基于单片机的多功能 住宅安防报警系统的设计
1 绪 论
1.1 课题背景和意义
随着我国国民经济和人民生活水平的不断提高，人们的家居生活条件不断得到改善。由于当今社会城市化进程不断加快，城市人口膨胀，外来人口的增加，城市里建成了大量现代化小区。另外，加上煤气和家用电器设备使用中的不安全因素等，对居民的生命和财产安全构成了很大的潜在威胁。经过分析，给居民生命和财产安全带来最大的威胁包括有两大方面，一方面是人为引起的破坏(如盗窃、抢劫、凶杀)，另一方面是自然灾害引起的破坏(如火灾)。因此，人们迫切需要一种对室内出现的各种紧急意外事件（如发生入室盗窃、火灾等）自动发出报警信息并通知户主进行及时处理的住宅安防系统[1]。
传统的机械式（防盗网、防盗窗）家居防卫系统在实际使用中暴露了很多隐患，除了操作繁琐之外，还没达到安全的效果。同时，随着社会信息化进程的逐步深入，特别是传感器技术和先进的电子通信技术的迅猛发展，家居生活的网络化与智能化将成为人们新的需求，智能家居系统也由此成为了目前世界范围内的热门的研究领域之一。
智能家居是以家庭住宅为平台，融合了计算机技术，网络通信技术和自动控制等技术，将与家庭生活相关的各种应用子系统有机的结合在一起，为人们提供更加舒适、高效、便捷、安全的现代居住环境[2]。新的智能型家庭安防报警系统在感应端主要通过磁头、红外、温度、煤气、玻璃破碎等探测器来感应异常的变化，当感应器感应到异常情况时，自动地把警情发送至相关部门和人员，以便得到及时的处理，减少人员伤亡和财产损失[3]。因此，研究智能家居安防系统很有必要。
本课题旨在开发出能够准确检测是否有陌生人闯入居室、是否有发生火灾的入门级家居安防报警系统。该课题的研究，符合社会的需求，与同类的智能家居系统相比具有使用简单方便、价格低廉、安装简单等优点，具有广阔的市场前景，同时有利于更好的改善人们生活水平，保障家居人身和财产安全，是一项非常具有研究和开发意义的题目。
1.2 国内外研究现状
在如今互联网经济日益繁荣的时代，小区和家庭智能化的安防建设已经受到越来越多的重视，国外很多知名企业已经能为用户提供带有安防报警系统的智能化的住宅解决方案，为众多小区和家庭用户提供全面的安全防护和信息服务，其自动化、智能化水平已相
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当的高。
在国外各大企业研发智能家居安防产品的同时，国内厂商也已开始智能家居安防产品的研发和生产，特别是一些大型IT企业利用自身在资金与技术方面的优势，在低端产品市场上占据了相当重要的地位。总体来说，由于国内智能安防报警系统起步较晚，相对于国外来说还是有不少差距。但有些产品，比如家庭智能终端，中国的几个厂商的产品已经做的很好了，不但外观漂亮，而且功能齐全，与国外的品牌相比非常具有竞争力，比如海尔和联想公司出的家庭智能终端。由于目前国家尚没有正式颁布相关的行业技术标准，厂家采用各自不同的技术解决方案，这在某种程度上制约了我国家居安防行业的发展，在今后相当长一段时问内技术的整合趋势将形成统一的标准。另外国内建成的智能安防系统大部分采用的是有线通信技术，系统设计、施工成本较高，基于无线通信技术的家居安防系统目前还处于起步阶段，具有广阔的发展前景。
1.3 论文的主要工作和结构
本设计研究的内容是以单片机为主要控制元件，利用热释电红外传感器实现对住宅陌生人的入侵检测，利用温度传感器实现对火灾的检测，利用LCD12864液晶屏显示当前的安防信息。当出现警情时，通过单片机控制报警电路完成警情的声光报警，并在LCD显示屏上显示警情种类，用户可以根据安置场所可能出现的警情种类，开启合适的报警器开关，以达到针对性的布防效果。本系统制作简单、成本低，功能齐全，安装方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。它是可以广泛应用于小区住宅、酒店、仓库等领域的多功能安防报警系统。
论文各章内容安排如下：
第1章绪论部分阐述了课题研究的背景和意义，随后分析了国内外在该方向的研究状况，最后归纳了本论文的工作和各章内容安排；
第2章系统硬件设计中首先论证了方案的设计，介绍了系统总体设计方案，最后介绍了各个硬件模块的具体设计；
第3章是系统软件设计，首先给出了系统的主程序流程，具体阐述了单片机初始化及程序流程；最后介绍了传感器中断程序的设计及流程图；
第4章软件仿真部分介绍了本设计的系统的开发环境以及所要达到的预期目标，并介绍了Keil软件设置流程，以及仿真的效果图；
第5章总结本论文主要完成的工作，同时指出本设计的优点以及对下一步工作的展望。
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2 系统硬件设计
2.1 方案选择论证
家庭安防报警系统一般包含几个部分，具体可分为：红外入侵检测报警，火灾报警，煤气泄漏报警三大块。
该系统设计方案有以下两种：
