【基于单片机的室内安全报警系统设计7200字（论文）】

第III基于单片机的室内安全报警系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u8336基于单片机的室内安全报警系统设计 1283591引言 179282室内安全报警系统控制方案设计 2290122.1室内安全报警系统设计功能 2305042.2控制系统方案框图设计 215847图1系统框图 2133523系统硬件电路设计 3144263.1单片机控制电路 3254973.2显示电路设计 4133863.3按键电路设计 574513.4传感器接口电路设计 670213.5报警电路接口设计 8230003.6AD转换电路接口设计 918914系统软件设计与仿真 9177994.1程序设计 9295024.2Proteus软件程序仿真 12154565全文工作总结 14摘要：本次设计主要包括了系统背景与设计意义的简介，然后说明系统的整体方案，通过选择实现设计器件、电路硬件的设计，最后完成系统的软件编写部分完成系统的总体功能。室内安全报警系统装置功能是通过检测各传感器的温度状态的变化来由单片机数据处理并显示在显示屏上来达到室内各项安全报警的作用，本文采用了STC89C52单片机来实现光强信息的采集，采用USB进行系统的供电，通过软件程序驱动单片机的IO管脚来实现控制输出。通过识别单片机IO管脚的高低电平来实现信号的检测，通过单片机内部运算执行目标逻辑。关键词：单片机，数据处理，传感器1引言踏着改革开放的春风，社会经济的飞速跨越，人们的生活质量显著提高，对居住环境提出了更高的要求，不在是仅仅的居住需求，同时对住宅的舒适度、便利性、安全性提出了更高的需求。根据国家住建部以及全国住建委员会的要求，住宅小区实现全面智能化，其中对安全性的要求放在智能小区的首位，通过自动化的管理平台，对住宅内发生火灾，燃气泄漏及时报警，火灾报警主要以探测器为主体，对可燃气体、烟雾、温度进行采集，当检测到的数据达到预设值，进行报警提示。此外，人们对防盗的要求提出了更高的标准，智能化没有发展的时候，防盗门的设计逐年翻新，防盗锁逐次升级，需求量连年提升。智能化的普及，人们对防盗有被动的防守转为主动监视，获得了广大用户的好评，同时也提出了更高的要求，国内国外的科研人员研制了许多实用的翻到智能报警器，智能报警器以开放式的防护措施保证财产的安全，不在采用防盗铁门、铁窗的等封闭式的被动安保，转而通过智能化手段进行主动监控[1]。通过研究室内安全报警系统，可以使我们现实生活的家庭安全得到有力的保障，我们的财产和安全问题便得到了有力的解决，使我们的生活越来越幸福美好。2室内安全报警系统控制方案设计2.1室内安全报警系统设计功能室内安全报警系统是一种可以保护室内安全的智能装置，它具有火灾报警，煤气泄露报警以及起到室内防盗的作用的家庭安全保障系统。我们可以通过报警系统及时的对家庭各项意外状况了如指掌，它是通过采用红外传感器检测是否有人入侵，火焰传感器检测是否有火情发生，煤气传感器模块对煤气的泄漏进行检测，温度传感器检测室内的温度，检测的数据由单片机进行读取并通过显示屏进行显示，通过按键完成限值参数的设置，检测数据与设定限值比较，超过范围有蜂鸣器进行报警，从而达到家庭各项安全指数报警的效果[2]。2.2控制系统方案框图设计单片机按键电路红外模块单片机按键电路红外模块显示电路火焰模块显示电路火焰模块报警模块烟雾模块报警模块烟雾模块ADC模块温度模块ADC模块温度模块图1系统框图控制系统有以下几个模块组成，首先单片机是设备系统核心，协调系统模块工作以及中心数据的运算处理；显示电路是显示系统的采集数据以及设置的参数数据；报警模块是当出现异常时起到报警的作用；温度模块用来采集环境的实时温度值；按键电路来进行参数的修改；红外模块来检测外部入侵；烟雾模块是可以采集环境的烟雾浓度；火焰模块来检测室内的明火；ADC模块则是对烟雾浓度的模拟与数字的转化。