【《基于51单片机的防火防盗短信报警系统设计与实现》10000字】

是家庭安全必备的，并且由于现有的报警系统基本上都有固定的使用环境，但是本系统结构清晰，便于增删功能，拥有广阔的市场前景。因此，我们可以基于现行产品去研发新型的家用报警器，便于安装，并且能够实时进行检测报警[1]，提高报警出警效率出一份绵薄之力。1.3设计研究内容(1)本文研究的系统主要有两大部分组成，通过软硬件结合，主要由51单片机构成的主控模块，完成数据的输入及输出工作，传感器构成的数据采集和报警模块，进行数据采集和接收命令发出声光报警功能[2]，当GSM短信模块接收到单片机打出的命令，会根据预先设定的手机号码向指定用户发出警报信息。(2)本系统的工作流程如下：使用人员可以再外出之前，手动打开报警系统。使其进行工作状态，进行环境实时检测；当发生火灾或者有人闯入时，传感器将探测到温度烟雾或人员，如果是温度烟雾，单片机会根据设定好的阈值进行判断，当接收的数据超过阈值范围时，单片机会打开排风系统，并通知报警系统发出声光报警，使短信模块发送短信告知用户；如果是人员闯入，监测点上的红外探头将发出信号，告知单片机，通过预先设定，单片机向GSM短信模块及蜂鸣器模块发送信号，进行声光报警；同时GSM短信模块会根据预先设定的手机号码向指定用户发出警报信息[3]。

2系统整体方案本文实现的基于51单片机的防火防盗短信报警系统，分为硬件设计和软件设计两个部分。划分多个模块。实现人不在，系统设置为工作状态，探测器开始检测工作；当发生火灾偷盗时，传感器将探测到温度烟雾超过阈值或探测到人员闯入，就发送信号，向指定人员发送短信通知并且发出声光报警，以此达到防火防盗的目的。2.1系统总体设计需求本文研究的51单片机实现防火防盗短信报警系统的组成如图2.1所示。系统中的检测模块需要传感器（包含温度传感器，烟雾传感器，红外传感器，CO传感器构成），进行环境的检测；单片机控制模块，短信通知模块。用户终端用户终端GSM短信模块单片机控制器前端探测器温度探测器光感烟雾探测器CO气体探测器热释电红外探测器图2.SEQ图\*ARABIC\s2151单片机实现防火防盗短信报警系统的组成该系统通过探测器开始检测环境；当发生火灾偷盗时，传感器将探测到温度烟雾超过阈值或探测到人员闯入，就发送信号，向指定人员发送短信通知并且发出声光报警，以此达到防火防盗的目的。环境检测检测模块测量环境数据，发送到单片机进行处理，他的基本工作原理是通过红外传感器来实现的；红外传感器选用的使被动式热释电红外传感器，因为该传感器检测的是红外线的辐射能量，并且检测范围接近人体辐射红外线波段，当检测环境中的辐射能量出现较大的变化使，传感器会将探测到的数据发送给单片机，单片机通过与实现设置的阈值及逆行对比，当超过阈值时会发出信号通知短信通知模块和声光报警模块，从而实现防盗报警[4]。2.2系统方案设计本文研究的系统主要有两大部分组成，通过软硬件结合，主要由51单片机构成的主控模块，完成数据的输入及输出工作，传感器构成的数据采集和报警模块，进行数据采集和接收命令发出声光报警功能，GSM短信模块接收命令向指定用户发出警报信息。本次研究的是单片机在实际生活场景的一种应用。该系统是由探测模块（温度传感器，烟雾传感器，红外传感器，CO传感器构成）；单片机控制模块，短信通知模块等硬件组成[5]，然后通过软件进行设定控制。硬件系统同时还有外围应用电路等，软件是设定各个模块的启动条件。本次的研究过程主要是先根据使用需求进行分析，设计硬件电路，然后进行软件逻辑时判断。分析系统检测环境，该系统需要包含以下几个部分：红外检测模块，主控模块，报警模块，复位电路等等，具体关系如图2.2设计框图所示：红外传感器模块红外传感器模块信号处理电路主控模块烟雾传感器模块GSMGSM用户终端（移动电话）用户终端（移动电话）图2.2设计框图系该统使用的是51系列的单片机，进行数据的处理和命令的下发。单片机通过软件进行阈值的设定，然后根据数据与设定的阈值进行比较。当发生火灾或者有人闯入时，传感器将探测到温度烟雾或人员，如果是温度烟雾，当数据超过事先设定的阈值时，单片机会打开排风系统，发出声光报警并且发送短信通知指定人员；如果是人员闯入，监测点上的红外探头将会测量红外辐射值，当数据超过检测阈值时，单片机会向GSM短信模块发送指令，使其向指定人员发送短信报警，并且会向蜂鸣器模块发送信号，进行声光报警，从而达到远程防盗报的功能[5]。当报警响起一段时间后，可以选择人工解除报警，也可设定自动解除，设定自动模式后，系统报警信号在一段时间后将会自动解除，当报警信号停止时，该系统会进行复位，避免出现问题导致不能继续检测。

