家庭安防智能控制终端设计

绪论信息时代的到来，高新技术迅猛发展，世界正面临由工业经济向知识经济转变的重大历史时期，城市数字化和建筑智能化是历史发展的必然。近些年来，我国智能建筑技术飞速发展，提升了传统建筑产业的科技含量，呈现了巨大的市场潜力。随着社会经济的飞速发展，人们的生活水平有了较大的提高。但与此同时，社会人口的流动性大大增加，社会结构和社会治安也变得日趋复杂，人们对家庭生命财产的安全越来越重视，安全防范意识日益提高，人们对于安防产品的要求也愈来愈高。另据国家统计，中国的富有阶层正在形成，人口约4460万人，1400多万户，占城市人口的10。因此主要针对这部分人的家庭防盗报警系统可多达1400万套，总市场容量将达280亿元。可以相信，随着社会的发展，将会有越来越多的人选用家庭防盗报警系统。众所周知市民对于家庭防盗报警产品一直有着殷切的期望。但是，一般家庭的经济承受能力与他们对防盗报警设备的性能要求之间，始终无法达到平衡，有时甚至存在着矛盾。而且市场现有产品功能不全面，性能不稳，误报率高。传统的机械式防盗网、防盗窗家居防卫系统在实际使用中也逐渐暴露出了许多隐患和弊端。近些年来，随着科学技术的飞速发展和电子计算机的广泛普及，家庭安防产品出现了前所未有的新变化。家庭防盗报警系统逐步朝着智能化、数字化、人性化方向发展。防盗报警系统不仅作为报警用，还可以开发出诸如紧急求助、医疗、家政、呼叫等附加功能。本论文所设计的报警控制器就是集紧急呼救、防盗、防火、防可燃气体于一体，功能强大，适合于大众群体的综合报警系统。本智能安防报警控制系统是专门为室内设计的智能安防系统，具有完善的、全方位、立体的烟雾探测、门窗防撬、玻璃破碎探测、紧急呼叫报警等功能。门窗一旦被他人推拉开，或他人非法闯入防区探测范围，主机立即发出强烈的报警声，同时自动向小区物业中心发出警情信号，通知报警中心有贼入室当有火灾发生时或煤气等气体泄露时，烟雾探测器或有害气体探测器及时向主机发送火警信息，主机发出相应报警声。本设计通过查阅大量的中英文资料，结合实际和应用情况确定了本设计方案。设计工作主要分为硬件设计和软件设计两大部分。硬件设计部分分为探测器设计和选择（主要介绍了系统采用的各种探测器的工作原理和选择的特点等）、CPU介绍及其选择（介绍了其在此设计的功能），CAN总线传输电路设计（包括芯片选择和电路设计），软件部分分程序流程图和程序清单两部分，让读者更加明确本系统要完成的功能。经过此次设计，使我的理论和实践水平有了较大的提高，也使我对智能安防报警方面的知识有了更加进一步的认识。以下将分章节来介绍本设计。第1章整体方案设计1家庭安防智能控制终端的设计思路。本家庭安防智能控制终端是以单片机作为中央控制单元，用于探测安全信息的传感器包括门磁、玻璃破碎探测器、火灾报警器以及可燃气体探测器和手动报警按钮等，这些探测器能够帮助用户对家居内是否发生盗窃情况、是否有火灾及燃气泄漏等情况发出探测信号给中央控制单元，并通过中央控制单元对其进行分析处理来确定警情，并按预定的警情条件报警，以达到安全防护的目的。在各种安防探测器对家庭进行防范的同时，终端还应该设有手动报警按钮，以便在紧急时刻能够进行手动报警，从而使终端的功能更加完善。为了达到与小区物业管理中心的信息同步，本终端设计采用CAN总线技术与小区物业管理中心的安防主机进行信息交流，当有警情时及时通知管理中心的管理人员，以便能及时处理发生的警情。2家庭安防智能控制终端的设计方案。根据以上的设计思路，为了保证良好稳定的安防效果，本终端设计应该包括各种安防探测器，包括火灾报警器，可燃气体报警器，门磁报警器，窗磁报警器，玻璃破碎探测器以及手图11系统设计框图5V12V电源模块220V交流电源不同电压，分别连接至各单元电路门磁、窗磁、烟雾传感器、玻璃破碎探测器、可燃气体传感器以及紧急报警按钮传感器接口电路中央处理单元CAN总线控制器电路CAN总线，与小区物业中心进行报警互联光电隔离电路CAN总线收发器电路动报警按钮等，以及探测器与中央处理单元的接口电路。为了与小区物业管理中心进行信号传输，还需要对中央处理单元和CAN总线的信息传输进行软件及硬件设计。其中，包括与中央处理单元相连接的CAN控制器、光电耦合电路以及CAN收发器电路的设计。除此之外，为了保证终端各元件的电源供给，还应设计合适的电源模块，以满足终端的每一个元件都有其相应的电源电压保证其正常工作。系统设计框图见图11。第2章系统硬件设计由系统整体设计思路可知，本设计的硬件部分包括以下几个部分中央处理单元电路，探测器的选择及其接口电路、CAN总线控制器电路、光电耦合电路、CAN总线收发器电路等。下面分别对各单元电路进行设计。1、中央处理单元电路设计11设计思路中央控制单元的作用是处理来自安防探测器的各种警情信号，并从中根据条件筛选出威胁到家庭安全的警情信号，并将此信号通过CAN总线传输至小区管理中心，实现报警联动，同时通过警号发出响亮的报警音，从而提示家人以及警示窃贼。