3系统硬件电路设计3.1单片机控制电路单片机是具有核心智能化的小型中央处理器，在其内部拥有数以万计的微晶管，根据程序代码的控制使它在逻辑上进行不同的输出或者输入形式，完成设计的功能控制，虽然它具有智能化的形式，但是单片机并不能独立工作，需要配合外围电路构成一个最小工作系统，才具有智能工作的能力，不管任何型号的单片机，最小系统都是单片机不可或缺的一个前提必要条件，对于不同系列单片机而言，组成单片机最小系统的外围电路并不相同，需要根据单片机设计厂家给定的工作手册进行设计最小系统的搭建。。电源采用USB接口电源供电，USB电源是现代生活中一种比较常见的供电电源，比如电脑USB接口、手机充电头、电源插座等地方都有USB接口，USB接口供电发展起步比较晚，但是发展迅猛，几年时间迅速占领5V电源领域。现在的使用中USB电源几乎随处可见，供电的技术也越来越走向成熟，输出电压的能力比较稳定，相对来说很安全，几乎不存在任何危险，也不会因为电压过大烧毁设备，对于弱电系统的供电电源来说，USB电源是最为理想型的电源，系统本省并不需要太大的功率要求，但是需要稳定的供电能力，USB电源极为符合弱电系统的要求，所以USB电源非常适合弱电系统供电[4]。本次设计使用的单片机型号是STC89C52，他是一款8位数据处理的单片机，市场上使用极为广泛，性能相对稳定，单片机片上资源比较适中，虽然处于入门级单片机，但对于本次的功能来说完全足够，最小系统由复位电路、晶振电路以及电源电路组成。单片机的引脚如下图2电路所示。图2STC89C52单片机电路从图中就可以知道单片机的最小系统，分别由9脚连接0.1uF的电容和4.7K电阻构成的复位电路，由18脚、19脚连接的晶振和30pF的瓷片电容构成的晶振电路，再加上40引脚的正电源和20引脚的GND，这三部分就组成了单片机的最小系统电路。单片机上电之后，首先通过晶振电路给单片机提供稳定的震荡频率，可以说晶振电路是为单片机提供动力源的部件，单片机在固定的频率下进行工作，开始进行内部程序存储器的顺序执行工作，第一步就是要把单片机的执行指针归为零，否则单片机执行顺序紊乱，复位电路的作用就是负责把程序执行指针归零，以确保单片机每次开始重新执行的时候都是从内部程序存储器的0X00位开始执行[5]。3.2显示电路设计液晶显示功能最主要的就是人机交互，在人机交互中，程序设计人员可以根据液晶显示的内容了解程序是否正确，是否按照设计的逻辑运行，所以一般在设计的时候，第一个考虑的设计功能就是显示。本次设计的显示屏是LCD1602，它分为上下两行显示，每一行可以直观的显示16个字符，其内部可以显示64个字符，通过轮询的方式将其显示，本身拥有字库芯片，可以直接显示ASCII码中的任何字符。在程序设计的时候需要对显示屏的内部存储器输入命令，同时应用并口引脚输入不同的高低电平，让其显示不同的内容。电路原理图如图3所示。图3显示电路液晶显示屏通过16个引脚完成显示工作，从图中可知这16个引脚中数据引脚占了8个，引脚序号是7-14引脚，这8个引脚与单片机引脚并口连接，通过单片机引脚发送不同的高低电平完成不同的显示内容，采用的方式是并口连接，优点是显示速度快，缺点是占用单片机引脚资源较多。显示屏的15脚和16脚是背光板的电源引脚，通电之后背光板就会点亮，清晰的把显示的内容凸显出来，1脚和2脚是显示屏的电源引脚，3脚是对比度调节引脚，通过3脚的电压调节可以使显示屏更加清晰，在其外部一般连接一个10k的滑动电阻，通过改变阻值从而改变3脚电压，也可以使用定值电阻，根据经验使用4.7K电阻可以正常显示。