PAGEI智能化家庭安全安防報警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)目錄TOC\o"1-3"\h\u28825摘要 II294000引言 337721工作原理 3109491.1系統(tǒng)框圖 312721.2系統(tǒng)組成部分 311511.2.1硬件部分 3177471.2.2軟件部分 4304182硬件設計 4122422.1最小系統(tǒng)電路的設計 4245862.2電源轉換電路 5129682.3信號采集與處理電路設計 5292262.3.1火焰采集電路設計 5107512.3.2紅外傳感器電路設計 525932.3.3甲烷檢測電路設計 5211982.4GSM模塊電路設計 6321912.5蜂鳴器及驅動電路設計 6280162.6LED指示燈電路設計 637102.7系統(tǒng)總體電路設計 6219823軟件設計 8203053.1GSM模塊驅動軟件設計 8180993.2紅外傳感器程序流程圖設計 9322713.3甲烷傳感器程序設計 9259603.4火焰?zhèn)鞲衅鞒绦蛟O計 1054424整體調試 10269934.1系統(tǒng)軟件調試 11167344.2系統(tǒng)硬件調試 12320214.3測試結果分析 12319115結語 1211836參考文獻 13摘要本文主要介紹了在家庭生活中存在的安全安防問題以及如何進行預防和報警。本系統(tǒng)應用火焰?zhèn)鞲衅?、甲烷傳感器和紅外線傳感器采集信息，將信息傳遞給單片機處理，并通過GSM模塊進行報警。該系統(tǒng)可對家庭中可能產(chǎn)生的：火災、甲烷泄漏、以及生人闖入等隱患進行提醒。具有反應靈敏、無人監(jiān)管、遠程提醒、安全可靠的優(yōu)點。關鍵詞STC89C52；火焰?zhèn)鞲衅?；甲烷傳感器；紅外線傳感器；GSM0引言在人們的日常生活中，安全一直都是人們擔心的問題。隨著科技的發(fā)展，經(jīng)濟水平的不斷提升，人們居住的環(huán)境越來越密集，環(huán)境的復雜程度也越來越高。在日常生活中，電器和智能化設備使得家庭中需要使用電力的物品越來越多，引起的安全隱患不可忽視。家庭安全問題主要分為三個方面：火災、異常氣體和被偷竊，因此很需要一款檢測設備對這些問題進行檢測，而市面上這些設備都只有其中一種功能，并且價格較高，存在信息傳遞不及時等問題。所以利用單片機設計一個功能齊全的家庭安全安防報警系統(tǒng)成為了一種可能。與其他系統(tǒng)相比，它安裝方便，占地面積不大，能夠提供較為強大和豐富的功能，另一方面，由于其價格比較實惠，因此在未來將有巨大的應用空間[1]。對保障居民的生命和財產(chǎn)，提高公安、醫(yī)療等部門的應急能力具有不可小視的重要性[2]。1工作原理1.1系統(tǒng)框圖智能化家庭安全安防報警系統(tǒng)總體結構如圖1所示。圖1智能化家庭安全安防報警系統(tǒng)框圖系統(tǒng)以STC89C52單片機芯片為核心，使用各類傳感器采集信號并傳遞給芯片，由芯片判斷信號來執(zhí)行相應的操作。在充分利用紅外傳感器功能的基礎上檢測是否有人進入；能夠通過對火焰?zhèn)鞲衅鬟M行利用，從而判斷是否出現(xiàn)著火點；能夠通過使用甲烷氣體傳感器，進一步檢測檢測區(qū)域內是否存在甲烷或相關氣體，如果各類傳感器檢測到其所需的信號，則蜂鳴器進行報警；反之則不報警。一旦在檢測區(qū)域出現(xiàn)人為非法闖入的情況，傳感器的黃燈將會持續(xù)閃亮，并會及時向使用者手機發(fā)送預警信息：Someone；一旦在檢測區(qū)域內出現(xiàn)火焰，傳感器的綠燈將會持續(xù)閃亮，并會及時向使用者手機發(fā)送預警信息：Fire;一旦在檢測區(qū)域出現(xiàn)甲烷或相關氣體，傳感器的藍燈會持續(xù)閃亮，并會及時向使用者手機發(fā)送預警信息：Gas，上述預警信息均以英文形式進行發(fā)送。