基于单片机的多功能住宅安防报警系统的设计

本科生毕业论文
基于单片机的多功能
住宅安防报警系统的设计
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2012年5月
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基于单片机的多功能
住宅安防报警系统的设计
摘要
本系统以MCS-51系列单片机STC89C52为微处理器设计了住宅安防报警系统。

系统包括硬件和软件设计两个部分，整个系统硬件在软件控制下工作的。

硬件部分包括单片机控制电路、传感器采集电路、驱动执行报警电路、LCD显示电路等部分组成。

该系统制作简单、成本低，功能齐全、安装比较方便，而且安防性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠,另外这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。

该系统将极大改善广大家庭的家居安全环境。

关键词：单片机；传感器；家居安防
Design of the Multi-function Home Security
Alarm System Based on the Single-chip
ABSTRACT
This system with MCS-51 MCU STC89C52 microprocessor design residential security alarm system.The system consists of hardware and software design of two parts, the hardware of the whole system works under software control.The hardware part comprises a single-chip control circuit, sensor circuit, driving alarm circuit, LCD display circuit components. The system has the advantages of simple manufacture, low cost, complete function, the installation is convenient, and the security performance is relatively stable, strong anti-interference ability, high sensitivity, safe and reliable, and the anti-theft device concealed installation, is not easy to be the thief found.The system will greatly improve the majority of the family home security environment.
Key words: SCM; sensor; home security
目录
1绪论 (1)
1.1 课题背景和意义 (1)
1.2 国内外研究现状 (1)
1.3 论文的主要工作和结构 (2)
2系统硬件设计 (3)
2.1 方案选择论证 (3)
2.2 系统总体方案设计 (3)
2.3 数据采集模块 (4)
2.4 单片机控制模块 (10)
2.5 声光报警模块 (14)
2.6 LCD显示模块 (15)
3系统软件设计 (18)
3.1 主程序流程图 (18)
3.2 中断程序流程图 (18)
4软件仿真 (21)
4.1 设计预达到的目标 (21)
4.2 软件仿真效果 (23)
5总结 (23)
参考文献 (25)
附录 (26)
致谢 (34)
基于单片机的多功能
住宅安防报警系统的设计
1 绪论
1.1课题背景和意义
随着我国国民经济和人民生活水平的不断提高，人们的家居生活条件不断得到改善。

由于当今社会城市化进程不断加快，城市人口膨胀，外来人口的增加，城市里建成了大量现代化小区。

另外，加上煤气和家用电器设备使用中的不安全因素等，对居民的生命和财产安全构成了很大的潜在威胁。

经过分析，给居民生命和财产安全带来最大的威胁包括有两大方面，一方面是人为引起的破坏(如盗窃、抢劫、凶杀)，另一方面是自然灾害引起的破坏(如火灾)。

因此，人们迫切需要一种对室内出现的各种紧急意外事件（如发生入室盗窃、火灾等）自动发出报警信息并通知户主进行及时处理的住宅安防系统[1]。

传统的机械式（防盗网、防盗窗）家居防卫系统在实际使用中暴露了很多隐患，除了操作繁琐之外，还没达到安全的效果。

同时，随着社会信息化进程的逐步深入，特别是传感器技术和先进的电子通信技术的迅猛发展，家居生活的网络化与智能化将成为人们新的需求，智能家居系统也由此成为了目前世界范围内的热门的研究领域之一。

智能家居是以家庭住宅为平台，融合了计算机技术，网络通信技术和自动控制等技术，将与家庭生活相关的各种应用子系统有机的结合在一起，为人们提供更加舒适、高效、便捷、安全的现代居住环境[2]。

新的智能型家庭安防报警系统在感应端主要通过磁头、红外、温度、煤气、玻璃破碎等探测器来感应异常的变化，当感应器感应到异常情况时，自动地把警情发送至相关部门和人员，以便得到及时的处理，减少人员伤亡和财产损失[3]。

因此，研究智能家居安防系统很有必要。

本课题旨在开发出能够准确检测是否有陌生人闯入居室、是否有发生火灾的入门级家居安防报警系统。

该课题的研究，符合社会的需求，与同类的智能家居系统相比具有使用简单方便、价格低廉、安装简单等优点，具有广阔的市场前景，同时有利于更好的改善人们生活水平，保障家居人身和财产安全，是一项非常具有研究和开发意义的题目。

1.2 国内外研究现状
在如今互联网经济日益繁荣的时代，小区和家庭智能化的安防建设已经受到越来越多的重视，国外很多知名企业已经能为用户提供带有安防报警系统的智能化的住宅解决方
案，为众多小区和家庭用户提供全面的安全防护和信息服务，其自动化、智能化水平已相
1
当的高。

