。上世纪七十年代中期，因特尔公司成功推出了MCS-48系列单片机，不同于4004，它是八位的，且体积小、经久耐用

37、、易于控制、性价比极高11。1980年开始，Intel公司以MCS-48单片机为基础，研制出了新的MCS-51系列单片机，MCS-51系列单片机不管是片内RAM容量，或者是I/O口功能、系统扩展方面相较MCS-48系列都有了很大的提高，一举成为应用最为广泛的单片机系列，直到今天也是国内教材中最为经典，参考实例最多的单片机系列。本次毕业设计就在实际的设计中就选用AT89S51作为控制核心。3.1.1 AT89S51单片机介绍AT89S51是由美国享有盛名的ATMEL公司研制出的拥有者高性能和低功耗双重优点的8位单片机芯片。片内包含有4k Bytes可反复擦写1000次的只读Flash程序存储器和

38、128 Bytes的随机存取数据存储器，兼容标准MCS-51系列指令系统以及80C51引脚结构12。它有32个外部双向输入/输出（I/O）口P0口、P1口、P2口、P3口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，中断系统具有5个中断源、5个中断向量，有26个特殊功能寄存器，2个16位定时计数器,2个全双工串行通信口，3个程序加密锁定位，片内的一个时钟振荡器，与AT89C51相比还增加了看门狗电路，提高了抗干扰能力。AT89S51芯片的片内结构如下图3.1所示，图中可以详细看到芯片片内的各组成功能部件，以及他们之间的通信关系，并且可以从图中看出，单片机芯片内部各个功能部件是由单总线连接的，基本结构和以往

39、的芯片一样，都是CPU加上外围芯片的传统式结构。通常情况下，CPU会利用SFR对其片内各个不同器件进行管理操纵。图3.1 AT89S51单片机片内结构图其片内各功能部件如下：（1）微处理器(CPU)微处理器是8位的，与常见的通用CPU基本相同，其由两大部分组成，分别是运算器和控制器。运算器由算术/逻辑单元ALU、寄存器B、累加器ACC、暂存寄存器等部分组成；控制器由指令译码器ID、指令寄存器IR、程序计数器PG、及定时逻辑控制电路等组成13。同时，CPU还有面向控制的位处理功能。（2）数据存储器(RAM)RAM有两个部分，分别是片内RAM和片外RAM，片内为128B，当遇到片内RAM容量不够用

40、的情况时，片外最多可扩展到64KB。片内RAM的集成方式是高速RAM，这样可以加快单片机运行的速度并且减少芯片的功耗。（3）程序存储器(Flash ROM)和RAM一样，程序存储器也有两个部分，一个是片内ROM，一个是片外ROM。片内集成有4KB的Flash存储器，擦除方式是电擦除，可用通用编程器对其编程，也可在线编程。当遇到片内的容量不够用的时候，片外存储器同样可以扩至64KB。 （4）中断系统具有6个中断源，2级中断优先权。（5）定时器/计数器有两个16位的定时器/计数器，工作方式一共有四种。（6）看门狗定时器(WDT)看门狗定时器包含一个14位计数器和看门狗定时器复位寄存器，当CPU陷入

41、死循环或者跑飞时，看门狗电路可以让程序恢复正常。（7）串行口串行口是全双工的异步串行口，工作方式一共是四种。它的作用是实现串口通信，同时可以扩展为I/O口使用，还可以通过串口与其他单片机相连，形成多机系统。（8）P0口、P1口、P2口、P3口4个双向8位并行I/O口，其中输出锁存器属于特殊功能寄存器。输入/输出端口的组成是输出锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。（9）特殊功能寄存器(SFR)共有26个SFR，其作用是管理和监视片内各部件。SFR是各个功能部件的控制寄存器和状态寄存器，映射在片内RAM区内，映射地址为80H至FFH。SFR反映了单片机系统内部的工作状态及方式14。AT89S51一共有

42、40个引脚，本设计选择的分装是DIP-40，引脚如图3.2所示。图3.2 AT89S51单片机引脚图各引脚功能如下表3.1所示。表3.1 AT89S51单片机引脚功能表引脚名称引脚功能VCC电源正极引脚VSS/GND电源负极引脚XTAL1时钟引脚，接反相放大器的输入XTAL2时钟引脚，接反相放大器的输出RST复位信号输入引脚。高电平有效EA/VPP选择内外存储器/片内EPROM编程输入引脚ALE/PROG地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚；在CPU访问外部程序或数据存储器时，ALE将低8位地址锁存在片外地址锁存器中，该引脚在使用FLASH编程时作为负脉冲的输入端。正常操作情况下，其端口