1.2系統(tǒng)組成部分1.2.1硬件部分硬件部分由電源模塊、單片機最小系統(tǒng)模塊等多部分組成。電源模塊由自鎖開關、5VDC電源以及電源二極管組成。單片機控制模塊由STC89C52芯片、晶振、復位開關等組成。傳感器電路模塊包含多個電路內容，包括，火焰?zhèn)鞲衅髂K電路、甲烷傳感器模塊電路等在內。1.2.2軟件部分系統(tǒng)的成熟軟件是確保傳感器能夠發(fā)揮性能的重要保障，軟件包括兩個程序，分別是底層驅動和應用程序[3]。系統(tǒng)以單片機實時操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)系統(tǒng)，以KEIL軟件為開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)程序可以劃分為以下幾個軟件層：其中，底層軟件的功能必須依托于KEIL內核。承擔的功能主要是確保能夠及時為系統(tǒng)提供通信服務，提供定時管理服務等功能。中層軟件的功能和作用主要是對芯片進行全方位管理，對通信程序進行精密化管理等；外層的價值是為用戶提供程序編寫的功能。程序的編寫不僅需要外層軟件功能的支撐，還需要其他兩層軟件提供的調用程序的技術能力[4]。2硬件設計2.1最小系統(tǒng)電路的設計STC89C52芯片功能的實現(xiàn)離不開強大的存儲器系統(tǒng)，作為單片機最小系統(tǒng)，無需額外借助復雜的電路就能夠實現(xiàn)功能的發(fā)揮。只需將系統(tǒng)RST電路和TIME電路進行連接，就能夠實現(xiàn)其所需要的功能，如圖2所示。此外，最小系統(tǒng)功能和使用范圍具有一定的局限性，只能應用于較為簡單的控制系統(tǒng)。如果想要實現(xiàn)更為多元，更加復雜的功能，需要外界電路的支持和配合[5]。STC89C52芯片正常運行的工作電壓一般為不低于4.8V、不超過5.2V的范圍內。芯片內部涵蓋了一定的存儲空間，能夠實現(xiàn)較為簡單的存儲功能。部分引腳的功能較為豐富。這類芯片的程序調用高度匹配8051MCU的特點[6]。除了在使用上具有一定優(yōu)勢外，這一系統(tǒng)價格實惠，項目編程難度系數(shù)較低，在運行過程中的穩(wěn)定系數(shù)較高，因此也被廣泛適用于實踐領域中。下圖2直觀體現(xiàn)了最小系統(tǒng)引腳圖輸入輸出接口圖[7]。圖2STC89C52單片機引腳圖圖3最小系統(tǒng)電路圖.STC89C52單片機最小系統(tǒng)：系統(tǒng)內部本身擁有一定的存儲功能。因此，由這一單片機組成的系統(tǒng)在操作上較為簡單，直接占地面積較小。與其他系統(tǒng)相比，這種單片機系統(tǒng)的工作性能很難出現(xiàn)波動情況，質量較優(yōu)，價格較為實惠。另一方面，受到板子大小等條件的限制，最小系統(tǒng)功能和使用范圍具有一定的局限性，只能應用于較為簡單的控制系統(tǒng)中。如果想要實現(xiàn)更為多元，更加復雜的功能，允許引入外部電路予以支持和配合[8]。2.2電源轉換電路本控制系統(tǒng)所需要的電源均采用5V直流電源，所以可以直接使用市面上流通的手機適配器連接USB插口對整個系統(tǒng)供電，這樣可以保持電源穩(wěn)定且成本低。當電源上電時，可以通過白色LED燈判斷電源是否供電。2.3信號采集與處理電路設計2.3.1火焰采集電路設計在本電路的設計過程中，為了進一步提高設計效果，筆者通過合理的手段對模塊進行設計，能夠實現(xiàn)對760nm~1100nm范圍內波長的光源信號進行檢測。其工作原理是充分發(fā)揮紅外線接收管對火焰的應激反應，把火焰信號轉換成單片機可以檢測并處理的信號，當單片機設定的管腳輸出低電平則代表檢測到火焰，反之則沒有。設計效果的實現(xiàn)需要借助精準的數(shù)據(jù)信號，因此為了進一步提高設計的總體效果，筆者增加了LM393比較器，使其輸入引腳和傳感器的輸出引腳進行相連。