基于单片机的火灾防盗监控系统的设计与仿真

1、基于单片机的火灾防盗报警系统的设计摘 要随着社会的发展，单个家庭的经济积累越来越多，人们对于家庭灾情的防控也给予了越来越多的重视。目前，家庭灾情主要体现在火灾和盗窃两个方面，因此，对于这两种状况的预防和监控成为了家庭防灾的重点。本文就是基于这一社会现象设计了一种简单的防火防盗系统。本文分两部分来设计，一部分为基于at89s52单片机的火灾监控系统，能够及时监测到系统故障和环境中有无火灾，火灾一旦发生将实现声光报警，并采取有效措施控制火情的发展，将火灾消灭在萌芽状态，以确保人身财产安全并最大限度地减少损失。另一部分为基于at89c51单片机的，集传感器检测技术、智能控制和无线电技术于一体的防盗报

2、警系统。本文对这两部分分别行进硬件电路搭建，软件程序设计，最后对软件进行测试，运用protues软件对主要模块进行仿真。关键词：单片机，传感器，火灾，门控，protuesdesign of fire alarm system based on scmabstract with the social development, single-family economic has been accumulating,and more and more people pays attention to the family disaster prevention and control .curre

3、ntly, the family disaster mainly reflected in two aspects of fire and theft.therefore, the prevention and control for these two conditions has become the focus of family disaster.this article has designed a simple fire alarm systems based on this social phenomenon.this article is designed in two par

4、ts,.one is fire monitoring system based on the at89s52 scm.it was able to monitor the failures of system and the environment timely.once fires, it would achieve the sound and light alarm, and take effective measures to control the development of the fire, the fire will be nipped in the bud ,to ensur

5、e personal and property safety and minimize losses.the other is the anti-theft alarm system based on the at89c51 scm,which combines sensor technology, intelligent control and radio technology and integration.this paper make the hardware circuit structures and design the software programming respecti

6、vely. finally, made a test for the software and simulated the main module by protues.keyword:scm, sensors, fire, gated, protues 目 录1 绪论11.1 引言11.2 课题研究背景及意义21.3 本文主要内容安排42 系统总体设计方案62.1 火灾监控系统整体设计62.2 火灾报警系统类型及火灾探测器选型62.2.1 火灾报警系统类型62.2.2 火灾探测器原理72.3 防盗系统整体设计82.4 防盗系统主要功能模块设计93 系统硬件设计103.1 主要器件选型103.

7、1.1 核心处理器单片机的选择103.1.2 气体传感器的选择113.1.3 温度传感器的选择123.1.4 无线通信模块芯片的选择133.1.5 a/d转换芯片的选择143.1.6 键盘输入模块芯片选择143.2 系统各功能子模块设计153.2.1 电源模块153.2.2 单片机内部结构及最小系统163.2.3 火灾探测器的设计183.2.4 rs232串口设计183.2.5 a/d模块设计193.2.6 无线通信模块203.2.7 电机驱动模块203.2.8 键盘电路设计213.2.9 eeprom模块224 系统软件设计234.1 火灾监控部分主要程序234.1.1 火灾监控主程序234

8、.1.2 火灾监控各部分子程序244.2 防盗监控模块主要程序284.2.1 防盗门控主程序294.2.2 门控模块子程序295 系统调试365.1 调试工具365.2 调试过程395.3 protues仿真406 总结44附录45参考文献60致谢611 绪论1.1 引言 针对当前火灾自动报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁，智能化程度低，网络化程度低、特殊恶劣环境的火灾探测报警抗干扰等问题较为突出的现象，提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、开放的通讯协议，通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究，对系统方案、设备选型的优化组合，改进火灾自动报警系统的工作性能、减少

9、维护费用和维护要求，向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展，为更好的预防和遏制建筑火灾提供了强有力的保障，从而更好的保护国家和人民的生命、财产安全1。这是火灾自动报警应用技术的研究发展趋势 。 家用防盗系统近几年来在全球以及在中国的快速发展是信息技术发展寻找更广阔的市场结合点的必然结果，是it 产业向传统住宅产业以及人们生活渗透的必然结果。家用防盗系统建设目标是向人们提供“方便快捷的信息通信、安全舒适的住宅环境、高效便利的物业管理”。发展家用防盗系统是住宅产业现代化的必然选择。家用防盗系统按智能技术开发的功能和作用的不同，小区中报警系统应用一般体现在探测智能、监控智能

