防盗报警系统设计

1绪论1.1选题背景我国经济发展突飞猛进，科技研究发展可谓是势不可挡，它们共同的进步给人们的生活带来了前所未有的改变。在大家生活质量得到提升的同时，对汽车安全和自己财产的保护意识也越来越强，所以有一个安保级别更高、效果更好的保护系统很重要。本文设计是为了保护现代家居安全、实现防火防盗，它是基于51单片机及GSM短信模块的汽车式电子防盗系统在生活经济和科技进步的同时，各种安全隐患在逐步增加，且危险因素更甚以往。在多种危险因素造成的灾害中，火灾是最常见、具有较大破坏力且很难得到控制的主要灾害之一。火灾是人们日常生活和工作生产中遭遇的破坏力较大的灾害，这种灾害在短时间内很难得到控制，并会以高速在过火空间蔓延，为人类的生产生活带来了巨大的损失。火灾的发生频率很高，日常工作生活中经常可见各种关于火灾的报道甚至亲眼目睹，火灾不仅会对财产带来危害，更会危及人民群众的生命。随着经济与科技的发展，导致火灾发生的隐患种类越来越多，因此火灾的预防工作和消防工作得到越来越多的重视。于是，火灾报警器在日常火灾预防工作中起到了关键的作用。对火灾报警器的需求促进了该技术的研究和发展，智能火灾报警器系统自研发以来更新换代技术极快，技术壁垒的突破不仅赋予报警器更好的性能，也进一步拓宽了报警器的应用空间，解决了很多传统火灾报警器无法处理的难题。火灾报警器在我国的发展经历了最初研究到应用推广，从传统系统到今天的智能报警，正以较快的速度向智能化迈进。科技的发展促进了单片机的应用与推广，目前单片机已在工业及农业生产中广泛使用。它的优点是体积较小、功能多、性价比比较低，被大量使用于各种电子元器件中。随着单片机的应用得到推广，对单片机的需求也更具多样性，因此开发出了更多类型的单片机。其中，用于检测居家环境并可实现报警的设备中就应用了单片机，满足了用户对于报警设备的需求。火灾报警在我国经历了一个简单到智能化的发展过程，现在它的智能化程度也在不断提高。人们对于火灾预警的重视使得火灾报警工作的难度大大提升，不仅要求报警系统具备实时检测、危险情况报警等基本功能，更要向着向着更高的灵敏性、可靠率、智能化的目标发展。因此，性能优越、功能强大且结构简单、稳定经济的智能报警系统是当前急需研发的重点。1.2防盗报警系统在国内外的发展国外的报警系统在20世纪初已初步具备规模。当时的北美已经将报警装置安装在人潮涌动的街头，当发生危险情况时，行人可触动报警装置以吸引警员及其他人的注意，从而获得救助；除此之外，报警装置也会将报警信息传递给邻近的警局，这样便将危险情况的信息传递到更远的地方以获得及时增援。后期，一家具备较先进通信技术的电报企业将通信技术融入到报警系统中，大幅度增加了报警信息的传递距离。然而，电话传播信息已经逐步取代电报传播信息，这报警信息的传递更快更远。随着电话在广大汽车中的普遍应用以及自动拨号技术的发展，更大程度的促进了报警技术的发展。通过国外报警技术的发展历程可以看出，网络技术和通信技术的发展是警报系统发展的基础，只有构建了完善的信息传递网络，才能实现信息的远距离传递与收集，收集上来的信息会由相关机构整合分析，从而指导救援部门对危险情况进行处理。目前，国外发达国家的监控系统已逐步发展成熟，广泛应用于监控和防窃。通过对其系统的发展过程的分析可知，国外发达国家在开发智能安保系统上的发展模式具有诸多可学习、可借鉴的地方。就北美而言，当前最为成功的安保系统就是通过互联网进行监测并报警的系统模式。通过互联网报警的平台，整个北美洲的安防产业无论是纵向还是横向都被整合串联到一起，由之前各自发展、较为分散的多单元变为共享高新技术资源并被统一管理经营的集中产业。1.3防盗报警器的发展前景与趋势经济社会的发展促进了城市的建设和农村城镇化，人口流动跨度太大，社会治安复杂，于是加强当前社会中的安全防范与警报系统就显得尤为重要。