一旦檢測區(qū)域檢測到火焰情況時，比較器的輸出管腳會被降低，從而發(fā)出火焰的預警信號。如圖4。圖4火焰?zhèn)鞲衅髟O計原理圖對上圖設計圖進行分析可以發(fā)現(xiàn)，4號，3號引腳分別連接VCC和GND，2號、1號引腳是數(shù)字和模擬信號的輸出。想要實現(xiàn)數(shù)字信號的輸出功能，必須將2號引腳和單片機口進行連接。2.3.2紅外傳感器電路設計本設計采用的紅外傳感器對于光線強度的調整具有明顯的應激變化能力。作為一個對光線反應程度較高的傳感器，機器內部涵蓋了兩個模塊，分別是紅外線發(fā)射和反射紅外線接收模塊。當模塊功能被啟用時，使模塊向外發(fā)射紅外線，如果紅外線遇到遮擋物，無法繼續(xù)發(fā)射，反射光線會由接收管負責接收，從而給單片機提供準確的信號，為下一步的精準處理工作提供依據(jù)。模塊正常工作的電壓一般為不小于3.3V、不超過5V的范圍內。系統(tǒng)采用的電源提供的電壓為5V，因此可以直接供電。在設計電路中，如果出現(xiàn)檢測到遮擋物的情況時，P32輸出情況為低電平，如果沒有檢測到遮擋物的時候，P32輸出的情況為高電平，由于輸出的信號本身就是數(shù)字信號，因此無需額外增加轉換電路，如圖5。圖5紅外硬件接線圖圖6甲烷傳感器硬件接線圖2.3.3甲烷檢測電路設計本設計的運用原理是一旦檢測區(qū)域有甲烷氣體時，甲烷氣體含量的提升會進一步提高系統(tǒng)的導電率。和其他傳感器相比，此類傳感器具有明顯的應用優(yōu)勢，對外界氣體的應激程度較高，具有較強的抗干擾能力，性能較為穩(wěn)定，短時間內不會出現(xiàn)設備老化的情況，被廣泛適用于應用領域中，如圖6。對圖中的設計思路進行分析和研究，可以發(fā)現(xiàn)4號、3號引分別腳連接到VCC和GND，2號、1號引腳分別是數(shù)字和模擬信號輸出，想要實現(xiàn)的數(shù)字信號輸出的功能，就必須把二號引腳和單片機口進行連接。2.4GSM模塊電路設計作為一款尺寸較小，占地面積不大的模塊，電路采用SMT封裝，基于STE的單芯片案，采用ARM926EJ-S架構,性能強大，因此選用SIM900A作為GSM/GPRS模塊的芯片[9]?？韶撦d功率較低的條件下提供數(shù)據(jù)傳輸和傳真等功能。另一方面，這類電路的使用耗能較低，在休眠條件下，電流消耗較小，另外，模塊內嵌TCP/IP協(xié)議，可以讓用戶很容易使用。SIM900A模塊若要穩(wěn)定的工作，則要有匹配的外圍電路搭配，如圖7，電路的搭配設計主要涵蓋了四個引腳，其中兩個信號線和單片機引腳相互連接。為了進一步提高本設計的功能和實用性能，運用到了SMS與TCP功能，外圍電路主要涵蓋電源電路、SIM卡電路等。圖7GSM模塊硬件接線圖圖8蜂鳴器及驅動電路2.5蜂鳴器及驅動電路設計為了進一步提高本設計的實用價值，筆者選擇了5V有源蜂鳴器[10]。單片機的管腳輸出電流不大，難以為蜂鳴器提供足夠的電磁。因此需要增加其他電流放大電路。并設計了如圖8的電路圖。其中為了進一步放大電路，在本設計過程中選擇了S9012三極管。1號、2號管腳分別連接電源VCC和單片機引腳，3號引腳連接蜂鳴器正端。二號管線接入高電平后，三極管未被正式啟用，蜂鳴器此時并無電源接入；2號管線接入低電平時，蜂鳴器此時有電源接入，能夠發(fā)出聲音。如果繼續(xù)給2號管線接入高電平，蜂鳴器依舊處于無電源接入狀態(tài)。2.6LED指示燈電路設計這類指示燈占地面積不大，擁有較為穩(wěn)定的使用性能，在短時間內不會出現(xiàn)設備落后的情況。基于LED燈的優(yōu)勢，在本設計過程中，筆者利用這種燈作為信號指示燈。電燈電路內進行串聯(lián)，當引腳發(fā)出低電平時，LED燈亮起，反之則不亮。2.7系統(tǒng)總體電路設計系統(tǒng)總體電路設計如圖9所示圖9系統(tǒng)原理圖3軟件設計在本系統(tǒng)的設計過程中，充分利用Keil軟件對程序進行重新編寫和調整。