在国外各大企业研发智能家居安防产品的同时，国内厂商也已开始智能家居安防产品的研发和生产，特别是一些大型IT企业利用自身在资金与技术方面的优势，在低端产品市场上占据了相当重要的地位。

总体来说，由于国内智能安防报警系统起步较晚，相对于国外来说还是有不少差距。

但有些产品，比如家庭智能终端，中国的几个厂商的产品已经做的很好了，不但外观漂亮，而且功能齐全，与国外的品牌相比非常具有竞争力，比如海尔和联想公司出的家庭智能终端。

由于目前国家尚没有正式颁布相关的行业技术标准，厂家采用各自不同的技术解决方案，这在某种程度上制约了我国家居安防行业的发展，在今后相当长一段时问内技术的整合趋势将形成统一的标准。

另外国内建成的智能安防系统大部分采用的是有线通信技术，系统设计、施工成本较高，基于无线通信技术的家居安防系统目前还处于起步阶段，具有广阔的发展前景。

1.3 论文的主要工作和结构
本设计研究的内容是以单片机为主要控制元件，利用热释电红外传感器实现对住宅陌生人的入侵检测，利用温度传感器实现对火灾的检测，利用LCD12864液晶屏显示当前的安防信息。

当出现警情时，通过单片机控制报警电路完成警情的声光报警，并在LCD显示屏上显示警情种类，用户可以根据安置场所可能出现的警情种类，开启合适的报警器开关，以达到针对性的布防效果。

本系统制作简单、成本低，功能齐全，安装方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。

它是可以广泛应用于小区住宅、酒店、仓库等领域的多功能安防报警系统。

论文各章内容安排如下：
第1章绪论部分阐述了课题研究的背景和意义，随后分析了国内外在该方向的研究状况，最后归纳了本论文的工作和各章内容安排；
第2章系统硬件设计中首先论证了方案的设计，介绍了系统总体设计方案，最后介绍了各个硬件模块的具体设计；
第3章是系统软件设计，首先给出了系统的主程序流程，具体阐述了单片机初始化及程序流程；最后介绍了传感器中断程序的设计及流程图；
第4章软件仿真部分介绍了本设计的系统的开发环境以及所要达到的预期目标，并介绍了Keil软件设置流程，以及仿真的效果图；
第5章总结本论文主要完成的工作，同时指出本设计的优点以及对下一步工作的展望。

2
2系统硬件设计
2.1 方案选择论证
家庭安防报警系统一般包含几个部分，具体可分为：红外入侵检测报警，火灾报警，煤气泄漏报警三大块。

该系统设计方案有以下两种：
方案一；利用某一种传感器和微处理芯片以及一些外围功能电路完成对某一种警情的报警，这样的系统功能单一，成本高，扩展性不强，只能对某一种突发情况进行报警。

方案二：将多种传感器结合在一起，各自有自己的独立开关，可根据需要选择接入的传感器类型。

当传感器电路检测到家庭出现安全隐患时，把检测结果送入微处理器，通过微处理器控制报警灯和高音报警器的开启，并将发生的警情信息显示在显示屏上。

通过比较，方案二能满足我们的多样化需求，更加人性化，更加简单有效，故本设计选择方案二。

2.2 系统总体方案设计
本设计包括硬件设计和软件设计两个部分。

硬件模块划分为数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块、LCD显示模块、键盘（开关）控制模块。

系统总体结构框图如图2-1所示：
数据采集模块
单片机控
制模块
LCD显示模块
声光报警模块
键盘（开关）图2-1 系统总体结构框图
就此设计的几个模块来说，单片机是设计的中心模块，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。

单片机应用系统也是有硬件和软件组成。

硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。

单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。

从设计的要求来分析该设计需包含如下结构：电源、传感器电路、单片机控制电路、铃音报警电路、复位电路、LED灯、键盘（开关）、LCD显示组成，其中电源模块采用3节5号电池来提供。

它们之间的构成框图如图2-2所示：
3
4 热释电红外传感器
STC89C52
单片机
LCD 显示模块
铃音报警电路
键盘（开关）
温度传感器LED 灯
复位电路时钟电路
图2-2 系统详细设计框图
处理器采用51系列单片机。

整个系统是在系统软件控制下工作的。

设置在监测点上的各种数据采集模块将原始信息转化成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL 电平至单片机。