10、和抗干扰智能三个主要方面。目前欧美已有一些国家正在大力研究无线防盗探测报警系统，随着时间的推移，这种产品在我国也会发展成为主流2。防盗报警产品总体发展趋势：从少防区（4防区）向多防区（16防区以上）；电话线制向gsm、总线制、网络制发展；从有线向无线发展；无线从单一频点（315m）向专用频段(433m内多频点)、从单向/单工向双向/半双工或双工通讯发展3。比如主动红外入侵探测器从传统型向编码调制型发展，说明随着科技的普及、随着报警产品应用面的扩大，传统型主动红外入侵探测器产品存在的问题逐渐暴露，由于密集安装引发误报警、漏报警、可以被同型号或同类产品替代；对于新型建筑结构，比如现代造型的围墙等无

11、法安装、使用；对于窗、阳台等也无法有效防范等；被动红外入侵探测器开始从室内防范向室外防范发展，说明室内防范的局限性日渐显现，防范开始向室外/户外推进。但是由于其产品探测原理的限制，其室外型产品的防范效果、工作稳定性等各方面均不尽人意。1.2 课题研究背景及意义随着社会的发展，人们的活动、居住区域越来越大，安全问题越显重要。简洁、经济型报警器成为家庭所需。而且自本世纪80年代开始，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。智能化火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各

12、领域知识。伴随着科学技术的不断进步，值得提出的是，我国目前民居内几乎没有防火设施及救火器材，火灾报警系统必将得到更快的发展。我国家用安防系统相对国外来讲，是有较大差距的。现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门，虽有一定的防盗作用，在灾害发生的情况下，使逃生更加困难。另外，小区安全措施不足；居民安全意识有待增强；安全防范系统也急需普及。家用防盗系统近几年来在全球以及在中国的快速发展是信息技术发展寻找更广阔的市场结合点的必然结果，是it 产业向传统住宅产业以及人们生活渗透的必然结果。家用防盗系统建设目标是向人们提供“方便快捷的信息通信、安全舒适的住宅环境、高效便利的物业管理”。发展家用

13、防盗系统是住宅产业现代化的必然选择。家用防盗系统按智能技术开发的功能和作用的不同，小区中报警系统应用一般体现在探测智能、监控智能和抗干扰智能三个主要方面。目前欧美已有一些国家正在大力研究无线防盗探测报警系统，随着时间的推移，这种产品在我国也会发展成为主流。如今，人民生活已从温饱型向小康转变，大件耐用消费品己经进入寻常百姓家，因此人们会有更强的安全意识，逐渐接受在住宅内装设质优价廉、功能完善的安全防范系统。同时人类已经进入二十一世纪，传统的防盗门窗越来越不能满足人们日常防范的要求，因此人们迫切需要一种智能型家庭安全防范报警系统4。智能住宅己开始引起人们的关注。作为住宅的一个组成部分，安全防范系统

14、也必将向多功能、全方位、综合性、智能化方向发展。而小区管理最为重要的内容之一是确保住宅、住户安全。现代居住的格局，邻里之间的来往越来越少，家庭生活隐密性、封闭性越来越强。所以说，小区的安防系统和智能管理系统是现代化小区管理不可缺少的有机组成部分。考虑设备成本与集中管理的需要，可将周界报警探测系统、住宅联网报警系统加以集成和综合，构成综合防范体系。由此，居民住宅应当设置安全防范报警系统，对盗窃、入室抢劫等做到早发现、早报警，通过社会力量和科技手段来提高家庭抵御各种意外情况的能力。火灾是可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火，在给人类带来文明进步

15、、光明和温暖的同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大的灾难。据统计，我国70年代火灾平均损失不到2.5亿元，80年代火灾平均损失接近3.2亿元。进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的上网，为社会减少不必要的损失。随着电子产品在人类生活中的使用越来越广

16、泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。智能化火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展5。单片微型计算机简称单片机（microcontroller unit），是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu随机存储器 ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。利用单片机实现报警具有体积小、价格低、集成度高等突出优点,利用单片

