智能家居红外防盗报警系统

目录1前言2目的2意义2技术要求2要解决的问题21.5成果22总体方案设计3方案比拟32.1.1方案一32.1.2方案二3方案论证3方案选择33单元模块设计5各单元模块功能介绍及电路设计53.1.1电源模块53.1.2单片机模块53.1.3时钟模块53.1.4复位模块53.1.5红外模块53.1.6GSM模块5元器件的选择5特殊器件的介绍53.3.1TC35i的介绍53.3.2AT89C51的介绍5各单元模块的联接64软件设计6软件设计原理及设计所用工具6系统软件设计结构图及其功能6主要软件设计流程框图及说明65系统调试76系统功能、指标参数8系统能实现的功能8系统指标参数测试8系统功能及指标参数分析87结论98总结与体会99谢辞910参考文献10附录：11附录一:系统电路图11附录二:GSM模块图11附录三:主要程序11附录四:外文翻译资料111前言随着科技的进步，人们的生活水平日益提高，人们越来越重视生命财产平安，家庭防盗就变得日益重要，而传统的家庭防盗系统已不能满足需要。传统的家庭防盗系统功能简单，易破解，平安性能不高，报警范围不广等缺点，本设计针对这些缺点采用单片机控制，来实现智能家居红外防盗报警。目的本设计以单片机为控制核心，通过热释电红外传感器来采集信号，从而使家庭防盗更为准确，使系统更为平安，另外可通过GSM模块发送短信告知家中平安情况。意义本设计的主要意义是解决传统平安防盗系统的缺乏，以提高系统平安性、准确性。GSM芯片主要是提高报警范围，增强平安性能。技术要求本设计要求能正确采集红外信号，假设有人体通过那么通过单片机控制声光报警器，发出报警信号，并且GSM芯片能将此警情发送至预先设定的号码。要解决的问题传统的平安防盗系统虽然能对普通警情进行报警，但是由于其报警范围仅限于室内或者报警范围很小，且警情采集不够准确。本设计需要解决的主要问题是单片机对各个模块之间的控制，以及能正确的发送短信。成果2总体方案设计防盗报警系统由红外传感器作为警情采集器，单片机作为报警控制器，声光报警器作为室内报警器，GSM作为对外报警器。整个系统由警情采集、报警控制和警情处理组成。比拟方案一方案一采用固定对外进行报警，撤防布防。方案一系统框图如下：方案二方案二采用GSM作为对外报警方案二系统框图如下:论证通过….方案选择3单元模块设计电源模块本设计所用的单片机需要+5v直流供电，为了保证24小时不间断工作，因此设计了电源模块。该模块主要利用市电〔交流220V〕通过降压、整流、滤波、稳压，然后输出一个+5V的电压。电源模块为整个电路提供一个稳定、持续、纹波少的电压，因此，假设电源模块不能到达设计要求那么会影响整个电路的正常工作。电源模块设计框图如下：变压器降压7805稳压变压器降压7805稳压桥式整流市电(220V)市电(220V).1电源模块框图电源模块protelPCB原理图如下：图3.电源模块PCB原理图变压器变压器是一个降压变压器，它将市电〔交流220V〕降低到一个适宜的交流点压值，然后送至桥式整流电路。变压器的副边电压由变压器副边和原边线圈匝数之比η来确定。η也是变压器副边与原边的功率比。该电源模块中η取为22，那么变压器副边输出电压为10V的交流电。整流滤波四只整流二极管D1～D4组成了单相桥式整流电路，它将变压器输出的10V交流电变成峰值为10V的脉动直流电，再将此直流电送至滤波电容C13滤除纹波，输出直流电压。其中是变压器副边输出交流电压的有效值。稳压器稳压器采用集成稳压器CW7805，它是固定式三端稳压器，由于本设计中要求提供的电源电压为+5V，为不变直流电压，因此选用CW7805，它输出为固定的+5V电压，在输入端接上电容C14可以进一步滤除纹波，输出端接电容C15能改善负载的瞬态影响，从而使电路稳定工作。其中C14和C15采用漏电流小的钽电容，假设是电解电容应将电容值增加十倍。7805的PCB引脚如下列图.3CW7805引脚图图中1脚为输入端,接整流滤波电路的输出端；2脚为接地端；3端为输出端接电容。3.2声光报警模块当红外采集到警情时，由单片机输出控制信号，发出声光报警，其电路PCB图如下列图：声光报警电路图其中LED端接单片机4脚〔口〕，SP端接单片机8脚〔口〕，当发生警情时口和口输出电压约为4V的高电平，从而使Speaker和发光二极管工作。