【基于STM32的家庭防火防盗系统设计16000字（论文）】

PAGEI基于STM32的家庭防火防盗系统设计摘要本毕业设计主要设计了一种基于STM32单片机平台的家庭防火防盗智能系统，按照系统功能分为防火模块和防盗模块，按照硬件功能分为传感器模块、蓝牙模块和GSM短信通讯模块。传感器模块主要负责将环境中的物理信号或化学信号转换为电信号后进一步转化为数字信号，以数据的形式通过串口通讯保存在单片机内。MCU（MicrocontrollerUnit）微控制单元负责数据的处理，OLED显示屏幕负责数据的显示。在主微控制器的调配下，传感器数据进过处理现实后，蓝牙模块将数据导入附带APP，利用APP作为媒介。当用户进入室内时，与系统蓝牙配对连接后，打开APP可以进行开关门锁、输入密码、查看室内温湿度和烟雾数据等一系列操作。当某些数值过高或者用户密码输入错误时，通过GSM模块通知预设手机号主人，起到报警作用。其中软件部分的设计均由Keil编译器进行编写实现，包括单片机串口初始化驱动、外设使用、传感器驱动、逻辑运行等功能本系统在实现实时监测室内环境的同时，由于烟雾传感器对于一些特定气体的敏感度，对于火灾可以起到有效的避免警示作用。同时报警装置的人性化设置，也符合防盗家居系统的特点，有助于用户及时预见险情、减少人身安全隐患和财产损失。关键词：STM32F103ZET6；实时监测；SIM800A；HC-SR501RD-624目录摘要 0目录 I1引言 12概述 22.1家庭防火防盗系统概述 22.2国内外研究现状与发展趋势 22.3选题依据及意义 43总体设计 53.1室内温湿度和煤气气体的检测 53.2环境数据的采集 73.3数据显示与保存 73.4附加功能 73.5关键技术 83.6主要技术指标 84.1STM32单片机电路 94.2系统电源电路 104.3传感器采集电路 114.3.1温湿度传感器 114.3.2HC-SR501RD-624（人体红外感应电子模块）传感器 134.3.3MQ-2气体传感器 144.4蓝牙模块电路 144.5GSM通讯模块 154.6DS3231时钟模块 175软件设计 185.1总体方案 185.2程序流图 185.3模块程序设计 195.3.1温湿度模块程序设计 205.3.2MQ-2气体传感器模块程序设计 215.3.3人体热释传感器模块设计 215.3.4蓝牙模块程序设计 215.3.5GSM短信报警模块程序设计 226制作与调试 256.1实物制作 256.1.1总体特点 256.1.2电路连接 256.2调试 257结论 27参考文献 29附录 30 -PAGE1-1引言当代社会网络技术发展迅速,伴随着人们生活水平的大幅度提高，家居系统的安全性和智能性要求逐步上升。人们的生活寻求个性化、主动化,寻求快节拍,寻求充溢兴趣的生活方法。生活家居人性化、智能化的要求使智能把持技术在智能家居电子产品中获得了普遍使用,随同着智能家居的疾速开展,线路被堵截和恶意占线问题在传统家居系统中愈演愈烈,而且必须消耗较高的资源,系统很不稳定,而且没法完成精确监控。在这种情况下,基于单片机的家庭防火防盗系统需要作出一定的创新设计,家庭室内安全的监控需要有一定的准确性。当今,国际上传统的防火防盗家居报警系统稳定性差,没法完成精确监控,为此设计了基于STM32单片机的家庭防火防盗电子系统。该系统检测室内数据模块采用了温湿度传感器、烟雾气体传感器和人体热释传感器，通讯模块则采用简易的GSM模块2G短信功能向用户发送报警短信,伴随单片机的声光报警。采取单片机系统芯片对室内电源插座开关、窗户电灯开关施行集成控制,检测室内温度、湿度和烟雾密度数据形态,检测异常经过短信来实现报警。测试后果标明该系统各项功能运转稳定,成功完成防火、防盗功能。跟着国际互联网经济的敏捷开展和人们智能化生活需求的日趋增加,家庭防火防盗系统系统的功能性要求逐步增加,同时要求开发者重视用户体验度。日常生活中，在重视家具系统安全性、私密性不断提高的同时，新兴技术的运用也有着严格的标准。这就要求新技术在新范畴中的使用最大程度发扬其价值和用处,努力的与各类新技术实行交融,如以后的5G技术、物联网等都可以使用到智能家居的设计中来,这样有助于完成智能家居功能的多样化,扩宽家居使用范畴,这关于智能家居的久远开展也有必定的增进用处。总之,智能家居的大范围开展是以后时代的必定趋向,其在改良人们的生活质量和生活情况方面有着极其关键的增进用处,在将来智能家居有着极其很大的开展空间。而要想增进我国智能家居朝着更好的标的目的开展,其还必须进一步提升我国科技程度和经济实力,加大智能家居研发力度,如此才可以更好的满足人们多元化的需求,发扬智能家居的用处和价值。

