【智能化家庭安全安防报警系统的设计与实现（论文）6700字】

PAGEI智能化家庭安全安防报警系统的设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u28825摘要 II294000引言 337721工作原理 3109491.1系统框图 312721.2系统组成部分 311511.2.1硬件部分 3177471.2.2软件部分 4304182硬件设计 4122422.1最小系统电路的设计 4245862.2电源转换电路 5129682.3信号采集与处理电路设计 5292262.3.1火焰采集电路设计 5107512.3.2红外传感器电路设计 525932.3.3甲烷检测电路设计 5211982.4GSM模块电路设计 6321912.5蜂鸣器及驱动电路设计 6280162.6LED指示灯电路设计 637102.7系统总体电路设计 6219823软件设计 8203053.1GSM模块驱动软件设计 8180993.2红外传感器程序流程图设计 9322713.3甲烷传感器程序设计 9259603.4火焰传感器程序设计 1054424整体调试 10269934.1系统软件调试 11167344.2系统硬件调试 12320214.3测试结果分析 12319115结语 1211836参考文献 13摘要本文主要介绍了在家庭生活中存在的安全安防问题以及如何进行预防和报警。本系统应用火焰传感器、甲烷传感器和红外线传感器采集信息，将信息传递给单片机处理，并通过GSM模块进行报警。该系统可对家庭中可能产生的：火灾、甲烷泄漏、以及生人闯入等隐患进行提醒。具有反应灵敏、无人监管、远程提醒、安全可靠的优点。关键词STC89C52；火焰传感器；甲烷传感器；红外线传感器；GSM0引言在人们的日常生活中，安全一直都是人们担心的问题。随着科技的发展，经济水平的不断提升，人们居住的环境越来越密集，环境的复杂程度也越来越高。在日常生活中，电器和智能化设备使得家庭中需要使用电力的物品越来越多，引起的安全隐患不可忽视。家庭安全问题主要分为三个方面：火灾、异常气体和被偷窃，因此很需要一款检测设备对这些问题进行检测，而市面上这些设备都只有其中一种功能，并且价格较高，存在信息传递不及时等问题。所以利用单片机设计一个功能齐全的家庭安全安防报警系统成为了一种可能。与其他系统相比，它安装方便，占地面积不大，能够提供较为强大和丰富的功能，另一方面，由于其价格比较实惠，因此在未来将有巨大的应用空间[1]。对保障居民的生命和财产，提高公安、医疗等部门的应急能力具有不可小视的重要性[2]。1工作原理1.1系统框图智能化家庭安全安防报警系统总体结构如图1所示。图1智能化家庭安全安防报警系统框图系统以STC89C52单片机芯片为核心，使用各类传感器采集信号并传递给芯片，由芯片判断信号来执行相应的操作。在充分利用红外传感器功能的基础上检测是否有人进入；能够通过对火焰传感器进行利用，从而判断是否出现着火点；能够通过使用甲烷气体传感器，进一步检测检测区域内是否存在甲烷或相关气体，如果各类传感器检测到其所需的信号，则蜂鸣器进行报警；反之则不报警。一旦在检测区域出现人为非法闯入的情况，传感器的黄灯将会持续闪亮，并会及时向使用者手机发送预警信息：Someone；一旦在检测区域内出现火焰，传感器的绿灯将会持续闪亮，并会及时向使用者手机发送预警信息：Fire;一旦在检测区域出现甲烷或相关气体，传感器的蓝灯会持续闪亮，并会及时向使用者手机发送预警信息：Gas，上述预警信息均以英文形式进行发送。1.2系统组成部分1.2.1硬件部分硬件部分由电源模块、单片机最小系统模块等多部分组成。电源模块由自锁开关、5VDC电源以及电源二极管组成。单片机控制模块由STC89C52芯片、晶振、复位开关等组成。传感器电路模块包含多个电路内容，包括，火焰传感器模块电路、甲烷传感器模块电路等在内。1.2.2软件部分系统的成熟软件是确保传感器能够发挥性能的重要保障，软件包括两个程序，分别是底层驱动和应用程序[3]。系统以单片机实时操作系统为软件开发系统，以KEIL软件为开发环境。系统程序可以划分为以下几个软件层：其中，底层软件的功能必须依托于KEIL内核。