根据中央控制器的功能要求，本设计选用单片机作为中央控制单元，下面开始介绍芯片的选择以及接口电路的设计。12单片机芯片的选择单片机简介单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影，它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。常用单片机芯片简介STC单片机STC公司的单片机主要是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快812倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强。PIC单片机是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。EMC单片机是台湾义隆公司的产品,有很大一部分与PIC8位单片机兼容,且相兼容产品的资源相对比PIC的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差。ATMEL单片机51单片机ATMEL公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列,AT89系列是8位FLASH单片机,与8051系列单片机相兼容,静态时钟模式AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程FLASH的单片机,也叫AVR单片机。PHLIPIS51PLC系列单片机51单片机PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机,嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能,这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。HOLTEK单片机台湾盛扬半导体的单片机,价格便宜,种类较多,但抗干扰较差,适用于消费类产品。TI公司单片机51单片机德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机TMS370系列单片机是8位CMOS单片机,具有多种存储模式、多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场合MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求功耗低的场合。松翰单片机（SONIX）是台湾松翰公司的单片，大多为8位机，有一部分与PIC8位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，有PMWADC内部杂讯滤波。缺点是RAM空间过小，优点是抗干扰较好。AT89C51单片机本设计选用AT89C51单片机，理由如下AT89C51单片机为制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51（如图21）是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFALSHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51的主要特性1、与MCS51兼容2、4K字节可编程闪烁存储器3、寿命1000写/擦循环4、数据保留时间10年5、全静态工作0HZ24HZ6、三级程序存储器锁定7、1288位内部RAM8、32可编程I/O线9、两个16位定时器/计数器10、5个中断源11、可编程串行通道12、低功耗的闲置和掉电模式13、片内振荡器和时钟电路AT89C51芯片如图21。管脚说明VCC供电电压。GND接地。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P1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。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外图21AT89C51硬件及接口图部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。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口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。