基于单片机的家庭防火防盗系统的设计.docx
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基于单片机的家庭防火防盗系统的设计
论文题目:
基于单片机的家庭防火防盗系统的设计
摘要
本文设计的是关于家庭防火防盗的系统,该系统采用了传感器与单片机的结合,其中采用传感器来提供报警信号的方法使得成本低,易于维护,探头小,可安放于隐蔽的地方且不易被发现,接受信号灵敏,因此有明显的优势和广阔的发展前景。
本次设计的产品以AT89C51单片机作为系统控制核心,完成对外来人员的连续监测,提供了一个带有4位LED显示、并使其集中到一块面板上,使得操作方便快捷,直接在LED显示实时温度或烟雾浓度,该设计中使用DS18B20作为温度测量传感器,对温度进行实时采集,使用LM358传感器采集人体信号信息,使用ADC0804烟雾传感器采对气体烟雾进行检测,返回信号都由单片机接收并将信息反馈出来。
该系统不仅具有传统防盗控制方法的优点,还具有易于维护和实现非接触、高可靠监测的特点,并且硬件开销成本低,适宜大多数普通家庭、寝室、办公住所等。
关键词:
AT89C51单片机;红外检测;温度检测;烟雾检测
前言………………………………………………………………1
第一章绪论……………………………………………………2
1.1防火防盗系统的概述………………………………………2
1.2国内外防盗系统的现状与发展……………………………2
1.3课题研究目的及意义……………………………………………4
第二章系统方案的分析与论证………………………………5
2.1设计任务与要求…………………………………………………5
2.1.1设计任务…………………………………………………………5
2.1.2设计要求…………………………………………………………5
2.2系统方案的论证分析……………………………………………6
2.2.1主控单片机………………………………………………………6
2.2.2显示模块………………………………………………………6
2.2.3温度传感器……………………………………………………7
2.2.4数模转换模块……………………………………………………7
2.2.5报警模块…………………………………………………………7
2.2.6继电器模块……………………………………………………7
第三章主要硬件的设计……………………………………8
3.1单片机最小系统…………………………………………………8
3.1.1AT89C51简介…………………………………………………8
3.1.2电源电路…………………………………………………………10
3.1.3复位电路…………………………………………………………11
3.1.4晶振电路…………………………………………………………13
3.2温度采集电路…………………………………………………13
3.3数模转换电路…………………………………………………15
3.4红外放大电路…………………………………………………16
3.5数码管显示电路………………………………………………18
3.6继电器控制电路………………………………………………20
第四章软件设计………………………………………………21
4.1keil软件的程序编写……………………………………21
4.2Proteus软件简介…………………………………………21
4.3程序流程图……………………………………………………23
4.1.1主程序流程图……………………………………………………23
4.1.2子程序流程图……………………………………………………23
第五章系统的设计仿真测试结果……………………………25
5.1防火模块……………………………………………………25
5.2防盗模块……………………………………………………29
结论……………………………………………………………30
参考文献………………………………………………………31
致谢……………………………………………………………32
附录………………………………………………………………33
前言
随着社会经济的快速发展以及人们生活水平的日益提高,在家庭中液化石油气、管道煤气、天然气进入了大多数家庭,各种家用电器也得到了广泛的使用,人们在享受这些现化设施所带来便利的同时,却也增加了火灾隐患和有害气体中毒等的危险。
与此同时,经济的飞速发展伴随着城市流动人口的急剧增加,给城市的社会治安增加了新的难题,盗窃、入室抢劫等刑事案件也呈现出不断增长的趋势,人们越来越渴望有一个安全舒适的生活空间。
