(毕业论文)基于单片机的智能家居报警系统的设计(可编辑)

1、本科毕业设计基于单片机的智能家居报警系统的设计摘 要随着电子技术的飞速发展,实现家居信息化已成家居系统发展的新趋势。传统的家居防盗在实际的使用中暴露了很多隐患,即使住所发生安全事故,户主居概念的推广,智能家居报警系统发展迅速,它从原来的简单化、局部化向智能化、集成化发展,能对家居的安全环境进行监测,一旦发生安全事故,如火灾、被上常见的防盗报警系统的通信方式有固定电话拨号、以太网、集群系统等。本系统采用单片机ATMega16作为MCU,通过西门子公司的GSM模块TC35i与用户进行远程信息交换,以热释红外传感器、温度传感器DS18B20以及电子密码锁等报警信息采集模块构成安防系统,保障住户和生命

2、财产安全。控制程序由主程序,TC35iTC35i程序共同负责短信息的发送。该系统采用现有电话网络和单片机网络控制技术,具有自动化程度高、适用性强、电路设计可靠等优点,一般家庭都能接受。关键词:单片机 安防 GSM 短消息the Intelligent Alarm System of Security on Single Chip DeviceLin WeixingCollege of Engineering, South China Agricultural University,Guangzhou 510642, ChinaAbstract: With the rapid developme

3、nt of electronic technology,realize home furnishing information has become a new trend in homefurnishing system development. Home furnishing security traditionalexposed a lot of problems in actual use, even if the home accidents, whocan not understand the situation. Intelligent home furnishing alarm

4、system can solve this problem well. With the development of intelligenthome furnishing concept, intelligent home furnishing alarm system isdeveloping rapidly, it is from the simple, localized to the originalintelligent,integrateddevelopment,canmonitorsecurityenvironmentofhome furnishing, accidents,

5、such as fire, by intruders, will send outalarminformation,sothatthetimeforsecurityaccidenttreatment.Thesecurity market common alarm system usually communicate with a fixedtelephone dialing, Ethernet, cluster system.The design uses a microcontroller ATmega16 as the MCU for remoteinformation exchange

6、by Siemens GSM module TC35i user to constitutesecurity systems, hydroelectric infrared sensor, temperature sensorDS18B20 and electronic lock alarm information collection module. It canprotect the lives and property of residents. Control procedures by themain program, the TC35i program, alarm source

7、information collectionprogram modules, of which the main program and TC35i program jointlyresponsible for SMS sending. The system uses the existing telephonenetworkandthesingle-chipnetworkcontroltechnology,hasahighdegreeofautomation,applicability,reliablecircuitdesign,theaveragefamilycan acceptKey w

8、ords: MCU Security GSMMessage目 录1 前言 12 总体方案确定 12.1 主控芯片12.2 检测模块22.2.1 人体热释红外传感器模块 22.2.2 温度传感器模块 22.3 报警模块22.4 显示模块22.5 键盘输入模块3 理论分析及设计3.1 系统总体框架3.2 主控芯片电路3.3 GSM模块 433343.3.1 GSM模块简介 43.3.2 GSM指令设置 63.4 人体热释红外传感器模块73.4.1 人体热释红外传感器的特点73.4.2 人体热释红外传感器模块的使用 73.5 温度传感器模块 83.6 液晶显示模块103.7 电子密码锁模块 113.

9、7.1 矩阵键盘介绍 113.7.2 密码锁模块功能介绍 134 测试与试验分析4.1 电路板焊接 144.1 硬件调试15144.2 功能测试164.2.1 正常运转 164.2.2 温度过高报警 164.2.3 有人强行入侵后报警 174.2.4 没有报警时的状态 174.2.5 GSM报警 175 结论 18参考文献 20附录A电路原理图 21附录B部分程序 22致谢 31华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表1 前言21 世纪是一个信息化的社会,信息化使人们的生活方式发生了很大的改高以及智能楼宇建筑的蓬勃发展 ,人们对家居的要求早已不只是物理空间 ,更为追求的是一个安全,方便,舒适的居家