進一步提高軟件的功能，可以選擇加具有優(yōu)勢的C語言進行程序編寫[11]。系統(tǒng)的運行框架是系統(tǒng)通電后，對模塊進行初始化處理，如果器件出現(xiàn)損害的情況，系統(tǒng)無法有序運行，在此基礎上系統(tǒng)會有序的對數(shù)據(jù)進行采集，如果目標數(shù)據(jù)本身具有一定的準確度，將數(shù)據(jù)傳輸給上位機進行進一步處理。系統(tǒng)運行流程圖如圖10所示。軟件處理過程如圖11所示。圖10系統(tǒng)運行流程圖圖11信號處理軟件總流程圖3.1GSM模塊驅動軟件設計這一模塊能夠確保系統(tǒng)能夠實現(xiàn)遠程報警的目標。如果參數(shù)超過預期設定的標準，報警信息會被自動編輯成短信并發(fā)送到用戶手上，使預警信息的傳遞更加具有時效性，提高系統(tǒng)使用的便捷度和有效度[12]。本設計系統(tǒng)的功能是，一旦檢測家庭出現(xiàn)安全問題時，設備會通過利用GSM模塊的功能，及時向用戶發(fā)送預警信息。圖12是短信接受流程圖。圖12短信接受流程圖圖13紅外傳感器模塊軟件運行流程圖3.2紅外傳感器程序流程圖設計系統(tǒng)程序功能的實現(xiàn)必須利依托于信號查詢的方式。第一系統(tǒng)會向外發(fā)出觸發(fā)信號，并由傳感器對外發(fā)送紅外信號。如果紅外信號出現(xiàn)反射情況，系統(tǒng)會對紅外線反射的時間差值進行精準計算，通過對距離值進行精準判斷，從而確定是否存在遮擋物的情況。該模塊運行流程如圖13所示。`通過對圖表內容進行分析可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)接通電源后，會對模塊進行初始化處理，傳感器會對外發(fā)送紅外信號。如果紅外信號出現(xiàn)反射情況，系統(tǒng)會對紅外線反射的時間差值進行精準計算，通過對距離值進行精準判斷，從而確定是否存在遮擋物的情況。3.3甲烷傳感器程序設計本系統(tǒng)采用的控制系統(tǒng)模塊利用甲烷傳感器進行檢測。檢測原理是把獲取的甲烷信號轉化為電壓信號，比較器會將信號和閾值作出詳細對比，在此基礎上，進一步判斷存在不存在甲烷信號，如果傳感器輸出的電壓達不到閾值電壓值，比較器會將低電平輸出給單片機，反之，會將高電平輸出單片機。單片機如果接收了低電平，可以判斷檢測區(qū)域存在甲烷信號，并會自動開啟自動預警模式，如圖14。通過對圖表內容進行分析可發(fā)現(xiàn)，當系統(tǒng)接通電源后，傳感器會對模塊進行初始化處理，控制中心會對電平值進行讀取，如果是低電平，可以判斷檢測區(qū)域出現(xiàn)甲烷氣體，蜂鳴器會自動啟動報警模式并作出預警信息的發(fā)送。圖14甲烷傳感器程序運行流程圖圖15火焰?zhèn)鞲衅鞒绦蜻\行流程圖3.4火焰?zhèn)鞲衅鞒绦蛟O計本設計的系統(tǒng)信號，主要利用專用火焰?zhèn)鞲衅?，系統(tǒng)的運作原理是將火焰信號轉化為電壓信號，被及時輸送到比較器中。通過對電壓信號和閾值做詳細對比，從而判斷是否存在火焰信號。一旦存在火焰信號，會表明傳感器輸出電壓達不到閾值電壓的水平，反之，比較器的火焰信號會超過高電平。如果單片機能夠接收到低電平，則意味著檢測區(qū)域有火焰情況，系統(tǒng)會啟動報警模式，如圖15。通過對圖表內容進行分析，可得知，系統(tǒng)通電后，會對模塊進行初始化處理?？刂浦行臅﹄娖街颠M行讀取，一旦檢測出低電平值，則意味著檢測區(qū)域有火焰，系統(tǒng)會根據(jù)這種情況啟動自動報警模式，并及時發(fā)出預警信息。4整體調試在順利搭建完成調試平臺后，要對軟件功能進行進一步調試。如果軟件的所有程序不存在異常問題，需要確保系統(tǒng)的功能能否達到應用要求。若是功能無法達到系統(tǒng)的應用要求和標準，需要對程序進行進一步調試，直到所有的功能均能實現(xiàn)為止，如圖16、圖17、圖18、圖19。