2概述2.1家庭防火防盗系统概述现在,通俗普通家庭的防火防盗办法首要是安装防盗窗、防盗门和防盗锁。这些是人们经过平常生活经历积聚的传统办法,但都存在必定的缺点。一旦室内产生失火或被盗时,人们不能实时把握家庭的安全状况,也不能做相应的处置,会给人们的财富或性命带来严重的风险。本课题联络生活实践,首要研讨内容是设计一个基于STM32单片机和GSM网络的家庭防火防盗系统,用C言语编程完成单片机对显示模块的各类显示功能把持,要求显示室内的温度与湿度从而使客户可以判别家庭安全状况,出现温渡过高、湿渡过低、烟雾浓渡过高能预判火警而且主动报警。设计与开发把持器硬件电路,用Protues软件、keil软件等完成硬件电路的仿真和系统软、硬件统调。在仿真根底上绘制硬件电路布线图,制造显示模块把持器,制造报警系统,并将程序下载到把持器中,完成对显示屏、温湿度感应显示模块和感应报警模块的自力把持,其首要功能有:（1） 检测到环境内是否着火，是否有人强行入户，并自动报警；（2） 接收设备离开环境后仍能监测系统状态，接收系统传送消息；（3） 通过GSM模块，数据共享，可在移动终端上查询室内温湿度；根据以上要求提出如下方案：家庭防火防盗系统包括温湿度传感模块、存储模块、显示模块、GSM模块等。其中通过温湿度传感器实时监测室内温湿度，以数据的形式发送至主站设备上并进行存储，利用MQ-2煤气传感器对室内烟雾浓度进行监测。通过防火模块的设置，利用单片机上的LED屏显示数据同时进行审核数据发现温湿度、烟雾浓度达到火灾预警时自动报警。防盗模块则用声光报警，其次通过热释人体感应模块对室内进行检测，若检测室内有人闯入，系统将被视为非法入侵，立刻启动报警系统进行语音报警，并通过GSM模块将室内实时信息第一时间发送至预设手机用户。2.2国内外研究现状与发展趋势经过多年的移动通信服务发展，目前的技术已经相当成熟。另外，在工业控制，环境监视等领域中，广泛使用由单片机构成的数据获取系统和由PC构成的经由串行端口的多计算机系统。他们中的大多数使用RS-232，RS-485或受限的调制解调器通信方法。经济但实用，其有线数据传输模式严重限制了应用程序的扩展。它利用了现有的GSM网络资源，充分利用了高网络覆盖率和出色的传输特性，并为现有的数据采集系统提供了一种方便的无线数据传输方法。这将是工业控制领域的新发展。同时现场测控，这也成为了一种趋势，并广泛用于安全警报，电力监控，石油，采矿和其他行业。[1]具体例子有2010年MinuAPillai等人设计了一种用来监测同时控制室内空气污染程度大规模传感器网络系统[5]，该系统使用TGS2620有机物传感器TGS2600气体污染物传感器对空气进行检测，微控制器使用的是AT89C51CC03，微控制器与各个传感器之间通过CAN总线进行通信，通过利用CAN总线，此网络可以增加更多的传感器节点和控制节点，同时还可以实时监控室内空气质量。智能安全住宅系统的发展离不开现代通讯系统和物联网智能技术的技术支持。该技术支持已经是一种相对成熟的技术，它还在消防法规中增加了家用消防标准，但是由于投资成本高，开发人员仍无法在其应用中推广该技术。国产智能家居在我国还在初步发展阶段中，智能社区是智能家居发展的基础。在我国，智能社区属于房地产开发中相对特殊的群体。开发中的技术水平要求实际上相对较高。已经有一些房地产开发商，但是他们开始为智能设备的开发和建立做出贡献。在这方面，社区及其聪明的形式绝对仍然相对单一。当前，我国智能社区中的大多数通信标准是TCP/IP，它基于先进的管理机器系统，用于完成多步，多端口数据通信和通信。我们为智能家居开发了一个水平平台，具有系统构建，多媒体管理，物理信息咨询和即时消息传递等功能。基于此，它还具有某些家庭功能，例如处境和谐和家用电器和谐。兼容的电子设备（如可用系统和温度控制）均受到远程控制。在我国现有技术层面，上述智能应用早已成为智能家居行业的主流，对于中国的智能家居系统来说不可或缺。同时也已经为人们的基本智能住房提供了支撑。但是，由于技术限制，我国的智能家居系统并不完善，并且存在许多缺点。同时，使用成本较高，辅助设备不足，其中电气和照明系统并不完美。[2]而在国外，随着智慧城市建设的推动，在互联网、移动互联网、物联网、云计算、大数据等交织影响下，越来越多的安防企业涉足智能家居。近年，在智能家居领域，创新智能硬件、软件更是层出不穷，这为智能家居产品创新带来新思潮。国外很多著名安防系统公司将视线转到庞大的中国市场，比如说全球首屈一指的智能锁和安防解决方案供应商、北美和南美市场的领导者亚萨合莱(ASSAABLOY)，它在前线员工、众多专家和技师的大量投入也提升了集团在市场上和消费者中的信赖度和口碑，用户对于家居自动化的无线解决方案和绿色解决方案的需求也持续上升。又比如美国和加拿大家庭和企业的安全与自动化解决方案的领先供应商ADT(安达泰)，它主要提供住宅用户和中小企业用户的安防服务，同时还包括互动家庭和企业解决方案以及医疗服务。ADT最大的特点就是监控的范围非常广，比如家庭监视的主要领域是温度监视，抢劫监视，洪水监视，一氧化碳监视和医疗警报监视。2.3选题依据及意义近年来，随着国内互联网经济的迅速发展和人们智能化生活需求的日益增长，家庭防火防盗系统系统的功能性要求逐渐增加，同时要求开发者注重用户体验度。市场上智能家居系统也一直是热门话题，有很高的投资与研究价值。新的物联通讯技术在该领域需要充分发挥价值和作用，同时技术融合也提供了更多的方案可能性，当前的5G技术、物联网等都可以应用到智能家居的设计中来，这样有助于实现智能家居性能的多样化，扩宽家居应用范围，从长远来看也促进了智能家居的进一步发展。