原本城镇中的汽车防卫大多采用单一的形式，如安装防盗窗、防盗门等，但随着盗窃者手段的不断更新，其起到的防御功能已经微乎其微，并且具有影响居住舒适度、增加安全隐患、年久失修导致脱落等一系列不安全因素。因此，具备强大防御和报警功能的安全防盗报警系统逐渐得到了广大用户的青睐和信任，并逐渐推广到各个城镇中的千家万户。除此之外，随着智能化小区的建设步伐逐渐加快，这种小区对于安保系统的要求也提出了更高的标准，国家也已出台相关措施对此种类型的小区安全等级作出了规范，安保系统的建设要符合相关规定与政策。因此，对住宅小区的安全保卫规范在小区建设之处就应该考虑到。1.4设计任务与要求(1)本设计从硬件结构与软件系统两个方面出发。模块主要有电源电路、单片机、短信模块等子模块构成。(2)此系统是由单片机控制电路、GSM短信模块、烟雾传感器、电红外传感器及一些控制管理软件组成，终端由中央处理器、通信模块、输入按键模块、输出报警模块等部分组成，终端设备的功能有信息的收集、处理；数据的传送、和将报警信息告知用户等。(3)本系统可以实现的功能有，在人离开之前，将报警系统调为外出状态，然后数据收集终端立马开启工作状态。用户离开后，如果有陌生人进入到探测区域，热释电红外传感器就会马上探测到非正常信号，立刻将异常红外线转换为电信号，电信号传输到单片机，再经过单片机处理后驱动执行短信报警电路，通过GSM短信模块向车主发送报警信息。2系统方案设计2.1系统总体设计思路本文设计的组成如图2-1所示：该安保系统以GSM短信息模块为基础，由红外热释电探测器、MQ2烟雾传感器组成数据采集转换系统，由单片机控制器完成数据采集向GSM模块的转换，最后将信息传递到用户终端。热释电模块手机短信显示报警短信热释电模块手机短信显示报警短信GSM短信模块单片机控制器MQ2传感器MQ2传感器图2-1GSM模块的汽车防盗报警系统原理图本系统以红外热释电探测器和MQ2烟雾传感器作为信号采集装置，收集车中可疑人员身体发现的红外线及烟雾，随后将相关信号传递至89C52控制芯片，芯片接收到信号后控制触发GSM短信模块向住户发送报警信息，以此完成对房屋的安全保护及监测报警功能。本系统的工作路径为:通过热释电型红外传感器收集检测可疑人员身体辐射的红外线，当感应到红外线信号后，将此信号转换为电信号，电信号经过电路系统的一系列处理传递到单片机，随后单片机触发相应模块开启报警，向用户绑定的终端传递报警讯息。2.2系统方案设计 本文对汽车报警系统的软件和硬件进行了设计。电路结构主要有电源电路，短信模块，烟雾传感器，单片机系统等。在本报警器的设计中，最核心的单元就是单片机模块，本系统也是在单片机系统的基础上进行工作和应用的。单片机应用系统的组成部分分为软件和硬件两部分，硬件的基本组成部分主要有输入、输出设备、单片机等。软件部分分为各种工作系统及程序。因此，要完成一种单片机的设计和研发，不仅要完善总体概况，也要对硬件系统和软件系统加以设计。结合安保报警器的应用需求及设计要求，该安保报警器的总体设计框图如图2-2所示：图2-2总体设计框图如图所示，防盗报警器的中心模块使用了89C52型号的单片机。在软件和网络系统的控制下，一旦安装在车内的红外传感器收集到陌生人员身体发出的红外线，就会将红外线转换为微弱电流，微弱电流经过各电路的整合、过滤、放大后被传递到门限开关，此时开关被触发打开，并将电流信号传递到89C52单片机内。数据传递到单片机后，由系统判断是否符合报警条件，如果传递的信号表明车内有陌生人进入，就会将报警信息发送到手机终端，发出报警信号后的一段时间，当终端意识到危险情况并采取求救措施后，可关闭警报以减少能源浪费。2.3传感器简介2.3.1热释电红外传感器简介热释电红外传感器是一种被动式的红外线检测收集器件，其工作过程是根据探测器检测覆盖范围内是否有异常红外线，这种器件不主动与环境产生能量交换，因此被定义为被动式装置。设计中所用到的红外线传感器又被叫做热释电红外探测器，它主要依靠热释电效应工作。