圖16檢測到火焰并發(fā)送短信圖17檢測到甲烷并發(fā)送短信圖18檢測到有人并發(fā)送短信圖19系統(tǒng)整體調試4.1系統(tǒng)軟件調試軟件調試步驟如下：在菜單欄中單擊“工程”，并輸入工程文件名“智能化家庭安全安防報警系統(tǒng)”，并進行保存。器件選擇“Atmel”目錄下的“AT89C52”。重新構建空白文本，在新建的文本中進行源代碼編寫。將編寫好的程序進行保存，并將文件名稱命名為“智能化家庭安全安防報警系統(tǒng).c”。程序保存后，對編寫的程序進行編譯和調試。單擊編譯按鈕，系統(tǒng)會對程序進行編譯，定會對出現(xiàn)的錯誤進行提示。按提示找出錯誤，并進行修改，直到?jīng)]有錯誤為止。圖20軟件調試圖21提示信息4.2系統(tǒng)硬件調試當上文的程序編譯沒有出現(xiàn)異常情況時，可以將程序錄到單片機中，并對設計功能能否滿足預期需求進行進一步判斷。。（1）信號源采集并功能驗證：系統(tǒng)功能的實現(xiàn)需要對多個信號源進行采集。當系統(tǒng)通電后，所有模塊會進行初始化處理，待模塊初始化正常并完成后，對各個信號源進行采集。打火機火焰靠近傳感器時，機器信號燈會閃亮，并且LED綠燈被點亮，蜂鳴器發(fā)出聲音，說明火焰?zhèn)鞲衅鞑杉交鹧嫘盘枺⒐ぷ髡?。甲烷傳感器對甲烷等異常氣體敏感，而打火機的氣體成分也是由甲烷等構成，所以使用未成功點燃的打火機靠近甲烷傳感器，此時傳感器上的信號燈亮起，并且LED藍燈被點亮，蜂鳴器發(fā)出聲音，說明甲烷傳感器采集到甲烷信號，并工作正常。紅外傳感器只要被遮擋就會傳遞信號，所以當紅外傳感器被遮擋時背部的紅燈亮起，并且LED黃燈被點亮，蜂鳴器發(fā)出聲音，說明紅外傳感器采集到信號，并工作正常。（2）GSM發(fā)送短信功能驗證：經(jīng)過上述驗證環(huán)節(jié)后，如果傳感器檢測到有人為闖入的情況，則LED黃燈并且GSM連接的LED黃燈點亮，同時GSM模塊發(fā)送短信：Someone；如果傳感器檢測到有火焰的情況，綠色的燈會常亮，GSM連接的黃燈點亮，并發(fā)送短信：Fire；如果傳感器檢測到有甲烷氣體，LED燈會出現(xiàn)藍燈的情況，GSM連接的黃燈點亮，并發(fā)送短信：Gas。4.3測試結果分析在測試過程中，受到實際環(huán)境條件、測試步驟和測試設備等因素的影響，測試結果可能存在不全面，不真實的情況。例如在本設計中，如果采集到不正常的信號時，系統(tǒng)子程序會存在延時的情況，會使采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不精準的問題。為了將信號數(shù)據(jù)的誤差值控制在較小范圍內，通常采用以下幾種方法進行調整和優(yōu)化。通過去圖書館收集資料的方式獲取；以理論推導等方式獲得；經(jīng)過多次嚴謹?shù)膶嶒灪脱芯窟M行獲取?？梢酝ㄟ^查找技術首次的方式，對傳感器的環(huán)境參數(shù)進行調整和修正。利用子程序進一步提高系統(tǒng)運行的準確度和科學性。5結語此次設計中，利用STC89C52單片機作為控制器和主要硬件，通過對火焰?zhèn)鞲衅?、甲烷傳感器以及紅外線傳感器的控制以及對其傳輸過來的信號處理，實現(xiàn)對火焰、甲烷氣體、以及非法闖入等信息進行充分地判斷與應對。通過使用GSM模塊將單片機處理過的信號發(fā)送至指定的手機號碼進行準確的報警。此次設計通過單片機完成對整個過程的監(jiān)督與報警，減少了實際的操作難度，提供了更加精確的信息。并且此系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的長時間運行，更加便捷。參考文獻亢健，陳亞棟，任秀偉等.家用電器遠程控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].微型機與