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（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示（括号内为备选功能）P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32/INT0（外部中断0）P33/INT1（外部中断1）P34T0（记时器0外部输入）P35T1（记时器1外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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。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于定时目的。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。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是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ALE禁止，置位无效。/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信号将不出现。/EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式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）。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10MS来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。13中央处理单元电气原理图设计为了能够完成警情分析及报警，单片机各接口分配如下P10P15分别为各安防传感器接口输入端；为了使系统更加稳定可靠，当系统进入死循环时能够及时复位，本设计加入了看门狗电路，并设定P16为看门狗复位信号的输入电路端口；信息收发所用的中断端口为INT0口；X1和X2为时图22单片机接口电路图C2020PFC1920PFY16MHZEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20U1AT89C515P10P11P12P13P14P15P00P01P02P03P04P05P06P07P20RDWRALE/PINT0RESETP21P165R253210K钟电路接口，由外界晶振构成了中央处理单元的时钟单元，为系统提供了时钟信号；P00P07和P20为单片机与CAN总线进行数据传输所用端口；P21为终端报警器输出端口，能够及时对警情发出警报以及系统不正常时发出警报，以便能够及时得到维修。根据上述设计要求设计的中央处理单元的电气原理图如图22所示。2、看门狗电路设计21看门狗电路的设计思路在由单片机构成的微型计算机系统电路中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称“看门狗”，又叫WATCHDOGTIMER。目前常用的看门狗包括硬件看门狗和软件看门狗，也就是硬狗和软狗。硬件看门狗电路设计如图23硬件看门狗的特点是稳定。通常是在干扰因素比较多的情况下使用硬狗。硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行，也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位。如果出现死循环，或者说PC指针不能回来，那么定时时间到后就会使单片机复位。软件看门狗技术的原理和这差不多，只不过是用软件的方法实现。现在很多单片机内部都集成了看门狗，而程序中要做的就是在软狗复位信号到来之前喂狗。本设计为了保证系统的稳定，使用硬件看门狗。22看门狗电路主要元器件的选择常用的看门狗芯片有SP系列的芯片，例如，SP706、SP708、SP813等，其特点和特性参数如下SP705708/813L/813M系列属于微处理器（UP）监控器件，其集成有众多组件，可监测UP及数字系统中的供电及电池的工作情况。由于以上众多组件的使用，SP705708/813L/813M系列可有效地增强系统的可靠性及工作效率。SP705708/813L/813M系列包含一个看门狗定时器，一个UP复位模块，一个供电失败比较器，及一个手动复位输入模块。SP705708/813L/813M系列适用于开发计算机，车载系统，控制器，及其他一些智能仪器。对于对电源供电要求严格的UP系统/数字处理系统，SP705708/813L/813M系列是一款非常理想的选择。极限参数终端电压（以GND为基准）VCC03V到60V所有其他输入03V到（VCC30V）输入电流VCC20MAGND20MA输出电流（所有输出）20MAESD额定值4KV电源持续功耗PLASTICDIP（70以上时，909MW/递减）727MWSO（70以上时，588MW/递减）471MWMINISO（70以上时，410MW/递减）330MW正常工作温度范围65到160焊接温度（焊接10秒）300特性SP705708/813L/813M系列提供4种功能1在上电，下电及掉电情况下复位输出。