43、频率为输出时额定频率六分之一的脉冲，还可做外部定时信号。PSEN外部程序存储器选通信号输出引脚；低电平有效P0口P0口含有一个输出锁存器、两个三态缓冲器、一个输出驱动电路以及一个输出控制电路。当需要访问外部存储器的时候，该端口是一个数据总线口，而且是真正的双向总线结构，同时又可以输出八位的地址口。采用了分时控制的方式。P1口P1口并不是真正意义上的双向端口，其实一个准双向端口，其主要是为用户使用的I/O口。P1端口每一位相互独立，所以在使用时可以单独地只使用一个P1口作为输入或输出端口。在我们编程校验的时候，P1口可以用来输入低位的字节地址。P2口P2端口是一个双向口，即可以用来输出，也可以用

44、作输入。在使用中，当我们需要进行系统扩展的时候，可以用来输出高八位的地址，如果不需要进行系统扩展的时候，我们可以把P2端口作为用户的I/O口使用。P3口P3口是一个复用功能端口，首先和P0、P1、P2一样，P3口是可以做通用的I/O口的，其次是作为变异功能使用。在实际使用中，在我们进行真正设计应用电路的时候，该端口的第二功能尤为重要，P3口第二功能分别为P3.0：串行输入口（RXD）；P3.1：串行输出口（TXD）；P3.2：外部中断0（INT0）；P3.3：外部中断1（INT1）P3.4：定时/计数器0的输入口（T0）；P3.5：定时/计数器1的输入口（T1）P3.6、P3.7：外部数据存储

45、器选通写（WR）、读（RD）端口3.1.2单片机硬件电路设计1.电源电路在进行一个电子设计时，第一个问题就是该如何给系统供电。设计一个可靠的电源电路是使系统能够平稳运行关键所在。AT89S51单片机的额定电源电压幅值为+4.0伏到+5.5伏，本次设计采用的电压值是+5伏。电源电路连接示意图如下图3.3所示。图3.3 电源电路连接示意图2.复位电路单片机在一次运行结束或当某一步特定的操作执行完毕，或者是在程序有故障时，需要单片机有一个复位功能，其目的是为了使单片机重新回到初始状态，以便下一次运行或纠正错误状态。本次设计中设计的复位电路接线图如下图3.4所示。此电路可以实现上电以及按键两种复位。(

46、1）上电复位：在电路图中，电容为10uf，刚上电时，电容开始充电，电容两端的电压由0V变化到3.5V左右，电阻两端的电压由5V到1.5V减少，所以在电容充电阶段，RESET引脚一开始是5V的电压值，随后逐渐减少到1.5V。5V在单片机系统中被认定为高电平，此时单片机复位，随后降到1.5V，被认定为低电平，单片机正常工作。(2）按键复位：在单片机启动后，电容处于充电饱和阶段，此时RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，电容两端形成回路，电容开始放电，在放电过程中，RESET引脚处电压再次从低转变为高电平，系统成功复位。图3.4 复位电路连接示意图3.晶振电路晶振电路在单片机的系统中，

47、可以说是一个类似于心脏的存在，是必不可少的一个部件。晶振的全名叫做晶体振荡器。它的主要作用是配合单片机内部单路一起，为单片机产生所必须的时钟周期频率，单片机的运行时必有有时钟周期的，时钟周期就由晶振产生。晶振的频率越高，运行速度就越快15。在通常情况下，单片机使用的晶振范围在1.2MHz到40MHz，在本次设计中选择的振荡源是晶振频率为11.0592MHz的晶体振荡器。晶振电路连接示意图如图3.5所示。图3.5晶振电路连接示意图3.2防火模块的分析与设计在我国，每年约发生五万起家庭火灾，这些火灾造成了不同程度的人身和财产的损害。在现代家庭中，由于置放一些木制家具、窗帘、沙发等易燃物品，在发生火

48、灾时，这些物品迅速起火，快速传播开来，又由于现在的居民楼也十分紧凑，也易造成大面积火灾，损失更加惨重。因此，家庭防火至关重要。考虑到一般的住宅通常会存在火灾和有害气体泄漏的隐患，本次设计的防火模块采用灵敏度及可靠性均较高的温度传感器DS18B20以及烟雾气敏探测器MQ-2，实时监控住宅温度变化和烟雾、有害气体等的浓度。防火模块设计框图，如下图3.6所示。图3.6 防火模块设计框图3.2.1温度传感器DS18B20DS18B20是由美国DALLAS半导体公司研制推出的一款单总线式智能温度传感器，其内部结构主要包含64位ROM、温度报警触发器TH和TL、温度传感器、配置寄存器等16。DS18B20