随着对居住场所的需求增加，有必要在确保安全性的同时确保便利性和舒适性的提高。因此，加强防火防盗需求备受关注。该设计的目的是检测被检测区域中的温度和烟雾。紧急情况发生后，灭火装置将及时启动以扑灭火灾。以单片机为核心的火灾报警控制器是可以发送和接收火灾报警信号的设备，是整个系统的核心。每个传感器负责监视和响应周围环境数据的变化，类比人体感官的存在。它使用火灾警报模块实时监视每个传感器及其串行端口，检测和处理警报信号，并采用声光警报格式与通信警报相结合。为了进一步提高防火防盗性能，我们将应用先进的开发技术，加强对火灾报警控制装置的研究，实现成本的大幅降低，促进火灾报警器的正常运行，对系统来说这是必须的。[3]综上所述，当前时代的必然趋势是智能家居的大规模发展，人们的生活环境和生活品质有望进一步因此发展。我国智能家居需要朝着更好的方向发展，这就要求我们进一步提高国内科技水平和经济实力，加大智能家居研发力度，这样才能起到保障新时代人民群众的良好生活的作用，智能家居的价值才能充分被发挥。

3总体设计本家庭防火防盗系统是一种基于STM32单片机的智能家居系统，其中分为硬件系统设计和软件系统设计。硬件与电路是整个系统的基础，直接影响了工作性能，所以需要严格对待设计细节。本系统的硬件由MCU、煤气传感器模块、温湿度传感器模块、人体热释传感器模块、蓝牙模块、屏幕显示模块、蜂鸣器报警模块组成。单片机使用串口采集温湿度数据，煤气传感器和人体热释传感器使用外部中断控制，数据显示在单片机附带的OLED屏幕上，使用户进行数据实时监测，极大地提高了装置的灵活性。蜂鸣器配合灯光报警则可以在人们忽略的情况下提醒人们当前的室内环境及安全情况。本智能家居防火防盗系统结构的组成框图如图3-1所示。该系统包括防火模块、报警模块、数字信号处理和发送电路、计算机数据处理程序等部分。图3-1系统架构简易框图3.1室内温湿度和煤气气体的检测在该毕业项目中，使用DHT11温湿度传感器测量室内温湿度。湿度测量范围为20％至95％（范围为0至50度），测量误差为±5％，包括温度测量范围，它是0到50℃，误差为±2度。DHT11数字温度和湿度传感器是将温度和湿度传感器与校正后的数字信号输出结合在一起的传感器。该模块具有专用的数字模块采集数字量及其变化，温度和湿度检测技术检测精度范围内产品的量程，经过产品测试，具有用户所需的稳定性和可靠性。该传感器包括一个电阻湿度检测器和一个NTC温度测量元件，连接到8位单片机十分方便。同时该传感器具有质量优良，响应速度快，抗干扰能力强，性价比高的优点。经过出厂前在高精度湿度校准室中的校准，校准系数将会以程序的形式存储在OTP存储器中，并且在处理传感器中的检测信号时会调出这些校准系数以便后续观察研究。系统集成使用简单而快速的单线串行接口。超紧凑，超低功耗以及高达20米或更长的信号传输距离，使其非常适合各种应用，甚至是一些军用标准要求的应用工程。该产品封装为4引脚单排引脚。连接方便，随时可以根据用户需要提供特殊的包装形式。使用MQ-2烟雾传感器检测室内易燃危险气体。MQ系列传感器是非常广泛使用的低成本传感器，并且广泛用于家庭和工厂的气体泄漏监测设备。MQ-2中使用的敏感材料是高活性金属氧化物半导体。传感器加热后，电导率取决于气体浓度。可以使用一个简单的电路将电导率的变化转换为与气体浓度相对应的信号输出。MQ-2传感器对易燃气体和烟雾等气体极为敏感。基于MQ-2的烟雾传感器模块通过电路设计提供了两种输出模式。数字输出：浓度阈值由板载电位计设置。当检测到环境气体浓度超过阈值时，将通过数字引脚DO输出低电平。模拟输出：密度越高，AO引脚输出的电压值越高，ADC收集的模拟值越高。该传感器主要有几个特点：1、具有信号输出指示。2、双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）3、TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）4、模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。5、对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。6、使用寿命周期长、稳定性相较其他产品高7、快速的响应恢复特性在本系统中主要使用数字量输出设定阈值，便于后续报警系统的设计。人体感应模块则是德国公司生产设计的完美版HC-SR501，传感器模块的初始化时间约为1分钟。在此期间，模块的输出为输出的0至3倍。进入待机模式1分钟后，我们需要避免干扰源，例如镜头表面附近的光源，以防止干扰信号干扰。但需要在稳定的环境中使用，以免可能导致传感器干扰人体监测的风流。它的工作原理是人体的温度恒定，通常为37度，因此它会发出约10微米特定波长的红外线。无源红外探头的工作原理是检测从人体发出的约10微米的红外线。菲涅耳滤光片用于增强人体发出的10um红外辐射，并将其收集在红外传感器中。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。感应模块使用双探头。探针窗口是矩形的，两端在两个方向上平行。