蜂鸣器采用市面上常用的压电式蜂鸣器，然后由口经三极管驱动蜂鸣器发声。由于压电式蜂鸣器需要10口接三极管的基极，当它输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器获得+5V的电压而发声；当它输出低电平时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。3.3时钟模块单片机各个功能部件都是以时钟控制信号为基准来运行,时钟频率会直接影响单片机的速度。时钟电路有两种设计方式，内部时钟方式和外部设计方式，本设计采用内部时钟方式。如下列图所示图3.1.3.1时钟模块电路其中XTAL1和XTAL2分别是单片机内部高增益反相放大器的输入端和输出端。这连个端口之间连接一个石英晶体振荡器和两个微调电容，就构成了时钟电路。由于该单片机的机器周期为1us，单片机的机器周期与时钟周期的关系是其中机器周期，那么时钟频率，51单片机最常用的是12MHz和6MHz的晶振器。所以本设计采用12MHz的石英晶体。假设采用外部时钟方式，外部时钟源直接连接到XTAL1，而XTAL2端悬空。内部时钟方式具有稳定性好、本钱低、制作简单等优点，而本设计采用的是51单片机，不要求过高频率的时钟信号，那么完全可以采用内部时钟方式。随着制造工艺技术的开展与提高，单片机的时钟频率也随之增加，某些高速率单片机芯片的时钟频率已经到达40MHz。3.4复位模块初始化单片机就是复位操作，51单片机的复位需要有外围电路来实现，常用的两种复位方式有手动按钮复位和上电自动复位，本设计采用看门狗电路实现上电自动复位。手动按钮复位按键手动复位有两种方式，即电平方式和脉冲方式两种。其中最简单的是电平方式复位，它是通过RST端口经过电阻与电源接通而实现的，按键手动电平复位的电路图如下。图3.1.4.1按键手动电平复位电路图上图中电容和电阻值只适用于时钟频率为6MHz的单片机，为22uF，为200Ω，为1kΩ。按键手动脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现，脉冲复位电路如下列图所示。图3.1.4.2按键手动脉冲复位电路图同上图一样，电容电阻值只适用于6MHz时钟的单片机，手动复位需要持续给RST端两个机器周期的高电平才能完成复位操作，例如，采用12MHz的时钟晶振器就必须至少2us的高电平。自动复位本设计采用自动复位的方式来完成单片机的初始化操作，无需按键。因为假设电源断开后又接通无需人工手动去让系统复位。本设计采用了典型的看门狗电路来复位。其电路图如下。图3.1.4.3看门狗电路本设计利用看门狗定时器X5045来为单片机提供复位高电平。当电源接通以后X5045的RST端会产生一个200ms的高电平，来为单片机复位。3.4.3X5045的介绍X5045是一个可选时间的看门狗定时器，它具有4Kbit3-WIRE接口非易失性EEPROM，仅有8个引脚的封装。它可以用作上电复位、低电压复位控制、可编程看门狗定时器。上电复位是利用X5045接通电源后上电复位电路使得RESER引脚保持250ms激活状态。这是为了防止单片机在电源稳定之前的误操作，提高系统启动的可靠性和平安性。低电压复位是指在工作过程中，低电压复位电路可以检测到供电电压。如果电压低于某一特定值，X5045激活RESET引脚，停止了单片机的工作，为了防止意外的操作。如果单片机的工作电压太低，单片机或外设就会失效，导致系统锁定或数据丧失。看门狗定时器是指上电复位和低电压复位电路在系统出现问题时，看门狗定时器帮助系统从问题中恢复出来。当计数时间一到，看门狗X5045复位系统。作为软件循环的一局部，定时器计时完成前，单片时机复位看门狗定时器。如果有软件问题，如死循环或等待外部器件，看门狗定时器时间到，就会立即复位单片机，保护系统，防止数据丧失。X5045的引脚图如下：X5045管脚图1脚：端，芯片选择输入端。当CS端是高电平时，表示芯片未选中，并将SO置为高阻态。器件处于标准的功耗模式。当CS端是低电平时，将CS拉低将使器件处于选择状态，器件处于正常工作功耗状态。