家庭智能安防系统的设计、安装与调试

安徽三联学院毕业论文

家庭智能安防系统的设计、安装与调试

摘要：随着家用电器和管道燃气进入千家万户，所带来的使用不正确和设备质量问题，从而导致燃气泄露、火灾问题频发，成为威胁广大人民群众生命财产安全的重大隐患。本文从家庭安防角度出发，试图设计智能安防系统。本文所涉及的家庭智能安防系统突破性的加入了火灾报警、燃气泄露报警等监控模块，当室内烟雾浓度或燃气浓度达到危险报警值时，发出报警信号。并能迅速采取应对方法，将造成的损失降到最低。此外该设计还增加了防范非法入侵报警功能，是名副其实的智能安防系统。

关键词：智能安防；危害；监控；报警；

1

Design, installation and debugging of the smart home

security system

Abstract: As household electrical appliances and gas pipelines into homes, it brings about by the use of incorrect and equipment quality problems, resulting in gas leakage, frequent fire problem, became a threat to the people life and property safety hazard. from the perspective of family security this article tries to design intelligent security systems.In this paper, the home intelligent security systems involved breakthrough joined the fire alarm, gas leak alarm monitoring module, such as when the room smoke concentration or gas concentration to dangerous alarm value, the alarm signal. And rapidly take response to minimize losses. In addition the design also increased the against illegal intrusion alarm function, and it is truly intelligent security systems. Keywords：intelligent security; Harm; Monitoring; Call the police;

目录

1.前言 (1)

1.1课题的来源及背景 (1)

1.2家庭智能安防系统现状调查 (1)

1.2.1家庭智能安防系统的发展过程 (1)

1.2.2家用智能安防系统在国内的发展情况 (2)

1.3研究内容和意义 (2)

1.3.1研究内容 (2)

1.3.2研究意义 (2)

2.方案论证 (3)

2.1系统概述 (3)

2.2方案分析 (3)

2.2.1检测电路 (3)

2.2.2 A/D转换电路 (4)

2.2.3控制芯片的选择 (4)

2.2.4显示电路的选择 (4)

2.2.5键盘电路、报警电路的选择 (4)

2.2.6排气电路的选择 (5)

2.3系统方案的确定 (5)

3．家用智能安防系统的硬件设计 (6)

3.1检测电路模块设计 (6)

3.1.1火灾、燃气泄露检测电路的设计 (6)

3.1.2非法入侵电路 (7)

3.1.3信号放大电路 (8)

3.2 A/D转换电路设计 (8)

3.3单片机控制模块设计 (11)

3.3.1时钟电路与复位电路的设计思路 (13)

3.4系统监视模块 (15)

3.4.1 8255A接口电路 (15)

3.4.2 声音报警电路 (18)

3.4.3键盘电路 (18)

3.4.4 显示电路 (19)

3.4.5 排气电路 (19)

3.4.6 小区联动 (20)

4.安装与调试 (21)

4.1非法入侵报警模块的安装与调试 (21)

4.2气体烟雾报警模块的安装与调试 (22)

结论与展望 (23)

参考文献 (24)

1.前言

1.1课题的来源及背景

房地产业的迅猛发展推动着智能化住宅技术向普通家庭发展延伸。建筑领域中，家庭智能报警系统是与普通百姓住宅安全最息息相关的领域，家庭智能报警系统保障了家庭的安全。家庭安全系统是家庭智能化系统，是最常见的系统。家庭遇到最多的灾难当属火灾、燃气泄露以及非法入侵，新闻媒体几乎天天都会报道发生在我们身边的安全事件。这些危险信号提醒人们，想要迅速寻找一种合适的方式防范此类风险，达到安全防范的目的，从而保障人民群众生命财产安全，构建和谐社会。

家庭智能安防系统顺应着时代的潮流而研制出来，日益被人们所接受。结合不断出现的新危险、新威胁，家庭智能安防系统也在不断升级改造之中，在结构、功能、使用便利性等方面不断改善。伴随着科技的更新换代和世界经济的发展脚步，市场急需一种集火灾报警、燃气泄露和非法入侵于一体的，具备安装便利、使用简单、可靠耐用的新型智能化安防系统呼之欲出。本文论述尝试设计一款全新智能安防系统，集信号探测、传输、处置和控制于一体的控制系统，在现有产品基础上有所突破和创新，待成熟后尝试推向市场。

