基于STM32单片机的智能安防系统的设计-电子信息科学与技术毕业论文

1、基于STM32的智能安防系统的设计 学生专业： 电子信息科学与技术 学生姓名： 王正辉 指导教师： 康辉 摘要随着社会的发展，人们的生活质量越来越高，家用电器和厨房设施也随之增多,家庭存在的安全隐患相应增加,同时整个社会正处于转型期，家庭的安全问题也引起了人们的关注。传统的安全防范措施已无法适应现代化社会的需求。因此，将智能化引入住宅小区已成为一种趋势，并且在智能化住宅的家庭智能管理系统中，安防报警已经成为民用建筑领域，向信息化和网络化发展的一个重要组成部分。基于将最新的通信技术融合到传统产业中的考虑，本文综合了单片机、无线数据通信、数据采集等技术，研究并设计了以STM32单片机基于GSM短信

2、模块作为信息传输的家庭安防系统。此系统由主控制器、显示模块、信息传输模块和防盗模块，防火模块，声光报警模块等组成，可解决传统安防系统存在的隐患，让家庭防盗更及时、使用更方便。它不再依赖有线 执行报警，而是借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，以最直观的中文短消息形式，直接把报警情况反映到用户的 屏幕上，并发出声音报警，可以防范一定的险情，用户可以通过无线遥控对该系统进行布防和解防。该系统具有用户投资小，运营费用少的优点，并且操作简单。关键词安防系统；防火；STM32；GSMAbstractWith the development of the society, The quality of pe

3、ople life become more And more good，Accordingly, The number of household electrical appliances And kitchen facilities also become more，So the safe hidden trouble in security family is increasing, at the same time the whole society is in transition period, the family security problem has caused the a

4、ttention of people. Traditional security measures have been unable to meet the needs of modern society. Therefore, it has become a trend to the introduction of the intelligent residential district, And Security alarm has become an important part of the field and civil construction, the information A

5、nd network development.In consideration of based on the latest communications technology integrated into traditional industries, this article combination the knowledge of the micro-controller, wireless data communication, data acquisition technology. Then research and design the home security system

6、，based on GSM module as the information transmission and STM32 micro-controller. This system consists of main controller, display module, information transmission module and alarm module, fire protection module, sound alarm module. The security system can solve the hidden danger existed in the tradi

7、tional security system，make the family security more quickly, more convenientlyIt is no longer depend on the cable telephone, but with the help of the most reliable and most mature GSM mobile network, use the most intuitive form of Chinese message, the alarm situation reflects to the userThis system

8、 can prevent some dangerous situations; users can control the system for protection or reconciliation by the wireless remote. The system has advantages that the user has a small cost and operating expenses.Keywords Security system；Fire prevention；STM32；GSM目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc390458347

9、 摘要 PAGEREF _Toc390458347 h I HYPERLINK l _Toc390458348 Abstract PAGEREF _Toc390458348 h II HYPERLINK l _Toc390458349 第1章 绪论 PAGEREF _Toc390458349 h 1 HYPERLINK l _Toc390458350 课题背景和意义 PAGEREF _Toc390458350 h 1 HYPERLINK l _Toc390458351 国内发展现状 PAGEREF _Toc390458351 h 1 HYPERLINK l _Toc390458352 智能安防

10、系统的发展前景 PAGEREF _Toc390458352 h 3 HYPERLINK l _Toc390458353 第2章 系统方案设计 PAGEREF _Toc390458353 h 4 HYPERLINK l _Toc390458354 设计任务与要求 PAGEREF _Toc390458354 h 4 HYPERLINK l _Toc390458355 方案的比较 PAGEREF _Toc390458355 h 4 HYPERLINK l _Toc390458356 系统总体设计思路 PAGEREF _Toc390458356 h 6 HYPERLINK l _Toc39045835

11、7 本章小结 PAGEREF _Toc390458357 h 7 HYPERLINK l _Toc390458358 第3章 系统硬件设计 PAGEREF _Toc390458358 h 8 HYPERLINK l _Toc390458359 主控模块的设计 PAGEREF _Toc390458359 h 8 HYPERLINK l _Toc390458360 3.1.1 STM32最小系统 PAGEREF _Toc390458360 h 8 HYPERLINK l _Toc390458361 3.1.2 SD卡电路的设计 PAGEREF _Toc390458361 h 10 HYPERLIN