热释电效应是指当钦酸钡、钦错酸铅P(zT)等强介电质材料的表面温度发生变化时，材料的表面会由于温度的变化发生电荷的变化，导致物质表面电荷平衡遭到破坏，从而使物质发生极化，这一过程就将温度信号转换为电信号。当可疑人员在被检测区域活动时，其身体向环境发射出的根据其运动状态而具有不同波长的红外线就会被热释电红外传感器检测到。红外线的温度触发传感器中的热释电效应，热释电效应反映了当前环境中的温度变化，通过温度变化比对出环境中的红外线分布与移动情况，这样就完成了对车内一个三维物质的探测和信号收集。由于被探测区一般都是车里的某个区域，因此在该区域会有一定数量的物品，此时热释电红外传感器应该合理识别这些物品不属于危险情况。当判定周围环境处于安全范围后，如果有异常红外线出现在检测区域，会使得被探测区域的整体环境发生剧烈变化，此时被动式红热传感器被能量较高、变化较剧烈的红外线触发，将红外线转换为电流，电流信号经过一系列电路的整合与放大过滤，传递到单片机，经由单片机比较后发出报警讯息。由于人体发出的红外线波长在8-14μm之内，这个波长同时也是热释电红外传感器的可探测波长，因此应用此款传感器进行防盗检测具有较好的效果。根据被动式热释电红外传感器性能灵敏、探测范围广且成本较低的优势，本文将其应用到安保监测报警系统中，而且在原有的报警基础上增加了遇险时发光警报和发声警报的功能。2.3.2热释电红外传感器电路图上世纪80年代，热释电红外线传感器(PIR)由于其功能实用性和性能灵敏稳定而逐渐发展普及。这种传感器的主要功能就是探测一定空间内是否存在可疑人员，这使得其广泛应用于防盗报警领域。图2-3为热释电红外传感器的内部电路框图。图2-3热释电红外传感器的内部电路框图2.3.3被动式热释电红外探头的特点和工作原理人类身体的温度通常在一定范围内波动，因此人体发射的红外线波长在8-14μm之内，这个波长同时也是热释电红外传感器的可探测波长，因此该传感器具有较为灵敏的探测人体功能。被动式热释电红外传感器主要依靠其探头进行红外线的感应与收集，从而完成接下来的转换分析工作，因此传感器性能是否灵敏主要取决于探头，探头一般具有如下特点：根据传感器的应用需求和工作领域，探头的可收集红外波长必须在8-14μm之间，尤其要对人体体温为37℃时发射的10μm波长更加敏感。探头不仅会收集到人体红外信号，也会收集到其他物体的红外线，为了过滤其他非目标信号，探头上一般都会安装菲尼尔滤光片，以减少环境对探头工作的扰乱。探头中的传感器会把两电元进行串联，使其极化方向相反，这种设置主要针对环境辐射对传感器的干扰作用，这种使电元串联的方式会令环境产生的辐射相互抵消，即使收集到了相关红外线，也不会报警。当陌生人进入到检测区域，热释电元件通过探头接收到红外信号，这时候两电元接收到的热量不同，不能抵消，就会报警。依据不同的使用需求，采用不同焦距的菲尼尔滤光片以改变探测范围，探测范围的扩大增加了监控的面积，加强了对房屋的检测与保护。2.4MQ2烟雾传感器简介（1）传感器介绍在整个报警系统中，烟雾传感器起着绝对的核心作用，整个系统的工作和分析都取决于传感器所收集的信号。因此传感器是否足够灵敏，对烟雾等数据的收集够不够准确，对烟雾的分析够不够可信，就对这个系统的工作能力发挥了非常关键的作用。烟雾传感器内部结构如图2-4所示。图2.4烟雾传感器及其结构图作为对气体含量及浓度十分敏感的气电转换器，它能将空气中的烟雾气体讯息以其他形式转换并传递。烟雾传感器的主要功能就是将车内的烟雾以及疑似可燃气体的相关信息转换为不同的电流信号，电流信号经过电路系统的整合后被传递到单片机，通过单片机对电流信息中蕴含的烟雾浓度、含量进行分析，如若达到预警条件就控制发生报警。当前市场中流通的各种品牌的传感器，都能完成最基本的火灾预警功能，且普遍性能优越、价格适中。