1.2家庭智能安防系统现状调查

1.2.1家庭智能安防系统的发展过程

从家庭智能安防系统的发展过程来看，第一阶段的系统功能单一，电路简单，但是维护比较复杂。第二阶段为总线型安防系统。这一阶段的安防系统较之前的系统有了很大的改进和提升，部分采用了微处理器控制信号。检测电路和各模块通过总线域控制器相连，检测电路采用开关量作为输出形式。通过改变模块的联动方式，实现较复杂的系统控制。此类系统在生产设计时就考虑到了系统自我检查和对外围元器件故障的检验。报警功能和控制功能较为先进，安装较为简便。

第三个阶段是智能安全报警系统。由于采用先进的计算机控制技术,智能程度提高,调节传感器输出信号也智能化。检测灵敏度随着环境参数的变化而自动调整。这些智能化的设定可以提高系统的准确性，降低误报几率。

1.2.2家用智能安防系统在国内的发展情况

自上世纪80年代开始，国有科研单位和军工企业在这一阶段就较早的进入这个行业，不少中外合资企业和民营企业也进入这一领域。这一时期，国营亚光电工总厂、322研究所、“盼盼”安全门等企业在中国安防行业中开花结果。

发展阶段（1993年—2000年）。这一阶段，安防产品的应用领域愈加宽广。在公安部的推广下，家庭用防盗门和保险柜走入千家万户，成为普通百姓都能选用的安防设备。伴随着安防行业逐渐进入公安、金融、政府单位、文化博览等行业，工程企业在这一时期获得了较快的发展。

壮大阶段（2001年至今）。安防应用的社会化、民用化水平逐渐提高，信息技术、家用电器、电子信息等行业与安防系统的协调发展，"大安防"的市场格局逐渐显示出来。安防系统走向模块化、智能化、网络化、集约化、自动化发展的新道路

1.3研究内容和意义

1.3.1研究内容

AT89C51单片机是目前应用较广泛的单片机。本次系统设计采用此单片机作为控制单元。当检测电路对火灾、燃气泄露和非法入侵等危险情况发出报警信号时，执行报警程序，辅以相应的控制任务。本文有一下几部分，传感器及检测电路、模数转换电路、显示电路和控制电路等。

1.3.2研究意义

随着我国经济的迅猛发展，人民生活水平日益提高，各类家用电器走进千家万户。由于使用不当或者设备老化所引起的火灾，燃气泄露，燃气爆炸，入室行窃等危害也越来越多。为了防范此类隐患，对危险因素进行有效控制，家用安防系统就是运用单片机等微控制技术，将检测、报警、处理的能力进行有效整合，给家庭住宅撑起一把保护伞。。

2.方案论证

本文为描述了家庭安防系统的设计思想和改进思路。利用单片机实现控制。传感探头用烟雾、气体、温度进行采集转换成模拟信号，利用转换电路将模拟信号转变为数字信号后送到单片机进行处理，向外输出报警、显示等信号。还可根据之前设置的数值报告危险等级。具体的论证方案如下:

2.1系统概述

利用灵敏性高、可靠性高的检测电路，对火灾、燃气泄露和非法入侵等危害进行检测，并及时有效的报告给主人。做到及时发现，及时控制，达到减少灾害的目的。目前市场上的安防系统有以下优势:

1.安防系统采购渠道广，在任何大型数码商场都能买到。类似淘宝网等电商平台也有大量的安防设备出售。家庭用户应选购到性价比高的产品。

2.一般家庭所采购的防盗门，视频监控设备等安装简单，人们就可按照说明书的指示完成安装调试工作。具备电脑操作常识的人还可操控视频监控平台。

但是，在具有以上优势的同时，目前的家用安防系统也存在以下不足:

安防设备市场鱼龙混杂，少数商家以次充好，虚标参数。缺乏专业鉴别能力的消费者往往不能挑选到合适的产品，而且售后维护不能得到保障。

3.安防系统漏报、误报事件时有发生。缺乏规范指导下生产出来的产品质量较差，对危险情况下的判断缺乏准确性，给用户使用带来很多的困扰。

2.2方案分析

由之前对此类产品的分析可知，在此产品的设计中，需要包含检测电路、A/D 转换电路、控制电路、显示电路、报警电路、排气电路、键盘电路等必备模块。下面将对各部分电路一一分析：