10、环境,防盗报警系统的平均点位容量也在迅速加大,报警探测器从原先的几个、十几个增加到上百、数百个。在安全技术防范领域,具有防盗报警功能的电子密码控制系统逐渐代替传统的机械式密码控制统无论在技术上还是在性能上都大大提高了一步,使密码控制系统具有很高的安全性、可靠性,应用日益广泛。现代人,特别是的单身白领,一天大多数时间都在上班,若此时住被小偷闯入或者发生火警,但当事人却毫不知情,就不能及时作出应对方法,有可能造成重大的损失。若当事人能在住所发生异常时第一时间就了解情况,并对此作出处理,就能减少造成的损失。本设计的主控系统采用 ATmega16 单片机,该单片机性能优良,能满足智它人输入密码次数错误

11、达三次后 ,本系统会通过蜂鸣器报警,并发送短信到指定手机号码通知户主。若在未输入正确密码的情况下强行闯入住宅,人体热释红外传感器能对其检测并发送信号报警,此时本系统则会通过蜂鸣器发出蜂鸣声报警,单片机也会通过 GSM 模块发送短信到指定手机号码进行报警,使当事人能及时了解情况并作出处理,避免造成严重的损失。2 总体方案确定2.1 主控芯片方案:AT89C52 25M晶振、8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的STC89C52是一种高效微控制器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash8位CPU和闪烁存

12、储器组合在单个芯片中,ATMEL的STC89C52是一种高效微控制器冯建华等, 2004。方案:ATmega16是速度快、功耗低,具有较宽的工作电压的单片机,且它的片内资源丰富,自带有同步串行接口SPI,且程序下载可以直接通过ISP下载器直接下载,其内置有512字节的EEPROOM简化了系统中密码锁模块的电路设计,可节省外围芯片开销,并简化了电路设计苏平, 2006。方案选择:本设计采用ATmega16作为主控芯片,能简化外围电路。2.2 检测模块2.2.1 人体热释红外传感器模块基于红外线技术的DYP-ME003人体感模块的功耗很小,能长期可靠工作,信号,不易被常规手段侦测到。2.2.2 温

13、度传感器模块温度采集系统主要由芯片DS18B20和电信号转换模块组成。DS18B20只要求一个端口即可实现通信,实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温,测量温度范围在-55oC到+125oC之间。2.3 报警模块方案:采用二极管发光报警。方案:采取蜂鸣器报警和GSM 短信能及时通知户主,让户主时刻了解家具的状况。方案选择:本设计选择方案,蜂鸣器和 GSM 两种方式报警结合,能使报警更有威吓力,更加及时。2.4 显示模块方案:采用 LCD1602,该液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个57或者511等点阵字符位组成,每个点阵字字符间距和行间距的作用,正因为如此

14、所以它不能显示图形。但是其使用简单 ,微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧,常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。方案:采用了 LCD12864 作为显示模块,12864 是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为12864, 内置8192个1616点汉字,和128 个 168 点 ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。方案选择:本设计选择方案,友好的中文交互界面能让用户体验更好。2.5 键盘输入模块方案:44 矩阵键盘模块,以 4 条 I

15、/O 线作为行线,4 条 I/O 线作为列线组成的键盘。在每一条行线和列线的交叉点上,设置一个按键。这样键盘中的按键个数就是 44 个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中 I/O 口的利用率。按键较多,可以设计更多的功能。方案:43矩阵键盘模块,以4条I/O线作为行线,4条I/O线作为列线34个按键,相对44的少4个,可以设计出基本所需功能。方案选择:本设计选择方案,由于本系统需要设置并输入密码,加上设置密码,确定,界面切换等按钮,43矩阵键盘模块显然不适用。3 理论分析及设计3.1 系统总体框架本设计主要由单片机、温度传感器模块、人体热释红外传感器模块、蜂模块、矩阵键盘、液晶显示和