17、机来开发防盗系统能使系统易于操作，且花费较小，因而具有广泛的应用性6。1.3 本文主要内容安排 经过深入了解了家庭防火防盗产品现状，我发现现在的防火防盗产品种类很多，但大部分是当有非法入侵时，系统会发出声、光、电等报警信号，还有一些可以实现向外报警的系统大多采用的是电话语音报警；电话线一般布线一般是在楼道内，容易被小偷破坏掉，造成报警系统失灵；而且这些系统仅侧重于被动防御的思路，只是在灾情发生后才发出报警。本系统针对以上问题通过使用手持设备，以无线的方式来完成各种操作。当人们外出，家中长期处于无人状态时，家里就很容易成为小偷偷盗的目标，家主可以在特定的时间通过手机等其他手持设备远程控制来进行布

18、防。本课题设计的家庭智能防火防盗报警系统开发设计方案是以单片机为核心，它利用无线通信和自动控制技术，通过无线网络将家居内的异常情况及时传输给用户或保安人员。它是一种能真正满足新时期居民的居住要求、真正实现智能化报警的要求的方便实用的防火防盗报警系统。针对目前家庭防火防盗系统的现状，在以下几个方面对系统进行研究：(1)传感器部分设计。对防火和防盗传感器进行选择和设计，对传感器输出信号进行相应的处理，由单片机对处理好的信号进行转换、运算、存储、发送等操作。(2)系统硬件设计。研究满足系统工作需要的元件及其工作原理，单片机的外围接口电路。主要包括无线通信模块电路、火灾报警电路、非法入侵检测电路、门控

19、电机驱动模块电路、键盘输入及led显示模块等。(3)根据控制方案绘制软件流程图，编写程序，并进行了编译调试。通过软件程序的编写来指导硬件实现系统要求的功能。单片机采用c语言模块化设计，增加了程序的可读性和可移植性。(4)系统软件可靠性设计。在本系统中，系统控制软件采取了一些切实可行的措施，包括采用结构化程序设计方法、软件陷阱和“看门狗、合理安排中断等。在编写软件程序时，避免中断嵌套和在中断中执行复杂的任务综上所述，根据我对题目的研究与分析本文的主要内容安排如下： 第一章：绪论，主要阐述本课题研究的意义与背景以及本文主要内容； 第二章：系统总体设计，主要介绍所设计的防火、防盗系统的组成结构，工作

20、原理等相关内容； 第三章：硬件系统设计，主要设计整个系统的硬件电路； 第四章：系统软件程序设计，主要程序设计； 第五章：系统调试及仿真，主要对软件系统进行调试，无错误后烧录到单片机进行硬件调试，对主要模块进行了protues仿真。 2 系统总体设计方案家庭智能防火防盗报警系统是一种新型的电子安全报警系统，它的开发设计方案参照国内外相关技术的发展状况，并根据我国住宅建设的实际情况和各相关方面的协调发展状况来更好地满足新时期居民让家庭更安全、更舒适、更方便、更符合环保的居住要求。本文对防火防盗两个模块分别进行设计，本章给出了火灾监控模块和防盗系统模块的整体设计方案。2.1 火灾监控系统整体设计火灾

21、报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出声光报警信号，集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来7。整体电路设计框图如图2.1所示：传感器放大电路a/d转换 单 片 机状态指示声音报警温度显示按键 图2.1 系统原理及组成框图2.2 火灾报警系统类型及火灾探测器选型2.2.1 火灾报警系统类型根据火灾报警系统中所使用的探测器种类，火灾报警系统可以分为以下四种： (1)感温型火灾报警系统

22、由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判断报警的目的。根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等几种。 (2)感烟型火灾报警系统烟雾是早期火灾的重要特征之一。在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。 (3)感光型火灾报警系统物质燃烧不但会产生烟雾

23、和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。 (4)复合型火灾报警系统如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。2.2.2 火灾探测器原理火灾发生时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光，探测器对这些都很敏感。当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正

24、常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。 火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类：(1)感烟探测器。一种是离子感烟探测器，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、电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号。还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从

25、中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，他的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。(2)感温探测器。一种是运用金属热胀冷缩的特性。正常的情况下，探测器的电路断开，当温度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。一种是利用某些金属易熔的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它

26、的熔点（7090）时，金属熔化，借助弹簧的作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。这两种探测器都属定温型，即当外界温度超过某一限值时就会报警；还有一类是差温型，升温的速度超过特定值时，便会感应报警。如将两者结合起来，便成为差定温组合式。(3)光辐射探测器。一种是红外光辐射探测器。物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路报警8。火灾报警器是重要的安全设备，一切重要的场所，如大型物资仓库、隧道、大型船舶、