但除去优点，国内市场的产品都具有系统各自独立、各占山头的缺点，不同品牌的产品由于规格和系统不同无法实现相互替换，这就表明，当前的国内市场不可能形成互联协作的灾害预警网络。这对于智能汽车防盗系统的发展方向是巨大的阻碍因素。根据传感器的组成材料分为干式和湿式气体两种烟雾传感器，一下部分对目前市场上应用较为普遍的传感器的简介：=1\*GB3①半导体气敏传感器半导体气敏传感器的主要材料有单晶半导体器件和氧化物半导体陶瓷，两种材料使得传感器的灵敏度更高。当车中的烟雾接收到传感器探头时，传感器内的半导体会发生反应引起电阻值发生变化，电阻值的变化反应了烟雾中气体的含量等参数，通过传递电阻变化而传递环境信息的烟雾传感器即为电阻式；当房间内的烟雾接触到传感器探头后，导致传感器中的场效应管电压发生变化，且随着气体种类和含量产生不同程度的电压波动，根据电压的传输分析是否达到警报级别。利用电压变化检测并预警灾害的半导体烟雾传感器即为非电阻式。半导体气敏传感器从研发到应用已经经历了50多年，简单的结构和较小的体积便于在多种系统中应用，而极高的灵敏性使得其在灾害预警领域发挥了较大的作用。维护方便、价格低廉的特性使得此款传感器在世界范围内得到了广泛的应用。=2\*GB3②电化学传感器电化学传感器核心部件主要有两部分，一部分是电解液，一部分是膜电极。电化学气敏传感器的电解质可以用凝胶,固体，但是用得多的是液体。这种传感器不仅可以输出电流，还可以利用离子反应输出电动势。他的工作过程是这样的，传感器检测到烟雾浓度，然后利用这一信号把电解液分解成带电离子，然后转换成电信号输出。这种传感器的稳定性很好，传播速度也很快，而且性能很稳定，当然他有缺点，他的缺点就是寿命不长，一般不超过两年，因此它主要用于有毒气体的检测，在国际上应用广泛。=3\*GB3③离子感烟传感器火灾刚刚发生时其产生的烟雾中含有气溶胶，一般传感器很难检测到，离子感烟传感器却能够精确检测到气溶胶，性能十分稳定可靠。它的工作原理如下：镅241作为系统的放射源将空气电离成正负离子，相当于让空气导电。等环境安全时，整个系统的电压是很稳定的，一旦发生危险，烟雾中的颗粒会扰乱这种稳定关系，空气中电流就会发生变化，从而作为报警信息的参考。半导体传感器适用于不同的烟雾，结构简单，灵敏度高，体积小，价格便宜，性能稳定，不需要维护，使用方便，得到广泛的应用。本文在综合考量之后，决定采用MQ-2半导体气体烟雾传感器。（2）MQ-2半导体烟雾传感器二氧化锡的清洁空气电导率低，所以本设计的传感器便是以SnO2为主体的半导体气敏元件，是N型。传感器一直检测周围环境，发现烟雾浓度增加，传感器的电导率就会增大，同时在传感器内部设置相应的电路，把这物理信号转变成相应的电信号。=1\*GB3①和其他传感器相比，SnO2的稳定性很好，不论是物理性能还是化学性能都是如此，而且SnO2气敏元件寿命长，稳定性和耐腐蚀性也很好。=2\*GB3②SnO2气敏元件制作成本低，内部结构简单，稳定性高，机械性能出色。Mq-2半导体气体传感器的指标见表2.1。表2.1MQ-2的技术指标加热电压（Vh）AC或DC5±0.2V回路电压（Vc）负载电阴（Rl）清洁空气中电阻（Ra）灵敏度（S=Ra/Rdg）响应时间(trec)恢复时间(trec)元件功耗检测范围使用寿命最大DC24V2KΩ≤2000KΩ≥4(在1000ppmC4H10中)≤10S≤30S≤0.7W50—10000ppm2年2.551系列单片机的内部组成本系统采用STC89C52RC型单片机，它的优点有抗干扰能力强，功耗低，速度快，可以高速运行。最主要的一点是它的兼容性很好，可以兼容8051单片机，当然也能选择采用6时钟/机器周期还是12时钟/机器周期。图2-4STC89C52单片机引脚结构2.6SIM900A短信模块简介数据传输主要通过短信模块来实现。