承担的功能主要是确保能够及时为系统提供通信服务，提供定时管理服务等功能。中层软件的功能和作用主要是对芯片进行全方位管理，对通信程序进行精密化管理等；外层的价值是为用户提供程序编写的功能。程序的编写不仅需要外层软件功能的支撑，还需要其他两层软件提供的调用程序的技术能力[4]。2硬件设计2.1最小系统电路的设计STC89C52芯片功能的实现离不开强大的存储器系统，作为单片机最小系统，无需额外借助复杂的电路就能够实现功能的发挥。只需将系统RST电路和TIME电路进行连接，就能够实现其所需要的功能，如图2所示。此外，最小系统功能和使用范围具有一定的局限性，只能应用于较为简单的控制系统。如果想要实现更为多元，更加复杂的功能，需要外界电路的支持和配合[5]。STC89C52芯片正常运行的工作电压一般为不低于4.8V、不超过5.2V的范围内。芯片内部涵盖了一定的存储空间，能够实现较为简单的存储功能。部分引脚的功能较为丰富。这类芯片的程序调用高度匹配8051MCU的特点[6]。除了在使用上具有一定优势外，这一系统价格实惠，项目编程难度系数较低，在运行过程中的稳定系数较高，因此也被广泛适用于实践领域中。下图2直观体现了最小系统引脚图输入输出接口图[7]。图2STC89C52单片机引脚图图3最小系统电路图.STC89C52单片机最小系统：系统内部本身拥有一定的存储功能。因此，由这一单片机组成的系统在操作上较为简单，直接占地面积较小。与其他系统相比，这种单片机系统的工作性能很难出现波动情况，质量较优，价格较为实惠。另一方面，受到板子大小等条件的限制，最小系统功能和使用范围具有一定的局限性，只能应用于较为简单的控制系统中。如果想要实现更为多元，更加复杂的功能，允许引入外部电路予以支持和配合[8]。2.2电源转换电路本控制系统所需要的电源均采用5V直流电源，所以可以直接使用市面上流通的手机适配器连接USB插口对整个系统供电，这样可以保持电源稳定且成本低。当电源上电时，可以通过白色LED灯判断电源是否供电。2.3信号采集与处理电路设计2.3.1火焰采集电路设计在本电路的设计过程中，为了进一步提高设计效果，笔者通过合理的手段对模块进行设计，能够实现对760nm~1100nm范围内波长的光源信号进行检测。其工作原理是充分发挥红外线接收管对火焰的应激反应，把火焰信号转换成单片机可以检测并处理的信号，当单片机设定的管脚输出低电平则代表检测到火焰，反之则没有。设计效果的实现需要借助精准的数据信号，因此为了进一步提高设计的总体效果，笔者增加了LM393比较器，使其输入引脚和传感器的输出引脚进行相连。一旦检测区域检测到火焰情况时，比较器的输出管脚会被降低，从而发出火焰的预警信号。如图4。图4火焰传感器设计原理图对上图设计图进行分析可以发现，4号，3号引脚分别连接VCC和GND，2号、1号引脚是数字和模拟信号的输出。想要实现数字信号的输出功能，必须将2号引脚和单片机口进行连接。2.3.2红外传感器电路设计本设计采用的红外传感器对于光线强度的调整具有明显的应激变化能力。作为一个对光线反应程度较高的传感器，机器内部涵盖了两个模块，分别是红外线发射和反射红外线接收模块。当模块功能被启用时，使模块向外发射红外线，如果红外线遇到遮挡物，无法继续发射，反射光线会由接收管负责接收，从而给单片机提供准确的信号，为下一步的精准处理工作提供依据。模块正常工作的电压一般为不小于3.3V、不超过5V的范围内。系统采用的电源提供的电压为5V，因此可以直接供电。在设计电路中，如果出现检测到遮挡物的情况时，P32输出情况为低电平，如果没有检测到遮挡物的时候，P32输出的情况为高电平，由于输出的信号本身就是数字信号，因此无需额外增加转换电路，如图5。图5红外硬件接线图图6甲烷传感器硬件接线图2.3.3甲烷检测电路设计本设计的运用原理是一旦检测区域有甲烷气体时，甲烷气体含量的提升会进一步提高系统的导电率。和其他传感器相比，此类传感器具有明显的应用优势，对外界气体的应激程度较高，具有较强的抗干扰能力，性能较为稳定，短时间内不会出现设备老化的情况，被广泛适用于应用领域中，如图6。