27、高层建筑都应该安装。它还可以与自动灭火设备一起组成自动报警、自动灭火的“自动消防队”。2.3 防盗系统整体设计本次家用防盗报警系统是一种新型的电子安全报警系统，该系统的设计以at89c51为核心，将传感器检测技术、智能控制和无线电技术相结合，从而形成一个防盗报警系统。系统总体构成主要包括防盗检测、断电保护及报警电路设计、密码控制电路（键盘输入及显示）、无线电控制四个模块9。具体原理框图如图2.2。e2prom存储电路门磁传感器探测 编码 解码信号接收信号发射at89c51单片机的控制信 号 产 生键盘输入及显示 电 机 驱 动 led指示灯现场报警图2.2 防盗系统整体设计框图2.4 防盗系统

28、主要功能模块设计(1)门磁探测技术 其本质就是一个门磁开关，由永磁体和门磁主体两大部分组成。当两部分靠得近时，处于报警守候状态，当拉开一定距离后，便触发报警系统。 (2)数字芯片编/译码技术 编码芯片采用专用集成芯片vd5026，译码处理器则采用与之配套生产的集成芯片vd5027，它们都是cmos大规模数字集成电路。它们组合应用起来就可构成一个发射、接收的数字编译码系统。 (3)无线发射接收技术 无线发射电路部分主要运用高频功率放大器的原理制成，以lc谐振网络作为负载构成谐振功率放大器。无线接收电路由超再生接收、放大、整形、译码电路组成，经过一系列处理，可以产生直接驱动报警电路的电信号。 (4

29、)智能报警技术 在报警电路部分，555芯片构成多谐振荡器来驱动声光报警，使报警功能更趋智能化，随时准确把握防盗情况10。3 系统硬件设计3.1 主要器件选型3.1.1 核心处理器单片机的选择 单片机是一块硅片上集成了微处理器(cpu)、存储器(ram、rom、eprom)和各种输入、输出接口(定时器计数器、并行io、串行口、ad转换器及脉冲调制器pwm等)的微控制芯片。 在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些工

30、作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况进行相应的处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列低功耗产品做准备11。根据多方面的比较，本设计选用atmel公司的at89s52单片机作为控制器。at89s52是一个低功耗、高性能的cmos 8位单片机，片内含8k bytes(in-system programmable)的可反复擦写1000次的flash 只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构。芯片内集

31、成了通用8位中央处理器和isp flash存储单元，功能强大的计算机at89s52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。flash存储空间，支持最大64k外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33m之间。片内资源有4组i/o控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4v到5.5v宽电压范围内正常工作12。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。根据本次设计的具体情况，采用双列直插dip-40封装。at89s52引脚图3.1所示。图3.1 dip-40封装at89s52引脚图在智能防盗系统中，核心仍然是单片机。主

32、要负责控制键盘，显示，无线通信，电机驱动以及声光报警模块协调工作。本系统选用at89c51作为主控芯片。at89c51是一种带4k字节flash存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能cmos 8位微处理器，俗称单片机，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13。at89c51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。at89s52是at89c51升级版，它们都是8051的内核，52是51的增强型，s52比c51,定时器多一个t

33、2，ram多128b，rom多4k，中断多2个，多一个看门狗,在掉电、数据指针等方面还有一些改进，s52的最高外接晶振可以达到33mhz，c51大概只有24mhz。另外s52比c51还增加了isp功能，就是在线可编程功能，这可是很有用的功能哦，首先是省去购买编程器的钱，另外，对于买不起仿真器或希望能板上调试（就是插在成品电路板上调试）的人来说十分有价值，你可以随时更新插在电路板上的单片机的程序，十分方便。当然s51也具备这一功能，c51和c52都不具备14。在本文中它们两个系统是相互独立存在的，互相之间没有进行通信。3.1.2 气体传感器的选择气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号

34、的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。根据测量对象与测量环境、灵敏度、响应特性、线性范围我选用tgs202气体传感器作为本火灾探测的气体传感器，火灾中气体烟雾主要是co和co，tgs202气体传感器能探测co，co，甲烷，煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。如上图所示，当tgs202探测到co或co时，传感器的内阻变小，v迅速上升。选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如co浓度达到0.06）时，v端获得适当的电压（设为3v）。图3.2 为tgs202检测电路。图3.2 tgs202检测电路