SIM900A是当前应用非常多的一款短信模块，传输效率高，功能齐全，成本较低，因此得到广泛的应用，本文拟采用这一短信模块。图2.5SIM900A实物图SIM900A功能图下图展示了SIM900A的功能框图，并说明了主要的功能部分：GSM基带、存储器、GSM射频、天线接口、其他接口图2.6SIM900A功能图SIM900A主要特性特性说明供电单电压：3.4V–4.5V频段SIM900A两频：EGSM900和DCS1800，M900A可以自动的搜寻两个频段。也可以通过AT命令来设置频段。符合GSMPhase2/2+GSM类型小型移动台发射功率Class4(2W)：EGSM900Class1(1W)：DCS1800GPRS连接特性GPRSmulti-slotclass10（默认）GPRSmulti-slotclass8(可选)GPRSmobilestationclassBGPRS数据特性GPRS数据下行传输：最大85.6kbps电路交换（CSD）GPRS数据上行传输：最大42.8kbps编码格式：CS-1，CS-2，CS-3和CS-4支持通常用于PPP连接的PAP（密码验证协议）协议内嵌TCP/IP协议支持分组广播控制信道(PBCCH)CSD传输速率：2.4，4.8，9.6，14.4kbps支持非结构化补充数据业务(USSD)短消息（SMS）MT，MO，CB，Text和PDU模式短消息（SMS）存储设备：SIM卡SIM卡接口支持SIM卡：1.8V，3V天线接口天线焊盘串口和调试口支持标准的8线制串行接口传输速率支持从1.2kbps到115.2kbps可以通过串口发送AT命令和数据支持RTS/CTS硬件流控，并且可以通过软件打开或者关闭流控功能支持符合GSM07.10协议的串口复用功能支持从1200bps到115200bps的自动波特率检查功能调试口：2线制串行接口用于调试和软件升级实时时钟（RTC）支持2.6.1GSM模块接口设计SIM900A短信模块和单片机连接的方式一般以串口为主，这样单片机就可以控制短信模块。以下为SIM900A模块的接口设计。图2.7SIM900A模块接口3硬件电路设计3.1电源电路设计电源电路在整个系统中有着至关重要的作用，是整个系统的能量来源，动力所在。本论文的电源采用直流稳压电源，其主要由三部分构成，分别是稳压，减压，滤波。由于中国国家电网的电压为220伏特，而且是交流电，因此需要电源将其转换成5伏特直流电输出到后续工作电路，因此电源的意义十分重大，整个系统正是基于电源才能运转起来，因此它的作用不言而喻。电源的组成部分如下：（1）降压变压器：也就是电源变压器，国家电网的电是220伏交流电，这个降压变压器可以将交流电转变成电压较低的直流电，变压器的变比由变压器的副边电压确定。。（2）稳压电路：电源本身输出的电压并不稳定，需要稳压电路将其转变成稳定的直流电压，稳定的直流电压能保证工作电路的正常运转，不会产生波动，。本稳压电源同样也可以为TTL电路或单片机电路提供电源。（3）滤波电路：交流电正是通过滤波电路加以过滤才将交流成分过滤掉，最后输出稳定的直流电压的。本论文经过分析讨论拟采用三端稳压器，三端稳压器一般分为两类，一类输出固定电压，这种稳压器叫做固定输出三端稳压器。另一类叫做可调输出三端稳压器，它的输出电压是可以调节的。这两种稳压器的基本原理大体是一样的，他们都是串联型结构。三端稳压器在众多的线性集成稳压器中应用最多，适用性最广，因为这种稳压器，价格便宜，成本较低，性能也很稳定，并且因为三端稳压器的端子数少，只有三个，所以说他没有什么外部部件，结构比较简单。LM7805三端稳压器目前来说应用最为广泛，它的应用范围很广，功能也比较强大，输出电压为五伏直流电。图3-1直流稳压电源电路3.2红外探测信号输入电路图3-2第一级放大电路图图3-3二级放大电路图图3-4电压比较器电路图如图3-5所示，OUT3的信号不能直接进入单片机需要用三极管进行转换。