2如果看门狗输入引脚在16S内没有接收到一个信号，看门狗输出将为低。3一个125V的阀值检测器，可以监测供电失败警告，及低电池状态。或监控一个非5V的电源。4支持低电平手动复位，允许外部按键开关产生RESET信号。SP707/708与SP705/706比较，多了一个高电平RESET功能，少了一个看门狗定时器模块。SP813L与SP705比较，其不仅支持高电平RESET，还支持低电平RESET。当电压源低于465V时，SP705/707/813L将产生一个复位信号。当电压源低于440V时，SP706/708/813M将产生复位信号。SP705708/813L/813M系列非常适用于车载系统，智能仪表，电池型计算机及控制器。SP705708/813L/813M适合应用于一些对UP及其相关器件要求严格的监控场合。23看门狗电气原理图在选择外部看门狗芯片时一定要注意单片机的复位电平图23看门狗电路设计/MR1VCC2GND3PF14/PF05WD16RESET7/WD08U6SP813LC12004UFC11004UFR241K5P16RESET是高电平还是低电平，在图中的/MR脚和/WDO脚之间通常用一个电阻连接起来。根据上述原理设计的看门狗电气原理图如图23所示。24电路工作原理看门狗电路的应用，使单片机可以在无人状态下实现连续工作，其工作原理是看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连，I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平或低电平，这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段进入死循环状态时，写看门狗引脚的程序便不能被执行，这个时候，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位，即程序从程序存储器的起始位置开始执行，这样便实现了单片机的自动复位。3、安防传感器的选择及接口电路设计31火灾探测器的选择及接口电路设计311火灾探测器设计思路在家居安全防范对象中，作重要、危害最严重的就是火灾。火灾是发生频率较高的灾害，无论是电气设备、吸烟不慎、人为等原因都可能引发楼宇火灾。所以火灾报警宜早不宜迟，在火灾发生的初始阶段及时报警，及时采取灭火措施最好。火灾发生大多是由局部物体的燃烧开始的，燃烧会产生烟雾、热量及火焰。因此，通过检测烟雾、温度异常如室温超过5060C，就可以判断火情，及时发出火灾报警，以便能有效的扑灭火源，免于成灾。312火灾探测器的选择常用的火灾报警器分为感烟探测器和感温探测器。根据家居环境特点，其发生火灾均属于A类火灾，即火灾发生初期，会产生大量的烟雾。因此，为了完成自动监测火灾发生，采用了感烟探测器离子感烟探测器作为智能安防报警控制器自动检测室内火灾发生的传感器。图24SS168火灾报警器本报警控制器选用产品型号为SS168的离子式烟雾火灾报警器（如图24）。313火灾探测器接口电路图为了使输入信号更稳定，干扰更小，信噪比更高，应采用光电耦合电路对信号进行处理，原理如下当探测器有信号输出时，使光电耦合电路中的发光二极管通电发光，进而导通相邻的光敏电阻，使其有电流通过，此电流经由RC滤波成为输入信号进入单片机输入端口，为单片机提供警情信号。火灾报警器接口电路图如图25。314火灾探测器工作原理离子感烟探测器采用空气隔离火灾探测方法，探测器由内外两个串联的电离室、场效应管和开关电路组成。电离室是离子感烟探测器的核心传感器。火灾发生时，烟雾粒子进入有孔与外界相通的外电离室，电离区域的正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上，使得正负离子相互中和的概率增加，从而可将烟雾浓度大小以离子电流的变化量大小表示出来，以此实现对火灾参数的检测。烟雾报警器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。烟雾报警器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。功能特点1243U7Q817R121KR101KC601UFR111KP10VCCOUTGND体体体体体SS168125图25火灾报警器接口电路采用低功耗CMOS微处理器特殊防潮设计独立/联网/无线输出方式（可选）具有手动测试、手动复位功能工作性能稳定可靠单面PCB工艺采用超薄式结构设计结构设计独特，防尘、防虫、抗外界光线干扰主要性能参数工作温度1050报警浓度065155FT工作温度1090工作电源12VDC/9VDC信号输出常开/常闭32可燃气体探测器的选择及接口电路设计321可燃气体探测器设计思路可燃气体包括天然气、煤气、烷等，当其在某场所的浓度超过一定值时，偶遇明火便会发生燃烧或爆炸，是非常危险的。