35、3.1.3 温度传感器的选择ds18b20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有ltm8877，ltm8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的ds18b20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。ds18b20采用一线通信接口。因为一线通信接口，必须在先完成rom设定，否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先提供以下功能命令之一： （1）读rom； （2

36、）rom匹配； （3）搜索rom； （4）跳过rom； （5）报警检查。若指令成功地使ds18b20完成温度测量，数据存储在ds18b20的存储器。一个控制功能指挥指示ds18b20的演出测温。测量结果将被放置在ds18b20内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。温度报警触发器th和tl都有一字节eeprom 的数据。如果ds18b20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。写th,tl指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。通过缓存器读寄存器。所有数据的读，写都是从最低位开始。ds18b20封装如图3.

37、3所示：图3.3 ds18b20封装图3.1.4 无线通信模块芯片的选择本文选用nrf24l01作为门控系统的无线通信模块，nrf24l01是由nordic生产的工作在2.4ghz2.5ghz的ism 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“schockburst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过spi 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dbm 时电流消耗为11.3ma ，接收模式时为12.3ma，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。nrf

38、24l01主要有以下一系列优点： 小体积，qfn20 4x4mm封装宽电压工作范围，1.9v3.6v，输入引脚可承受5v电压输入 (1)工作温度范围，-40+80 (2)工作频率范围，2.400ghz2.525ghz (3)发射功率可选择为0dbm、-6dbm、-12dbm和-18dbm (4)数据传输速率支持1mbps、2mbps2 (5)低功耗设计，接收时工作电流12.3ma，0dbm功率发射时11.3ma，掉电模式时仅为900na (6)126个通讯通道，6个数据通道，满足多点通讯和调频需要 (7)增强型“shockburst”工作模式，硬件的crc校验和点对多点的地址控制 (8)数据包

39、每次可传输132byte的数据 (9)4线spi通讯端口，通讯速率最高可达8mbps，适合与各种mcu连接，编程简单 (10)可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度 (11)mcu可通过irq引脚快判断是否完成数据接收和数据发送3.1.5 a/d转换芯片的选择tlc549是 ti公司生产的一种低价位、高性能的8位a/d转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现 a/d转换，其转换速度小于 17us，最大转换速率为 40000hz，4mhz典型内部系统时钟，电源为 3v至 6v。它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。图3.4是tlc549的

40、引脚图。图3.4 tlc549的引脚图3.1.6 键盘输入模块芯片选择本系统的门控密码输入部分采用hd7279(a)加64个独立按键构成的键盘电路。hd7279(a)是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管(或64只独立led)的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵15。hd7279内部含有译码器，可直接接受16进制码，hd7279a还同时具有2种译码方式，hd7279(a)还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。其特点如下： (1)串行接口 (2)各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性 (3)(循环)左移/(循环)右移指令 (4)具有段寻址指令，

41、方便控制独立led (5)64键键盘控制器，内含去抖动电路图3.5 hd7279引脚图3.2 系统各功能子模块设计3.2.1 电源模块我所用的电源是输出7v的锂电池，而本文中涉及到的电路中的电压，一个是给usb接口供电的5v，另一个是给单片机供电的5v，所以选择ams1117来进行电压调节。 图3.6 输出5v的电压如上图所示，图3.6是输出为5v的电路原理图。3.2.2 单片机内部结构及最小系统 at89s52/at89c51的内部结构简图如下所示： 图3.7 at89s52/at89c51的内部结构简图 单片机的最小系统由单片机、外部晶振、以及复位电路组成。本系统使用的两款单片机均需要5v

42、供电，而且两款单片机的外部晶振均可使用11.0592m无源晶振，引脚布局也是相同的，所以他们的最小系统是可以互相转换的16。在这里就以at89s52为例来说明最小系统的构成。如图3.8是最小系统电路图。图3.8 at89s52最小系统at89s52单片机采用40只引脚的双列直插封装(dp)方式，其40只引脚按功能可分3类： (1)电源及时钟引脚：vet、vss；xtall、xtal2。 (2)控制引脚：、ale、vp、reset。 (3)i/o口引脚：po、p1、p2、p3，为4个8位io口的外部引脚。 p0口（p0.0p0.7共8条引脚，即3932脚)：是双向8位三态io口。在访问外部 存储