现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于传统的防盗窗、防盗网等机械式家居防卫设备,其虽具有一定的防盗作用,但在实际使用中不仅影响市容的美观,更带来了很多安全隐患。
因此人们迫切需要一种智能型的多功能家庭防火防盗报警系统,使其能可靠进行日常安全防范工作,及时发现各种警情并做出相应处理,以便将警情消灭在萌芽状态,保障居民生命和财产的安全。
但是因经济、技术等原因,目前防火防盗报警系统设计不尽合理的情况比较普遍,在信号检测、信号处理上还存在一定问题,致使一些系统经常出现误报或者漏报,以及报警系统不动作。
人们希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全,家庭防火防盗问题就成为人们极为关心的问题。
因此,对防火防盗报警装置的研究对现实意义重大。
第一章绪论
1.1家庭防盗系统的概述
近年来,随着科技的发展和人们安全防范意识的提高,钢质防盗门和钢质窗户防盗网等传统的防盗措施已不能满足人们的需要。
迫切需要一种面向普通家庭用户,性价比高,运行可靠,可拒非法入侵者于户外的智能防盗报警系统来代替防盗门、防盗网。
因此本设计的目的就是为了找到一种适合普通家庭式防盗系统。
防盗控制广泛可应用于工厂、家庭、汽车等场合。
实现无接触、智能化报警是防盗控制系统目前的发展方向。
随着工业的发展,计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究,近年来防盗控制的研制得到了长足的发展,以适应越来越高的应用要求。
从监测范围来说,有的防盗控制只能监测几厘米,有的却可达几十米。
从监测条件和环境来说,有的非常简单,有的却十分复杂。
例如:
有的是利用红外线感温传感器,有的是压力传感器,有的震动,也有声响来监测,有的从安装上提出苛刻的限制,有的从维护上提出严格的要求等。
因此在进行综合分析后进行了该设计。
它将实现自动监控的防盗系统,通过超声波传感器采集距离信号,通过AD传给系统核心——单片机,单片机通过处理与分析将数码管上,检测到需要报警时,LED二极管将实时点亮,达到报警的功能,本设计的程序应用单片机C语言编写实现。
国外关于防盗控制早期从防火的基础上发展起来的,逐步向智能化自动化发展,并且发展及应用了许多新的监测原理。
在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术,结构有了很大的改善、功能有了很大的提高,从国内外关于防盗控制系统的发展来看当前的发展热点向非接触,如超声波传感器,红外线传感器,无线报警等。
1.2国内外防盗系统的现状与发展
防盗报警系统是用物理方法或电子技术,自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为,产生报警信号,并辅助提示值班人员或其主人发生报警的区域部位,显示可能采取的对策的系统。
防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。
一旦发生突发事件,就能通过声光报警信号,使于迅速采取应急措施。
防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了入侵防范系统。
防盗报警系统通常由探测器(又称防盗报警器)、传输通道和报警控制器三部分构成。
报警探测器是由传感器和信号处理组成的用来探测入侵者入侵行为的电子和机械部件组成的装置,是防盗报警系统的核心,而传感器又是报警探测器的核心元件。
采用不同原理的传感器件,可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的报警探测装置[2]。
中国防盗控制技术的发展大致起源于上世纪60年代初北京故宫博物院的安防报警系统。
当年,中国老一辈的安防技术工作者在完全隐蔽、可靠报警、绝对防火的全木质结构环境下完成了该系统的安装与调试,该系统就发挥了很好的作用。
之后的若干年,中国安防技术一直是以防盗报警系统为主,其应用场合也主要限于金融与文博系统。
由于当时基于光电导摄像管的摄像机体积大且价格昂贵,因而在安防技术市场中可视化的闭路电视监控系统的应用案例极少。
在国内安防防盗市场开始蓬勃发展的同时,2001年11月,中国安防界在深圳成功举办了首届中国安防论坛,全国人大副委员长、中国科协主席周光召院士题词。
中国科学院和中国工程院的5位院士以及国内30多位安防领域的知名专家、教授发表了演说,较全面地展示了中国安全防范领域的技术动态和发展方向,促进了学术界和企业界的交流与合作,探讨了中国公共安全行业如何应对WTO,以及行业发展、管理、动作更加科学化、规范化的有关问题。
