【《单片机控制的居室安全报警系统硬件和软件设计案例概述》5600字】

I单片机控制的居室安全报警系统硬件和软件设计案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u21993单片机控制的居室安全报警系统硬件和软件设计案例概述 177721硬件设计 258391.1系统的总体方案设计 2219541.2主控制模块 217781.1.1控制模块硬件 2134311.1.2最小系统电路设计 318191.3温湿度传感器模块 4251621.2.1温湿度传感器 4269701.2.2温湿度检测电路 452521.4红外传感器模块 5295441.3.1红外传感器硬件 544191.3.2人体红外感应电路 5135811.5烟雾传感器模块 527631.5.1烟雾传感器硬件 5232181.5.2烟雾传感器电路 6313071.6LCD液晶显示模块 696071.6.1液晶显示介绍 676581.6.2液晶显示电路 7158521.7通讯模块 771911.7.1芯片介绍 7312201.7.2无线通讯电路设计 877891.8独立按键模块 8167083系统软件设计 922212.1编程软件 9165342.2系统的整体框架 9216622.3检测模块子程序 10293532.4显示子程序 1186592.5无线通讯子程序 12290322.5.1模块配置 12165422.5.2串口通信 12229224系统测试及分析 13311753.1功能测试 1371693.2系统分析 171硬件设计1.1系统的总体方案设计居室安全报警系统的控制核心是单片机STC89C52，它的基本功能是可以通过红外传感器，温湿度传感器和烟雾传感器不断地实时检测室内环境，并在LCD屏上实时显示出来，最后会与设定值进行比较，如果检测的数据超过最初设定的值就会触发报警功能，此时系统会通过GSM模块向指定的手机号码发送具体信息。而且为了防止人们在家时，人体红外感应模块误触导致报警，设计还提供了布防与撤防设置按钮，当主人在家可以选择撤防，人体红外感应报警部分不进行工作；当布防时，人体红外传感器会监测报警。系统框图如图2-1所示。图2-1系统整体框架图1.2主控制模块1.1.1控制模块硬件在最初选择单片机主控模块上，主要会结合本次设计考虑到经济性实用性，因为已经有许多种不同系列的单片机出现，主要对比了常见的单片机进行选择。STM32系列单片机功能多功耗低，适用于对性能要求比较高的系统中，但编程相对而言比较复杂。51单片机是基础入门级别的一种的单片机。该芯片是全双工串行通信，使用单片机STC89C52，此单片机具备51单片机所有优点，而且内部存储器要更大一点，有着512字节RAM，另外还多一个定时器/计数器。因为STC89C52简单易用，成本低，功耗小，而STM32系列单片机虽然功能强大，但是成本较高。51系列单片机足够完成该系统的要求，然而考虑到此单片机系统需要较多数量的定时器。串口通信，定时控制都需要定时器。最终决定选用STC89C52单片机。单片机是一种集成电路芯片，该系统采用的是单片机STC89C52,芯片的工作电压为5V，属于增强型的8051单片机，内部有8KB的程序存储器,512字节RAM，