室内用的煤气或液化天然气发生泄露时，也会造成煤气中毒等人员伤亡事件。可燃气体探测器用在可燃气体存在的场所，是防止火灾或保安的一项重要措施。可燃物质燃烧时除有大量烟雾、热量和火灾之外，还有许多可燃性气体产生，如一氧化碳、氢气、甲烷等等。利用可燃气体探测器监测这些可燃气体的浓度值，即时发出火灾报警信号，即时采取灭火措施，是非常必要的，所以安防系统不能缺少可燃气体探测器。322可燃气体探测器元件选择可燃气体探测器可燃气体探测器是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。可燃气体探测器有催化型、红外光学型两种类型。催化型可燃气体探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧），其产生的热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻率便发生变化。红外光学型是利用红外传感器通过红外线光源的吸收原理来检测现场环境的碳氢类可燃气体可燃气体探测器，其外壳一般为不易燃烧的硬塑料制成，里面的半导体元件用直径为01MM的不锈钢丝双层网保护，它应用在易燃易暴场所，属于防爆电气产品。本设计选用JTQBQB2700/083型可燃气体探测器。323可燃气体探测器接口电路图为了使输入信号更稳定，干扰更小，信噪比更高，应采用光电耦合电路对信号进行处理，原理如下当探测器有信号输出时，使光电耦合电路中的发光二极管通电发光，进而导通相邻的光敏电阻，使其有电流通过，此电流经由RC滤波成为输入信号进入单片机输入端口，为单片机提供可燃气体泄漏警情信号。可燃气体探测器接口电路如图26。324可燃气体探测器工作原理本探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧），其产生的热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻率便发生变化。主要技术性能报警浓度检测气体爆炸浓度下限的25。报警电压5V；响应时间20S；恢复时间30S；传输方式三线制（、X），使用截面积035线缆；2表面电阻欧姆；109结构材料阻燃材料；工作电压DC5V。工作电流150MA；环境温度2050。1243U8Q817R151KR141KC701UFR131KP11VCCOUTGND体体体体体体体JTQBQB2700/08355图26可燃气体探测器接口电路33门磁控制开关的选择及接口电路设计331门磁控制开关的设计思路门磁一般是窃贼要进入室内的必经途径，必须有可以报警的第一道防线。而本报警控制器的设计重点之一也是防盗。门磁开关警示一种廉价的报警设备，配上室内紧急报警按钮，可以对家庭和重要场所提供最基本的保护。门磁开关由门禁控制器、读卡器、电锁、按钮、电源、通讯转换器等门禁软件等组成，利用一对磁控开关，一旦安装在门框上的开关错位离开，则立即发出报警信号。332门磁控制开关链路元件的选择本设计主要选择较普遍和实用性较强的一种磁控开关KL8807A。主要性能专利O环设计，内置起点保护钢簧开关；O环设计使得门磁开关可接受强压而不致损坏；手工碾压焊接技术双重确保连接牢固；100手工测试工作电压DC12V；能有效减少误报、漏报和维修；铝镍钴永磁合金或陶瓷铁磁芯UL认证线号；报警电压12V；门磁表面涂有铑合金，可延长使用寿命、减少阻抗以及保护。主要指标闭合回路当门磁处于感应回路时，开关闭合；触点没有闭合时，发出报警信号。工作温度4060。电源最大功率3W；最大开关电压DC30V；最大开关电流030AMPS；最大电路阻抗100MILLIOHMS振动30G峰值/1020000HZ；无错闭合20毫秒（开关开启）；无错开启毫秒（开关闭合）撞击100G/历时11毫秒冲击时间；无错闭合20毫秒（开关开启）；无错开启20毫秒（开关闭合）333门磁控制开关的接口电路图为了使输入信号更稳定，干扰更小，信噪比更高，应采用光电耦合电路对信号进行处理，原理如下当探测器有信号输出时，使光电耦合电路中的发光二极管通电发光，进而导通相邻的光敏电阻，使其有电流通过，此电流经由RC滤波成为输入信号进入单片机输入端口，为单片机提供警情信号。手动报警为开关时元件，其内部为一个干簧管电路，因此有电压输入后，只需将输出端直接接至管耦隔离电路而无需接地端。门磁控制开关接口电路如图27。334门磁控制开关的工作原理门磁控制开关的主要部分是干簧管开关电路。原理是利用干簧管开关装置，根据在门窗的开闭状态时簧片的位置不同而分别将电路接通或阻断，从而在警情出现时能够及时自动的报警。干簧管门磁、窗磁结构简单，功能稳定，是对门窗部位进行防护的最佳选择。