49、和传统的温度传感器相比，拥有更远的传输距离，更高的测温精度，更短的转换时间和更高的分辨率。除此以外DS18B20体积小，抗干扰能力强，性价比高，得到了广泛地应用。它在测温时，可以直接将所测得的温度用数字信号的形式表示出来，并可以根据用户需求通过程序将温度值转换成9到12位的数字读数方式，十分简洁方便。本设计所使用的温度探测模块接线图如图3.7所示。图3.7 温度探测器连接示意图在温度探测模块中，DS18B20采用独立的带上拉电阻的电源供电方式，输出的信号经过P1.3口写入单片机中，单片机经过处理后输入至LCD1602液晶显示屏。1.DS18B20外形和内部结构DS18B20的外形及其管脚封装有

50、两种，如下图3.8所示。图3.8 DS18B20外形结构封装图其以三脚式封装最为常见，其中：（1）DQ端为数字信号输入/输出端；（2）GND端为电源地；（3）VDD端为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。DS18B20内部结构框图如图3.9所示。图3.9 DS18B20内部结构框图其内部结构介绍如下：（1）64位ROM：在ROM中存放的是DS18B20的序列号，这个序列号可以看做是DS18B20的地址代码，这样一来当在一根总线上连接了多个DS18B20测温时，可以通过查序列号的方法识别数据来自于哪一个传感器；（2）温度敏感元件：用来检测温度，并将检测到的数据存放在两个寄存器中；（3

51、）内部存储器：内部存储器中是一个高速暂存的RAM和一个E2PROM。这个E2PROM是非易失性可擦除的，用来存放TH、TL和配置寄存器中的数据。2.DS18B20的主要特性（1）测温范围为-55125，测量精度为0.5。（2）采用独特的单总线式结构接口，在与处理器之间传输数据时，只需要一根线就可以实现双向通讯。（3）支持多点组网功能，多个DS18B20可并联在一根工作总线上，实现多点测温。（4）在使用中只需要一个传感器就可以完成供电、检测和数据传输，无需任何外围电路辅助。（5）可分辨温度最小为0.0625，精度十分高。（6）具有良好的负压能力和保护电路，电源反接不会烧坏传感器。3.DS18B2

52、0工作原理与测温过程图3.10 工作原理图 如上图3.10所示，低温度系数的晶振振荡频率不怎么受温度影响，用来固定地为计数器传输脉冲。高温度系数的晶振对于温度变化较为敏感，其随着温度变化而产生的不用频率脉冲信号会作为减法计数器2的脉冲输入17。除了这两个计数器以外，系统中海油一个计数门，该计数门对低温度系数振荡器发出的时钟脉冲进行计数，从而完成温度的测量。斜率累加器用来补偿和修正计数中出现的非线性变化，用于修正预置值。3.2.2烟雾探测器MQ-2对于家庭火灾来说，着火类型分为明火和阴燃两种情况。发生明火时，由于与氧气接触，并且家中有沙发、窗帘等易燃物品，所以火势蔓延较快，温度会迅速升高，有利于

53、温度探测器的监测并及时报警。但当火势还处于阴燃状态时，例如在冬日门窗紧闭的家中，像西部地区常用的火箱，就极易发生被褥在火箱中阴燃的情况，此时由于空气不流通，无法燃起明火，初期只能产生大量烟雾，这时烟雾探测器就显得非常必要了。防火系统中加入烟雾探测器，可以有效并及时地探测出还未失控的火灾，挽回由火灾所造成的损失。本次设计中选择的烟雾探测器MQ-2不仅价格低廉、硬件抗腐蚀性强，灵敏度也十分高，能很快地探测出火灾初期的烟雾，不仅如此，它还能检测出甲烷、煤气等有害气体的泄漏，并及时输出报警信号，十分适用于家庭防火、防煤气泄漏检测。本设计所使用的烟雾探测模块接线图如下图3.11所示。图3.11 烟雾探测

54、器连接示意图在烟雾探测模块中，MQ-2的有效电平为低电平，输出的信号经过P1.2口写入单片机中，单片机经过处理后输入至LCD1602液晶显示屏。1MQ-2的结构与外形MQ-2结构与外形图如下图3.12所示。MQ-2烟雾气敏传感器使用的是半导体气敏材料，材料是二氧化锡，二氧化锡在清洁的空气中导电性能较差，是一种表面离子式半导体半导体18。MQ-2气敏元件的结构以及外形图如下所示，MQ-2采用的是六脚封装，其中，4个引脚都是用来取信号，剩余的俩引脚是用来提供加热电流的。图3.12 MQ-2结构与外形图2.MQ-2的主要特性（1）对天然气、液化气等多种可燃性气体以及烟雾具有很高的灵敏度，并且能用来检