12、K l _Toc390458362 字库Flash接口电路 PAGEREF _Toc390458362 h 11 HYPERLINK l _Toc390458363 防火监控的设计 PAGEREF _Toc390458363 h 11 HYPERLINK l _Toc390458364 烟雾传感器的电路设计 PAGEREF _Toc390458364 h 12 HYPERLINK l _Toc390458365 天然气体浓度监测的电路设计 PAGEREF _Toc390458365 h 12 HYPERLINK l _Toc390458366 电流传感器的工作原理和电路设计 PAGEREF _

13、Toc390458366 h 13 HYPERLINK l _Toc390458367 火焰传感器的电路设计 PAGEREF _Toc390458367 h 14 HYPERLINK l _Toc390458368 防盗监控的设计 PAGEREF _Toc390458368 h 15 HYPERLINK l _Toc390458369 环境监控模块 PAGEREF _Toc390458369 h 16 HYPERLINK l _Toc390458370 温湿度传感器的电路设计 PAGEREF _Toc390458370 h 16 HYPERLINK l _Toc390458371 3.4.2

14、CO传感器的工作原理和电路设计 PAGEREF _Toc390458371 h 17 HYPERLINK l _Toc390458372 报警模块的设计 PAGEREF _Toc390458372 h 18 HYPERLINK l _Toc390458373 声音报警 PAGEREF _Toc390458373 h 18 HYPERLINK l _Toc390458374 3.5.2 GSM模块短信报警 PAGEREF _Toc390458374 h 19 HYPERLINK l _Toc390458375 人机交互显示模块的设计 PAGEREF _Toc390458375 h 22 HYPE

15、RLINK l _Toc390458376 电源模块 PAGEREF _Toc390458376 h 22 HYPERLINK l _Toc390458377 无线遥控电路设计 PAGEREF _Toc390458377 h 23 HYPERLINK l _Toc390458378 本章小结 PAGEREF _Toc390458378 h 24 HYPERLINK l _Toc390458379 第4章 系统软件设计 PAGEREF _Toc390458379 h 25 HYPERLINK l _Toc390458380 4.1 软件模块化设计 PAGEREF _Toc390458380 h

16、25 HYPERLINK l _Toc390458381 系统软件子程序 PAGEREF _Toc390458381 h 25 HYPERLINK l _Toc390458382 4.2.1 SD卡驱动设计 PAGEREF _Toc390458382 h 25 HYPERLINK l _Toc390458383 4.2.2 FAT32文件系统 PAGEREF _Toc390458383 h 27 HYPERLINK l _Toc390458384 时间模块程序设计 PAGEREF _Toc390458384 h 34 HYPERLINK l _Toc390458385 4.2.4 RTC实时时

17、钟驱动程序设计 PAGEREF _Toc390458385 h 34 HYPERLINK l _Toc390458386 液晶显示设计 PAGEREF _Toc390458386 h 35 HYPERLINK l _Toc390458387 硬件驱动子程序设计 PAGEREF _Toc390458387 h 38 HYPERLINK l _Toc390458388 4.3.1 GSM短信报警设计 PAGEREF _Toc390458388 h 38 HYPERLINK l _Toc390458389 烟雾监控设计 PAGEREF _Toc390458389 h 39 HYPERLINK l _

18、Toc390458390 天然气监控设计 PAGEREF _Toc390458390 h 40 HYPERLINK l _Toc390458391 4.3.4 CO监控设计 PAGEREF _Toc390458391 h 41 HYPERLINK l _Toc390458392 温湿度监控设计 PAGEREF _Toc390458392 h 42 HYPERLINK l _Toc390458393 电流监控设计 PAGEREF _Toc390458393 h 43 HYPERLINK l _Toc390458394 火焰监控设计 PAGEREF _Toc390458394 h 44 HYPER