34、玻璃破碎探测器的选择及接口电路设计341玻璃破碎探测器的设计思路同样窗户的防盗也尤为重要。玻璃破碎探测器就是很好的防护产品，主要分为音频式玻璃破碎探测器和振动式玻璃破碎探测器。音频式玻璃破碎探测器具有作用范围大、可靠、灵敏，易于使用等特点。振动式玻璃破碎探测器则直接安装在玻璃上，因而几乎不会发出错误报警，这意味着振动式玻璃破碎探测器能够用来保护装有窗帘或卷帘的玻璃窗户。342玻璃破碎探测器的选择本设计主要选择较有代表性的美国CK公司生产的FG1025Z型玻璃破碎探测器。主要特点内置美国进口的处理芯片，防误报设计；LED指示灯；图27门磁控制开关接口电路1243U9Q817R181KR171KC801UFR161KP12VCCOUTGND体体体体体体KL8807A125外形小巧，嵌入式安装或吸顶式安装；警戒距离能达到3米，抗辐射干扰；适合在廊道、窗户等室内场所使用；外形小巧，接线便捷；密闭的PCB板；人工/遥控两种工作模式测试模式可自动转换为报警模式；探测距离3米；主要指标探测范围前方76米（最大）探测方向前160度（最大）抗辐射干扰101000MHZ，30V/M抗静电干扰10KV报警继电器C型，125MA（最大），25VDC（最大）工作电压直流12V工作电流30MA工作温度049信号输出DC12V，500MA343玻璃破碎探测器的接口电路设计为了使输入信号更稳定，干扰更小，信噪比更高，应采用光电耦合电路对信号进行处理，原理如下当探测器有信号输出时，使光电耦合电路中的发光二极管通电发光，进而导通相邻的光敏电阻，使其有电流通过，此电流经由RC滤波成为输入信号进入单片机输入端口，为单片机提供可燃气体泄漏警情信号。玻璃破碎探测器接口电路如图28。344玻璃破碎探测器的工作原理本设计的探测器为音频式玻璃破碎探测器，它通常安装在墙上或者顶棚上，是利用玻璃破碎的超声波来传感的。也有的是贴在玻璃窗的一角上，利用玻璃破1243U10Q817R211KR201KC901UFR191KP13VCCOUTGND体体体体体体体FG1025Z125体体体体体体体体体体体图28玻璃破碎探测器接口电路碎产生的振动做有源传感器。由于比例破碎声与室内玻璃器皿、电话铃、闹钟、热水壶鸣、室外的敲门、汽笛、马达等各种声音难以辨别，因此需采用计算机特征声音识别CAIR技术、软件控制的DSP等技术，以区分报警的真伪。高品质的玻璃破碎探测器，拥有卓越的抗误报能力，只接收被保护区域方向上发出的玻璃破碎信号，具有双麦克风以及TOA（到达时间处理）电路，可随时确认探测器工作状态。35手动报警按钮的选择和接口电路设计351手动报警按钮的设计思路当只有孩子、老人以及身体虚弱的病人独自在家时，便携式紧急按钮可以为他们提供额外的安全保障。此外，儿童或年长的病人也可以从这种便携式紧急按钮中获益，他们可以随时向您或报警接收中心发送警报信息。有线紧急按钮报警器广泛应用于城市安防、银行、电信、电力、司法、小区、工厂、公司、学校、医院、家庭、别墅、仓库等众多领域用于紧急报警。352手动报警按钮的选择本设计选用产品型号为PB68的紧急手动报警按钮（如图29）主要技术参数型号PB68钥匙复位电压12VDC负载电流125A开关耐压250VDC报警方式常开/常闭尺寸545432MM353手动报警按钮的接口电路设计为了使输入信号更稳定，干扰更小，信噪比更高，手动报警按钮接通后的电流经由RC滤波图29PB68手动报警按钮图图210手动报警按钮接口电路R221KC1001UFSBR231K12体体体体体PB68P14成为输入信号进入单片机输入端口，为单片机提供手动报警警情信号。手动报警按钮电路图如图210。354手动报警按钮的工作原理手动报警按钮的主要部件是开关部分。当有紧急警情出现时，通过人工按下按钮来接通电路，进行报警。同时，可以通过专用的钥匙来解除报警，防止误报警。36窗磁防盗报警器及接口电路设计为了使家庭防盗系统更安全严密，本设计在用户的每个窗户都安装了窗磁传感器，以便在玻璃没有破碎时仍能够对窗户进行保护、防范和报警。本设计中的窗磁产品与门磁产品相同，并采用并联的方式将所有窗磁传感器相组合，一旦其中有一个或几个有警情信号，就会将警情信号输入到中央控制单元，在经过分析决定是否报警。窗磁报警电路设计如图211。4报警警号电路设计41报警警号的设计思路当有警情信号传输至中央控制单元并需要报警时，中央控制单元一方面通过CAN总线向小区物业中心发出报警信号，另一方面也应启动报警扬声器，用报警声音来提示房屋内的人员有警情信号，或是有可燃气体泄漏以及有火灾发生。另一方面，当系统自检不正常时，也应由报警扬声器来提示，以便能够及时得到修复。42报警警号的选择1243U11Q817R291KR281KC2001UFR271KVCCOUTGND体体体体体体KL8807A12体体体体体体体体体体5R271KVCCOUTGND体体体体体体KL8807AR261KVCCOUTGND体体体体体体KL8807AP15图211窗磁组合报警接口电路本设选择的警号型号为LM103型声光警号，其特点和参数如下流线型外观设计，具装饰性；通用红色警灯设置，威慑力强；ABS外壳，具备一定阻燃性能；多种安装方式可选，灵活方便。