32

位I/O

口线，3个16

位定时器/计数器，4个外部中断。单片机STC89C52的引脚图如图2-2所示。图2-2单片机STC89C52引脚图1.1.2最小系统电路设计居室安全报警系统主要由STC89C52单片机、DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器、人体红外、LCD显示屏、CSM通讯模块、按键等组成。单片机的最小系统由电源，晶振和复位电路三个部分构成。电源给单片机用5V电压进行供电，如图引脚40接的是电源正极，引脚20接的是电源负极。晶振为整个单片机系统提供基准时钟信号，单片机内部的工作都需要这个时钟信号作为基准进行协调，晶振连接到单片机的XTAL1脚和XTAL2脚，只有晶体振荡器成功运行工作，单片机系统才能正常运行。复位电路接单片机RST脚，当引脚出现两个机器周期以上的高电平，单片机复位。此外，单片机P0口还要上拉一个电阻，就构成了单片机的最小系统，单片机最小系统图如图2-3所示。图2-3STC89C52最小系统1.3温湿度传感器模块1.2.1温湿度传感器DHT11内部含有已校准的数字信号，不需要使用模数转换器，直接输出数字信号，DHT11采用的单总线协议与DS18B20稍微有些不同，DHT11按照高位在前先传输的规则进行传输，拉高总线完整的传输一次数据为40bit。该传感器体积超小，功耗低。只有在接收到单片机的开始信号后才可以触发一次温湿度采集，如果没有，则不进行温湿度采集。该传感器既可以测量温度又可以测量湿度，在很多场合都能够适用。DHT11一共有4个引脚，每个引脚的主要功能分别是：VCC，电源正极。DATA，串行数据。NC,空引脚。GND,电源负极。DHT11实物图如图2-4所示。2-4DHT11实物图1.2.2温湿度检测电路DHT11具有长期稳定以及连接方便等优点，很适合在家居监控系统中应用，可以直接将采集到的信息以数字信号直接传送给P.2.7口进行处理，引脚1连接VCC，引脚4连接GND。DHT11的DATA引脚连接单片机的一个端口进行信息传输，再在该引脚拉一个3.7K的电阻。温湿度检测电路如下2-5所示。图2-5温湿度检测电路1.4红外传感器模块1.3.1红外传感器硬件HC-SR501基于红外线技术，能在超低电压工作状态下工作，采用探头式设计，被动式红外探测器利用热释电效应进行探测，不需要外界发射能量和红外辐射源。还能够配合外围路，进一步拓展其功能，自动快速开启各类设备。因为所有温度高于绝对零温度的物体都会以红外线辐射的形式释放热能，物体会随着自身温度的增加而发出更多的辐射。HC-SR501传感器经过专门设计,可检测这种红外辐射。由两个主要部分组成:一个热释电传感器和一个称为菲涅耳透镜的特殊透镜,距离越远感应程度越强，角度也越大。它将红外信号聚焦到热释电传感器上。还能够选择光敏补偿和温度补偿，与大多数PIR传感器一样，首次启动时，HC-SR501需要30到60秒的时间来适应室内的红外能量。在电压3.5-20V的环境下工作，有灵敏度调节和延时调节两个旋钮，顺时针感应距离增大，延时加长。逆时针则相反。工作温度在负15度和70度之间，可以用跳线端子改变触发方式，有重复触发和不重复触发两种模式。1.3.2人体红外感应电路HC-SR501红外传感器能感应到人体辐射的红外线能量，并将其转换成电压信号输出放大[1]。该器件有3个引脚，其中引脚1连接VCC，引脚2接单片机的I/O口引脚，引脚3连接GND。当有人进入其感应范围则输出高电平，无人则是低电平。人体红外电路如下图2-6所示。图2-6人体红外感应电路1.5烟雾传感器模块1.5.1烟雾传感器硬件MQ-2属于二氧化锡半导体气敏材料，具有良好稳定性和抗干扰性，能够排除一些刺激非可燃烟雾干扰，在24V电压下均可设计使用，传感器需要在较高温度下工作，所以需要对其加热使用，而且在每次通电使用前都需要对传感器进行预热，用于蒸发掉二氧化锡吸附空气中的水蒸气，才能保持其稳定性。该传感器一共有4个引脚，其中2个引脚需要分别接到电源的正负极接线上，另外2个引脚用于数据传输,MQ-2传感器实物图如图2-7所示。图2-7MQ-2型烟雾传感器1.5.2烟雾传感器电路MQ-2烟雾传感器需要配合ADC0832使用，把采集到的信号转化为数字信号，然后再经过转化，可以得到烟雾浓度值。气体浓度越大，输出的电压也越大，最后在LCD显示屏上显示的数值也就越大，MQ-2传感器电路图如图2-8所示。图2-8烟雾传感器电路1.6LCD液晶显示模块1.6.1液晶显示介绍LCD12864具有低电压、低功耗的特点，其显示分辨率为128×64，该模块调节界面灵活，操作指令简单方便，可形成全中文图形界面[5]。LCD12864的引脚功能如下表1.1所示。

表1.1LCD12864引脚接口表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地11D4数据2VDD电源正极12D5数据3VL液晶显示偏压13D6数据4RS数据/命令选择14D7数据5R/W读/写选择信号15PSB并/串行口选择6E使能信号16NC空引脚7D0数据17RET复位8D1数据18NC空引脚9D2数据19LED_A背光源正极10D3数据20LED_K背光源负极1.6.2液晶显示电路LCD12864显示屏与单片机的I\O口直接连接，工作电压2.0V~5.5V[2]。可通过调节变阻器的阻值进而改变LCD12864的偏置电压，从而可以调整显示屏的背光亮度。液晶显示电路图如下图2-9所示。图2-9液晶显示屏电路1.7通讯模块1.7.1芯片介绍GSM是应用最广泛的移动电话标准，使用GSM通讯技术，不受限于传输距离，有保质的传输能力。GSM全球无线移动通信网络覆盖了广泛的信号，实现了低价格、高质量、超长距离、便利灵活的智能无线控制和报警。SIM800L性能稳定，