19、LINK l _Toc390458395 防盗监控设计 PAGEREF _Toc390458395 h 45 HYPERLINK l _Toc390458396 语音播报设计 PAGEREF _Toc390458396 h 46 HYPERLINK l _Toc390458397 无线遥控设计 PAGEREF _Toc390458397 h 47 HYPERLINK l _Toc390458398 模块整合 PAGEREF _Toc390458398 h 48 HYPERLINK l _Toc390458399 本章小结 PAGEREF _Toc390458399 h 50 HYPERLINK

20、 l _Toc390458400 第5章 仿真和调试 PAGEREF _Toc390458400 h 51 HYPERLINK l _Toc390458401 硬件调试问题 PAGEREF _Toc390458401 h 51 HYPERLINK l _Toc390458402 软件调试问题 PAGEREF _Toc390458402 h 51 HYPERLINK l _Toc390458403 实物演示结果 PAGEREF _Toc390458403 h 51 HYPERLINK l _Toc390458404 本章小结 PAGEREF _Toc390458404 h 56 HYPERLIN

21、K l _Toc390458405 结论 PAGEREF _Toc390458405 h 57 HYPERLINK l _Toc390458406 致谢 PAGEREF _Toc390458406 h 58 HYPERLINK l _Toc390458407 参考文献 PAGEREF _Toc390458407 h 59 HYPERLINK l _Toc390458408 附录1 原理图 PAGEREF _Toc390458408 h 60 HYPERLINK l _Toc390458409 附录2 实物图 PAGEREF _Toc390458409 h 63 HYPERLINK l _Toc

22、390458410 附录3 程序 PAGEREF _Toc390458410 h 64CONTENTS TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc390458411 Abstract(Chinese) PAGEREF _Toc390458411 h I HYPERLINK l _Toc390458412 Abstract(English) PAGEREF _Toc390458412 h II HYPERLINK l _Toc390458413 Chapter 1 Introduction PAGEREF _Toc390458413 h 1 HYPERLINK l _Toc

23、390458414 Background And Significance PAGEREF _Toc390458414 h 1 HYPERLINK l _Toc390458415 Domestis Situation PAGEREF _Toc390458415 h 1 HYPERLINK l _Toc390458416 The Development Prospects Of Intelligent Security Systems PAGEREF _Toc390458416 h 3 HYPERLINK l _Toc390458417 Chapter 2 The plan Of System

24、Design PAGEREF _Toc390458417 h 4 HYPERLINK l _Toc390458418 The Design Task And Requirements PAGEREF _Toc390458418 h 4 HYPERLINK l _Toc390458419 Scheme Comparison PAGEREF _Toc390458419 h 4 HYPERLINK l _Toc390458420 Design Ideas Of System PAGEREF _Toc390458420 h 6 HYPERLINK l _Toc390458421 The Summary

25、 Of This Chapter PAGEREF _Toc390458421 h 7 HYPERLINK l _Toc390458422 Chapter 3 The hardware Circuit Design PAGEREF _Toc390458422 h 8 HYPERLINK l _Toc390458423 The Design Of The Main Control Module PAGEREF _Toc390458423 h 8 HYPERLINK l _Toc390458424 3.1.1 STM32 System PAGEREF _Toc390458424 h 8 HYPERL

26、INK l _Toc390458425 3.1.2 SD Card Circuit Design PAGEREF _Toc390458425 h 10 HYPERLINK l _Toc390458426 Flash Circuit Design PAGEREF _Toc390458426 h 11 HYPERLINK l _Toc390458427 The Design Of Monitoring Fire PAGEREF _Toc390458427 h 11 HYPERLINK l _Toc390458428 Smoke Sensor Circuit Design PAGEREF _Toc3

27、90458428 h 12 HYPERLINK l _Toc390458429 The Circuit Design Of Natural Gas Concentration Monitoring PAGEREF _Toc390458429 h 12 HYPERLINK l _Toc390458430 The Working Principle And Circuit Design Of Current Sensor PAGEREF _Toc390458430 h 13 HYPERLINK l _Toc390458431 Flame Sensor Circuit Design PAGEREF