55、测甲烷等有害气体。（2）抗干扰性强，对有刺激性但并不可燃的气体能够准确排除。（3）具有良好的重复性以及长期的稳定性。初始稳定时，响应的时间短，长时间工作性能好，但在使用前需先加热一段时间。（4）检测范围广。检测范围可达100-10000ppm。（5）电路设计电压范围广，只要在24V以下均可；加热电压为50.2V。（6）具有快速的响应恢复特性。3MQ-2的工作原理及感烟过程MQ-2烟雾探测模块的电路原理图如下图3.13所示。图3.13 MQ-2电路原理图传感器接入电源后，气敏电阻开始预热，当到达一定的工作温度后，空气中的氧气将会被其吸引，并吸附在其表面上。随后，空气中的氧气分子便会变为阳离子，随

56、后由于气敏电阻中的自由电子减少，电阻值增加19，由此特性可以得知，当空气中烟味浓度增大时，电阻值增大，输出的模拟信号随之增加。所以该探测器被用来检测空气中的烟雾浓度。当检测到浓度发生变化时，烟雾传感器的4脚输出由浓度变化影响后的实时电压值，该电压为直流电压。该电压输出后，会输入模块中内置的一个比较器中，当此直流电压高于比较器中的设定值时，模块输出低电平，当该直流电压值低于设置值时，模块持续输出一个高电平。该高低电平信号将被送入单片机的P1.2引脚。内置比较器的设定值可以用电位器进行设置。3.3防盗模块的分析与设计近年来，我国的盗窃犯罪呈逐渐增长的趋势，频发的入室偷盗、抢劫的案例证明，虽然我国的

57、经济水平在不断上升，但在贫富差距仍然较为严重的当代，仍容易使部分人员心理失衡，滋生不劳而获的违法念头，又或是因为自身法制观念淡薄，缺乏理性思考，而受不良风气影响，采取了极端的手段。因此，家庭防盗至关重要。考虑到窃贼自身可发出红外光波，并且会在偷盗过程中会有一定的动作，本设计采用热释电红外探测器HC-SR501，检测人体发出的红外线，用雷达式微波探测器XYC-WB-DC检测人体的移动行为，构成双重防盗监测系统。 防盗模块设计框图如下图3.14所示。热释电红外传感器雷达式微波探测器AT89S51单片机LCD显示屏图3.14 防盗模块设计框图3.3.1热释电红外探测器HC-SR501在自然界中，任何

58、大于绝对零度的物体都能够产生热辐射，而任何能够发热的物体都能够产生红外线。人体的正常体温一般都恒定在36到37.5，自身辐射出最强的红外线波长在9.64m到9.67m20。热释电红外传感器是利用热释电材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应来探测红外辐射能量的器件，它能够以非接触性的形式检测出来自人体以及外界物体所辐射出的微弱红外线能量，并将其转化成电信号输出。本设计采用HC-SR501热释电红外探测器作为盗情监测模块的一部分，它采用了德国制造的LHI778热释红外探头，具有灵敏度高、可靠性强、工作电压低等优点21。本设计所使用的热释电红外探测模块接线图如下图3.15所示。图3.15 热释

59、电红外探测器连接示意图1.HC-SR501的实物及结构图图3.16 HC-SR501实物及结构图其中：（1）1端为电源正极 （2）2端为OUT信号输出端 （3）3端为电源负极HC-SR501电气参数如下表3.2所示。表3.2 HC-SR501电气参数表2.HC-SR501主要特性 （1）全自动感应。当有人进入到传感器检测范围时，输出高电平，否则输出低电平。（2）光敏控制。可自行设置光敏控制，白天或光强时不感应。（3）温度补偿。当周围环境温度升高，超过三十摄氏度时，探测距离会有所缩短，内置的温度补偿设置可对此进行一些补偿作用。（4）具有感应封锁时间。（5）工作电压范围广。默认的工作电压为DC4.

60、5V-20V。（6）微功耗。静态电流小于50微安。（7）输出高电平有效信号。可方便实现与各类电路的对接。3.红外探测模块的工作原理及探测过程图3.17 人体感应模块电路图 如上图3.17所示，当人进入探测区域中活动时，其本身辐射出的红外光谱到达探测头的距离以及时间上会存在一定差值，并且该差值越大，红外探测的感应模块就越灵敏，如果人正在从远处向传感器走，探测元件无法检测到红外光谱距离的变化，因此无差值，称感应不灵敏，或者不工作，因此在实际使用时，应将探头朝向尽量与人体活动方向保持平行，保证人体经过时被探头所感应。探头检测到红外信号后，再通过BIS0001高性能处理芯片，将接收到的信号处理成相应的