对图中的设计思路进行分析和研究，可以发现4号、3号引分别脚连接到VCC和GND，2号、1号引脚分别是数字和模拟信号输出，想要实现的数字信号输出的功能，就必须把二号引脚和单片机口进行连接。2.4GSM模块电路设计作为一款尺寸较小，占地面积不大的模块，电路采用SMT封装，基于STE的单芯片案，采用ARM926EJ-S架构,性能强大，因此选用SIM900A作为GSM/GPRS模块的芯片[9]。可负载功率较低的条件下提供数据传输和传真等功能。另一方面，这类电路的使用耗能较低，在休眠条件下，电流消耗较小，另外，模块内嵌TCP/IP协议，可以让用户很容易使用。SIM900A模块若要稳定的工作，则要有匹配的外围电路搭配，如图7，电路的搭配设计主要涵盖了四个引脚，其中两个信号线和单片机引脚相互连接。为了进一步提高本设计的功能和实用性能，运用到了SMS与TCP功能，外围电路主要涵盖电源电路、SIM卡电路等。图7GSM模块硬件接线图图8蜂鸣器及驱动电路2.5蜂鸣器及驱动电路设计为了进一步提高本设计的实用价值，笔者选择了5V有源蜂鸣器[10]。单片机的管脚输出电流不大，难以为蜂鸣器提供足够的电磁。因此需要增加其他电流放大电路。并设计了如图8的电路图。其中为了进一步放大电路，在本设计过程中选择了S9012三极管。1号、2号管脚分别连接电源VCC和单片机引脚，3号引脚连接蜂鸣器正端。二号管线接入高电平后，三极管未被正式启用，蜂鸣器此时并无电源接入；2号管线接入低电平时，蜂鸣器此时有电源接入，能够发出声音。如果继续给2号管线接入高电平，蜂鸣器依旧处于无电源接入状态。2.6LED指示灯电路设计这类指示灯占地面积不大，拥有较为稳定的使用性能，在短时间内不会出现设备落后的情况。基于LED灯的优势，在本设计过程中，笔者利用这种灯作为信号指示灯。电灯电路内进行串联，当引脚发出低电平时，LED灯亮起，反之则不亮。2.7系统总体电路设计系统总体电路设计如图9所示图9系统原理图3软件设计在本系统的设计过程中，充分利用Keil软件对程序进行重新编写和调整。进一步提高软件的功能，可以选择加具有优势的C语言进行程序编写[11]。系统的运行框架是系统通电后，对模块进行初始化处理，如果器件出现损害的情况，系统无法有序运行，在此基础上系统会有序的对数据进行采集，如果目标数据本身具有一定的准确度，将数据传输给上位机进行进一步处理。系统运行流程图如图10所示。软件处理过程如图11所示。图10系统运行流程图图11信号处理软件总流程图3.1GSM模块驱动软件设计这一模块能够确保系统能够实现远程报警的目标。如果参数超过预期设定的标准，报警信息会被自动编辑成短信并发送到用户手上，使预警信息的传递更加具有时效性，提高系统使用的便捷度和有效度[12]。本设计系统的功能是，一旦检测家庭出现安全问题时，设备会通过利用GSM模块的功能，及时向用户发送预警信息。图12是短信接受流程图。图12短信接受流程图图13红外传感器模块软件运行流程图3.2红外传感器程序流程图设计系统程序功能的实现必须利依托于信号查询的方式。第一系统会向外发出触发信号，并由传感器对外发送红外信号。如果红外信号出现反射情况，系统会对红外线反射的时间差值进行精准计算，通过对距离值进行精准判断，从而确定是否存在遮挡物的情况。该模块运行流程如图13所示。`通过对图表内容进行分析可以发现，系统接通电源后，会对模块进行初始化处理，传感器会对外发送红外信号。如果红外信号出现反射情况，系统会对红外线反射的时间差值进行精准计算，通过对距离值进行精准判断，从而确定是否存在遮挡物的情况。3.3甲烷传感器程序设计本系统采用的控制系统模块利用甲烷传感器进行检测。检测原理是把获取的甲烷信号转化为电压信号，比较器会将信号和阈值作出详细对比，在此基础上，进一步判断存在不存在甲烷信号，如果传感器输出的电压达不到阈值电压值，比较器会将低电平输出给单片机，反之，会将高电平输出单片机。单片机如果接收了低电平，可以判断检测区域存在甲烷信号，并会自动开启自动预警模式，如图14。通过对图表内容进行分析可发现，当系统接通电源后，传感器会对模块进行初始化处理，控制中心会对电平值进行读取，如果是低电平，可以判断检测区域出现甲烷气体，蜂鸣器会自动启动报警模式并作出预警信息的发送。