28、_Toc390458431 h 14 HYPERLINK l _Toc390458432 The Design Of security Monitoring PAGEREF _Toc390458432 h 15 HYPERLINK l _Toc390458433 Environmental Monitoring module PAGEREF _Toc390458433 h 16 HYPERLINK l _Toc390458434 The Circuit Design Of temperature And Humidity PAGEREF _Toc390458434 h 16 HYPERLINK

29、 l _Toc390458435 3.4.2 The CO Sensor working principle And Circuit Design PAGEREF _Toc390458435 h 17 HYPERLINK l _Toc390458436 The Design Of the Design Module PAGEREF _Toc390458436 h 18 HYPERLINK l _Toc390458437 Voice Design PAGEREF _Toc390458437 h 18 HYPERLINK l _Toc390458438 3.5.2 SMS Design PAGER

30、EF _Toc390458438 h 19 HYPERLINK l _Toc390458439 The Design Of The Display Module PAGEREF _Toc390458439 h 22 HYPERLINK l _Toc390458440 The Design Of The Power Supply Module PAGEREF _Toc390458440 h 22 HYPERLINK l _Toc390458441 The Remote Control Of Wireless Circuit Design PAGEREF _Toc390458441 h 23 HY

31、PERLINK l _Toc390458442 The Summary Of This Chapter PAGEREF _Toc390458442 h 24 HYPERLINK l _Toc390458443 Chapter 4 The system sOftware Design PAGEREF _Toc390458443 h 25 HYPERLINK l _Toc390458444 The Software Modular Design PAGEREF _Toc390458444 h 25 HYPERLINK l _Toc390458445 The System Software subr

32、outines PAGEREF _Toc390458445 h 25 HYPERLINK l _Toc390458446 4.2.1 SD Card Driver Design PAGEREF _Toc390458446 h 25 HYPERLINK l _Toc390458447 4.2.2 FAT32 File System PAGEREF _Toc390458447 h 27 HYPERLINK l _Toc390458448 Time Module Design program PAGEREF _Toc390458448 h 34 HYPERLINK l _Toc390458449 4

33、.2.4 RTC Driver Design PAGEREF _Toc390458449 h 34 HYPERLINK l _Toc390458450 Display Design PAGEREF _Toc390458450 h 35 HYPERLINK l _Toc390458451 Hardware Driver Software Design PAGEREF _Toc390458451 h 38 HYPERLINK l _Toc390458452 4.3.1 SMS Design PAGEREF _Toc390458452 h 38 HYPERLINK l _Toc390458453 S

34、moke Monitoring PAGEREF _Toc390458453 h 39 HYPERLINK l _Toc390458454 Gas Monitoring PAGEREF _Toc390458454 h 40 HYPERLINK l _Toc390458455 4.3.4 CO Monitoring PAGEREF _Toc390458455 h 41 HYPERLINK l _Toc390458456 Temperature And Humidity PAGEREF _Toc390458456 h 42 HYPERLINK l _Toc390458457 Current Moni

35、toring PAGEREF _Toc390458457 h 43 HYPERLINK l _Toc390458458 Flame Monitoring PAGEREF _Toc390458458 h 44 HYPERLINK l _Toc390458459 Security Monitoring PAGEREF _Toc390458459 h 45 HYPERLINK l _Toc390458460 Voice Design PAGEREF _Toc390458460 h 46 HYPERLINK l _Toc390458461 The Wireless Remote Control PAG

36、EREF _Toc390458461 h 47 HYPERLINK l _Toc390458462 The Main Program PAGEREF _Toc390458462 h 48 HYPERLINK l _Toc390458463 The Summary Of This Chapter PAGEREF _Toc390458463 h 50 HYPERLINK l _Toc390458464 Chapter 5 Design Debugging PAGEREF _Toc390458464 h 51 HYPERLINK l _Toc390458465 Hardware debugging

37、problem PAGEREF _Toc390458465 h 51 HYPERLINK l _Toc390458466 Software debugging problem PAGEREF _Toc390458466 h 51 HYPERLINK l _Toc390458467 Visual illustration PAGEREF _Toc390458467 h 51 HYPERLINK l _Toc390458468 The Summary Of This Chapter PAGEREF _Toc390458468 h 56 HYPERLINK l _Toc390458469 Summa