43、器时，可分时用作低8位地址线和8位数据线； p1口(p1.0-p1.7共8条引脚，即18脚)：p1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向io口。每一位都能作为可编程的通用输入输出线。 p2口(p2.0p2.7共8条引脚，即2128脚)：p2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向io口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址。 p3口(p3.0p3.7共8条引脚，即1017脚)：p3口是一个带有内部上拉电阻的8双向io口。在单片机中，这8个引脚都有各自的第二功能。在实际工作中大多数情况下at89s52单片机都使用p3口的第二功能，表3-1列出了p3口的第二功能17。 表3-1 p3口的第二功能引脚 第二功

44、能名称p3.0rxd串行口接收数据输入端p3.1txd串行口发送数据输出端p3.2int0外部中断0输入端 p3.3int1外部中断1输入端 p3.4t0外部计数0脉冲输入端p3.5t1外部计数1脉冲输入端p3.6wr写外设控制信号输出端p3.7rd读外设控制信号输出端3.2.3 火灾探测器的设计 火灾是发生频率比较高的灾难，无论是电气设备、煤气泄漏还是人为的原因都有可能引发火灾。依据人们的经验，在火灾发生的初始阶段及时报警，及时采取灭火措施能取得比较好的灭火效果，火灾报警宜早不宜迟。 本文采用的ds18b20作为火灾的温度监控传感器，它是单总线结构与单片机仅需一根数据线即可，图3.9为ds1

45、8b20与单片机的连接图，2端直接接单片机的管脚相连。图3.9 ch376与单片机连接图3.2.4 rs232串口设计为了便于上位机查看调试结果，我在整体系统中加入了串口来监视程序运行的情况，我们采用串行接口rs232进行数据通信，rs-232-c是美国电子工业协会eia（electronic industry association）制定的一种串行物理接口标准。rs是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，c表示修改次数。rs-232-c总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。其电路原理图如下：图3.10 max232串口电路3.2.5 a/d模块设计经气敏传感器所检测的电压

46、信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行a/d转换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。首先对信号进行放大和滤波获取我们需要的有用信号，图3.11为传感器和后续的放大滤波电路。将tgs202获取到的模拟信号经过前级放大电路和后续的二阶低通滤波器整理后输出为a/d的输入信号。图3.11 传感器和后续的放大滤波电路a/d模块将放大和滤波处理后的信号转换为数字信号，然后输出给单片机，单片机再进行后续的数据处理及相关控制，图3.12为a/d模块的电路图。图3.12 a/d模块电路图3.2.6 无线通信模块本系统采用nrf24l01作为无线通信控制模块，可使用手持的微型无线

47、电遥控器，可以使报警装置进入布防状态或撤防状态。在门和控制端均有一块nrf24l01模块进行无线通信，nrf24l01使用spi接口与单片机进行通信，由于at89s52单片机上没有硬件spi需要软件模拟，我选用了单片机p0.1到p0.3这四个管脚作为模拟的spi口，图3 13为nrf24l01的连接图。图中j2为连接天线的管脚。图3.13 nrf24l01连接图3.2.7 电机驱动模块本文采用使用l297+l298的经典电路设计，具有外围元件简单，工作稳定性好的特点。l297+l298集成块是专为步进电机驱动而设计。l298是双桥式驱动器。l298内含的功率输出器件设计制作在一块石英基片上，由

48、于制作工艺的同一性，因而具有分立元件组合电路不可比拟的性能参数一致性，工作稳定。 l297是步进电机控制集成芯片（包括环形分配器），可产生四相驱动信号，应用于微处理机控制两相双极性和四相单极性步进电机。电动机可由半阶梯、正常和斩波驱动模式驱动，同时设于晶片内的斩波线路容许以开关形式控制线路的电流。此器件只需要时钟、方向和模式输入信号。相位是由内部产生的，因此可减轻微处理机和程序设计的负担。 本系统中使用电机来控制门锁的打开和关闭，需要稳定的输出控制，所以采用了l297加l298电路，l297是步进电动机控制器(包括环形分配器)，l298是双h桥式驱动器。它们所组成的微处理器至双桥式步进电动机的