2.2.1检测电路

检测电路的核心是传感器。有针对性地选择的传感器将分别对火灾信号、燃

气信号和非法入侵的信号进行检测。

目前市场上主要有四种类型的传感

器，分别是温度感应型、烟雾感应型、

光亮感应型和声音感应型。为了精确的

检测到火灾险情并及时发出报警信号，对火灾险情选用烟雾传感器作为检测设备。（起火过程曲线图如下图2-1所示）图2-1起火过程曲线图

根据市场应用的烟雾报警器性能及价格，故选用QM-N5型传感器对烟雾及可燃气体进行检测。选用半导体传感器最符合本次设计的要求，半导体型传感器与其他类型传感器相比，有以下几点优势：

1.结构简单、精细

2.动态性能指标好，灵敏度高

3.功耗低

4.可靠性好

5.集成化、智能化水平高

针对非法入侵所带来的危害，采用红外检测电路进行有效的探测。红外传感器是通过远红外线技术，对人体散发出来的热量进行检测，可以感知热量的移动。

2.2.2 A/D转换电路

由于采集的烟雾和气体信号为模拟信号，需要通过转换电路将模拟信号转换为数字信号，从而输入到单片机控制系统中。本文所涉及的电路采用应用最多的逐次逼近式模数转换器。逐次逼近式模数转换器主要包含D/A转换器、比较器、输出锁存器、移位寄存器和控制逻辑等五个部分。

2.2.3控制芯片的选择

控制芯片是智能系统的核心，它的重要性就像人类的神经中枢，支配着整个身体的运动。本次选用的单片机是AT89C51，它是整个系统的控制核心，是它的大脑。

2.2.4显示电路的选择

显示电路的目的是将控制器需要展示出来的信号向用户进行一个直观的展示。同时在设定系统参数时对设定值有一个反馈。结合实际情况，本次所设计的显示电路采用了8段LED显示器作为显示电路。

2.2.5键盘电路、报警电路的选择

键盘是整个控制系统的重要输入设备，可设置火灾报警等级和燃气泄露等

级。本文所设计的键盘电路采用3×4矩阵键盘作为硬件设备。

报警电路是住宅内发生各种险情后经控制器处理发出的警报。通过扬声器将险情发生的信号告知业主，使业主及时的采取相应措施控制其带来的危害

2.2.6排气电路的选择

当室内发生火灾、燃气泄露等险情时，通过排气电路控制的排气扇，将室内的危险气体排出至室外，降低室内温度和有害气体浓度，达到减少灾害的目的。

2.3系统方案的确定

根据各个电路的使用安排，结合产品的性能指标和采购性价比，可以确定以下方案为本次设计的最终方案。以AT89C51为控制核心，实现火灾、燃气泄露和非法入侵的危害报警和简单处置，将系统设计框图如下表示：

图2-2系统设计方框图

3．家用智能安防系统的硬件设计

3.1检测电路模块设计

探测电路是报警系统中密不可分的。它的灵敏度和可靠性直接关系到整个报

警系统的技术性参数，是此系统成功与否的关键。所以，完成一个效率高、可靠

性好的检测电路是一项尤为重要的设计工作。本文所设计的检测电路分为三个部

分，分别是探测烟雾信号的火灾监测电路，探测气体成分的燃气泄露检测电路，

利用红外线探测非法入侵的检测电路。

3.1.1火灾、燃气泄露检测电路的设计

根据实际情况，本文所设计的系统采用国产QM-N5型气敏传感器来探测火灾

及泄露的气体。以SnO 2为基本材质的QM-N5型气敏传感器是N 型半导体气敏元件。

传感器检测到可燃性气体或烟雾时，能有效地进行数据分析，并进行报警提示。

具有灵敏度高、安全可靠，响应和恢复时间快的特点，具有以下优点：

1、用于可燃性气体及烟雾的检测(烷烃、一氧化碳等)