当人体从红外光谱仪从左到右或从右到左到两条路径的中点通过时，距离差越大，检测灵敏度越高。如果从人体正面到探头，或者从上到下，或者从下到前的探测距离小于红外光谱的两倍，则没有区别。传感器必须同时安装在探头的两个方向上。使其与人体尽可能平行，以确保探头对齐。对人体进行监视以确保双向感应传感器不会变得不那么敏感或不会出现故障。圆形透镜旨在扩展角度感应范围。该模块还允许探头围绕感应，但是左右感应范围和灵敏度仍在上升和下降，因此必须安装上述要求。3.2环境数据的采集单片机通过串口采集温湿度传感器和气体浓度传感器的数据，通过ADC采集气体传感器数据，主要适宜于测量液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测，通过气敏电阻主要感应烟雾的浓度值。APP页面显示室内温度、室内湿度、是否有人（1表示有人）、是否有烟雾（1表示有烟）、错密次数（默认为10），通过输入正确密码后即可通过程序查看室内基本情况，同时配备有系统开关（默认1为打开门锁）、系统时间（设置延迟）。考虑到实用性，数据未经过算法处理，直观保存在外部FLASH电路中，串口传输的波特率及其协议在后续介绍中，可燃气体由于ADC输出在浓度过高时输出电压大于4V，以免引起安全隐患用TTL输出代替。3.3数据显示与保存本毕业设计使用外设OLED屏幕来显示当前室内各种可燃危险气体浓度的实时数据、环境温湿度和时间日期、按键功能提醒、家庭防火报警提醒等，部分功能可以通过按键来调用。屏幕使用单片机支持的FSMC来驱动以降低代码编写难度，提高效率和刷新频率。数据保存在外部FLASH中，外部FLASH与单片机采用SPI接口通讯，通讯帧大小为12字节，内容包括年、月、日、时、分、可燃浓度、温湿度等。3.4附加功能在基础功能上新增了蓝牙模块，家居系统配置OLED模块有显示功能，显示时间，温湿度，门的开关状态（小灯）。同时该系统具有火灾报警功能，当检测有烟雾，并且温度升高，定为有火情，通过GSM短信模块报警系统有防闯入功能，将报警预警短信发送到预设手机用户，人体检测模块检测人体，蓝牙模块连接单片机和手机后，采用预设APP设置，当主人用蓝牙输入密码开门进出时，不报警，当未输入密码强行开门时，视为有人闯入。3.5关键技术（1）串口、SPI（SerialPeripheralInterface，串行外设接口）、ADC（Analog-to-DigitalConverter，模数转换器）等外围设备的使用（2）传感器的原理和通讯方式（3）传感器监测数据的处理运算（4）OLED屏幕显示的驱动、屏幕设计（5）蓝牙模块的驱动、使用，APP界面设计（6）GSM模块2G收发短信功能3.6主要技术指标（1）敏感体表面电阻：3K欧姆-30K欧姆（1000异丁烷）（2）探测浓度范围：100-10000ppm液化气和丙烷300-5000ppm丁烷5000-20000ppm甲烷300-5000ppm氢气100-2000ppm酒精（3）可燃气体浓度测量精度：可燃气体浓度较小时检测距离小于4cm（4）实时数据更新速度：1次/s（5）标准工作条件：

4硬件设计4.1STM32单片机电路单芯片微处理器市场的规模每天都在扩大，到2010年，每年已经出货20G芯片。世界各地的设备供应商都在展示自己的设备和体系结构。行业内的创新是无止境的，产品更新和迭代也很快。单片机功能的所有领域的需求也在迅速上升，要求处理器运行更长的时间并实现尽可能多的功能，而又不增加主频率和功耗。有。同时，诸如串行端口，USB，以太网和无线数据传输处理器之类的处理器之间的互连也在加深。如果要支持这些数据通道，则需要在芯片上安装更多外围设备。软件情况是相同的。该应用程序已经过重新设计，性能要求也变得更加严格。更高的计算速度，增强的实时功能，增强的功能模块，增强的图形界面，单芯片产品等等。随着Internet的发展，进行升级以满足这些客户的需求。在这种环境下，Cortex系列的第一个产品ARMCortex-M3处理器应运而生，以响应使32位处理器进入MCU市场的时代和技术要求。本毕业设计采用的单片机型号为洋桃派系列开发板STM32F103最小系统，其使用了高性能的Cortex-M332位的RISC内核，拥有3种程序下载方式，长宽90x60mm仅名片大小的紧凑设计，所有接口在同一侧，方便安装在外壳面板，拥有高品质电源，多组钽电容滤波稳定提供输出。相对于其他开发板型号，该板具有很多优势，主要体现在：更先进的内核、更多的资源、增强的外设功能、更高的性能、更低的功耗、更低的成本。通过对于市场上各类单片机的对比，本人认为STC89C52等8051内核虽然成本较低，但其资源如串口、ADC、ROM不足以支持本毕业设计，故综合选取了此开发板。此开发板的ASP功能是指洋桃派M1开发板特有的ISP自动下载功能，ASP功能由监测芯片、ASP指示灯、MODE按键组成。当开启ASP自动下载功能时，用户只要点击电脑软件中的“开始编程”，ASP就能自动监测信号、复位单片机、设置BOOTLOADER选项并完成下载。使用方法：每次上电后，ASP功能默认为开启。单击MODE按键，单片机复位一次，ASP指示灯熄灭0.5秒后点亮。双击MODE按键，关闭ASP功能，ASP指示灯变暗。再次双击或重新上电可开启ASP。长时间按MODE按键，切换到RAMISP模式（不建议初学者使用），ASP指示灯闪烁2次。再次长时间按或重新上电可切换回FLASHISP模式（标准模式），ASP指示灯闪烁1次。当不确定ASP处于什么状态时，可重新上电使ASP回到默认状态（开启自动下载，FLASHISP模式）。

