I單片機控制的居室安全報警系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u21993單片機控制的居室安全報警系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計案例概述 177721硬件設(shè)計 258391.1系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 2219541.2主控制模塊 217781.1.1控制模塊硬件 2134311.1.2最小系統(tǒng)電路設(shè)計 318191.3溫濕度傳感器模塊 4251621.2.1溫濕度傳感器 4269701.2.2溫濕度檢測電路 452521.4紅外傳感器模塊 5295441.3.1紅外傳感器硬件 544191.3.2人體紅外感應(yīng)電路 5135811.5煙霧傳感器模塊 527631.5.1煙霧傳感器硬件 5232181.5.2煙霧傳感器電路 6313071.6LCD液晶顯示模塊 696071.6.1液晶顯示介紹 676581.6.2液晶顯示電路 7158521.7通訊模塊 771911.7.1芯片介紹 7312201.7.2無線通訊電路設(shè)計 877891.8獨立按鍵模塊 8167083系統(tǒng)軟件設(shè)計 922212.1編程軟件 9165342.2系統(tǒng)的整體框架 9216622.3檢測模塊子程序 10293532.4顯示子程序 1186592.5無線通訊子程序 12290322.5.1模塊配置 12165422.5.2串口通信 12229224系統(tǒng)測試及分析 13311753.1功能測試 1371693.2系統(tǒng)分析 171硬件設(shè)計1.1系統(tǒng)的總體方案設(shè)計居室安全報警系統(tǒng)的控制核心是單片機STC89C52，它的基本功能是可以通過紅外傳感器，溫濕度傳感器和煙霧傳感器不斷地實時檢測室內(nèi)環(huán)境，并在LCD屏上實時顯示出來，最后會與設(shè)定值進行比較，如果檢測的數(shù)據(jù)超過最初設(shè)定的值就會觸發(fā)報警功能，此時系統(tǒng)會通過GSM模塊向指定的手機號碼發(fā)送具體信息。而且為了防止人們在家時，人體紅外感應(yīng)模塊誤觸導(dǎo)致報警，設(shè)計還提供了布防與撤防設(shè)置按鈕，當(dāng)主人在家可以選擇撤防，人體紅外感應(yīng)報警部分不進行工作；當(dāng)布防時，人體紅外傳感器會監(jiān)測報警。系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)整體框架圖1.2主控制模塊1.1.1控制模塊硬件在最初選擇單片機主控模塊上，主要會結(jié)合本次設(shè)計考慮到經(jīng)濟性實用性，因為已經(jīng)有許多種不同系列的單片機出現(xiàn)，主要對比了常見的單片機進行選擇。STM32系列單片機功能多功耗低，適用于對性能要求比較高的系統(tǒng)中，但編程相對而言比較復(fù)雜。51單片機是基礎(chǔ)入門級別的一種的單片機。該芯片是全雙工串行通信，使用單片機STC89C52，此單片機具備51單片機所有優(yōu)點，而且內(nèi)部存儲器要更大一點，有著512字節(jié)RAM，另外還多一個定時器/計數(shù)器。因為STC89C52簡單易用，成本低，功耗小，而STM32系列單片機雖然功能強大，但是成本較高。51系列單片機足夠完成該系統(tǒng)的要求，然而考慮到此單片機系統(tǒng)需要較多數(shù)量的定時器。串口通信，定時控制都需要定時器。最終決定選用STC89C52單片機。單片機是一種集成電路芯片，該系統(tǒng)采用的是單片機STC89C52,芯片的工作電壓為5V，屬于增強型的8051單片機，內(nèi)部有8KB的程序存儲器,512字節(jié)RAM，