在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出报警状态控制信号。

驱动电路将控制信号放大并驱动声光报警电路完成相应动作。

当报警延迟5min 后自动解除，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路可使系统复位。

本文设计中应用到的探测器主要包括如下两个：红外对射传感器、温度传感器。

以小区内一典型住宅为例，各个探测器的安装示意图如图2-3所示： 桌子
灶
台
水
池1
储物室储物室副卧室
主卧室卫生间
客厅厨房1
22
1
212热释电红外传感器温度传感器22
图2-3 探测器安装示意图
2.3 数据采集模块
数据采集模块完成系统警情数据的采集，它由一些传感器及其外围基本电路构成。

该模块包含两个单元模块，一个是热释电红外传感器单元，另一个是温度传感器单元。

前者
5 负责陌生人的入侵检测，后者负责火灾的检测。

2.3.1 热释电红外传感器单元
热释电红外线(PIR )传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。

是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。

它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出，将这个电压信号加以放大、比较整形后输送给单片机使其驱动各种控制电路。

图2-4示为热释电红外传感器的内部电路框图： GND 偏置电阻S
D
电容
场效应管传感器封装内部电路
光学透镜
图2-4 热释电红外传感器的内部电路图
（1）PIR 的原理特性：
热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，来抑制由于自身温度升高而产生的干扰。

由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。

人体辐射的红外线中心波长为9—10um ，而探测元件的波长灵敏度在0.2—20um 范围内，几乎是稳定不变的。

传感器顶端有一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7—10um ，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是由于两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，这样就不能抵消，产生电压差值，这个差值经信号处理而输出电压信号。

热释电红外传感器输出的检测信号很小。

要经过放大、比较等几个环节才能输出控制信号。

使电路执行相关动作。

热释电红外传感器控制电路就是根据检测信号的特点和输出信号的要求，完成上述功能的电路。

本套系统采用通用原件构成热释电红外传感器的控制系统[5]。

下图2-5是控制电路的结构框图：
低频放大比较整形Vi Vo
图2-5 控制电路结构框图
本设计所用的热释感器就采用双探测元的结构。

其工作电路原理及设计电路如图2-6所示, 在VCC电源端利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。

当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过NPN的转化，输出OUT为低电平。

RS
Y2
Y1
R1
R2
C2
C1
R3
R4
Q2
NPN Q1
FET
Vcc VCC
3v12v
OUT 图2-6 热释电红外传感器原理图
（2）菲涅尔透镜：
目前人体验知系统中的光调制器一般都采用多元阵列式菲涅尔透镜，它起到红外辐射收集器和调制器的双重作用。

热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。

加装菲涅尔透镜可使传感器的探测半径从不足2m提高到至少8m范围。

菲涅尔透镜实际是一个透镜组，每个单元一般都只有一个不大的视场，且相邻的视场既不连续，也不交叉，都相隔一个盲区(如图2-7所示)。

这样，当人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器上，形成一个不断交替变化的盲区和亮区，使得敏感单元的温度不断变化，传感器从而输出信号，或者说，人体在监控范围内活动时，进人一个视场后，又走出这个视场，再进人另一视场对传感器而言，相当于一会儿看到人，一会儿又看不到人，人体的红外线辐射不断改变传感器的温度，使之有一个又一个相应的电信号。

菲涅尔透镜不仅可以形成亮区和盲区，而且还有聚焦作用，其焦距一般在5cm左右。

菲涅尔透镜一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白色半透明状，传感器加装了菲涅尔透镜后可以有效增加传感器的检测范围，菲涅尔透镜的实物图如附图1所示。

另外，需要说明的是：传感器模块在每次接通电源时，传感器要有几秒到十几秒的“预热”时间，在这段时期内该传感器不起作用。

菲涅尔透镜的示意图如下图所示：
图2-7菲涅尔透镜示意图
（3）本设计采用HC-SR501模块，如附录一图1-3所示。

该模块是基于红外线检测技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778红外感应探头设计，感应部分应用菲涅尔透镜对感应范围进行放大，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电气设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。

HC-SR501人体感应模块电气特性：
①工作电压范围：直流电压4.5-20V；
②静态电流：<50uA；
③电平输出：高3.3V/低0V；
④触发方式：L（不可重复触发）/H（重复触发）；
⑤感应角度：<100度锥角；
⑥工作温度：-15—+70摄氏度；
⑦触发时间：5-200S(可调)可制作范围零点几秒—几十分钟。

HC-SR501模块功能参数：
①全自动感应：人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

②两种触发方式（可跳线选择）：
a、不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；
b、可重复触发方式：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，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。

③封锁时间(默认设置：2.5S 封锁时间)：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成
低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。