38、ry PAGEREF _Toc390458469 h 57 HYPERLINK l _Toc390458470 Acknowledgements PAGEREF _Toc390458470 h 58 HYPERLINK l _Toc390458471 References PAGEREF _Toc390458471 h 59 HYPERLINK l _Toc390458472 Appendix 1 Physical Map PAGEREF _Toc390458472 h 60 HYPERLINK l _Toc390458473 Appendix 2 The Picture PAGEREF _T

39、oc390458473 h 63 HYPERLINK l _Toc390458474 Appendix3 The Source Code PAGEREF _Toc390458474 h 64绪论课题背景和意义随着人民物质生活水平的不断提高和社会经济的飞速发展，人们对其住宅的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适温馨的住所，而且对其安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。然而经济的快速增长也带来了相当大的负面社会效应，城乡、区域收入差距进一步拉大，社会结构、社会治安日趋复杂，社会矛盾开始凸显1。随着流动人口迅速增加，盗窃、入室抢劫等刑事案件也呈现出了增长趋势，并且危害越来越严重，人们越来越渴望有

40、一个安全生活的空间，但是犯罪分子的作案手段越来越高明，他们甚至采用一些高科技的作案手段，使得以往那种依靠安装防盗门窗、或靠人防的防范方式越来越不能满足人们日常防范的要求；这时，传统的家庭住宅显然己经远远不能满足人们的需求。人们迫切需要一种智能型的家庭安全防范报警系统，能可靠的进行日常安全防范工作，及时发现各种险情并通知户主，以便将险情消灭在萌芽状态，这样人们便可安心工作，同时也保证了居民的生命财产不受损失2。于是有关家庭、办公室和仓库等处的安全防范和自动报警系统的开发研制日益被科研单位和生产厂家所重视，现在市场上也出现了各种名目繁多的报警装置，但多由于可靠性较差、造价高或使用复杂而难于普及。而

41、随着电子通讯技术的飞速发展，单片机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比高等突出优点已在工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。因此利用单片机和一些简单的外围器件来开发一种适合于家庭、仓库、银行等重要场所的低价位、运行可靠的多功能智能型安全防范报警系统，对室内出现的入室盗窃事件自动发出报警信息并通知户主进行及时处理已经势在必行3。国内发展现状随着科学技术的迅猛发展，人类已经步入了信息时代，智能化住宅也应运而生，计算机技术、网络技术、控制技术、通信技术等各种技术的发展为智能建筑的发展打下了坚实的基础。另一方面社会上广大的开发商、工程业主等也逐渐加大了智能建筑

42、的投资。住宅智能化现在还没有确切的定义，它一般包括住宅安全自动化，通信自动化，保健自动化和管理自动化。安全技术防范行业是智能住宅安全自动化的一个重要内容，随着近几年国际互联网技术的发展，安防行业得到快速发展4。在我国，家庭安全防范报警系统已成为智能小区中实现安全管理的基础，根据我国建设部的规定，主要包括电视监控、防盗报警、求救求助、煤气泄漏报警、消防报警等内容。家庭智能报警便是其中的一项内容，报警器应具有多个探测器接口，可接收红外及微波探测器、感烟探测器、温度探测器、煤气泄漏探测器等传来的报警信号，然后通过通讯网络将报警信息传送到相关人的通讯设备上，以使灾情得到及时处理，保护人们的生命财产安全

43、5。报警设备主要是在两方面发展较快，一方面是探测器技术和探测器的发展，一方面是远程报警系统的发展。探测器的发展主要表现在出现了被动红外、超声波和微波三种不同的探测技术，各种不同类型的探测器也纷纷涌现。这方面最有前途的是复合式探测器，即在同一个封装盒里安装两种以上不同的探测器，两者组合后误报率将会大大降低。复合式探测器一般有超声波/被动红外复合式探测器、微波/被动红外复合式探测器。远程报警系统的发展主要表现在出现了有线式报警系统、无线式报警系统，报警联防网络等。目前我国有关报警系统方面的产品也愈来愈丰富。按照报警系统的规模可分为小规模、中规模和大规模报警系统小规模防盗报警系统近年来在市场上较多见