32

位I/O

口線，3個16

位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷。單片機STC89C52的引腳圖如圖2-2所示。圖2-2單片機STC89C52引腳圖1.1.2最小系統(tǒng)電路設(shè)計居室安全報警系統(tǒng)主要由STC89C52單片機、DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、人體紅外、LCD顯示屏、CSM通訊模塊、按鍵等組成。單片機的最小系統(tǒng)由電源，晶振和復(fù)位電路三個部分構(gòu)成。電源給單片機用5V電壓進行供電，如圖引腳40接的是電源正極，引腳20接的是電源負(fù)極。晶振為整個單片機系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時鐘信號，單片機內(nèi)部的工作都需要這個時鐘信號作為基準(zhǔn)進行協(xié)調(diào)，晶振連接到單片機的XTAL1腳和XTAL2腳，只有晶體振蕩器成功運行工作，單片機系統(tǒng)才能正常運行。復(fù)位電路接單片機RST腳，當(dāng)引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平，單片機復(fù)位。此外，單片機P0口還要上拉一個電阻，就構(gòu)成了單片機的最小系統(tǒng)，單片機最小系統(tǒng)圖如圖2-3所示。圖2-3STC89C52最小系統(tǒng)1.3溫濕度傳感器模塊1.2.1溫濕度傳感器DHT11內(nèi)部含有已校準(zhǔn)的數(shù)字信號，不需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，直接輸出數(shù)字信號，DHT11采用的單總線協(xié)議與DS18B20稍微有些不同，DHT11按照高位在前先傳輸?shù)囊?guī)則進行傳輸，拉高總線完整的傳輸一次數(shù)據(jù)為40bit。該傳感器體積超小，功耗低。只有在接收到單片機的開始信號后才可以觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有，則不進行溫濕度采集。該傳感器既可以測量溫度又可以測量濕度，在很多場合都能夠適用。DHT11一共有4個引腳，每個引腳的主要功能分別是：VCC，電源正極。DATA，串行數(shù)據(jù)。NC,空引腳。GND,電源負(fù)極。DHT11實物圖如圖2-4所示。2-4DHT11實物圖1.2.2溫濕度檢測電路DHT11具有長期穩(wěn)定以及連接方便等優(yōu)點，很適合在家居監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用，可以直接將采集到的信息以數(shù)字信號直接傳送給P.2.7口進行處理，引腳1連接VCC，引腳4連接GND。DHT11的DATA引腳連接單片機的一個端口進行信息傳輸，再在該引腳拉一個3.7K的電阻。溫濕度檢測電路如下2-5所示。圖2-5溫濕度檢測電路1.4紅外傳感器模塊1.3.1紅外傳感器硬件HC-SR501基于紅外線技術(shù)，能在超低電壓工作狀態(tài)下工作，采用探頭式設(shè)計，被動式紅外探測器利用熱釋電效應(yīng)進行探測，不需要外界發(fā)射能量和紅外輻射源。還能夠配合外圍路，進一步拓展其功能，自動快速開啟各類設(shè)備。因為所有溫度高于絕對零溫度的物體都會以紅外線輻射的形式釋放熱能，物體會隨著自身溫度的增加而發(fā)出更多的輻射。HC-SR501傳感器經(jīng)過專門設(shè)計,可檢測這種紅外輻射。由兩個主要部分組成:一個熱釋電傳感器和一個稱為菲涅耳透鏡的特殊透鏡,距離越遠(yuǎn)感應(yīng)程度越強，角度也越大。它將紅外信號聚焦到熱釋電傳感器上。還能夠選擇光敏補償和溫度補償，與大多數(shù)PIR傳感器一樣，首次啟動時，HC-SR501需要30到60秒的時間來適應(yīng)室內(nèi)的紅外能量。在電壓3.5-20V的環(huán)境下工作，有靈敏度調(diào)節(jié)和延時調(diào)節(jié)兩個旋鈕，順時針感應(yīng)距離增大，延時加長。逆時針則相反。工作溫度在負(fù)15度和70度之間，可以用跳線端子改變觸發(fā)方式，有重復(fù)觸發(fā)和不重復(fù)觸發(fā)兩種模式。1.3.2人體紅外感應(yīng)電路HC-SR501紅外傳感器能感應(yīng)到人體輻射的紅外線能量，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出放大[1]。該器件有3個引腳，其中引腳1連接VCC，引腳2接單片機的I/O口引腳，引腳3連接GND。當(dāng)有人進入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，無人則是低電平。人體紅外電路如下圖2-6所示。圖2-6人體紅外感應(yīng)電路1.5煙霧傳感器模塊1.5.1煙霧傳感器硬件MQ-2屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，具有良好穩(wěn)定性和抗干擾性，能夠排除一些刺激非可燃煙霧干擾，在24V電壓下均可設(shè)計使用，傳感器需要在較高溫度下工作，所以需要對其加熱使用，而且在每次通電使用前都需要對傳感器進行預(yù)熱，用于蒸發(fā)掉二氧化錫吸附空氣中的水蒸氣，才能保持其穩(wěn)定性。該傳感器一共有4個引腳，其中2個引腳需要分別接到電源的正負(fù)極接線上，另外2個引腳用于數(shù)據(jù)傳輸,MQ-2傳感器實物圖如圖2-7所示。圖2-7MQ-2型煙霧傳感器1.5.2煙霧傳感器電路MQ-2煙霧傳感器需要配合ADC0832使用，把采集到的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后再經(jīng)過轉(zhuǎn)化，可以得到煙霧濃度值。氣體濃度越大，輸出的電壓也越大，最后在LCD顯示屏上顯示的數(shù)值也就越大，MQ-2傳感器電路圖如圖2-8所示。圖2-8煙霧傳感器電路1.6LCD液晶顯示模塊1.6.1液晶顯示介紹LCD12864具有低電壓、低功耗的特點，其顯示分辨率為128×64，該模塊調(diào)節(jié)界面靈活，操作指令簡單方便，可形成全中文圖形界面[5]。LCD12864的引腳功能如下表1.1所示。