图14甲烷传感器程序运行流程图图15火焰传感器程序运行流程图3.4火焰传感器程序设计本设计的系统信号，主要利用专用火焰传感器，系统的运作原理是将火焰信号转化为电压信号，被及时输送到比较器中。通过对电压信号和阈值做详细对比，从而判断是否存在火焰信号。一旦存在火焰信号，会表明传感器输出电压达不到阈值电压的水平，反之，比较器的火焰信号会超过高电平。如果单片机能够接收到低电平，则意味着检测区域有火焰情况，系统会启动报警模式，如图15。通过对图表内容进行分析，可得知，系统通电后，会对模块进行初始化处理。控制中心会对电平值进行读取，一旦检测出低电平值，则意味着检测区域有火焰，系统会根据这种情况启动自动报警模式，并及时发出预警信息。4整体调试在顺利搭建完成调试平台后，要对软件功能进行进一步调试。如果软件的所有程序不存在异常问题，需要确保系统的功能能否达到应用要求。若是功能无法达到系统的应用要求和标准，需要对程序进行进一步调试，直到所有的功能均能实现为止，如图16、图17、图18、图19。图16检测到火焰并发送短信图17检测到甲烷并发送短信图18检测到有人并发送短信图19系统整体调试4.1系统软件调试软件调试步骤如下：在菜单栏中单击“工程”，并输入工程文件名“智能化家庭安全安防报警系统”，并进行保存。器件选择“Atmel”目录下的“AT89C52”。重新构建空白文本，在新建的文本中进行源代码编写。将编写好的程序进行保存，并将文件名称命名为“智能化家庭安全安防报警系统.c”。程序保存后，对编写的程序进行编译和调试。单击编译按钮，系统会对程序进行编译，定会对出现的错误进行提示。按提示找出错误，并进行修改，直到没有错误为止。图20软件调试图21提示信息4.2系统硬件调试当上文的程序编译没有出现异常情况时，可以将程序录到单片机中，并对设计功能能否满足预期需求进行进一步判断。。（1）信号源采集并功能验证：系统功能的实现需要对多个信号源进行采集。当系统通电后，所有模块会进行初始化处理，待模块初始化正常并完成后，对各个信号源进行采集。打火机火焰靠近传感器时，机器信号灯会闪亮，并且LED绿灯被点亮，蜂鸣器发出声音，说明火焰传感器采集到火焰信号，并工作正常。甲烷传感器对甲烷等异常气体敏感，而打火机的气体成分也是由甲烷等构成，所以使用未成功点燃的打火机靠近甲烷传感器，此时传感器上的信号灯亮起，并且LED蓝灯被点亮，蜂鸣器发出声音，说明甲烷传感器采集到甲烷信号，并工作正常。红外传感器只要被遮挡就会传递信号，所以当红外传感器被遮挡时背部的红灯亮起，并且LED黄灯被点亮，蜂鸣器发出声音，说明红外传感器采集到信号，并工作正常。（2）GSM发送短信功能验证：经过上述验证环节后，如果传感器检测到有人为闯入的情况，则LED黄灯并且GSM连接的LED黄灯点亮，同时GSM模块发送短信：Someone；如果传感器检测到有火焰的情况，绿色的灯会常亮，GSM连接的黄灯点亮，并发送短信：Fire；如果传感器检测到有甲烷气体，LED灯会出现蓝灯的情况，GSM连接的黄灯点亮，并发送短信：Gas。4.3测试结果分析在测试过程中，受到实际环境条件、测试步骤和测试设备等因素的影响，测试结果可能存在不全面，不真实的情况。例如在本设计中，如果采集到不正常的信号时，系统子程序会存在延时的情况，会使采集的数据出现不精准的问题。为了将信号数据的误差值控制在较小范围内，通常采用以下几种方法进行调整和优化。通过去图书馆收集资料的方式获取；以理论推导等方式获得；经过多次严谨的实验和研究进行获取。可以通过查找技术首次的方式，对传感器的环境参数进行调整和修正。利用子程序进一步提高系统运行的准确度和科学性。5结语此次设计中，利用STC89C52单片机作为控制器和主要硬件，通过对火焰传感器、甲烷传感器以及红外线传感器的控制以及对其传输过来的信号处理，实现对火焰、甲烷气体、以及非法闯入等信息进行充分地判断与应对。通过使用GSM模块将单片机处理过的信号发送至指定的手机号码进行准确的报警。此次设计通过单片机完成对整个过程的监督与报警，减少了实际的操作难度，提供了更加精确的信息。并且此系统能够稳定的长时间运行，更加便捷。参考文献亢健，陈亚栋，任秀伟等.家用电器远程控制系统的设计与实现[J].微型机与