本毕设开发板有三种程序下载方式：USB下载，RS232下载，JTAG/SWD下载。本次毕业设计采用JTAG下载仿真，使用ST-LINK仿真器连接到USB接口，另一端连接到洋桃派工作室M1开发板，同时需要DC2.1、排针或USB接口给开发板供电（输入电压5V）。此下载方法有利于程序代码的正确烧录，减小错误，配置好开发环境后，方便了后续的调试。开发板工作原理图如图1。图4-1STM32F103ZET6最小系统结构4.2系统电源电路本STM32单片机电路结构较为简单，具有JTAG下载电路、电源电路、复位电路和时钟电路等。STM32的工作电压(VDD)为2.0～3.6V。通过内置的电压调节器提供所需的1.8V电源。该单片机最小系统的电源分为两种，分别是是需要5V电压作为数据监测传感器的供电电压和3.3V电压为单片机、LCD屏幕和外部FLASH进行供电。查询使用手册可知USB的供电电压为5V电压，故加上电容后可滤波使用供电。3.3V电压则经过AMS1117-3.3芯片转换后才能实现。芯片电路图如图2.图4-2USB供电电源电路本毕业设计主控芯片和DHT11温湿度传感器是3.3V供电，HC-SR501RD-624（人体红外感应电子模块）传感器和MQ-2烟雾传感器模块则需5V供电。AMS1117系列固定输出版本很多，内部具有集成热保护和限流电路，经过对比能够满足设计需求并提供稳定电压。电源电路中的集电极和地级之前安置了很多普通贴片电容和大电解电容用来进行电路滤波，起到抗干扰稳定输入的作用。大大提高了单片机程序运行的稳定性和传感器数据监测采集的稳定性。图4-3供电电源电路4.3传感器采集电路本系统使用到的传感器具体有：DHT11温湿度传感器、HC-SR501RD-624（人体红外感应电子模块）传感器和MQ-2烟雾传感器模块。4.3.1温湿度传感器本毕业设计使用市场上更流行的DHT11温湿度模块来检测家庭环境中的温度和湿度。DHT11数字温度和湿度传感器是组合的温度和湿度传感器，具有经过校准的数字信号输出。在数字模块采集技术和温湿度传输过程中使用专用的数字信号输出。由于采用了传感技术，该产品非常可靠，并具有出色的长期稳定性。该传感器包括一个电阻湿度检测元件和一个NTC温度测量元件，可以直接连接到单片机。因此，该产品具有质量优良，响应速度快，抗干扰能力强，性价比高的优点。单线串行接口使系统集成变得容易和快速。它使用具有一个空引脚和一个数据输出端口的4引脚单行引脚封装。精密湿度为±5％RH，温度为±2°C，范围湿度为5到95％RH，温度为0到+50°C。该系统主要使用传感器数据来估计室内环境并设置阈值。传感器数据通过串行端口发送到手机上的自定义应用程序，以进行实时数据交互。图4-4DHT11温湿度传感器4.3.2HC-SR501RD-624（人体红外感应电子模块）传感器该传感器主要为基于红外线技术的自动控制产品，当有人进入开关感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，自动输出高电平，人不离开感应范围活动，将持续输出高电平；人离开后，开关延时自动关闭负载。灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类自动感应电器设备。它的延迟时间默认为30s，可根据用户要求定做，范围为零点几秒到三十分钟，灵活性较大。默认为可连续触发，其特点是具有感应封锁时间，感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。本系统中，该传感器使用时配有防闯入功能，检测人体，当主任用蓝牙输入密码开门时，检测到人体也视为非闯入不报警。若为输入密码强行开门时，视为有人闯入。如图5所示为该传感器电路图，该器件主要探测人体体温与环境温度的差值的变化量，所以探测效果会受环境温度、人所穿衣服、人行走的速度及行走方向等因素的一定影响。图4-5HC-SR501RD-624（人体红外感应电子模块）传感器电路图4.3.3MQ-2气体传感器关于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等易燃易爆气体的监测装置则选用此传感器，该传感器具有TTL信号输出和模拟电压输出两个端口，考虑到在气体浓度很高时，模拟量输出时的电压会超过3.3V，容易对单片机电路造成烧毁，故选择使用TTL输出表示烟雾浓度偏高时信号输出。同时配有电位器，针对TTL输出灵敏度进行调节，顺时针调节灵敏度增高，逆时针调节灵敏度降低。参考实际情况，设定烟雾浓度阈值，超过数据阈值时，单片机IO口输出低电平，同时点亮P1信号灯。其优势在于对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，快速的响应恢复特性使其相较于其他气体传感器在灵敏度方面有着无法超越的优势。