表1.1LCD12864引腳接口表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地11D4數(shù)據(jù)2VDD電源正極12D5數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓13D6數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇14D7數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇信號15PSB并/串行口選擇6E使能信號16NC空引腳7D0數(shù)據(jù)17RET復(fù)位8D1數(shù)據(jù)18NC空引腳9D2數(shù)據(jù)19LED_A背光源正極10D3數(shù)據(jù)20LED_K背光源負(fù)極1.6.2液晶顯示電路LCD12864顯示屏與單片機的I\O口直接連接，工作電壓2.0V~5.5V[2]?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)變阻器的阻值進而改變LCD12864的偏置電壓，從而可以調(diào)整顯示屏的背光亮度。液晶顯示電路圖如下圖2-9所示。圖2-9液晶顯示屏電路1.7通訊模塊1.7.1芯片介紹GSM是應(yīng)用最廣泛的移動電話標(biāo)準(zhǔn)，使用GSM通訊技術(shù)，不受限于傳輸距離，有保質(zhì)的傳輸能力。GSM全球無線移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋了廣泛的信號，實現(xiàn)了低價格、高質(zhì)量、超長距離、便利靈活的智能無線控制和報警。SIM800L性能穩(wěn)定，

體積小，可以實現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)傳輸。

GSM模塊實物圖如圖2-10所示。圖2-10SIM800L實物圖1.7.2無線通訊電路設(shè)計GSM主要用串口通信，單片機通過P2.1口發(fā)送指令給GSM的RXD口，然后通過TXD反饋給單片機。將SIM800L的串行口與單片機的串行口相連接，繪制出電路圖如圖2-11所示。圖2-11SIM800L模塊1.8獨立按鍵模塊系統(tǒng)一共有四個按鍵對單片機進行控制，分別是功能設(shè)置鍵，加鍵，減鍵，復(fù)位鍵。復(fù)位鍵沒有被寫入，功能設(shè)置鍵用來切換需要調(diào)試的參數(shù)類型，加減鍵是用來進行調(diào)節(jié)設(shè)定的操作鍵。按鍵只有高電平和低電平兩種特性，按鍵按下是低電平，松開之后輸出高電平[3]。按鍵模塊電路圖如圖2-12所示。圖2-12按鍵模塊電路設(shè)計3系統(tǒng)軟件設(shè)計在居室安全報警系統(tǒng)設(shè)計時，除了設(shè)計硬件系統(tǒng)之外，還要設(shè)計與硬件模塊相對應(yīng)的程序編碼，使其整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)正常工作，達到想要實現(xiàn)的功能，因此軟件合理正確的設(shè)計也尤為重要。根據(jù)居室安全報警系統(tǒng)的功能要求而設(shè)計軟件的整體結(jié)構(gòu)，其中系統(tǒng)軟件設(shè)計有環(huán)境監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)顯示、無線短信報警等功能。系統(tǒng)程序主要包括主程序以及各類子程序。系統(tǒng)采用模塊化編程編寫，使整個軟件編程看起來工整有序，便于修改調(diào)整。2.1編程軟件KeilC51是51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，它集編輯、編譯、仿真于一體。在各種性能上比匯編語言有明顯的優(yōu)勢。使用C語言編程，Keil是再合適不過的選擇。Keil應(yīng)用步驟如下。（1）打開軟件；點擊Project->NewμVisionProject；（2）創(chuàng)建工程名到指定目錄；選擇單片機芯片；（3）在工程中新建文件，并將文件添加到工程中；（4）在創(chuàng)建成功的界面下進行C語言編程；編譯調(diào)試；2.2系統(tǒng)的整體框架基于單片機的居室安全報警系統(tǒng)的設(shè)計，其中檢測模塊不斷地實時監(jiān)測室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)、煙霧濃度情況，并在12864液晶屏上實時顯示具體數(shù)值，如果超過系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值，主控系統(tǒng)會控制GSM通訊模塊發(fā)送短信報警。各個子系統(tǒng)不斷檢測多傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，單片機的檢測模塊和定時器進行工作，以此來收集傳感器輸出的信號，顯示子函數(shù)再將實時數(shù)據(jù)顯示到12864液晶屏上。需要對系統(tǒng)進行初始化，包括定時器初值、中斷開關(guān)位、標(biāo)志位的初始設(shè)定等。系統(tǒng)整體的程序流程圖如圖3-1所示。

圖3-1系統(tǒng)整體的程序流程圖2.3檢測模塊子程序系統(tǒng)開始運行后進行初始化，DHT11溫濕度傳感器開始采集環(huán)境中的具體數(shù)據(jù)，DHT11