首届安防论坛的举办,为架构中国安防的理论体系,研讨中国安防的发展战略,开创良好的学术氛围,为举办更大规模的学术论坛积累了经验,创造了条件。
到2008奥运项目——首都国际机场捷运系统监控项目就是在先进的数字化、网络化视频监控系统中进一步整合了无人驾驶车辆自动传感监控系统、无线移动网络系统以及多系统的智能网管系统,一改传统电视监控系统仅仅是画面监视及简单报警联动的实现方式,而安防系统整体解决方案(TotalSolution)概念必将成为现代电视监控系统的发展方向。
对于超声波监测的应用随着自动测量和自动控制技术的发展特别是微机技术的发展,促进了超声测量技术的研究和应用。
80年代中后期,单片机技术的应用使超声波传感器的监测向高性能、智能化方向发展。
由于使用了单片机作中央处理单元,系统不仅可以进行复杂的数学运算和数据处理、进一步提高了超声波监测的测量精度,而且还能设计出友好的人机界面。
超声波传感器是当前应用较多的非接触型传感器。
该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。
可实现非接触监测、测量范围宽、并且测量量不受其他因素的影响,因此它的适用范围非常广泛,超声传感器监测技术在越来越多的领域发挥其重要作用。
由于超声波传感器没有可动部件,不存在机械磨损、机械故障,因而其可靠性和使用寿命比多数接触型传感器要高。
该监测装置结构简单,不需要其它附加设施,且安装、使用和维护都较方便。
随着电子技术的发展。
单片机嵌入应用,超声波液位计的精度有了进一步的提高,功能更加齐全[9]。
目前,在现代计算机技术、自动控制技术和现代通信技术的支持下,电子地图、多媒体操作、管理与控制软件引入到防盗报警系统中。
这种新的系统采用多媒体技术同时处理多种信息,并使信息之间、信息与设备之间、设备与设备之间建立逻辑联系,集成为一个交互式的系统,从而达到自动识别、自动预测、自动处理警情,使整个安防系统成为一种具有智能化的“活”的系统,让它发挥巨大、有效、可靠、灵活的系统功能。
1.3研究的目的和意义
随着微电子技术与网络技术的飞速发展,人们对于居住环境的安全、方便、舒适提出了越来越高的要求,因此智能化住宅随之出现,也随着改革开放的深入和市场经济的迅速发展、提高,城市外来流动人口大量增加,带来许多不安定因素,刑事案件特别是入室盗窃、抢劫居高不下,因此家庭智能安全防范系统是智能化社区建设中不可缺少的一项,而以往的做法是安装防盗门、防盗网,但普遍存在有碍美观,不符合防火要求,而且不能有效地防止犯罪分子对住宅的入侵,故利用高科技的电子防盗报警系统也就应运而生。
目前家庭住宅的主要防范措施是利用防盗门,商店的防盗措施主要是监控器和出门口的红外报警器。
随着人们认识的深入,利用防盗、防火、防煤气将成为人们的首要选择,智能安防也是安防行业的发展趋势。
本系统采用常用的AT89C51单片机系列作为系统的核心控制部分,是一个利用红外传感器作为信号输入控制部分的报警器。
当有不明物体经过某一发射器与接收器中间时,会有控制信号输入单片机,进而输出刺耳的报警声来引起相关人员的注意,达到了信号接收灵敏度高,显示反映快,报警声音响的效果。
第二章系统方案的论证与分析
2.1设计任务与要求
2.1.1设计任务
设计一个由单片机控制的家庭防火防盗系统。
2.1.2设计要求
(1)设计的核心器件是由单片机AT89C51,外部传感器为检测元件,通过按键控制其报警温度与传感器的开关,输出由LED显示数码管与声光报警电路组成,其中温度传感器使用数字化的一线总线技术的传感器DS18B20作为检测器件,烟雾传感器使用ADC0804作为烟敏器件,红外传感器作为人体热释电检测器件,单片机I/O口通过接收各个传感器的返回状态值来判断是否进行报警,报警电路由单片机控制输出信号,蜂鸣器产生蜂鸣,对应报警指示灯点亮,且数码管可以显示实时温度或烟雾浓度,同时,风扇也会开始工作。
整个系统设计简单合理,通过单片机控制其外围器件,更加简单可靠,防盗控制系统的总体设计框图如2-1图所示:
图2-1系统的总体设计框图
(2)LED显示数码管来显示温度或浓度的多少
(3)控制程序在Keil软件中编写,编译,整个控制电路在Proteus仿真软件中连接调示。
2.2系统方案的论证分析
系统总结构
为了实现设计要求的基本功能,本系统必须包含六个基本功能模块:
1.单片机控制模块
2.传感器模块
6.显示模块
4.数模转换模块
5.报警模块
3.继电器模块
其中单片机控制模块主要用于回应传感器信号和进行显示程控;传感器模块主要用于感应是否有物体通过,并形成电平信号输出;数模转换模块主要是将烟雾浓度转化为数字,体现出来,继电器模块主要用于风扇工作,报警模块主要用于报警声响提示;显示模块主要用于显示温度和浓度的多少。