ADC0808/ADC0809数据采集组件是一个单片CMOS器件，具有8位模数转换器（采用逐次逼近作为转换技术），8通道多路复用器和微处理器兼容的控制逻辑。该变换器具有高阻抗斩波稳定比较器、256R分压器、模拟开关树和逐次逼近寄存器。该装置消除了外部零位和全尺寸调整的需要。图4-6MQ-2可燃气体传感器示意图产品型号MQ-6产品类型半导体气体传感器标准封装胶木、金属罩检测气体液化气、甲烷检测浓度300~10000ppm回路电压≤24VDC灵敏度Rs(inair)/Rs(in2000ppmC3H8)≥5输出电压2.5V~4.5V浓度斜率≤0.6表4-1MQ-2传感器技术指标4.4蓝牙模块电路本毕业设计采用DX-BT05-A4.0CC2541低功率蓝牙模块，属于深圳大夏龙雀科技有限公司智能无线数据产品，遵循V4.0BLE蓝牙规范，支持AT指令，所用用户可以实际操作需求，设定波特率等参数，灵活配合项目。同时配有UART串口，支持蓝牙数据透传，外围设备虽少但功能齐全，采用美国TI公司CC2541芯片兼顾性能的同时成本低廉，适宜大规模生产销售。同时卖家提供该模块与手机连接操作指南，赠送APP蓝牙调试助手操作指南。在该毕设中单片机串口将数据信息发送给蓝牙，蓝牙再通过程序与手机连接进入传输模式，将消息传输给手机。配置自己设定的波特率和密码即可使用，操作简单方便。该蓝牙模块工作在2.4G无线频段，根据技术手册得知使用时应尽量避免一些对无线首发具有影响的因素如：包围蓝牙模块的外壳避免使用金属，无法避免时，应该让模块的天线部分远离该金属部分。产品内部金属连线或者金属螺钉，也应尽量避免蓝牙模块收发天线部分，理由同上所述。收发天线部分靠近载板PCB四周防止，进制直接放置在载板中央，且天线周围及下侧（包括天线平行方向），禁止铺铜或者走线，避免金属干扰。也可直接把天线部分露出载板。模块下方大面积铺上GND，走线外围延伸，在基板上的模块贴片位置周围使用绝缘材料进行隔离，例如在该位置安置一个整块的丝印。图4-8CC2541蓝牙模块示意图4.5GSM通讯模块GSM模块作为集成GSM射频芯片，存储器，基带处理芯片，功放器件设备等的功能模块，具有独立的操作系统，同时具备GSM射频处理，基带处理和标准接口。根据提供的数据传输速率，GSM模块可以分为GPRS模块，EDGE模块和纯短消息模块。SMS模块仅支持语音和SMS服务。GPRS是GSM的延续。有时称为“2.5G”。这意味着该技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通信技术之间。GPRS的传输速度从56K到114Kbps不等，理论速度可达171k。与GSM的9.6kbps的访问速度相比，GPRS具有更快的数据通信速度。GPRS技术还具有您始终可以随时随地在线连接并为流量付费的功能。EDGE技术将把数据传输速率进一步提高到GPRS数据传输速率的两倍，大约在384K-473K。当前，国内的GSM网络通常具有GPRS通信功能，中国移动和中国联通的网络均支持GPRS，而EDGE在某些省市提供网络覆盖。GPRS模块与其他GSM模块不同的是具有GPRS数据传输功能。GPRS模块是手机的简化版本，将GSM通信的主要功能集成到电路板中，并具有发送短消息，拨打电话和发送数据的功能。GPRS模块在电子设备中相当于是核心模块，添加键盘和屏幕就可以类比为一个简易版本的手机。常规计算机和单片机可以通过RS232串行端口连接到GPRS模块，并且可以通过AT命令控制GPRS模块，以实现各种基于GSM的通信功能。GPRS模块不同于传统的纯短消息模块。两者都是GSM模块，但是短消息模块只能发送和接收短消息以及语音通信，而GPRS模块还具有发送GPRS数据的功能。该毕业项目将使用由高性能工业GSM/GPRS模块SIMCOM发布的SIM800A模块。该开发板配备了工业级双频，并具有900/1800MHz双频的工作频带。基本功能是低功耗，可实现语音，DTMF，SMS（SMS/MMS）和GPRS数据的输出。其超高的性价比使得此开发板在双频市场上占有很大份额。同时，基本版本具有两个升级版本，即TTS（本地音频广播）和Bluetooth3.0，这大大增强了性能优势。外围硬件电路设计提高了电源保护和信号干扰预防能力。电源使用开关模块供电。使用率足够高，但也可以直接用电源使能引脚来控制模块的电源或者从USB提供。SIM卡插槽使用市场上流行的MICRO卡插槽，考虑到质量，可以将其用于小型卡，配备的ESD电路用于保护电路。该评估板支持RS232和TTL串行端口，并且电源支持5-18V的宽电源范围。连接微控制器非常方便。它还提供语音呼叫，短信和文本广播等功能。（TTS）和基站位置。内置TCP/IP协议，TCP/UDP通讯支持，FTP/HTTP服务支持，不支持TTS默认中文，UCS2编码，ASIIC代码和用于输入文本的书面汉字GBK编码。图4-10GSM模块示意图SIM800A基本都是通过串口发送AT指令来实现控制，与本毕业设计32单片机串口相连，调试方式多种多样，可通过USB转TTL模块调试，也可通过USB转232模块调试，普通的232九针串口需要加上电源线。