4/5/6引脚是液晶显示屏的命令控制引脚，对液晶显示屏进行读取数据和写入命令数据是依靠这三个引脚完成，所采用的协议是SPI协议，这里的命令包括开启液晶、字符大小、闪烁变换、清屏等命令。3.3按键电路设计按键电路作为输入信号接入系统，在系统中完成响应的功能操作，一般的情况下主要负责控制输出模块的命令按钮和系统设置参数的功能按钮，尽管在设计程序时会有使用功能的区别，但是在硬件电路的设计原理却是一致的。在硬件设计的方式上分为矩阵式和独立式，矩阵式实现8个单片机IO引脚实现16个按键检测工作，独立式是一个单片机IO引脚检测一个按键。按键的使用原理比较简单，无论何种的硬件接入方式，其本质是实现对高低电平的信号检测，当检测到有电平信号发生改变，即可判断按键发生动作。对于按键动作的检测，程序设计中需要应用具体的处理方式解决按键机械抖动的问题，一般情况是延时10ms作为机械去抖，确保按键信号检测的准确性，防止误动作发生，引起按键程序的错误判断。本次设计的是独立按键功能，通过按键一端与单片机连接，另一端全部接地，检测与按键相连接的单片机引脚，当电平为0时，判断执行按键动作。[8]。按键电路的硬件电路如下图4所示。图4按键电路3.4传感器接口电路设计（1）烟雾传感器检测电路接口设计烟雾传感器是一种检测气体的传感器，通过本身的特殊材质在有气体泄露的时候燃烧自身达到内阻的变化，它输出的信号是一个模拟值，模拟值是以电压的形式输出的，传感器本省输出的电压比较小，一般都是以毫伏为单位，即使浓度特别高的时候也就是几十毫伏，单片机对毫伏的感应不是那么灵敏，所以传感器都会有个一放大电路，将毫伏级的信号放大几十倍，达到几伏级的标准，因为单片机的最大采集电压是5V，放大不能超过5V，否则单片机采集不到[6]。本设计中的烟雾传感器选用MQ-2半导体气体煤气传感器，随着烟雾的浓度增加，输出的电压会增加。电路原理图如图5所示。（2）温度传感器检测电路接口设计温度传感器的型号是DS18B20，温度传感器可以自己进行温度的采集，并且直接进行数字量的转换，保存在传感器内部的存储单元中，是一款数字型的温度传感器，传感器外观只有三个引脚，电源引脚和数据引脚，温度数据采集完成后，通过数据引脚向外输出，使用单片机进行数据的读取，温度传感器与单片机进行数据传输采用的是单总线协议，单总线协议是DS18B20温度传感器所特有的一种协议，也是世界上首次使用单总线的温度传感器，协议的内容分为器件地址、内存地址、校验符、响应针等等，其中还包括必要的精确延时，单总线最大的优势是在硬件设计的时候可以节约单片机的引脚资源，只需一个IO引脚就可以实现与温度传感器的数据读取，硬件电路设计的时候需要注意是需要一个上拉电阻，阻值是4.7K-10K之间，这个电阻的功能是时刻让总线保持在高阻态的状态下，否则单总的协议读取将不能完成，电路如图5所示。（3）红外传感器检测电路接口设计采用红外模块进行人体的检测，红外检测模块是一个集成的模块，当检测到人体时候，红外检测模块的输出电平会发生变化，单片机通过检测红外模块的电平变化，可以获取红外检测模块的状态，从而间接获得是否有人在活动的信息。单片机检测到这个信号进行整体的逻辑处理与运算，达到检测是否有人的效果[7]，电路原理图如图5所示。（4）火焰传感器检测电路接口设计本次设计的火焰传感器采用的是火焰接收探头模块，他可以通过探头接收火焰中760nm-1100nm之间的火焰波源，再其模块内部采用LM393进行电压放大，可以进行电平输出，探测角度大约在60度左右，模块的反应非常灵敏，通过电位器调节电平信号输出的阈值，电路原理图如图5所示。