在上电后任何操作之前，CS必须要有一个由高变低的过程。2脚：SO端，串行输出端。SO是一个拉/推串行数据输出的引脚，当读取数据时，数据在SCK脉冲下降沿由SO引脚送出。3脚：WP端，写保护端。WP端是低电平是，X5045处于写保护状态，其他功能正常工作；当WP端是高电平时，所有功能正常工作，包括写的操作。4脚：VSS端，接地。5脚：SI端，串行数据输入端。所有数据都通过SI端进行输入，包括指令码和地址。当SCK端为上升沿时进行数据的输入，并且高位在前。6脚：SCK端，串行时钟。串行时钟的上升沿通过SI端进行数据输入，下降沿通过SO端数据输出。7脚：RST端，复位输出端。当X5045接通电源时，看门狗定时到，RST端将会产生一个200ms的复位高电平，来复位控制器。此端口必须接上拉电阻。8脚：VCC端，电源端口。接+5V电源电压。3.4.4X5045的软件设计该模块的的主要实现功能是单片机的上电复位和存储预置号码。复位功能比拟容易实现，即隔一段时间将CS端取反即可。而存储号码是利用X5045的内置EEPROM来实现，对于数据的操作，涉及到WP、SI、SO端的控制，来实现号码的读取与存储。在附录中会有具体的程序代码。3.5红外模块人体辐射的红外线中心波长为9～10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2～20--um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。红外传感器的介绍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。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、干预滤光片和场效应管匹配器三局部组成。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0.2-20um。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预滤波片。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3.5.3BISS0001的简单介绍BIS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于平安区域的自动灯光、照明和报警系统。BISS0001的特点：a.CMOS工艺制造b.数模混合c.具有独立的高输入阻抗运算放大器d.内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰e.内设延迟时间定时器和封锁时间定时器f.采用16脚DIP封装〔2〕BISS0001管脚功能介绍。BISS0001的管脚图如下。图3.5.2BISS0001管脚图和Protel引脚图管脚说明如下。1脚：A端，重复触发选择端，当A端输入高电平时，BISS0001处于可重复触发状态；当A端输入低电平时，BISS0001处于不可重复触发状态。2脚：VO端，控制信号输出端。由VS的上升沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上升沿时，Vo保持低电平状态。3脚：RR1端，输出延迟时间Tx的调节端。4脚：RC1端，输出延迟时间Tx的调节端。5脚：RC2端，触发封锁时间Ti的调节端。6脚：RR2端，触发封锁时间Ti的调节端。7脚：VSS端，接地端。8脚：VRF/端，参考电压及复位输入端。通常接VCC，当接低电平时可使定时器复位。9脚：VC端，触发禁止端。当Vc<VR时禁止触发；当Vc>VR时允许触发(VR≈0.2VDD)。10脚：IB端，运算放大器偏置电流设置端。11脚：VDD端，工作电源正端，接电源VCC〔+5V直流电〕。12脚：2OUT端，第二级运算放大器的输出端。13脚：2IN-端，第二级运算放大器的反相输入端。14脚：1IN+端，第一级运算放大器的同相输出端。15脚：1IN-端，第一级运算放大器的反相输入端。16脚：1OUT端，第一级运算放大器的输出端。