模块电源带有使能引脚带上拉，默认使能输出电源，低电源时默认关闭电源。此设计考虑到SIM800A工作异常时，可以关断模块电源重新使其复位。TTL串口使用3.3V电压输入为最佳，如果使用5V则为了安全保障需串口几十欧姆电阻保护电路，长期使用中模块异常也可使用软关机“AT+CPOWD=1”关闭模块。右侧部分为天线部分，需要进一步扩大范围只需添加在模块板上，图4-11GSM800A电路图4.6DS3231时钟模块本系统采用低成本、高精度I2C实时时钟（RTC）DS3231M，该器件优势在于拥有电池输入端，断开主电源时仍可保持精确计时，符合该系统使用要求。集成微机电系统（MEMS）提高了器件的长期精确度，RTC保存了年、月份、日期、星期、时、分和秒时间信息，包括闰年修正功能在内，时期不满31天时，自动调整为月末的日期，时钟的格式可以是24小时制也可以是AM或者PM的12小时制。可设置闹钟和1Hz输出，提供复位输出的同时对电源进行检查，监测电源故障，地址等数据经过双向总线传输，确保了传输的正确率。为连续计时提供电池备份，计时精度大约保持在±5ppm（±0.432秒/天）。该实时时钟16引脚（300mil）封装的同时通过了美国保险商实验室（UL）认证。精度为±3℃的数字温度传感器经过温度补偿的电压基准和比较电路可以用来监视Vcc状态。

5软件设计5.1总体方案该家庭防火防盗系统涉及到的软件部分有：MQ-2气体传感器的程序编写、DHT11温湿度传感器程序编写、串口通信、单片机外设TTL串口输出识别、蓝牙模块APP程序设计、GSM短信通信模块编写。基于大学的C语言基础，在编译软件KeiluVision5的调试下实现程序下载，通过ST-LINK仿真器下载至单片机运行。总体方案为，STM32芯片作为主控系统，集成三个传感器模块数据进行命令下达，利用自身数据运算能力保证传输的稳定性，其中数据保存在外部FLASH电路中，蓝牙模块和GSM模块通过单片机串口进行数据传输，模块需进行初始化后驱动，代码实现传感器对外部数据的收集，通过数据转换传入单片机后蓝牙和GSM模块进一步通信。5-1系统程序流程图5.2程序流图系统主程序的设计思路为：系统外围设备初始化，时钟初始化，数据输入输出串口打开，GPIO按键初始化等，然后GPIO按键扫描，传感器检测模块随着实时时钟进入工作，记录并转换实时数据。实现设置好数据阈值，打开手机的监控APP软件，温湿度数据经过单片机串口传送到蓝牙模块再经过手机蓝牙配对后的透传模式输送到手机软件显示屏幕，当数据超过阈值，且烟雾传感器输送至软件信息显示为有烟雾（显示1），定位有火情，通过GSM短信模块报警。同时系统的防闯入功能逻辑为：人体检测模块检测人体，当主人用蓝牙输入密码开门进出时，不报警，当未输入密码强行开门时，视为有人闯入。图5-2软件设计流图5.3模块程序设计主程序初始化后，按照系统流程，应该进入各个模块的初始化。传感器模块作为数据检测处理部分，分不同的传感器进入初始化后程序运行。单片机利用串口给蓝牙发消息，蓝牙再把消息无线发给手机，模块初始化后，AT指令配置蓝牙波特率为115200，配置密码为123456，模块代码运行后通过蓝牙调试助手实现系统对用户的实时通知反馈。GSM模块属于报警模块，初始化后进入待机状态，当接收到火灾警告或者密码输入错误两种警报信号时，自动将发送提醒安全信息到预设手机用户，也可设置为报警模式。5.3.1温湿度模块程序设计温湿度模块主要核心还是在于温湿度数据的监测和处理，与单片机通过串口传送数据，使用杜邦线连接数据口和单片机PG9端口，模块运行程序流图如下。图5-3DHT11传感器程序设计流图主函数逻辑比较简单，进行一系列GPIO初始化和串口后，如果DHT11初始化成功，那么每隔100ms读取一次转换数据并显示在液晶上。该部分代码就是根据单总线操作时序来读取DHT11的温湿度值的，DHT11的温湿度值通过DHT11_Read_Data函数读取，如果返回0，则说明读取成功，返回1，则说明读取失败。逻辑是首先主机（单片机）发送起始信号： 1.主机先拉高data。 2.拉低data延迟18ms。 3.将单片机引脚设置为输入再次拉高data从机（DHT11）收到起始信号后进行应答： 从机拉低data，主机读取到data线被拉低持续80us后从机拉高data线，持续80us，直到高电平结束，意味着主机可以开始接受数据。主机开始接收数据时，则主机先把data线拉高（io设置为输入），从机把data线拉低，主机读取data线电平，直到低电平结束（大约50us）。从机拉高data线后，延迟40us左右（28~70us之间）主机再次读取data线电平，如果为低电平，则为“0”，如果为高电平，则为“1”。继续重复上述1,2步骤累计40次。程序成功后，则数据每隔设定时间间隔后显示在液晶上。5.3.2MQ-2气体传感器软件设计前文已述，由于考虑到传感器承受电压能力，此气体传感器的ADC输出口在当前环境烟雾气体浓度过高时，输出电压超出单片机安全工作电压。所以采用TTL高低电平简单输出，其软件逻辑类比GPIO按键逻辑程序。