16、密码存储等部分组成。其中温度传感器模块和人体热释红外传感器模块用于对住宅的安全环境进行监测 ,若发生异常,则通过蜂鸣器和 GSM 报警。矩阵键盘用于输入数字密码和修改密码等功能的实现。由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码,后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比,从而判断密码是否正确,三次输入密码错误则报警。图 1 系统总体框架图3.2 主控芯片电路主控芯片采用单片机ATmega16L,它的片内资源丰富,内含8通道10位AD转换器,带有同步串行接口512字节的EEPROOM简化了系统中密码锁模块的电路设计,该模块原理图如下:图 2 ATmeaga16主控芯片原理图3.3 GSM模

17、块3.3.1 GSM模块简介随着信息科学的迅猛发展,不仅是有线网络已经发展得很好 ,而且无线的。在20世纪80年代以来,全球移动通信系统(GSM)首先提出了网络。如今,它已被广泛通过世界成为泛欧洲的数字蜂窝系统的标准(Chin-Chen Chang etal,2005)。本设计采用的GSM模块为TC35i,TC35i是新一代无线通信GSM模块。自带RS232通讯接口,可以方便地与PC机、单片机连机通讯。可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务Short Message Service和传真。TC35模块的工作电压为3.3?5.5V,可以工作在900MHz和1800MHz

18、两个频段,所在频段功耗分别为2w900M和别连接SIM卡读卡器和天线。TC35i的数据接口COM电平通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s115kb/s,自动波特率为1.2kb/s115kb/s。它支持Text和PDU格式的SMSShort Message AT命令或关断信号实现重启和故障恢复郑凌燕等,2006。其实物图如下图所示:图 3 GSM模块TC35模块主要由GSMZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35的核心,基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号,并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。(韩斌杰,2009)在不需要额外硬件电路的前提下,可支持

19、FR、HR和EFR语音信道编码。该模块模块有AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短消息、第三组的2.4k,4.8k,9.6k多方通话,漫游检测功能,常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK 等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信ZIF连接器及50天线连接器,可分别连接SIM卡支架和天图 4 GSM模块原理图3.3.2 GSM指令设置对TC35I的操作均采用AT指令,它包含了GSM语音和短信息的控制。根据AT指令的GSM07.05标准,发送和接收中文或中/英文混合的短信息必须采用PDU 模式,Text 模式只支持传送英文及数字信息。PDU模式的

20、编解码过程复杂,本系统使用Text模式就可以满足系统功能需求,故选择Text模式作为系统的通讯模式。模块的通讯全部采用AT+XXXX完成。发送短消息的基本命令如下:1设置短消息发送格式(0-PDU,1-文本)AT+CMGF1;2发送短消息短消息内容为 testAT+CMGS目的地址testz z3列出所有的短消息 AT+CMGL “ALL”;4读取短信息内容Once more,假设INDEX 6,AT+CMGR6。发送短信的流程图如下:图 5 发送短信流程图3.4 人体热释红外传感器模块3.4.1 人体热释红外传感器的特点人体红外线传感器能长期可靠工作且不易被常规手段侦测到,所以在安全射的干扰

21、,其穿透力也较差,人体的红外辐射容易被各种物体遮挡,并且当环境温度和人体温度接近时,探测灵敏度会明显下降,严重时还会造成探测失效,因此在设计及安装使用时应注意上述问题。线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向 即与半径垂直的方向移动则最为敏感, 佳检测灵敏度极为重要的一环。3.4.2 人体热释红外传感器模块的使用基于红外线技术的DYP-ME003人体感模块,其灵敏度高,可靠性强,较宽的即感应输出高电平后,在延时时间段内,如果有人体在其感应范围活动,其输出将一直保持高电平,直到人离开后才延时将高电平变为低电平(感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段,并且以最后一次