此功能可以实现“感应”。

2.3.2温度传感器单元
为了满足本设计需要，该单元选用的是DS18B20智能温度传感器。

它是美国DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

（1）DS18B20的特点：
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

DS18B20的外形及管脚排列如图2-8所示：
DALLAS
18B20
PR-35封装
123
GND DQ VDD
图2-8DS18B20外形及引脚排列图
（2）DS18B20引脚定义：
① DQ为数字信号输入/输出端。

② GND为电源地。

③ VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。

（3）DS18B20的性能特点如下：
①适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

②独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条接口线即可实现微
处理器与DS18B20的双向通讯。

③ DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

④ DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

⑤ 温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

⑥ 可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

⑦ 在9位分辨率时最多在93.75ms 内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms 内把温度值转换为数字，速度更快。

⑧ 测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU ，同时可传送CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

⑨ 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。

DS18B20有寄生电源供电方式和外部电源供电方式，本设计采用外部电源供电方式。

在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD 引脚接入，此时I/O 线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度。

在外部供电的方式下，DS18B20的GND
引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃[4]。

本设计中采用外部电源供电方式，其与单片机的接口电路如下图2-9所示
123
DS18B20VCC
4.7K
R5Res2
P3.6
图2-9 DS18B20与STC89C52单片机引脚连线
DS18B20温度传感器与单片机的接口电路非常简单。

DS18B20只有三个引脚，一个接地，一个接电源，一个数字输入输出引脚接单片机的I/O 口，电源与数字输入输出脚间需要接一个4.7K 的电阻。

系统中的温度传感器可用于检测环境温度，通过温度值的变化来预测火灾的发生。

例如当温度高于50度时，启动声光报警电路，提示用户进行处理。

2.4 单片机控制模块
单片机是整个报警系统的核心部件，一方面它要接收来自传感器的信号，另一方面要对信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。

在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，然后送LCD 显示，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度。

同时，在保证报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够尽可能降低成本，缩小体积。

如今市面上单片机的种类很多，许多厂家都有自己的单片机系列产品。

本设计中只是对各种传感器的采集数据进行处理，在LCD上显示并产生声光报警，功能不是特别复杂，实时性不太强，运算量不是太大，因此选用8位单片机。

该应用还应该考虑单片机的功耗。

满足这两个条件的单片机种类很多，考虑到价格，本人已有的单片机集成开发环境和仿真器等因素，最终选用宏晶公司生产的STC89C52型号的单片机。

2.4.1STC89C52单片机主要性能及结构
STC89C52 单片机完全兼容MCS-51系列单片机的所有功能，并且本身带有2K 的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，它比人们常用的8031CPU 外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单方便等优点，具体如下：STC89C52单片机是最早期也最典型的产品，具有低功耗、高性能的特点，是采用CHMOS工艺的8位单片机。

它在硬件资源和功能、软件指令及编程上与Intel 80C3X单片机完全相同，在应用中可直接替换。

在STC89C52内部有FLASH程序存储器，不仅能用常规的编程器编程，也可在线使之处于编程状态对其编程。

编程速度很快，擦除时也无需紫外线，非常方便。

它为许多嵌入式控制系统提供了灵活、低成本、低功耗的解决方案[6]。

（1）主要特性介绍如下：
①与MCS-51产品指令系统完全兼容。

②封装：PDIP-40（见图2-10）。

③8K的EEPROM功能。

④三个程序存储器保密位。

⑤256×8字节的内部RAM。

⑥用户应用程序空间32K字节。

⑦工作温度范围：0—75℃/-40/—+85℃。

⑧全静态设计，时钟频率范围为0～24MHz、33MHz。

⑨低功耗的待机工作模式和掉电工作模式。

⑩3个可工作于4种模式的16位定时/计数器中断。

⑪ 片内集成8KB 的FLASH 存储器，可反复编程/擦除1000次。

⑫ 工作电压：5.5V-3.4V （5V 单片机）/3.8V-2.0V （3V 单片机）。

⑬ 共3个16位定时器/ 计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用。

⑭ 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

⑮ 通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART 。

P1.01
P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST 9P3.010P3.111P3.212P3.313P3.414P3.515P3.616P3.717XTAL218XTAL119VSS
20
P2.0
21
P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN 29ALE 30EA 31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC 40U2STC89C54RD++
图2-10 STC89C52引脚图
（2）管脚说明：
VCC ：供电电压。

GND ：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8个TTL 门电流。

当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FLASH 编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH 进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P1口缓冲器能接收输出4 TTL 门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为。