3系统硬件设计3.1主控模块电路设计主控模块主要是通过51单片机来实现的，单片机的特性如下：1、51单片机它处理的对象是位，与一般的处理器不同，处理的对象是字或者字节，它可以处理某些特殊功能的寄存器进行处理，也可以对该寄存器的某一位进行处理，例如置位，清零等功能，还可以进行位运算。51单片机拥有一套完整的按位操作系统，功能十分强大。2、单片机的内部还拥有一块特殊的地址区间，就是在RAM中有一块双重功能的区间，使用方便，可以根据用户进行安排。3、相对于普通的八位单片机而言，51单片机拥有乘法和除法指令，可以直接进行使用，不需要编写子程序进行调用，十分便捷[6]。51单片机的内部空间很大，拥有256字节的运行内存，flash缓存空间最大有8k个字节。并且根据使用场景的不同，可以应用不同的封装。本次选用的单片机拥有64k字节的外部存储空间，时钟频率范围在0-33MHz之间。并且包含4组io端口，3个定时器，8个中断等；并且功耗很低，工作电压为3.3V-5.5V；工作温度为-40—85℃。图3.1单片机引脚图单片机内部结构[6]如图3.2所示：图3.2单片机内部结构图（1）中央处理器：单片机它处理的对象是位，与一般的处理器不同，处理的对象是字或者字节，它可以处理某些特殊功能的寄存器进行处理，也可以对该寄存器的某一位进行处理，例如置位，清零等功能，还可以进行位运算。51单片机拥有一套完整的按位操作系统，功能十分强大[7]。（2）数据存储器（内部RAM）：单片机中包含用户使用的数据存储器和专用寄存器。其中用户使用128个数据存储器，专用寄存器占用128个，共有256个RAM单元。（3）程序存储器（内部ROM）：本系统选用的单片机的程序存储器是闪存，大小为8kb。（4）定时/计数器（ROM）：STC89C51拥有16位定时/计数器进行定时和计数，并且共有两个。（5）并行输入输出（Ｉ/Ｏ）口：51单片机包含了4组Ｉ/Ｏ端口，端口大小为8位。主要用来进行外部数据传输，可以实现内部与外部设备数据的交互，并且可以进行并行输入和输出。RST引脚可以使整个系统进行复位，当该引脚有2个机器周期以上的连续高电平时，振荡器开始工作，从而是系统复位。（6）全双工串行口：51单片机可以和其他设备进行串行的数据通信，该串口可以用作移位器，也可以接受异步消息或者发送异步消息，这些功能全部得益于其内置的一个全双工的串行通信接口。（7）时钟电路：单片机内置有时钟电路，用来产生时钟脉冲序列[8]，以便于单片机工作的需求。51单片机上的时钟管脚如下：XTAL1（19脚）：芯片内部振荡电路输入端。XTAL2（18脚）：芯片内部振荡电路输出端。XTAL1和XTAL2可以选择使用，一是作为石英晶振的片内振荡器，也可以作为外部时钟驱动。一般而言，晶体振荡器电路的频率范围为1.2MHz到12MHz，本系统使用的是11.0592M石英晶体。但是由于频率越高，功耗也就越大。并且由于51单片机包含12个时钟周期，所以他每秒可以执行921583条指令，故每条指令需要1.085us来运行。XTAL1和XTAL2可以使用石晶振荡或者陶瓷振荡，将其设定为片内振荡器[8]。