22、活动的时间为延时时间的起始点。本设计中,将传感器模块直接与单片机的引脚相连。其电路原理图如所示:图 6 红外模块电路图其参数表如下:表 1 红外热释参数表序号 参数项 参数值1 工作电压 DC5V至20V2 静态功耗 65微安3 电平输出 高3.3V,低0V4 延时时间 可调0.3秒18秒5 封锁时间 0.2秒6 触发方式 L不可重复,H可重复,默认值为H7 工作温度 -15+70度8 感应范围 小于120度锥角,7米以内3.5 温度传感器模块人体温度采集系统主要由芯片DS18B20和电信号转换模块组成。DS18B20是比较新型的一种温度传感器,只要求一个端口即可实现通信、DS18B20 中的

23、每个器件上都有独一无二的序列号在实际应用中不需要外部任何元器件即可实现到+125oC之间、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择、内部有温度上、下限告警设置。电路原理图如下图所示:图 7 温度传感模块电路图其工作原理图如下:图 8 DS18b20工作原理图3.6 液晶显示模块本设计的显示采用了LCD12864作为显示模块,其中VSS和VDD分别接地和5V分别是数据/命令选择和读写端口,D0?D7为并行数据端口,分别接P1的D0?D7郭天祥,2009,12864的接口表如下:表 2 LCD12864并行接口管脚号管脚名称 电平 管脚功能描述1 VSS0V 电源地2 VCC3.0+5V 电源

24、正3 V0 - 对比度(亮度)调整4 RSCS) H/LRS“H”,表示DB7?DB0为显示数据RS“L”,表示DB7?DB0为显示指令数据5 R/WSID H/LR/W“H”,E“H”,数据被读到DB7?DB0R/W“L”,E“HL”, DB7?DB0的数据被写到IR或DR6 ESCLK H/L使能信号7 DB0H/L三态数据线8 DB1H/L三态数据线9 DB2H/L三态数据线10 DB3H/L三态数据线11 DB4H/L三态数据线12 DB5H/L三态数据线13 DB6H/L三态数据线14 DB7H/L三态数据线15 PSBH/LH:8位或4位并口方式,L:串口方式16 NC - 空脚1

25、7 /RESET H/L复位端,低电平有效18 VOUT - LCD驱动电压输出端19 A VDD背光源正端(+5V)20 K VSS背光源负端其原理图如下:图 9 12864原理图3.7 电子密码锁模块3.7.1 矩阵键盘介绍密码锁采用矩阵键盘作为输入。在键盘中按键数量较多时,为了减少 I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式,在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接王卫星,2009。在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式,如图6所示。在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加P1口)就可以

26、构成4416个按键,比之直接将端口线用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,比如再多加一条线就可以构成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一键(9较多时,采用矩阵法来做键盘是合理的。下图为矩阵键盘的原理图:图 10 矩阵键盘键盘扫描流程图如下:图 11 键盘扫描流程图3.7.2 密码锁模块功能介绍该模块利用Mega16单片机其内部自带的512字节的EEPROOM进行存放密码,具有密码显示、密码修改、密码错误提醒的功能。具体功能实现如下:单片机可以对 EEPROOM 进行读取密码和写入密码,本密码锁是事先把初始密码123456写入EEPROOM中,用户输入密码后,通过对用户输入的密码和

27、EEPROOM 中的密码进行比较,若比较相同则提示开锁称成功,开锁后,用户可以修改密码,即把用户输入的新密码写入到EEPROOM当中,并清除之前EEPROOM中的密码不一样,则提示密码错误,输入密码错误次数累加一,当输入密码错误达到三次后,则通过GSM报警。流程图如下:图 12 密码开锁流程图4 测试与试验分析4.1 电路板焊接本设计使用915cm大小,避免电路发生短路。焊接前,必确定好元器件的排布,确定电路走线方向和间距。焊接时,要按照先难后易,先低后高的顺序。图 13 实物正面图图 14 背面电路图4.1 硬件调试好,通电后可能会对元器件造成损害,产生不良的后果,所以检查这一步至关重要。通