49、接口如图3所示。这种方式结合的优点是，需要的元件很少从而使得装配成本低，可靠性高和占空间少。并且通过软件开发，可以简化和减轻微型计算机的负担。 图3.14为电机控制电路图。图3.14 电机控制电路l298芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准ttl逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进电动机。具有两抑制输人来使器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的，相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。l298芯片是具有15个引出脚的双列直插式封装的集成芯片。3.2.8 键盘电路设计键盘电路是人机对话的

50、重要组成部分，它主要实现向单片机输入数据、传输命令等功能，是人机交互不可缺少的一种输入方式。键盘是利用机械金属点的结合和断开来实现信息的输入。一个键盘实际上就是一个开关，单片机根据io线的高低电平来判断一个按键的开关状态。微处理器所采用的键盘有两种，一种是全编码键盘；另一种是非编码键盘。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与被按键对应的编码，此外，还会具有去抖动和多键、窜键保护电路，这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统很少采用。非编码键盘只简单的提供行和列的矩阵，其它工作都靠软件来完成，由于其经济实用，目前在单片机应用系统中多采用这种办法18。本设计中采用了hd727

51、9a键盘以减轻mcu的压力，他可控制64个独立按键及8个数码管之间的通信，负责获取输入密码传给单片机以及显示密码，单片机获取到输入的密码后进行比较后控制门锁的开关。3.2.9 eeprom模块eeprom（电可擦写可编程只读存储器）是用户可更改的只读存储器（rom），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。不像eprom芯片，eeprom不需从计算机中取出即可修改。在一个eeprom中，当计算机在使用的时候可频繁地反复编程，因此eeprom的寿命是一个很重要的设计考虑参数。eeprom是一种特殊形式的闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。eeprom在本系统用主要用来存储

52、用户的密码，配合键盘来实现对门锁的监控，电路图如图3.15。scl为同步时钟输入端，sda为数据总线，与ds18b20一样st24c02b3也是单总线结构。图3.15 eeprom电路4 系统软件设计 上一章介绍系统的硬件设计，当完成了系统的硬件设计后，接下来就是要在系统硬件的基础上编写程序。本章主要介绍主控模块以及部分功能模块的单片机程序。 在实现火灾监控与防盗监控的基本功能的过程有所不同，在本章我将在本章逐一介绍。但是大体的流程是一样的，都是先进行硬件系统的初始化，然后等待传感器或输入设备获取外部信号，紧接着实现所要的功能。鉴于整个系统的硬件资源的有限以及实际应用的情况，本系统的软件设计部

53、分并没有嵌入任何操作系统，通过中断系统来调度各个任务。4.1 火灾监控部分主要程序4.1.1 火灾监控主程序 系统主程序流程图如图4.1. 首先要给传感器预热三分钟，因为传感器需要预热一段时间才能正常采集烟雾和温度信息。预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。程序初始化结束后，系统进入监控状态。at89s52单片机对传感器检测到的烟雾浓度和温度信号进行实时监控，将采集到的信号经过a/d转换、平均值法滤波、线性化一系列处理，将检测值与报警限设定值相比较，并作出判断是否报警，同时将检测到的温度、浓度信号送入显示器显示通道，通过led将相关的温度、

54、浓度显示。 主程序还包括状态指示灯及按键功能，中断子程序等，当发生火灾时传感器的采集到的温度就会发生变化，当温度值达到设定值时单片机会发出信号控制状态指示等，同时当报警拉响之后，我们需要关闭报警声音，这是需要一个按键，它由单片机程序来控制，关上按键后报警器会自动消除。这样使报警器功能更加完善，给用户带来便利。y开始初始化传感器预热、故障检测键盘处理报警限设置报警子程序平均值法滤波线性化处理设置指示灯状态yn是否按下模式切换a/d转换n是否超过报警限浓度显示图4.1 火灾监控主程序流程图4.1.2 火灾监控各部分子程序 （1）初始化子程序 主程序初始化流程图如下图所示。这部分实现的功能包括各种i/o输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等。首先设定定时器工作方式，然后开系统中断，以便响应中断定时，及时对气体浓度和温度进行采样。然后关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。yn开始定时器初始化开 中 断关闭蜂鸣器，打开绿灯设定初值是否保持报警初值返回图4.2 主程序初始化流程图（2）滤波子程序 在对气体浓度采样时，可能会遇到尖峰脉冲干扰的现象，这种干扰通常只影响个别采样点的数据，得到的数据与其他采样点的数据相差比较大，所以要进行处理。如果采用一般的平均值法，则干扰信号将