如果把他作为外部时钟的驱动时，XTAL2引脚不能接入，否则会导致无法使用，时钟电路设计如图3.3所示：图3.3时钟电路图在单片机系统中，会出现程序异常的现象，或者直接死机的问题，所以为了避免此类问题影响整个系统，需要使用复位，复位电路一般包含两种方式，一种是上电自动复位，当当复位引脚处产生连续的高电平，并且持续超过2个机器周期以上的时间时，将会启动复位操作；或者使用外部手动按键进行复位，当按下外部按键时，会启动复位电路进行系统的复位，复位电路设计如图3.4所示：图3.4复位电路图51单片机中一共有5个中断源，其中有两个是外部的中断源，另外三个是内部的中断源，中断系统的目的是为了执行内部和外部的请求，并且保证系统能够正常的运行[9]。3.2人体红外探测电路设计人体红外探测电路主要是通过红外传感器实现的，目前市面上的检测传感器的类型基本上都是一致的，都是采用了基于超声波的主动红外发送和接收技术，以及微波技术。本文研究的一同采用的是被动式红外检测传感器，他可以通过测量物体所发出的红外辐射能量，通过内部的电路将光信号转换为电信号，发送出去。并且该传感器还可以测量出移动的生物体，以及其他非生物所发出的红外辐射能量，相较于目前市场上的检测传感器而言，被动式红外传感器具有以下几个优点，灵敏度高，可以检测一定的空间范围，方便安装等等[10]。被动式红外传感器的特性：1）该传感器是检测物体的红外辐射。因此，热电元件必须对波长约为10um的红外辐射非常敏感。2）该传感器的辐射表面覆盖有特殊的Fernier滤镜，以此来过滤其他的红外光纤，因此可以有效地减少外界环境所带来的影响，可以增加对人体检测的灵敏度。图3.5热释电红外传感器的内部电路框图红外探测电路主要是对红外传感器的使用，其中信号放大电路可以提高探测的灵敏度，数字信号输入电路用来进行数据的传输。当处于工作模式时，红外探测器进行红外辐射能量探测，当红外辐射能量发生变化时，J1的S引脚会发出电信号，然后经过放大电路的放大，与基准电压进行对比。放大电路如图3.6和3.7所示：图3.6第一级放大电路图图3.6中，R1的阻止可以根据应用环境进行调整。图3.7二级放大电路图图3.8电压比较器电路图图3.9中，当产生报警信号时，OUT3将会输出大小为5v左右的工作电压，然后通过三极管S9013将电信号转换为单片机的入口电平信号。图3.9数字信号输入电路3.3烟雾检测电路设计MQ-2气体传感器的检测原理：当传感器的内置气敏材料的电导率发生变化时，传感器会将数据发送到单片机。该传感器对可燃气体的灵敏度很高，并且可以检测多种可燃气体，或烟雾的浓度，可以适应多种应用环境，并且该传感器的成本低廉，适合推广应用。该元器件有6个引脚，用于数据的传输的引脚有四个，内部结构基本电路如图3.10所示：图3.10MQ-2基本电路MQ-2传感器检测到可燃气体后会发出模拟信号，通过AD转换器转换为数字信号发送到单片机进行处理，电路结构如图3.11所示：图3.11烟雾检测电路3.4液晶显示电路设计本系统显示模块使用LCD1602液晶显示器实现，电路设计如图3.12所示：图3.12LCD1602液晶显示电路主要引脚含义如下：GND、VCC分别是电源地、电源正极；VO：对比度调整端，若仅仅接地，对比度会很高，常常接上一个几K的电位器或可变电阻来调节对比度以实现理想的显示效果；RS：寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；RW：读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。（一般对于单纯的LCD显示只用到写操作）；E：使能信号；