额定电压12VDC额定电流300MA工作电压12VDC声压1083（DB/30CM）43报警警号的电路设计扬声器采用DC12V电源，并经由两级放大，由单片机的P21口来控制报警信号，其电路设计如图212。5、CAN总线电路设计51CAN总线的设计思路和特点CAN总线与其它通信网的不同之处有二一是报文传送中不包含目标地址，它是以全网广播为基础，各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文，该收的收下，不该收的弃而不用。其好处是可在线上网下网、即插即用和多站接收；二是特别强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它较高数据要求的系统需求。图212警情报警扬声器电路设计LS1LM103R251K12Q2TIP41CQ1S9013P2152CAN节点核心器件及其选择目前广泛流行的CAN总线器件有两大类一类是独立的CAN控制器，如82C200、SJA1000及INTEL82526/82527等，另一类是带有在片CAN的微控制器，如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。本课题选取PHILIPS公司的SJA1000CAN控制器以及82C250总线收发器，主要是考虑到SJA1000支持CAN20A/B规约。而82C250可以支持110个CAN节点，并且国内市场上PHILIPS的产品型号比较多，购买比较方便。53CAN总线电气原理图设计CAN硬件电路主要由3部分构成独立CAN通信控制器SJA1000、CAN总线收发器82C250和高速光耦合器6N137。微处理器89C51负责SJA1000的初始化，通过SJA1000实现数据的接收和发送任务。531总线控制器SJA1000的接口电路设计SJA1000在电路中是一个总线接口芯片，通过它实现上位机与现场微处理器之间的数据通信。该电路的主要功能是通过CAN总线接收来自上位机的数据进行分析组态然后下传给下位机的控制电路实现控制功能，当CAN总线接口接收到下位机的上传数据，SJA1000就产生一个中断，引发微处理器产生中断，通过中断处理程序接收每一帧信息并通过CAN总线上传给上位机进行分析。SJA1000的AD0AD7连接到89C51的P0口，连接到89C51的P20。P20为0时，CPU篇外存储器地址可选中SJA1000，CPU通过这些地址可对SJA1000执行相应的读/写操作。SJA1000的、ALE分别与89C51的对应引脚相连，接89C51的，89C51也可通过中断方式访问SJA1000。SJA1000接口电路0如图213。AD023AD124AD225AD326AD427AD528AD61AD72CS4RD5WR6ALE3INT16TX013TX114RX019RX120CLKOUT7MODE11VDD122VDD218VDD312VSS18VSS221VSS315U2SJA1000C1100NFR362KR447K5VP00P01P02P03P04P05P06P07P20RDWRALE/PINT0TX0RX0VSS图213SJA1000接口电路设计532总线光电耦合电路设计为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接连接到82C250的TXD和RXD，而是通过高速光耦6N137后与82C250相连，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。不过，应该特别说明的一点是，光耦部分所采用的两个电源和必须完全隔离，否则采用光耦隔离也就失去了作用和意义。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带5V隔离输出的电源模块实现。这些部分虽然增加了接口电路的复杂性，但却提高了节点的稳定性和安全性。光电耦合电路如图214。533总线收发器电路设计82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5的电阻与CAN总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30PFOUT6GND5IN3VDD2VCC8EN7U36N137OUT6GND5IN3VDD2VCC8EN7U46N137R1390R2390C1100NF5VR5390C2100NF5VTX0RX0VSSOUTIN图214CAN光电耦合电路设计的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外，在两根CAN总线输入端与地之间分别接了一个防雷击管，当两输入端与地之间出现瞬变干扰时，通过防雷击管的放电可以起到一定的保护作用。