为完善系统的功能同时能够达到系统的设计指标,本系统必须包含以下功能模块:
1.复位电路:
实现单片机的复位控制
2.振荡电路:
提供所需的单片机时钟频率
2.2.1主控单片机
在单片机控制中,常用的ATMEL公司单片机种类有AT89C51、AT89S51、AT89S52,都兼容MCS-51单片机。
对于AT89C51,是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,128×8位内部RAM,32可编程I/O线,两个16位定时器/计数器,5个中断源等主要特性。
相比而言,AT89C52有8K的ROM,256B的RAM,还增加一个定时器/计数器2,自然价格比C51略高。
而相对而言,S系列的单片机具有在线编程下载(ISP)功能和看门狗,而且运行的速度的最高频率达到33MHZ,使得运行速度更快,自然价格比C系列的要高2元左右。
但是当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,S系列的不需要对芯片多次拔插,节省了调试的时间。
综合考虑以上种种因素,由于考虑到产品的成本,在同样能完成我们所要求的功能时,自然会选择相对便宜的AT89C51,这样更容易把产品推向市场。
但是在实验室的的调试中,我们依然可以用AT89C51,这样就方便了我们的硬件调试,同样降低了开发产品的成本。
2.2.2显示模块
采用LED显示器
LED显示具有硬件电路结构简单、价格便宜、调试方便、软件实现相对容易等优点。
虽然LCD液晶显示。
用自带中文字符库的液晶显示模块,显示方便美观,而且人机交互界面也很友好。
采用串口通讯的显示方式,可以大大节省单片机的IO口。
但对于初学者而言,使用LED更加方便一些。
2.2.3温度传感器
DS18B20温度传感器
DS18B20温度传感器是数字式温度传感器,相对于传统温度传感器精度高、稳定性好、电路简单、控制方便等优点,且符合一总线协议,这样不仅节省了I/O口而且抗干扰能力和总线扩展功能也大大增强,并且内部有64位的ROM码,因此很容易构成多点温度采集系统。
DS18B20温度传感器主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口,存放中间数据的高速暂存器、非易失性的温度报警触发器和配置寄存器等五。
DS18B20温度传感器供电电压范围可达3~5.5V,可采用数据线供电方式,分辨率最大工作周期为750ms,检测温度范围一般维持在-55℃~+125℃之间,精度大约为±0.5℃。
内有EEPROM,具有防温报警功能,而且内部还集成A/D转换模块,可以将单片机所需的数字信号转换为电流电压等模拟信号。
DS18B20具有高精度,低成本,高灵敏度,稳定性好,工作可靠,抗干扰能力强,动态特性良好,结构简单,便于维护,功耗低等。
为了达成多点温度测控系统,使得在测温更加精确,考虑到每片DS18B20都有一个独立的片序列号,所以在一条线上可以并联多个传感器,特别适合构成多点测温的温度测控系统,故采用DS18B20来采集温度。
2.2.4数模转换模块
ADC0804是属于连续渐进式(SuccessiveApproximationMethod)的A/D转换器,它采用温度湿度压力采集,它分辨率高,量化误差小,偏移误差小,模拟量连续、中间没有间隔、不规则。
这类型的A/D转换器除了转换速度快(几十至几百us)、分辨率高外,还有价钱便宜的优点,普遍被应用于微电脑的接口设计上。
对ADC0804而言,它的输出准位共有28=256种,即它的分辨率是1/256,假设输入信号Vin为0~5V电压范围,则它最小输出电压是5V/256=0.01953V,这代表ADC0804所能转换的最小电压值
2.2.5报警模块
LM358里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放,适用于电压范围很宽的单电源,而且也适用于双电源工作方式,它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。
lm358红外探测报警器制作,该报警器的核心部件采用LM358,他能探测人体发出的红外线,当人进入报警器的监视区域内,即可发出报警声,适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。
2.2.6继电器模块
继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
在本系统中,他可以有效的控制风扇工作。