方案一；利用某一种传感器和微处理芯片以及一些外围功能电路完成对某一种警情的报警，这样的系统功能单一，成本高，扩展性不强，只能对某一种突发情况进行报警。
方案二：将多种传感器结合在一起，各自有自己的独立开关，可根据需要选择接入的传感器类型。当传感器电路检测到家庭出现安全隐患时，把检测结果送入微处理器，通过微处理器控制报警灯和高音报警器的开启，并将发生的警情信息显示在显示屏上。
通过比较，方案二能满足我们的多样化需求，更加人性化，更加简单有效，故本设计选择方案二。
2.2 系统总体方案设计
本设计包括硬件设计和软件设计两个部分。硬件模块划分为数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块、LCD显示模块、键盘（开关）控制模块。系统总体结构框图如图2-1所示：
LCD显示模块数据采集模块单片机控制模块键盘（开关）声光报警模块
图2-1 系统总体结构框图
就此设计的几个模块来说，单片机是设计的中心模块，所以此系统也是单片机应用系
统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。
从设计的要求来分析该设计需包含如下结构：电源、传感器电路、单片机控制电路、
铃音报警电路、复位电路、LED灯、键盘（开关）、LCD显示组成，其中电源模块采用3节5号电池来提供。它们之间的构成框图如图2-2所示：
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LCD显示模块时钟电路键盘（开关）LED灯STC89C52单片机复位电路热释电红外传感器温度传感器铃音报警电路
图2-2 系统详细设计框图
处理器采用51系列单片机。整个系统是在系统软件控制下工作的。设置在监测点上的各种数据采集模块将原始信息转化成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL 电平至单片机。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出报警状态控制信号。驱动电路将控制信号放大并驱动声光报警电路完成相应动作。当报警延迟5min后自动解除，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路可使系统复位。
本文设计中应用到的探测器主要包括如下两个：红外对射传感器、温度传感器。 以小区内一典型住宅为例，各个探测器的安装示意图如图2-3所示：
储物室1副卧室桌子12客厅221厨房卫生间水池2主卧室储2物室12热释电红外传感器温度传感器灶台
图2-3 探测器安装示意图
2.3 数据采集模块
数据采集模块完成系统警情数据的采集，它由一些传感器及其外围基本电路构成。该模块包含两个单元模块，一个是热释电红外传感器单元，另一个是温度传感器单元。前者
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负责陌生人的入侵检测，后者负责火灾的检测。
2.3.1 热释电红外传感器单元
热释电红外线(PIR)传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出，将这个电压信号加以放大、比较整形后输送给单片机使其驱动各种控制电路。图2-4示为热释电红外传感器的内部电路框图：
光学透镜场效应管DS偏置传感器电阻电容封装内部电路GND
图2-4 热释电红外传感器的内部电路图
（1）PIR的原理特性：
热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，来抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
人体辐射的红外线中心波长为9—10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2—20um范围
内，几乎是稳定不变的。传感器顶端有一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7—10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是由于两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，这样就不能抵消，产生电压差值，这个差值经信号处理而输出电压信号。热释电红外传感器输出的检测信号很小。要经过放大、比较等几个环节才能输出控制信号。使电路执行相关动作。热释电红外传感器控制电路就是根据检测信号的特点和输出信号的要求，完成上述功能的电路。本套系统采用通用原件构成热释电红外传感器的控制系统[5]。下图2-5是控制电路的结构框图：
Vi低频放大比较整形Vo
图2-5 控制电路结构框图
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