28、电后也要检查各期间引脚的电位,仔细测量各点电位是否正常。观察单片机能否正常工作。硬件调试预期结果如下表:图 15 测试表条件 液晶显示 报警室温,无人 温度正常读数,显示无人,safe 无温度过高,无人温度正常读数,显示无人,danger室温,有人 温度正常读数,显示有人,danger温度过高,有人温度正常读数,显示有人,danger4.2 功能测试蜂鸣器报警,短信报警蜂鸣器报警,短信报警蜂鸣器报警,短信报警4.2.1 正常运转电路接通电源后,各模块正常运转。图 16 模块正常运转4.2.2 温度过高报警液晶显示状态如下图所示:图 17 温度过高报警4.2.3 有人强行入侵后报警当有外人强行入

29、侵时,蜂鸣器会报警。系统上的液晶显示状态如下图所示:图 18 外人强行入侵后报警4.2.4 没有报警时的状态系统没有报警时,液晶显示状态如下图所示:图 19 非报警状态4.2.5 GSM报警当系统报警时,单片机通过GSM模块向指定用户发送报警信息,如下图所示:图 20 GSM信息报警5 结论本设计采用电子技术和 GSM 网络技术,在一定程度上解决了传统机械式防盗的弊端,提高了系统的实用性和可扩展性。利用高科技将防盗报警智能化、自动化,可以减少和避免户主的损失。由于该系统主要利用现代移动通信网络作为承载,不需要考虑布线等因素,减少了环境因素对系统的影响,提高了该系统的可移动性。由于时间的关系和考

30、虑到元器件的价格等因素,该设计还存在一些不足等等。除此以外,还可以通过增加断电保护电路增强系统的安全性。为了实现家居安全环境监测和智能报警 ,通过温度检测模块和人体热释红外感应模块,对安全环境实现监控。当发生安全事故时,由蜂鸣器进行报警,并通过 GSM 模块发送短信到用户的手机,实现即时的家居监控。首先要了解了各个模块的电路,然后把它们与单片机连接起来,再通过软件编程,使其实现安全环境监测与智能报警的功能。通过测试,本设计基本能实现对安全环境的监测 ,并能准确报警,当温度过高、有外人强行闯入或者密码输入错误次数过多时,都能及时地发送短信通知用户,使用户掌握着最新的家居安全情况。本设计的功能适用

31、于大多数住宅对安全环境监测的需求 ,能使用户可以度上减少事故造成的伤害,也使用户能有更多时间思考如何去应对。而且本设计的成本不高,即使一般家庭也能没有压力地使用本系统。参 考 文 献冯建华,赵亮.单片机应用系统设计与产品开发M.人民邮电出版社,2004:67-89.郭天祥.新概念 51 单片机 C 语言教程M.电子工业出版社,2009:123-154.韩斌杰.GSM 原理及其网络优化第 2 版M.机械工业出版社,2009:118-126.康华光.电子技术基础模拟部分M.武昌:高等教育出版社,2003:107-115.潘 永 雄 . 新 编 单 片 机 原 理 与 应 用 M. 西 安 电 子

32、科 技 大 学 出 版社,2008:207-255.苏平.单片机的原理与接口技术M.电子工业出版社,2006:1-113.王卫星.单片机原理与接口技术M.中国水利水电出版社,2009:166-170.朱鸣华.C语言程序设计教程M.机械工业出版社,2007:37-86.郑凌燕,葛万成.基于 GSM 短信的远程控制系统设计 J.微型电脑应用,2006,105:36-38.Chin-Chen Chang, Jung-San Lee, Ya-Fen Chang. Efficientauthentication protocols of GSMJputer Communications,2005,288

33、:921-928.附录A 电路原理图附录B 部分程序1、12864程序#include config.h/*/12864液晶端口定义#definers_hPORTB|BIT2#definers_lPORTB&BIT2#definerw_hPORTB| BIT1#define rw_l PORTB & BIT1#define e_h PORTB | BIT0#define e_lPORTB & BIT0#define LCD_DataIn DDRC0 x00 /数据口方向设置为输入#define LCD_DataOutDDRC0 xff /数据口方向设置为输出#define LCD_MCU_Da