因为感应器接到警报信息后产生的电压是直流电压，电压为5v。因此这时候就需要用三极管进行转换，转换后其变成低电平，就可以成为单片机能识别的低电平信号。单片机接收到这一信号后状态发生改变，由原来的低功耗模式转变为工作模式，整个电路开始工作。当环境中煤油预警信号时，整个系统输出的是高电平。图3-5数字信号输入电路3.3时钟电路的设计如图3-6所示，反向放大器的输入端和输出端分别是XTAL1和XTAL2。这种放大器可以配置片内振荡器或者使用石晶振荡和者陶瓷振荡。但是如果该反向放大器采用外部时钟源驱动器件，那么输出端不需要接。图3-6为时钟电路。图3-6时钟电路图3.4复位电路的设计复位方法有两种最常用，它们是上电自动复位，外部按键手动复位，时钟电路开始工作,RESET端持续给出2个机器周期的高电平时单片机就进行复位操作。图3-7为复位电路。图3-7复位电路图3.5烟雾检测电路设计3.5.1传感器选型火灾发生时都会伴随着产生浓烟，因此一定要选择合适的传感器，本论文综合考虑各因素后决定采用QM3传感器，这种传感器很灵敏，即使烟雾的浓度很低，也能迅速检测出来，并且可以迅速将这一信号的电信号传送给单片机。

本论文分压设计是这样的，mq2传感器在电压变化时其电阻值也会变化，利用这一点就能达到分压的目的。LM393利用MQ2传感器的电压做对比，利用一个可调节电阻调节烟雾限定值。根据限定值就可以对烟雾的含量进行判断，看其是否处在安全范围内。如图3-6所示：图3-6MQ2模块电路图4软件设计4.1软件的程序实现报警系统由硬件部分和部分构成。软件部分主要也是由两部分构成，一部分是主程序，也就是监控软件，它的主要功能是调节各个模块，使各个模块协同工作，主程序也是整个报警系统最重要的部分。另一部分是子程序，也就是执行软件，他们负责具体的工作，比如说计算通讯等功能。每一个子程序负责一部分具体的功能，这些子程序的开发原理如下：短信报警子程序：报警功能主要是依靠短信报警的子程序来实现的，当子程序得到报警信号后，相应的报警子程序启动，实现报警过程。它的报警原理是通过控制三极管可以改变短信模块的工作状态，当有报警信号是可以给用户发送报警短信，与此同时给出电信号发光二极管也会跟着同时发光。串行口通信子程序：单片机与微机进行通信时，第一设置串行口的波特率为9600,1位停止位，步涌奇偶校验。串口通信程序有两种方式，查询与中端，两种占用资源一样所以发送采用查询，接收子程序采用中断。4.2主程序工作流程图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系统初始化检测有无信号输入检测有无信号输入否是启动短信报警电路开始报警启动短信报警电路开始报警短信报警是否持续10秒短信报警是否持续10秒否是短信报警结束是否还有检测信号等待下次报警是否还有检测信号等待下次报警是结束结束图4-1主程序工作流程图4.3中断服务程序工作流程图主程序的工作过程是这样的：如果在系统检测范围内检测到有人的出没，热电传感器就会工作，产生信号输出给单片机，然后单片机就会对这一报警信息进行处理，然后通过短信模块将这一信息传递给报警电路，报警电路显示报警模式，报警模式持续时间为10s，之后停止报警。这就是一个工作过程，下一个工作过程类似，继续监测信息，处理信息，预警。同时为了方便人的干预，认为的可以在任何时间停止报警，不必要等到10s。整个工作流程图如下图4-2所示：中断源发出中断请求中断返回恢复现场、开中断INT0端有输入信号关闭短信报警关中断、保护现场中断源发出中断请求中断返回恢复现场、开中断INT0端有输入信号关闭短信报警关中断、保护现场图4-2中断服务程序工作流4.4报警电路流程图单片机的P2.0端作为控制端，高电平就会报警。当P2.0输出高电平时，NPN三极管通路，控制GSM模块远程发送防盗报警短信。短信报警电路流程图如下图4-3所示：初始化初始化