DB0-DB7：8个数据I/O口；

BG_VCC、BG_GND分别是背光电源正极、负极[8]。3.5GSM短信模块本系统的GSM短信报警模块用的是SIM800C模块，SIM800C是一款四频GSM/GPRS模块，为城堡孔封装。其性能稳定，外观小巧，性价比高，能满足客户的多种需求。SIM800C工作频率为GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS和数据信息的传输。（外观如图3.13所示）。图3.13SIM800CGSM模块GSM模块的结构如下图3.14所示，其中主要有GSM基带处理器（BasedbandProcessor）进行语音和数据信号的处理[11]、无线收发模块（Radio）进行数据的接收和发送，FLASH闪存，电源供等几部分。图3.14SIM800C模块功能结构框图（1）AT指令简介我们通过RS-232进行连接，然后使用AT指令进行通信，通常使用的AT指令如表3.1所示。表3.1常用的短消息AT指令AT命令功能AT+CSMS选择消息服务（支持GSM-MO、SMS-MT、SMS-CB）AT+CMGF设置短信息格式（1-TEXT0-PDU）AT+CSCA设置短信服务中心地址AT+CMGD删除短消息AT+CMGS发送信息AT+CMGR读取短消息AT+CSAS保存设置（保存+CSAS和+CSMP的参数）AT+CRES恢复设置AT+CNMA新信息确认应答AT+CPMS优先信息存储（定义用来读写信息的存储区域）AT+CNMI新信息指示（选择如何从网络上接收短信息）（2）PDU包协议格式数据包中包含短消息中心地址，协议鉴别符，目的地址，数据保存时间，用户的信息，用户数据的长度，消息备注等信息[12]，我们即使用的模式时PDU模式，具体分析见表3.2。表3.2PDU编码说明分段说明08表示短消息中心地址（SCA）长度，共8个8位字（包括91）91表示地址类型685108401505F0表示短消息中心地址（实为+8613800451500，F为偶数补位）11表示头地址与TP-RP|TP-UDHI|TP-SRR|TP-VPF|TP-RD|TP-MTI对应00表示对应TP-MR0D表示短消息目标用户长度91目标地址格式，用国际式号码（前加“+”）685138612890F1表示目标用户号码（F为偶数补位）1583168209100表示协议标志，是普通GSM类型，点对点方式08表示编码方式，16位Unicode编码A9表示短消息有效期0C表示用户数据长度8fd9662f6d4b8bd56d88606f用户数据Unicode编码（“这是测试消息”）GSM短信通知模块外部电路如图3.15所示：图3.15SIM800C模块外部电路图

4系统软件设计本文研究的报警系统需要硬件来实现，同时需要软件控制和逻辑判断。当硬件满足需求之后，我们需要根据检查要求进行软件的设计，软件需要根据输入的数据进行逻辑判断和命令的下发，我们还可以将软件分为两部分：一部分是接收传感器发送的数据，进行数据的处理和逻辑判断，并对每一个数据做出正确的响应。另一部分是控制报警模块，当收到下发的命令时，做出相应动作处理该命令[13]。例程编写原理：主控芯片一直处于监视状态，接收探测模块的数据，当收到传感器发送的探测数据时，我们将数据进行处理，与事先设定的阈值进行对比，若在阈值范围内，则不作处理，继续进行数据接收监视状态；若数据超出事先设定的阈值范围，则发送对应的命令，控制报警器报警，同时发送短信进行通知。

4.1主程序设计根据系统的设计和逻辑结构，本系统主程序工作流程图如下图4.1所示：开始开始系统初始化否是是否短信报警结束短信报警是否持续10秒有无信号输入启动短信报警电路开始报警是否还有检测信号等待下次报警结束否短信报警结束短信报警结束短信报警是否持续10秒有无信号输入启动短信报警电路开始报警是否还有检测信号等待下次报警结束否是是图4.1主程序工作流程图①开始，将系统初始化；②初始化后，判断有无信号输入：若无信号输入，循环判断，等待有信号输入；若有信号输入，启动短信报警电路开始报警，同时开始计时；③再循环判断短信报警是否持续10秒，若已持续10秒，短信报警结束；④判断是否还有检测信号等待下次报警？若无检测信号等待报警，则结束；若还有信号等待报警，返回继续判断有无信号输入。

4.2中断服务子程序设计本文主程序的功能如下图4.2所示；系统检测区域的红外传感器会对区域的红外辐射能量进行检测，当有人员闯入时，会改变该区域的红外辐射能量，当能量变化范围超过阈值后，单片机会处理传感器发送的脉冲信号，收到信息后会发出报警信号，通知报警模块，然后继续查询是否有下一条触发信号。图4.2中断服务程序工作流程图

4.3系统报警子程序设计报警电路控制端是由单片机的P2.0端来完成的，高电平有效。当P2.0输出高电平时，NPN三极管导通，驱动无线GSM模块发送防火防盗报警短信[14]。短信报警模块的流程图如下图4.3所示：开始开始初始化P2.0是否为高电平电路启动短信报警模块结束报警否是是图4.3报警电路流程图开始，初始化；初始化后，判断P2.0是否为高电平？若不是高电平，则初始化，继续判断P2.0是否为高电平；若是高电平，电路启动短信报警模块，进行报警；结束。

4.4信号采集子程序设计本系统可以检测多个区域，我们通过热释电红外传感器对一定空间范围进行检测，当检测到红外能量发生变化时，会发出信号，向单片机输入信号。图4.4为信号采集流程图。图4.4信号采集子程序流程图开始；循环判断是否有人入侵？当有人进入时，跳出循环，信号经处理输出高电平，单片机INTO口数据采集；再循环判断是否输出数据？若输出数据，则跳出循环，信号采集结束。