在拉高總線

80us

后開始傳輸數(shù)據(jù)。DHT11流程圖如圖3-2所示。圖3-2DHT11軟件流程圖MQ-2煙霧傳感器采集的電壓信號經(jīng)過ADC0832處理后發(fā)送給主控芯片，單片機讀取數(shù)值后進行分析處理。在使用前對需要對傳感器進行預(yù)熱處理；初始化工作結(jié)束后，該傳感器模塊才會正常工作。MQ-2煙霧傳感器流程圖如圖3-3所示。圖3-3煙霧傳感器程序流程圖HC-SR501紅外傳感器通電后約進行一分鐘的初始化。單片機內(nèi)的處理器會不斷的對內(nèi)部控制模塊與人體紅外檢測模塊之間連接口進行掃描，當(dāng)有人進入檢測范圍則輸出高電平，無人時則輸出低電平。HC-SR501紅外傳感器流程圖如圖3-4所示。圖3-4HC-SR501紅外傳感器程序流程圖2.4顯示子程序在LCD顯示前，需要先對其進行初始化設(shè)置，再顯示預(yù)設(shè)定的值，然后掃描并顯示各個傳感器檢測的數(shù)據(jù)。LCD12864有4個基本操作時序。顯示字符時光標(biāo)自動右移，顯示時調(diào)用換行的指令，字體的顯示需要多次調(diào)用寫數(shù)據(jù)函數(shù)。當(dāng)E為高電平時對P0口影響，所以在對LCD刷新之前，需將使能引腳E置低電位，使用時再置高電位，LCD12864初始化流程圖如圖3-5所示。圖3-5LCD12864初始化流程圖2.5無線通訊子程序2.5.1模塊配置在使用GSM通訊模塊之前，我們需要先了解使用AT指令協(xié)議，因為要使單片機與SIM800L模塊進行串口通信，需要用到AT指令的協(xié)議。然后將模塊進行配置，把通訊模塊上電以后它會自動尋找搜索信號，發(fā)送AT后,模塊返回ok，這個時候表示已經(jīng)初步成功[4]。AT+CMGF用于設(shè)置短信模式，發(fā)送

AT+CMGF=1

將短信模式設(shè)置為

text

mode

，設(shè)置文本模式。AT+CMGS用于發(fā)送短信，發(fā)送

AT+CMGS=“要接收信息對應(yīng)電話號碼”，返回字符

‘>’后輸入短信內(nèi)容，短信內(nèi)容輸入完成以后，發(fā)送十六進制的0x1a完成發(fā)送。2.5.2串口通信模塊配置結(jié)束后，采用串口通信的方式將GSM模塊與單片機相連。串口通信是指在一根線上發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，這里是指單片機對GSM模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，然后GSM模塊又向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)指令，單片機并對其進行檢驗。單片機串行口波特率和GSM默認(rèn)值保持一致為9600。串口發(fā)送函數(shù)和GSM配置流程圖如下圖3-6所示。圖3-6串口發(fā)送函數(shù)與GSM配置流程圖4系統(tǒng)測試及分析3.1功能測試系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計結(jié)束以及各模塊安裝完成后，把系統(tǒng)插上電源，各個檢測模塊初始化成功，LCD液晶顯示屏顯示檢測模塊傳回檢測到的環(huán)境中的數(shù)據(jù)，包含有當(dāng)前室內(nèi)的煙霧濃度，溫濕度以及是否有人闖入。配置GSM模塊成功后，可以通過顯示屏看到GSM的狀態(tài)顯示為GSM_OK，如圖4-1所示。這說明SIM卡注冊成功，能夠正常收發(fā)短信。圖4-1主界面顯示然后需要對系統(tǒng)的報警最低值進行設(shè)置，如下圖4-2、4-3、4-4所示。圖4-2對溫度報警值進行設(shè)置圖4-3對濕度報警值設(shè)置圖4-4對煙霧報警值設(shè)置下面對各個傳感器進行測試，在對煙霧進行測試時，選擇采用打火機中的氣體進行模擬測試，將打火機對著煙霧傳感器并釋放氣體，此時可以看到顯示器上煙霧濃度的數(shù)值，這時已經(jīng)超過了設(shè)定的煙霧報警值，這時蜂鳴器會響，同時GSM會把具體信息發(fā)送到手機上。煙霧報警測試如圖4-5所示。圖4-5煙霧報警測試圖對溫濕度的測試，是把手握在DHT11傳感器上，這時可以看到顯示器上溫濕度的數(shù)值明顯上升，溫濕度測試如圖4-6所示。圖4-6溫濕度測試圖對紅外進行測試，把手放到離紅外傳感器一定距離的地方，觸發(fā)報警之后，可以看到顯示器顯示字