〔3〕BISS0001内部结构。BISS0001的内部结构如下列图所示。BISS0001内部结构图电路设计红外模块电路图如下。图3.5.1红外电路图本设计使用RE200B作为热释电红外传感器，BISS0001为信号采集处理。当RE200B采集到人体信号时，BISS0001的2脚输出一个高电平，三极管导通。OUT端为低电平。口。反之，无信号输入时，BISS0001的2脚〔VO端〕没有输出信号为低电平，三极管截止，OUT端为高电平。在上图中，热释电红外传感器的S端输出一个电信号，将此电信号送至BISS001的14脚，即第一级运算放大器OP1的同相输入端放大，再经过C3耦合送至第二级运算放大器OP2进行第二级放大，再将此电信号送至COP1和COP2组成的双向鉴幅器进行电压比拟，检测出有效触发信号VS，启动延迟定时触发器。VO输出信号给Q4，Q4导通，OUT端输出为低电平。再将口。3.6RS-232通信模块RS-232是美国电子工业协会制定的串行物理通信接口标准。它一般使用9个或者是25个引脚，是一种异步传输数据标准接口。本设计采用的是9个引脚的CON1。利用RS-232和GSM模块通信，发送和接受数据。RS-232具有传输速率高，标准接口通用，传输数据稳定等特点。同时还有一些缺点，如接口信号电平值较高、异步传输速率最高为20kbps。但是本设计是要求与GSM模块的简单数据传输，所以RS-232完全可用，而且还有价格低廉，制作简单的优点。针对RS-232的接口电平值信号较高，那么需用电平转换芯片，在本设计中选用MAX232，它是美信〔MAXIM〕公司专门针对RS-232串口通信制作的电平转换芯片，它使用单电源+5V供电。3.6.1MAX232的介绍MAX232芯片的管脚图如下：图3.6.1MAX232的管脚图和Protel引脚图MAX232管脚介绍：1、2、3、4、5、6脚与四只电容构成电荷泵电路，产生-12V和+12V电源，来给RS-232串口提供所需电平。7脚：T2OUT端，RS-232数据输出端。8脚：R2IN端，RS-232数据输入端。9脚：R2OUT端，TTL/CMOS数据输出端。10脚：T2IN端，TTL/CMOS数据输入端。其中7、8、9、10组成第二数据通道。11脚：T1IN端，TTL/CMOS数据输入端。12脚：R1OUT端，TTL/CMOS数据输出端。13脚：R1IN端，RS-232数据输入端。14脚：T1OUT端，RS-232数据输出端其中11、12、13、14脚组成第一数据通道。15脚：GND端，接地。16脚：VCC端，接+5V电源。TTL/CMOS数据从11引脚〔T1IN〕、10引脚〔T2IN〕输入转换成RS-232数据从14脚〔T1OUT〕、7脚〔T2OUT〕送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚〔R1IN〕、8引脚〔R2IN〕输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚〔R1OUT〕、9引脚〔R2OUT〕输出。MAX232的内部结构图如下所示。图3.6.2MAX232的内部结构图MAX232包含2个驱动器、2个接收器和一个电压发生器电路来提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5VTTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。RS-232通信电路设计RS-232通信电路图如下所示。图3.6.3RS-232通信电路图由于串口RS-232电平是-10V、+10V，而单片机应用系统的信号电压是TTL电平0、+5V,MAX232就是用来进行电平转换的。系统中C6、C7、C8、C9四只电容和MAX232的1、2、3、4、5、6脚组成了电荷泵电路，产生+12V、-12V电压。本设计中只用到MAX芯片的第一数据通道。11脚〔T1IN〕和12脚〔R1OUT〕端分别接单片机的P口〔TXD〕和口〔RXD〕。根据RS-232串口通信标准，9针的2、3脚分别为接收数据和发送数据端口，5脚是接地。