5系统仿真及调试整个系统的设计部分完成后，我们需要进行软件的验证，软件验证需要在硬件上进行，但是硬件还没进行验证，出现问题无法排查，不能迅速定位问题的原因。因此，我们需要用到仿真电路，使用软件仿真系统，模拟我们的实际电路，在此基础上验证我们的软件，测试性能。5.1软件仿真我们通过Proteus仿真软件，根据本系统的电路原理图进行布局，选取元器件，模拟一个电路，以此来判定软件的运行情况。5.2硬件调试根据我们系统的电路原理图进行硬件电路的搭建，焊接。在焊接前需要确认元器件的型号，正负极等，避免重复焊接，一面损伤电路板和元器件。在焊接的过程中，每焊接一个模块，就需要对其进行测试，确认电路的通断，避免全部焊接完成后，整个系统出现短路，断路的情况，容易导致元器件的烧毁，并且排查问题的困难直线增加。硬件电路焊接完成后，首先需要检查焊接点，是否完整，是否存在脱落的情况。外观检查完成后，不要直接上电，打开电路系统，需要先确认每个模块的电源接入的电压是否是额定输入电压。确认完成后，还需要检查地线是否连接，地线是否接入到公共地或者模拟地，确认没有短路的情况。供电前需要检查电源的输出电压，是否为需要输入的电压。当以上工作全部完成后，在将电源接入，进行供电。当整个系统供电后，需要检查每个模块是否正常工作，是否有烧毁或者过热的情况，出现以上情况需要立即断电，然后进行问题排查，直到系统正常工作后进行下一步的调试。在调试警报信息获取模块时，可以独立地测试各个模块，并且可以在开发板上测试，先确认单个模块的功能正常。第一步检测电路是否连接，信号能否通过电路，到达指定的模块，对硬件电路的焊接点进行检查，每完成一个模块的电路焊接，对该部分电路进行检验，观察确认电路是否存在短路，断路等问题，没完成一部分检查一部分，避免后期出现问题排查困难。5.3软件调试软件调试主要流程如下(1)子程序调试首先执行各个子程序，进行单元测试，首通过在仿真电路上运行各个模块的程序，观察是否能够按照设定流程就逻辑进行运行。(2)中断程序调试系统中断程序主要有定时器和计数器两种中断程序，主要是根据信号的类型。(3)数据的串并行转换功能调试51单片机的并行总线，而本系统中的芯片是串行的，所以在调试的过程中，我们需要进行串行并行总线转换，使其能够使单片机与各个模块进行通信，并且数据完整。(4)主程序调试当各个模块在仿真软件上都可以实现各自的功能后，我们将主程序接入整个系统中，然后先添加一个模块，进行验证，是否可以控制该模块执行特定的功能，以及接受和发送数据，当调试完成后，我们依照该方法依次的进行添加模块，然后单独调试，当所有的模块都添加完成后，进行整体的验证。5.4模拟运行当软件系统验证完成后，我们就可以根据实际的检测环境，对系统输入相应的数据，观察系统是否可以根据事先的设定，执行对应的命令。当这一步工作完成后，我们可以将软件烧录，写入单片机中，其中需要确认接收信息的手机号码，然后进行系统验证，查看是否可以接收到报警信息[14]。

6结论本论文研究的是防火防盗报警系统，是基于51单片机来实现的。通过红外传感器检测红外辐射能量来检测外来人员闯入，通过烟雾传感器来检测可燃气体的浓度，通过单片机作为核心控制，发送命令给报警装置和短信通知模块，从而达到防火防盗报警通知的目的[15]。本系统的红外传感器使用的是一种被动式的红外传感器，他是通过直接测量物体的红外辐射能量来进行检测的。当某一地方的红外辐射能量发生强烈的变化时，会将光信号转换为相应的电信号输出到单片机，因为他的检测范围时4-14um，人体红外辐射为10um左右，所以可以有效地防止其他能量的干扰，大大的提高测量的准确度和灵敏度。当有人员闯入时，传感器检测到红外辐射能量的变化，会向单片机发送信号，单片机接收信号，根据内部的设定程序，进行处理。单片机会控制输入数据与预先设置的阈值进行对比，发送相应的命令到各个传感器，执行声光报警，并且根据软件设定，启动短信通知模块，向指定人员发送报警信息。该系统结构清晰明了，便于理解，并且由于结构清晰，方便添加新的功能。结构小巧，安装方便，逻辑清晰，简单。并且还有复位系统