34、ta PINC#define MCU_LCD_Data PORTCuchar wenhou WELCOME ;uchar wendu1TEMPE:;uchar youmeirenANYONE:;void delay_1ms1uint msuint i,j; fori0;ims;i+forj0;j1141;j+;void L12864_initvoid/*液晶端口初始化*/DDRB | BIT2|BIT1|BIT0;/DDRD | BIT7;PORTB & BIT2|BIT1|BIT0;/PORTB & BIT0; DDRC0XFF; PORTC0X00;delay_1ms15;write_co

35、m0 x30;/ 基 本 指 令 集 delay_1ms15;write_com0 x02;/ 地址归位 delay_1ms15;write_com0 x0c;/整体显示打开,游标关闭 delay_1ms15;write_com0 x01;/清除显示 delay_1ms130;L12864_shuzu21,2,9,wenhou;L12864_shuzu22,1,6,wendu1;L12864_shuzu23,1,8,youmeiren;void L12864_charuchar hang,uchar lie,char sign /功能 : 改变液晶中某位的值字符uchar a;ifhang 1

36、 a 0 x80;ifhang 2 a 0 x90;ifhang 3 a 0 x88;ifhang 4 a 0 x98;write_com0 x06;/游标右移a a + lie - 1;write_coma;write_datasign;void L12864_shuzu2uchar hang,uchar lie,uchar length,uchar *shuzu/功能 : 改变液晶中某位的值字符串uchar a,i;ifhang 1 a 0 x80;ifhang 2 a 0 x90;ifhang 3 a 0 x88;ifhang 4 a 0 x98;write_com0 x06;/游标右移

37、a a + lie - 1;write_coma;fori0;ilength;i+write_datashuzui;void L12864_shuzuuchar hang,uchar lie,uchar *p /功能 : 改变液晶中某位的值字符串uchar a;ifhang 1 a 0 x80;ifhang 2 a 0 x90;ifhang 3 a 0 x88;ifhang 4 a 0 x98;a a + lie - 1;write_coma;while1if*p 0 break;write_data*p;delay_1ms110;p+;2、状态检测数据采集程序#include config.

38、h/*函数名称: Read_temp功 能: 读取温度值参 数: 无返回值 : rettemp-返回的温度值/*/void Read_tempuchar *wenduuchar templ,temph; uint temp; B20_init; /初始化,每次写命令都从初始化开始 B20_writeB0 xcc; /跳过 ROM B20_writeB0 x44; /启动温度转换B20_init; B20_writeB0 xcc; ROMB20_writeB0 xbe; / 读 寄 存 器 templB20_readB;/ 读 温 度 低 字 节temphB20_readB;/读温度高字节/te

39、mptempl+temph*256;/将温度整理成 16位变量/ return temp; /返回 16 位变量 wendu0templ;/读温度低字节wendu1temph;/读温度高字节/*函数名称: hongwai功 能: 实时检测有无人存在,若有人存在,则输出高电平,无则输出低电平返回值 : 无/*/uchar hongwai /人体红外模块的触发方式选为了“连续触发”uchar i;DDRD&BIT3; /PD3设置为输入PORTD&BIT3;/ PORTD&BIT3;ifPIND&BIT3/如果PD3为高电平,及检测到有人,则显示YES!return 1;else /如果PD4为低电平,及检测到没人,则显示NO!return 0;/*函数名称: main功 能: 完成温度的读取与显示、人体红外检测显示参 数: 无返回值 : 无/*/void sensor_mainuchar *shujushuju2hongwai; /人体红外识别,并在LCD 上显示有无人(只能检测到移动的人)Read_tempshuju;/读取温度值Delayus30;3、GSM#include config.h#define uint unsigned