首先对GPIO按键进行初始化，将传感器输出当做按键输入，输出高电平时，默认为监测到气体浓度超过阈值，低电平时表示环境气体浓度在安全范围内。5.3.3人体热释传感器软件设计防闯入功能设计逻辑在于人体检测传感器开启后，程序设定检测人体，密码错误后仍然监测到人体视为有人非法闯入室内。模块设计在规定范围内监测到人体，便会输出高电平（3.3V），用纸箱盖住模块，使探头检测不到人体体温，便输出低电平（0V）。同气体传感器类似，由于是TTL高低电平简单输出，首先GPIO按键初始化，所以程序思路如下：1，初始化（除了HC-SR501模块程序）其他外设及单片机程序。2，延时10秒3，蜂鸣器响1秒4，初始化HC-SR501模块程序5，开启中断（因人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。所以设置上升沿中断或双边沿中断）。5.3.4蓝牙模块程序设计连接部分，蓝牙外设要完成的功能包括：（1）蓝牙外设需要被设备检测到，并且能够成功配对（2）在主设备扫描时要给出蓝牙配对提示。（3）主设备发起连接时，其可以要求密码配对，而也可以选择无需密码验证。（4）蓝牙外设连接成功后才会开启透传通信服务。（5）蓝牙连接交换数据时允许一定的蓝牙连接范围。主要程序编写首先添加GATT服务，读回调写回调后，设置并获取属性值。接着进行主动传输设置，程序的串口波特率与CC2541设置一致为115200，如果想要获取到BLE从设备的返回值，还需要设置Notification，然后调用BluetoothGatt的readCharacteristic(characteristic)方法进行数据的读取。图5-4蓝牙APP界面设计5.3.5GSM短信报警模块程序设计首先+CMGW将消息写入内存(WriteMessagetoMemory)，并返回保存在内存中的位置，输入的“消息文本”或PDU可以被发送消息的指令+CMSS使用。再+CMSS发送存储的消息。测试完当前工作状态后，进入连接，设置字长字位，while循环读取字节后存储。期中需要一个定时时间，产生定时中断，接收字节时，需要利用到GBK转换函数，将字符串转换(uni2gbk时为gbk内码,gbk2uni时,为unicode字符串），汉字占两个字节。对于子程序的模块化，应明确多任务分级后的结果，多任务进行时可以禁止执行中断，等完成后再开启中断。其中GSM模块需要注册到网络，短信功能以MT，MO,Text和PDU模式，存储设备为MICROSIM卡。AT指令控制GSM模块发送信息，当有人在蓝牙APP输入错误密码时，发送短信：“主人，有人正在破解咱家密码，密码错误次数：XX”；当温湿度传感器和烟雾传感器接收数据超过阈值时，给预设手机号用户发送短信：“主人，咱家失火了，赶紧报警呀！！！烟雾浓度：实时数据%室内温度：实时数据℃”；当有人密码错误后人体热释传感器仍多次检测到人体时，发送短信：“主人，咱家的门被异常打开，怀疑有人闯入，请报警！！！”通过以上的短信功能，简单实现了对室内安全情况的一个实时反馈。图5-5GSM短信报警功能示意

6制作与调试6.1实物制作6.1.1总体特点本系统是一个基于单片机的简单系统，所选用的模块皆封装好，故不需要硬件电路板PCB设计，单片机和模块原理图前文已给出。所有模块插线在此最小系统板上使用，采用杜邦线连接数据接口和模块数据输出口。经过实践，接口足够使用，电压转换在安全范围内。6.1.2电路连接各模块数据接口如下：（1）DHT11数据引脚通过杜邦线连接到PB0；（2）MQ-2烟雾传感器数据端口连接到PB8；（3）人体热释传感器数据端口连接到PB9；（4）蓝牙模块连接到PB15（5）GSM短信模块连接到PA11（6）时钟模块DS3231连接到PA86.2调试（1）使用ST-LINK下载器下载仿真器，复位产生脉冲，调试时程序通过仿真器烧录进单片机。也可通过USB或者电脑串口下载，由于32单片机电脑串口下载程序速度过慢，避免电脑USB口占用太多，仿真器下载最为方便。调试复位电路，使复位时间延长，稳定复位信号，基本未出现复位错误的情况。由于是最小系统板，延时程序需要自主编写，调用延时时间，比较多次结果，确定最终程序所需的延时时间。（2）人体热释传感器模块板背后设有灵敏度和延时电位器，在一直检测到高电平后，无法正确的在范围内没人进入时输出低电平。调节灵敏度和延时电位器旋钮到中间部分，用纸盒封闭传感器，等待大约一分半钟后输出低电平。（3）要使用串行端口上的AT命令控制GSM模块，首先需要先查询AT命令手册，导入开发板字体库，然后将其复制到SD卡中。比如发送的警报消息是中文短信，因此返回的数据将与其他英语或数字短信完全不同。所有英文或数字短信，返回的短信内容均可通过串口直接读取。但是，对于中文和英文SMS，返回的内容是UNICODE编码的组合（也就是说，所有汉字/字符均使用UNICODE编码）。通过工具将UNICODE转化为汉字就可以达到本毕业设计的要求。卖方提供了UNICODE转换工具，并且过程相对顺利。首先，发送AT+CMGF=1并将其设置为文本模式。然后发送AT+CSMP=17,167,2,25来设置文本模式参数。最后，发送AT+CSCS=“UCS2”来设置以UCS2编码的字符集。此时，您可以发