瞬变干扰（TRANSIENTINTERFERENCE）是电磁兼容领域中主要的一种抗干扰方式，特别是雷击浪涌波，由于持续时间短，脉冲幅值高，能量大，给电子电器设备的正常运行带来了极大的威胁。82C250的RS引脚上接有一个斜率电阻，电阻的大小可以根据总线通信速度适当调整，一般在16140K之间。总线收发器接口电路如图215。542CAN通信电路原理及注意事项技术特性（1）CAN遵从ISO/OSI模型，采用了其中的物理层、数据链路层与应用层。采用双绞线，通信速率最高可达到1MBPS/40M，直接传输距离最远可达10KM/5KBPS同一段总线内最多可挂接110个设备。（2）CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个。因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点发生严重错误时，具有自动关闭的功能，切断该节点与总线的联系，使总线上其它节点不受影响，具有很强的抗干扰能力。（3）CAN支持多主工作方式，网络上任一节点均可在任何时候主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。注意事项（1）总线两端必须接两个终端匹配电阻RT，忽略掉它们，会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低。（2）PCA82C250为CAN控制器和物理总线之间的接口，它可以提供向总线的R6390TXD1RXD4VREF5VCC3CANH7CANL6RS8GND2U582C250R747KR85R95C530PFC3100NFC430PFD1D2INOUT5图215总线收发器接口电路差动发送能力和CAN控制器的差动接收能力，TXD和RXD引脚分别发送经过驱动后的发送和接收信号。其引脚8（RS）可以选择2种不同的工作方式把该引脚直接与地相连，系统将处于高速工作方式，在这种方式下，为避免射频干扰，建议使用屏蔽电缆作总线；而在波特率较低，总线较短时，一般采用斜率控制方式，上升及下降的斜率取决于RS的阻值，实践表明15200K为RS较理想的取值范围，在这种方式下，可以使用双绞线作总线（本系统采用该工作方式）。（3）SJA1000的TX1脚悬空，RX1引脚的电位必须维持在约05VCC上，否则，将不能形成CAN协议要求的电平逻辑。（4）SJA1000中断输出信号/INT接至AT89C51的/INT0端，通过中断方式与AT89C51通信。6、系统电源设计61系统电源的设计思路本设计需要提供各种探测器的5V,12V电压，同时还需提供单片机和其它芯片的工作的5V电压，所以电源的稳定与否关系到了整个系统的是否稳定。本电源设计主要采用7812和7805来构成稳压电路。62电源模块元件的选择电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像是普通的三极管，TO220的标准封装，也有9013样子的TO92封装。在78系列三端稳压器中最常应用的是TO220封装。这种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如又图216所示。从正面看引脚从左向右按顺序标注，接入电路时脚电压高于脚，脚为输出位。如对于78正压系列，脚高电位，脚接地，对于79负压系列，脚接地，脚接负电压，输出都是脚。用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过图21678XX元件图流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7809表示输出电压为正9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。63电源模块电路设计图电源模块的电路原理设计如图217。64电源模块工作原理这是一个输出正9V和正5V的直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7812和7805，C13、C14、C15、C16、C17、C18分别为输入端和输出端滤波电容，当220V的交流电经变压器变压为12V的交流电，在经桥式整流电路整流，整流后，由滤波电容滤波，再由稳压器稳压，输出得到所需要的直流电压。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出15A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个15A，但应用时需注意并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