图5传感器接口电路设计3.5报警电路接口设计报警通常使用蜂鸣器鸣响报警，已达到声音提示的作用，蜂鸣器的内部使用的电磁感应线圈和震动膜片组成，蜂鸣器在通电时候，电磁感应线圈会产生磁场，震动膜片在磁场的作用下发出鸣响，来达到报警提示。蜂鸣器由于是电磁感应线圈通电才能实现鸣响，那么电磁感应线圈需要一定的电流才可以正常工作，单片机引脚不能提供蜂鸣器需要的电流，一般采用三极管驱动，依靠三极管的开关特性实现蜂鸣器的驱动，电路原理图如图6所示[8]。图6报警电路3.6AD转换电路接口设计ADC0832模数芯片作用是实现模拟量到数字量的转换，最大转换的数字量为256，是一个8位AD芯片，芯片内部具有两个模拟通道，可同时实现两路模拟量到数字量的转换，ADC0832芯片的工作电压是5V，转换的基准以电源地为转换的基准，所有的模拟电压以对地为准的模拟电压，模拟电压最大不能超过5V，否则将会超出转化的量程，转换的电压值将以数值量的形式通过IIC协议与单片机进行数据传输，IIC协议是ADC0832与外部单片机进行数据交换的协议准则。AD电路的连接如图7所示。图7AD转换电路4系统软件设计与仿真本次程序设计采用的编程语言是C语言，C语言具有简单易懂，逻辑判断能力突出等特点，编写程序的开发软件是Keil软件，在设计中，首先完成的是主函数的框架结构，在框架结构中布置各个子程序的分区功能，根据逻辑的执行确定子程序的先后执行顺序，主函数框架编写完成之后，开始进行子函数功能编写，根据每一个的功能实现代码设计，每完成一个子程序就可以进行Keil软件编译，编译成功将HEX文件下载到单片机运行，运行成功后进行下一个子函数编写，直到全部功能调试完毕。4.1程序设计4.1.1主程序设计系统的程序分为主程序和子程序，这也是模块化编程的基本思路，所有的子程序都需要围绕主函数展开，可以说主函数是整个系统的核心，主函数对系统的功能进行分层处理，架构起系统编程的框架，在框架下运行每一个子程序，通过顺序执行子函数完成系统的功能设计。具体的主程序流程如图8所示。NY图8主程序流程图NY单片机端口配置完毕。启动红外传感器和火焰传感器，之后采集温度数据、采集烟雾浓度数据，之后程序进行单片机将采集的温度或者烟雾与程序内部设定的温度或烟雾进行比较，温度或烟雾大于设定值时，单片机控制蜂鸣器进行报警，同时红外入侵和火焰检测检测是否有意外入侵和明火发生，进行蜂鸣器报警。4.1.2液晶显示子程序设计LCD的主要作用就显示数据和显示参数，实现人机对话，通过观察数据了解当先的运行情况。LCD显示流程图如图4.2所示，执行LCD子程序之后，首先完成的是LCD显示屏的初始化工作，之后会对显示屏发送指令，之后进行显示数据的发送，最终进行信息的显示，如图9所示。图9LCD显示流程图4.1.3按键子程序设计按键的工作是通过单片机检测按键引脚的电平变化实现按键动作的确定，按键在闭合与断开的过程中实现的是电平的翻转，单片机对电平信号检测，根据按键引脚的不同，执行响应的功能，按键模块的流程图程序图如10所示。图10按键读取流程图4.1.4AD子程序设计烟雾采集是通过烟雾传感器输出模拟电压，通过ADC0832进行数字量的转化，将烟雾传感器的模拟量转换为数字量[7]。A/D转换程序流程如图11所示。图11AD转换流程图4.1.5温度采集子程序设计温度传感器初始化之后，等待单片机寻址命令，命令不识别则一直等待，命令识别后，开始读取温度，放入内存单元中。温度程序流程如图12所示。