44、，例如GSM式报警系统。它具有安装方便、简单，一次性投资小的特点，但它存在覆盖面积小、误报率高等问题，使用场合受到一定限制。但由于此类产品具有体积小、耗电低、成本低、功能单一等优点，对于一些简单的报警场合和个人家庭，具有很大的市场潜力，目前此类产品在市场上非常活跃6。中规模防盗防火报警系统，例如闭路电视监控系统、智能监控系统，无论从功能上，还是从结构上，都介于小规模防盗报警系统和大规模防盗报警系统之间。其报警功能、有关技术指标和系统性能与真正的报警系统相比还较差，与微机系统相比，此类系统缺乏人机界面、图形功能和管理功能，性能价格比较低。在我国，目前市面上报警器主要有压力触发式防盗报警器，开关电

45、子防盗报警器和压力遮光触发式报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。智能安防系统的发展前景随着社会的发展，农村城镇化和人员流动性增大，社会治安状况更趋复杂，因此作为社会的基本单元“安全防范问题就显得尤为重要。传统的机械式（防盗网、防盗窗）家居防卫在实际使用中暴露出一些明显的问题，如：影响楼房美观，市容整洁；影响火灾救援通道；给犯罪分子提供了便利的翻越条件；时间久了会有高空坠物的危险等。所以作为新一代的智能安全防盗报警器系统就应运而生，并日益受到广泛的重视和运用。另外，为了进一步规范住宅小区智能化建设，建设部特别制定了智能小区的等级标准，按照其要求智能小区中必须具有安全防范、

46、信息管理、物业管理和信息网络等系统。因此，智能安防系统已经逐渐成为小区建设的必备项目，在未来生活中必将成为安防项目中的主流7。系统方案设计设计任务与要求设计一个安防监控系统，系统可实现功能如下：考虑产品的性价比，进行系统的整体方案设计。用户交互界面要求简洁，必须采用汉字显示实现防盗功能和防火功能实现家用电器过流保护功能具有声光报警的功能，并且可以实现短信报警能测量室内温度和湿度，并且当温度超过设定温度时报警实现实时时间的显示当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态，在家可以设置为安全状态。用无线遥控完成安防系统的布防，解防，解警等工作。方案的比较方案一：基于FPGA的电路设计。整个系统分为

47、八个部分组成：主控模块，防火监控模块，防盗监控模块，报警模块，显示模块，存储模块，时钟模块，无线遥控模块。其整体框图如图2-1所示。 图2-1 基于FPGA系统设计框图主控制器模块采用FPGA为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性。 FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过防火监控模块和防盗监控模块将信号采集后给FPGA进行处理，FPGA处理后打印到显示屏上，如果数据出现异常，则通过报警模块进行报警。但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的

48、优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二：基于单片机微控制器的电路设计。整个系统可分为：主控模块，防火监控模块，防盗监控模块，报警模块，用户交互显示模块，无线遥控模块如图2-2所示。图2-2 基于单片机系统设计框图本设计方案采用单片机作为控制模块的核心，利用软件编程使单片机不停的读取防火防盗传感器信号，经过数据处理，由液晶屏作为用户交互显示界面。单片机算术运算功能强、软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低，且可对其进行扩展，附带显示设备

49、，单键输入等设备，使用方便，还可通过软件编程实现对步进电机的速度预设显示。单片机芯片引脚少，软硬件连接简便灵活，硬件容易实现。方案选择：方案一是以FPGA为系统的控制器。本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二采用单片机作为系统控制的核心，软件编程灵活、自由度大、功耗低、体积小、成本低，软硬件连接简便灵活，硬件容易实现。综上所述，通过对两种方案进行分析比较，虽然方案一功能强大，但软件编程复杂、硬件实现较困难、器件价格较高；方案二不仅能实现设计任