2、响应速度快、恢复速度快

3、灵敏度高

4、工作状态稳定、可靠性高

它的技术性指标如下变所示：

表3-1 QM-N5型气敏传感器的主要技术指标 加热电压（Vh ）

AC 或DC 5±0.2V 响应时间（trec ） ≤10S 回路电压（Vc ）

DC max ＝24V 恢复时间（trec ） ≤30S 负载电阻（Rl ）

2K Ω 元件功耗 ≤0.7W 清洁空气中电阻（Ra ） ≤2000 K Ω 检测范围

50~10000ppm 灵敏度（S ＝Ra/Rdg ） ≥4（在1000ppmC4H10中）

使用寿命 2年

本文在针对非法入侵方面选用热释电红外线传感器。不仅利用了此传感器的

优势，又可以达到必须的性能要求。性价比的角度上考虑来看，也是一种理想的

选择。

红外探测器选用RE200B 热释电红外传感器，表3-2为该传感器特性指标

表3-2 RE200B 热释电红外传感器特性

热释电红外探头通过红外线技术接收到人体发出的热后，在元器件内部的简

单处理，将检测到的信号传输到系统的第一级运算放大器进行处理，输出信号为

脉冲信号，送给单片机的信号是高低电平，这要就能实现检测和报警的功能。图

3-2为红外探测电路。

图3-2 红外探测电路 项目

视域 源极电压 工作电流 工作电压 响应波长 环境温度 噪音 单位 mm ° V

μA V(DC) μm mV 数值范围 138×125 0.4—1.1

8—24 2.2—15 6—14 -20—70 ＜200

QM-N5传感器输出的电压0~0.99 V的区域内，在

模数转换器允许的输入电压范围内，但这样的情况电

压信号比较小，不利于数据的收集，需要通过放大电

路对信号进行放大。假如不讲信号放大，直接将信号

输入模数转换器，就会把数字量转换的过小，灵敏度

不高，不利于测量。本次采用μA308型通用放大器

对QM-N5输出的电压信号进行放大，与此同时，还可

对其进行阻抗匹配、波形变换、噪声抑制等处理。其主要极限参数如下：最大电源电压：± 18V；

最大差分电压: ± 30V；

最大输入电压: ± 15V；

允许工作温度:0 °C ~+70 °C；

允许功耗:3W；

最大输出电压:低于电源电压。

电路图如图3-3所示。

图3-3信号放大器图 3-4ADC0809引脚图3.2 A/D转换电路设计

气体烟雾传感器检测到信号，经A/D转换器转换成数字信号，输入单片机后

进行处理。 A/D 转换器选用ADC0809，其引脚图如图3-4所示，各引脚的功能如

下：

D0~D7——输出数据线；

IN0~IN7——8路模拟电压输入端；

ADDA 、ADDB 、ADDC ——路地址输入；

START ——输入端（启动信号）；

EOC ——变换结束状态信息，高电平表示一次变换以结束；

OE ——读允许信号，高电平有效；

CLK ——时钟输入端；

VREF(+)、VREF(-)——参考电压输入端。

ADC0809工作时的定时关系如图3-5所示： 从图中可以看到，在进行模数变换时，路地址应先送到ADDA~ADDC 输入端。

接着将一个正跳变脉冲加入到ALE 输入端，把这一路地址锁存到ADC0809内部的

路地址寄存器中。

图3-5 ADC0809时序图 ADDA~ADDC

ALE/START

EOC

OE

D 0~D

7

地

址

锁启动

4LS373的引脚图如图3-6所示，真值表如表3-3所示。

表3-374LS373真值表

74LS373引出端符号如下：

D0～D7——数据输入端

OE ——三态允许控制端

LE ——锁存允许端

O0-O7——输出端

模数转换器需要外接变换时钟和参考电压，在现实的使用情况下，变换时钟，分频得到单片机的时钟经，用厂家提供的参考电压高精度电源集成块。单片机的ALE 口输出端输入到变换时钟电路，其电路图如图3-7所示。

图3-7时钟变换电路 ADC0809转换器、74LS373地址锁存器和双D 触发器4013构成系统模数转换电路其用途是实现对采集到的模拟信号转换成数字信号。 Output Control

Enable G D Output L

L

L

H H H L X H L X X H L Q0 Z

图3-8 A/D转换电路

3.3单片机控制模块设计

选用AT89C51单片机，此单片机由Ateml公司生产，性能指标满足本设计的全部要求。AT89C51单片机可以按照常规方法编程，也可以在线编程，其将同用的微处理器和Flash存储器结合在一起，可有效降低开发成本。AT89C51引脚图