第三章主要硬件的设计
3.1单片机的最小系统
所谓单片机的最小系统是指单片机的最小工作系统,是指一个单片机芯片、两个电容、一个晶体振荡器接在单片机的晶振输入端、复位电阻组成的基本单元电路,单片机内部有程序存储器、数据存储器,编写一些简单的应用程序烧入单片机芯片,在上述元件组成的电路通电,就可以实现一些应用。
单片机最小系统原理图如3-1所示:
图3-1单片机最小系统图
3.1.1AT89C51简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,片内时钟振荡器。
此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统等可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有适应不同产品需求的PDIP、TQFP和PLCC三种封装形式。
1.主要特性
1)8031CPU与MCS-51兼容
2)128*8位内部RAM
3)4K字节可编程FLASH存储器(寿命:
1000写/擦循环)
4)全静态工作:
0Hz-24KHz
5)三级程序存储器保密锁定
6)32条可编程I/O线
7)两个16位定时器/计数器
8)6个中断源
9)可编程串行通道
10)低功耗的闲置和掉电模式
11)片内振荡器和时钟电路
外形及引脚排列如图3-2所示:
图3-2AT89C51外形及引脚排列
管脚说明:
(1)VCC:
供电电压。
(2)GND:
接地。
(3)P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
(4)P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能可驱动4个TTL输入。
P1口写入1后,被内部拉高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流。
因内部上拉,在FLASH编程和校验时,P1口接受低8位地址。
(5)P2口:
P2口为一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器能可驱动4个TTL输入。
当P2口写1时,被内部上拉电阻拉高,且作为输入,P2口被外部拉低电平时,将输出电流。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高8位。
在访问8位地址的外部数据存储器时,P2引脚上的内容在整个访问期间不变。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
(6)P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表一所示:
表3-1 P3口管脚备选功能
P3.0RXD
串行输入口
P3.1TXD
串行输出口
P3.2/INT0
外部中断0
P3.3/INT1
外部中断1
P3.4T0
记时器0外部输入
P3.5T1
记时器1外部输入
P3.6/WR
外部数据存储器写选通
P3.7/RD
外部数据存储器读选通
(7)RST:
复位输入,当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
(8)ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用做定时器。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
ALE只有在执行MOVX,MOVC指令时ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态的ALE禁止,置位无效。
(9)PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号不会出现。
(10)/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
但是在加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部为程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
(11)XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
(12)XTAL2:
来
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