50、务要求的功能，而且软件编程灵活、自由度大、硬件实现较容易、元器件性价比较高，因而综合考虑采用方案二。系统总体设计思路根据系统功能的要求和系统构成的需要来规划总体的设计思路，其总体设计方案如图2-3所示：图2-3 基于单片机系统设计框图本设计需要实现的功能总共分为6个大的模块，分别为主控模块，防火监控模块，防盗监控模块，报警模块，用户交互显示模块，无线遥控模块，存储模块。主控模块采用STM32F103RCT6为主控芯片，内部集成了RTC时钟，并且在芯片外接了一个2M的FLASH用作存储汉字库，和一个8K的EEPROM用来存放数据，保证掉电数据不丢失 8，防火监控模块使用温湿度采集传感器，烟雾传感

51、器，天然气浓度传感器，电流传感器，火焰传感器，对室内数据进行采集，然后通过AD转换后将数据处理后打印到TFT彩屏上，当数据发生异常时，控制器会报警，可以处理一部分险情，并且短信通知用户，而且用户可以通过发短信的方式来设置电流提醒的上限值。防盗监控模块包括人体热释电传感器，当在布防模式下发生异常情况时，主控制器会控制报警系统进行报警并且发短信告知用户。报警模块主要分为声音报警和GSM短信报警，当发生险情时会发出声音报警和短信报警。无线遥控模块主要的作用是解除警报和布防以及解除布防的功能。本章小结本章中，首先说明了本设计的任务和要求，根据设计任务列举了两个可行的方案，再通过对这两个方案的仔细比较和

52、论证，最终确定了设计方案，并且规划了详细的设计思路。系统硬件设计本设计在硬件上分为8个模块：主控模块，防火监控模块，防盗监控模块，环境监控模块，报警模块，用户交互显示模块，无线遥控模块，电源模块。主控模块的设计主控模块包括一个STM32最小系统，一个SD卡接口电路，一个2M的Flash芯片电路。STM32最小系统本设计采用ST公司生产的STM32F103RCT6为平台，其内核是Cortex-M3内核进行MP3播放器的设计。接下来介绍本设计用到的几个芯片，首先就是主控芯片STM32F103RCT69。STM32F103RCT6是ST公司推出的Cortex-M3内核32位微处理器。具有高性能、低成

53、本、低功耗的特点，专门为嵌入式应用领域设计，STM32F103RCT6是ARM7 架构，采用Thumb-2 技术将 16 位和 32 位指令相结合，使代码密度和性能达到了最佳平衡。Thumb-2技术比纯ARM代码少使用31%的内存，减小了设计开销，同时能够提供比Thumb技术高出38%的性能10。本设计所采用的微处理器ST公司的STM32F103RCT6外围电路有以下几个：1晶体振荡器STM32F103RCT6有5个时钟源可供使用，分别是HSE（高速外部）晶体振荡器，HSI（高速内部）晶体振荡器，PLL时钟，40K低速内部RC（LSI RC）振荡器，32.768K的低速外部（LSE）晶体振荡器

54、。HSE、HIS、PLL可驱动设计时钟，HSE可用外部有源时钟或者石英/陶瓷谐振晶体，频率范围4MHZ16MHZ，HIS频率为8MHZ，PLL锁相环倍频输出，PLL的时钟源可选HIS/2、HSE或者HSE/2,倍频可选216倍频,但不可超过72MHZ。LSI RC用于驱动独立看门狗，或者通过程序驱动RTC，用于从停机或待机模式下自动唤醒11。LSE用于驱动RTC。HIS和LSI RC是片内时钟不依靠任何元件，它能降低成本，但不够精准。主振荡器由SOC-IN输入管脚输入或者在SOC-IN输入管脚和SOC-OUT输出管脚这件接一个外部晶体振荡器。设计采用8MHZ的晶体振荡器，晶体振荡电路如图3-1