4.2Proteus软件程序仿真仿真设计前需要仿真软件的操作使用，本次仿真使用Protuse仿真软件，Protuse仿真软件是英国公司LabCenterElectronics出版的EDA软件，在本款软件器件库内编辑了上万种器件，对于设计调试工作非常方便，因此受到广大的老师、学生、单片机设计工作者的喜爱[9]，Protuse仿真界面干净整洁，软件界面十分友好，最上一行为菜单栏，左侧为快捷的工具栏，将所需器件用线接好如图13所示。将所有的器件连接完毕之后，进行程序的下载，点击仿真图中的单片机，就会出现编辑元件的框图属性，在属性中下载程序，选中程序后，点击确定，程序下载完毕。将温度设置为38度，烟雾浓度为61ppm,如图14所示。图12温度读取流程图图13仿真接线图通过设置键，加、减按键来改变自己对温度和烟雾浓度的设定值，当温度超过设定值是，此时按下模拟火焰按键，蜂鸣器报警，处于正常值及以下无报警效果，按下模拟红外按键，此时蜂鸣器报警说明有人入侵了，当烟雾浓度超过设定值时，此时通过变阻器阻值的变大来转化成电压的变大信号此时蜂鸣器报警即表示烟雾浓度过高。图14温度烟雾仿真运行图通过调节温度的按钮，观看显示屏测温度值，调整滑动变阻器，观察显示屏的数值，通过测试，所有的功能均可实现，本次的设计是成功的。5全文工作总结本次设计以单片机为核心实现智能化的检测功能与控制功能，通过对传感器的数据的采集，在单片机内部进行运算和逻辑处理，完成控制输出功能，在硬件设计和软件设计的综合应用的情况下，实现智能化系统设计功能要求。在本次的设计中，首先对本次的设计背景进行了描述与分析，以及未来的应用场合和市场的前景进行了概述，明确了设计的功能，对于所应用关键技术部分进行深入的讨论，其次描述了设计的总体思路，在总体设计思路的指导下选择功能器件，并且通过器件型号的对比分析，择优选取，在本文的第三章中，对硬件电路的设计进行全面的展开阐述，从核心的单片机到所应用传感器部件分别进行了具体的介绍，从器件的功能到最后的引脚连接全面进行了说明。在第四章中介绍的软件设计的功能，通过程序流程图的绘制，总体剖析软件设计的总体过程，对各个子程序的流程图设计，展示子程序功能实现的过程，最后在第五章中对于本次设计产品进行综合的调试，在调试过程中发现问题、解决问题。调试中，根据设计思路和运行逻辑进行分部测试，最终呈现设计的功能。设计产品调试运行之后，在单片机的智能控制之下，利用传感器对外部的环境进行采集，实现单片机的智能控制，通过人为的方式改变环境的因素，产品可以合理的分析判断，并且控制输出能够响应及时，总体来说本次设计是成功的。总体来说，本次设计是一个知识综合运用的过程，在设计的过程中，出现了不可预料困难，对于知识的掌握程度有了一个清晰的了解，还存在着不够扎实的情况，对于本次设计而言，仅仅是基本的了解，细节方面还没有做到深入，今后会努力提升自己的知识体系，为今后的工作打下坚实的基础。DesignofindoorsecurityalarmsystembasedonMCUAbstract:Thefunctionofindoorsafetyalarmsystemistoprocessthedataofsinglechipmicrocomputeranddisplayitonthedisplayscreentoachievethefunctionofindoorsafetyalarmbydetectingthechangeoftemperaturestateofeachsensor.Inthispaper,STC89C52single-chipmicrocomputerisusedtocollectlightintensityinformation,USBpowersupplyisused,andsoftwareprogramisusedto