由于只是完成简单的数据通信，不需要其他功能，那么另外的6个管脚置空。该模块的主要功能是完成单片机和GSM模块的数据通信，所以在GSM模块也必须有一个RS-232通信串口来完成数据的接收和发送。3.7GSM模块本设计通过GSM模块对外进行报警，该模块也是本系统的另一个核心模块，由于该系统用到的GSM模块很简单仅仅是短信模块，所以在选择GSM模块时，选择了技术成熟的中文短信双频的TC35i。3.7.1TC35i的介绍，电流消耗——休眠状态为3.5mA，空闲状态为25mA，发射状态为300mA(平均)，2.5A峰值；可传输语音和数据信号，功耗在EGSM900(4类)和GSM1800(1类)分别为2W和1W，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3V/1.8V，TC35i的数据接口(CMOS电平)通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s～115kb/s,自动波特率为1.2kb/s～115kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS(ShortMessageService,短消息),可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。TC35i可以用来发送与接收语音、短信、数据和。单电源供电，电压范围为VV，本系统选用V。工作温度范围为-20摄氏度～+50摄氏度。TC35i具有体积小、功耗低、安装方便和价格低廉等优点。由于该芯片工作在GSM双频段，我国大局部地区都覆盖有GSM网络信号，所以该芯片应用范围较广。TC35i管脚如下列图所示。图3.7.1TC35i管脚图TC35i是一个40脚的GSM芯片，它由一个ZIF〔ZeroInsertionForce，零阻力插座〕连接器来引出其他模块。它主要分为六局部：电源局部、音频局部、话筒局部、数据局部、SIM卡、控制局部。其中1～10脚是电源局部，12～14脚为电池外接口，15、30、31、32脚为控制局部，16～23脚为数据局部，24～29脚为SIM卡局部，33～36脚为音频局部，37～40脚为话筒局部。TC35i管脚功能如下表所示。表3.7.1TC35i引脚功能表引脚序号引脚名称引脚功能1～5BAT+TC35i的电源正端。6～10GNDTC35i的电源负端，接地。11、12POWER充电引脚，外接电池。13VDD对外供电，对外输出电压。14BAT_TEMP接负温度系数的热敏电阻，用于锂电池充电保护控制。15IGT启动脚，当TC35i接通电源后，必须给IGT端一个不少于100ms的低电平脉冲，电平下降持续时间不能超过1ms。16DSR0数据输入/输出端，该接口是一个串行异步收发器，符合ITU-TRS-232接口标准。其中18脚和19脚为TTL的串口通信引脚，需要和单片机或者PC通信。17RING018RxD019TxD020CTS021RTS022DTR023DCD024CCINSIM卡是否安装检查端口，是为高电平。25CCRST通过SIM卡阅读器与TC35i对应引脚相连。26CCI027CCCL28CCVCC29CCGND30VDDLPRTCbackup31EMERGOFF断电，关机控制端。32SYNC工作状态显示端。33～36EP两组音频接口37～40MIC两组话筒接口TC35i内部结构包括天线接口电路、一个存储器GSM基带处理器、一个电源、一个GSM无线局部和一个40脚的ZIF连接器。TC35i的内部结构框图如下。TC35i内部结构框图GSM电路设计该模块分为四个局部：ZIFSIM、RS-232、TC35i外接插口、电源。〔1〕ZIFSIMZIFSIM局部电路图如下。图ZIFSIM局部该局部主要功能是：开机控制、TC35i状态显示、SIM卡连接和与单片机通信。D1为发光二极管，在TC35i开机后会亮，显示TC35i的工作状态。当系统通电后，按下微动开关S1给IGT端一个低电平脉冲，让TC35i开机。U2是一个SIM卡座，它与TC35i的同名管脚相连，当SIM卡插好时CCIN为高电平，反之为低电平。P2是一个2*2插针，它