55、所示：图3-1 晶体振荡电路用一个1M电阻和晶振相连是为了让晶振能够快速起振，同时，在晶振起振后更为稳定。2复位电路STM32F103RCT6的外部复位输入引脚NRST为低电平复位，复位电路如图3-2所示。图3-2 晶体振荡电路当按键按下时能给整个电路复位，而且上电时也能给电路复位。3下载和调试下载和调试设计使用JTAG下载和调试，相应的电路设计如图3-3所示。图3-3仿真和调试电路SD卡电路的设计SD卡（Secure Digital Memory Card）是基于FLASH储存介质的新一代记忆设备，具有体积小、容量大、数据传输快、移动灵活、安全性能好以及兼容MMC卡等特点。SD卡有SD和SP

56、I两种工作模式，相对于SD模式，SPI模式可以简化主机设计，降低成本。CLK：时钟信号，每个时钟周期传输一个命令或数据位，频率025MHz之间变化，SD卡的总线管理器可以不受任何限制的自由产生025MHz的频率；CMD：双向命令和回复线，命令是一次主机到从卡操作的开始，命令可以是从主机到单卡寻址，也可以是到所有卡；回复是对之前命令的回答，回复可以来自单卡或所有卡；DAT03：数据线，数据可以从卡传向主机也可以从主机传向卡。SD卡以命令形式来控制SD卡的读写等操作。可根据命令对多块或单块进行读写操作。在SPI模式下其命令由6个字节构成，其中高位在前。STM32F103RCT6单片机没有SD总线接

57、口，所以只能使用SPI模式，SD卡模块电路如图3-4所示。图3-4 SD卡模块电路SD卡使用的SPI模式，所以把SD卡挂接在STM32F103RCT6的SPI1上面。SD卡的SPI通信必须在每个IO口都用一个47K左右的上拉电阻，这里选择47K。SD卡的电路比较简单只要连接无误，一般没问题。字库Flash接口电路由于显示需要用到汉字，如果要对汉字进行取模显示，程序太复杂，所以本设计采用了一个2M的Flash芯片用来存放字库。字库的读写采用SPI总线的方式，所以将其连接到了控制器的SPI1总线上，电路如图3-5 所示。图3-5 字库Flash接口电路防火监控的设计防火监控是由温湿度采集传感器，M

58、Q2烟雾传感器，MQ5天然气浓度传感器，电流传感器，火焰传感器构成，当室内的烟雾浓度或者天然气的浓度超标的时候，控制器会发出声光报警和短信报警。烟雾传感器的电路设计烟雾传感器MQ2所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在烟雾时，传感器的电导率随空气中烟雾气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，电路设计如图3-6所示。图3-6烟雾监控电路图中R16的作用是调节烟雾浓度传感器的灵敏度，本设计使用的是直接检测AOUT输出的电压量，AOUT的值跟烟雾浓度成正比，烟雾浓度越大，AOUT的值越大。天然气体浓度监

59、测的电路设计本设计采用的天然气传感器是MQ-5，MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处环境中存在天然气体时，传感器的电导率随空气中天然气体浓度的增加而增大，其电路如图3-7所示。图3-7 天然气检测电路图中R17的作用是调节天然气浓度传感器的灵敏度，本设计使用的是直接检测MQ5-AOUT输出的模拟量，MQ5-AOUT的值跟天然气浓度成正比，天然气浓度越大，MQ5-AOUT的值越大。电流传感器的工作原理和电路设计本设计使用的电流传感器是ACS712，该器件具有精确的低偏置线性霍尔传感器电路，且其铜制的电流路径靠近晶片的表面。通过该铜制电流路径施加的电流

60、能够生成可被集成霍尔 IC 感应并转化为成比例电压的磁场。通过将磁性信号靠近霍尔传感器，实现器件精确度优化。精确的成比例电压由稳定斩波型低偏置 BiCMOS 霍尔IC提供，该 IC 出厂时已进行精确度编程12。 当通过用作电流感测通路的主要铜制电流路径（从引脚1和2，到3和4）的电流不断上升时，器件的输出具有正斜率 (VIOUT(Q)。其电路设计如图3-8所示：图3-8电流监控原理图其中P2的两端接到家用电缆的主干路上，通过P3给芯片供电，7脚输出一个模拟量，电流和模拟量的关系成线性，电流越大，输出的模拟量越大。火焰传感器的电路设计本设计选用的火焰传感器是紫外火焰传感器，由于火焰的辐射是具有离