如图3-9所示。

图3-9AT89C51引脚图引脚说明如下：

VSS(20脚): 接地。 VCC(40脚): 主电源+5V。XTAL1(19脚): 接外部晶体的一端。

XTAL2(18脚): 接外部晶体的另一端

端口引脚备选功能

P3.0 RXD 串行输入口

P3.1 TXD 串行输出口

P3.2 INTO 外部中断0

P3.3 INT1 外部中断1

P3.4 T0 计时器0外部输入

P3.5 T1 计时器1外部输入

P3.6 WR 外部数据存储器写选通

P3.7 RD 外部数据存储器读选通

表3-4 P3口特殊功能

3.3.1时钟电路与复位电路的设计思路

时钟电路与复位电路不是单片机的内部电路，但它们却是单片机运行所必须的最基本的外加电路，本系统所选择设计单片机控制模块而言，时钟电路与复位电路的设计是必不可少的。

一、时钟电路

选用AT89C51单片机。AT89C51由一个高增益反相放大器构成时钟振荡器，其中XTAL1引脚是此放大器的输入端，输出端为XTAL2引脚。而自激震荡电路是由放大器的片外晶体以及陶瓷谐振器组成的。外部谐振电路与石英晶体或陶瓷谐振器和电容并行连接。设计的电路如图3-10所示。

图3-10时钟电路

二、复位电路

对复位电路的准确性和耐用度提出了一定的要求。本次设计选择的单片机的复位操作是靠外部的电路工作实现的。在执行复位操作指令时，应在单片机的RST引脚上施加24个振荡脉冲以上高电平，单片机就可以执行初始化状态复位。

复位以后AT89C51单片机的初始复位状态如表3-5所示：

专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态PC 0000H TMOD 00H

ACC 00H TCON 00H

B 00H THO 00H

PSW 00H TLO 00H

SP 07H TH1 00H

DPTR 0000H TL1 00H

P 0~P

3

0FFH SCON 00H

IP XXX0 0000B SBUF XXXX XXXXB

IE 0XX0 0000B PCON 0XXX 0000B

表3-5 AT89C51单片机的复位状态

单片机的复位操作可以通过上电复位、信号复位、运行监视复位。本次设计结合实际采用上电复位，并添加手动复位，设计出上电复位与开关复位组合电路。

设计的抗干扰上电复位与开关复位电路如图3-11所示。

图3-11抗干扰上电复位与开关复位电路

3.4系统监视模块

家庭使用的安全防范系统通过对火灾、非法入侵和煤气泄漏等危险情况的探测、模数信号的转换及控制系统进行处理后，需通过监视电路对报警信号做出反应，做出音乐报警、现场有毒气体或烟雾的对外排放及与整个小区联动处理等处置，以完成整个系统的全部功能最终达到保障人民群众生命及财产安全的最终目标。

3.4.1 8255A接口电路

在此次设计中，与单片机相连的引脚很是复杂多样，但是单片机的接口引脚

却只有P

0、P

1

、P2、P3四组，其中P3口的引脚又不宜做数据输入输出口。所以，

只有P0、P1、P2口可以被使用。但由ADC0809送来的八位数据就需要用8个端口，另外，浓度显示需要11个端口，矩阵键盘也需要7个端口，加上其它的一些输出、控制信号占用的端口，已经完全超过P0、P1、P2口的24个端口。故在设计这个系统时，必须扩展单片机的接口，以解决接口不够的问题，到系统需求。

一般的扩展单片机接口的方法很多，市场上可以满足要求的芯片也不少，如8155、8253、8255A、8279等系列芯片都可以满足要求。本设计中选用8255A接口芯片。

8255A由以下几部分组成。

一、三个数据输入输出端口A、B、C，每个端口均为8位，可选择输入或输出操作。

图3-12 8255A内部结构框图

二、A组控制和B组控制

A组、B组的控制部件接受到读或写逻辑控制信号，也能接收到数据总线上传来的控制字，然后向与此对应的端口发出相应的指令，从而达到控制其动作的目的。

三、读/写控制逻辑

面向I／O设备的信号线有：

PA0～PA7：端口A的输入输出线；

PB0～PB7：端口B的输入输出线；

PC0～PC7：端口C的输入输出线；

VCC：+5V电源。

GND：地线。

8255A芯片的引脚如图3-13所示。

图3-13 8255A引脚图

为了达到区别这两个控制字的效果，人为规定D7位为特征位，当D7为高电平时，则是方式选择控制字。反之亦然。8255A拓展的工作方式选择控制字是用来设定通道的工作方式及数据传送方向的，其格式如图3-14所示。从控制字格式可知：

图3-14 8255A方式选择控制字

此次设计中的51单片机的P0口为8255A拓展的8位数据输入口，单片机的P2.0、P2.1口室8255A拓展的输出选通控制，P2.2口作为8255A拓展的复位控