体积小，可以实现低功耗数据传输。

GSM模块实物图如图2-10所示。图2-10SIM800L实物图1.7.2无线通讯电路设计GSM主要用串口通信，单片机通过P2.1口发送指令给GSM的RXD口，然后通过TXD反馈给单片机。将SIM800L的串行口与单片机的串行口相连接，绘制出电路图如图2-11所示。图2-11SIM800L模块1.8独立按键模块系统一共有四个按键对单片机进行控制，分别是功能设置键，加键，减键，复位键。复位键没有被写入，功能设置键用来切换需要调试的参数类型，加减键是用来进行调节设定的操作键。按键只有高电平和低电平两种特性，按键按下是低电平，松开之后输出高电平[3]。按键模块电路图如图2-12所示。图2-12按键模块电路设计3系统软件设计在居室安全报警系统设计时，除了设计硬件系统之外，还要设计与硬件模块相对应的程序编码，使其整个系统可以实现正常工作，达到想要实现的功能，因此软件合理正确的设计也尤为重要。根据居室安全报警系统的功能要求而设计软件的整体结构，其中系统软件设计有环境监测、实时数据显示、无线短信报警等功能。系统程序主要包括主程序以及各类子程序。系统采用模块化编程编写，使整个软件编程看起来工整有序，便于修改调整。2.1编程软件KeilC51是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，它集编辑、编译、仿真于一体。在各种性能上比汇编语言有明显的优势。使用C语言编程，Keil是再合适不过的选择。Keil应用步骤如下。（1）打开软件；点击Project->NewμVisionProject；（2）创建工程名到指定目录；选择单片机芯片；（3）在工程中新建文件，并将文件添加到工程中；（4）在创建成功的界面下进行C语言编程；编译调试；2.2系统的整体框架基于单片机的居室安全报警系统的设计，其中检测模块不断地实时监测室内的温湿度数据、烟雾浓度情况，并在12864液晶屏上实时显示具体数值，如果超过系统的预设值，主控系统会控制GSM通讯模块发送短信报警。各个子系统不断检测多传感器发送的数据，单片机的检测模块和定时器进行工作，以此来收集传感器输出的信号，显示子函数再将实时数据显示到12864液晶屏上。需要对系统进行初始化，包括定时器初值、中断开关位、标志位的初始设定等。系统整体的程序流程图如图3-1所示。

图3-1系统整体的程序流程图2.3检测模块子程序系统开始运行后进行初始化，DHT11温湿度传感器开始采集环境中的具体数据，DHT11

在拉高总线

80us

后开始传输数据。DHT11流程图如图3-2所示。图3-2DHT11软件流程图MQ-2烟雾传感器采集的电压信号经过ADC0832处理后发送给主控芯片，单片机读取数值后进行分析处理。在使用前对需要对传感器进行预热处理；初始化工作结束后，该传感器模块才会正常工作。MQ-2烟雾传感器流程图如图3-3所示。图3-3烟雾传感器程序流程图HC-SR501红外传感器通电后约进行一分钟的初始化。单片机内的处理器会不断的对内部控制模块与人体红外检测模块之间连接口进行扫描，当有人进入检测范围则输出高电平，无人时则输出低电平。HC-SR501红外传感器流程图如图3-4所示。图3-4HC-SR501红外传感器程序流程图2.4显示子程序在LCD显示前，需要先对其进行初始化设置，再显示预设定的值，然后扫描并显示各个传感器检测的数据。LCD12864有4个基本操作时序。显示字符时光标自动右移，显示时调用换行的指令，字体的显示需要多次调用写数据函数。当E为高电平时对P0口影响，所以在对LCD刷新之前，需将使能引脚E置低电位，使用时再置高电位，LCD12864初始化流程图如图3-5所示。图3-5LCD12864初始化流程图2.5无线通讯子程序2.5.1模块配置在使用GSM通讯模块之前，我们需要先了解使用AT指令协议，因为要使单片机与SIM800L模块进行串口通信，需要用到AT指令的协议。然后将模块进行配置，把通讯模块上电以后它会自动寻找搜索信号，发送AT后,模块返回ok，这个时候表示已经初步成功[4]。AT+CMGF用于设置短信模式，发送

AT+CMGF=1

将短信模式设置为

text

mode

，设置文本模式。AT+CMGS用于发送短信，发送

AT+CMGS=“要接收信息对应电话号码”，返回字符

‘>’后输入短信内容，短信内容输入完成以后，发送十六进制的0x1a完成发送。2.5.2串口通信模块配置结束后，采用串口通信的方式将GSM模块与单片机相连。串口通信是指在一根线上发送和接受数据，这里是指单片机对GSM模块发送数据，然后GSM模块又向单片机发送数据指令，单片机并对其进行检验。单片机串行口波特率和GSM默认值保持一致为9600。串口发送函数和GSM配置流程图如下图3-6所示。图3-6串口发送函数与GSM配置流程图4系统测试及分析3.1功能测试系统的硬件与软件设计结束以及各模块安装完成后，把系统插上电源，各个检测模块初始化成功，LCD液晶显示屏显示检测模块传回检测到的环境中的数据，包含有当前室内的烟雾浓度，温湿度以及是否有人闯入。配置GSM模块成功后，可以通过显示屏看到GSM的状态显示为GSM_OK，如图4-1所示。这说明SIM卡注册成功，能够正常收发短信。图4-1主界面显示然后需要对系统的报警最低值进行设置，如下图4-2、4-3、4-4所示。图4-2对温度报警值进行设置图4-3对湿度报警值设置图4-4对烟雾报警值设置下面对各个传感器进行测试，在对烟雾进行测试时，选择采用打火机中的气体进行模拟测试，将打火机对着烟雾传感器并释放气体，此时可以看到显示器上烟雾浓度的数值，这时已经超过了设定的烟雾报警值，这时蜂鸣器会响，同时GSM会把具体信息发送到手机上。烟雾报警测试如图4-5所示。图4-5烟雾报警测试图对温湿度的测试，是把手握在DHT11传感器上，这时可以看到显示器上温湿度的数值明显上升，温湿度测试如图4-6所示。图4-6温湿度测试图对红外进行测试，把手放到离红外传感器一定距离的地方，触发报警之后，可以看到显示器显示字