【文章內(nèi)容簡介】 實(shí)際使用中暴露出一些明顯的問題，如：影響樓房美基于單片機(jī)的家庭防盜報警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 觀，市容整潔；影響火災(zāi)救援通道；給犯罪分子提供了便利的翻越條件；時間久了會有高空墜物的危險等。因此，作為新一代的智能安全防盜報警器系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生，并日益受到廣泛的重視和運(yùn)用。 數(shù)字化、無線化、集成化是 防盜報警系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的要求，所以我們不難發(fā)現(xiàn)防盜報警的技術(shù)發(fā)展趨勢：更穩(wěn)定可靠：如探測器可抗 RFI/EMI（電磁干擾 /射頻干擾）、防雷電等，以適應(yīng)惡劣氣候；更多樣的功能：如探測器可調(diào)頻、防遮擋、防噴蓋、防破壞等；更精美、小巧的外觀：以符合品味日益提高的室內(nèi)裝潢需求；更智能化的設(shè)計(jì)：方便地設(shè) /撤防，人性化的操作界面；更強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能；更方便的擴(kuò)展性。上述發(fā)展趨勢，事實(shí)上都建立在數(shù)字化、無線化、集成化的三大核心技術(shù)基礎(chǔ)上。 設(shè)計(jì)要求與研究內(nèi)容 設(shè)計(jì)要求 現(xiàn)時社會治安問題嚴(yán)峻，各種入室搶竊、 偷盜事件時有發(fā)生。防盜報警系統(tǒng)是利用探測器裝置對建筑物內(nèi)外重要地點(diǎn)和區(qū)域進(jìn)行布防、探測。當(dāng)探測器探測到非法入侵，報警器工作狀態(tài)變?yōu)閳缶癄顟B(tài)，產(chǎn)生報警聲。本論文的目的就是設(shè)計(jì)出一種符合上述要求的防盜報警系統(tǒng)。本文所研制的報警系統(tǒng)的功能要求如下 : 主控芯片： AT89C51,工作在 12MHz 時鐘頻率； 檢測信號：采用復(fù)合式防盜傳感器，熱釋電紅外傳感器和振動位移傳感器并接使用，增加報警可靠性， 下降沿觸發(fā)，低電平保持寬度 ≥ 1ms，監(jiān)測負(fù)載 ≥ 600Ω ； 輸入通道： 16 路監(jiān)測信號， 220V 交流電源輸入； 報警方式 ：聲光報警，蜂鳴器和 LED； 顯示方式： 2*16 字符液晶顯示， LED 電源指示， LED 報警顯示； 輸入方式： 4*4 矩陣鍵盤和系統(tǒng)復(fù)位獨(dú)立按鍵； 系統(tǒng)電源：工作電源 220V 交流輸入， 備用電源； 相關(guān)功能：正常情況下顯示當(dāng)前時間，時間可調(diào)；實(shí)時對 16 路輸入信號異常產(chǎn)生聲光報警，并顯示當(dāng)前異常通道和產(chǎn)生異常時間并記錄相應(yīng)時間，報警時長可調(diào)（ 0— 198s， 199 不自動停止），每通道能夠記錄 2 次異常時間（最早和最新時間）； 具有記錄查詢和刪除功能，能夠查詢每路歷史異常記錄，并能刪除記錄 基于單片機(jī)的家庭防盜報警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 系統(tǒng)對自身部分?jǐn)?shù)據(jù)處理錯誤能產(chǎn)生提示 。 研究內(nèi)容 本課題需要研究的內(nèi)容主要有以下幾個方面： 根據(jù)系統(tǒng)功能要求且考慮產(chǎn)品的性價比，進(jìn)行系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)。該方案采用模塊化設(shè)計(jì)方法，以方便系統(tǒng)的調(diào)試和用戶的使用。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括芯片的選型、所選芯片的功能、芯片外圍電路的合理設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容有單片機(jī)的選擇、主機(jī)電路的設(shè)計(jì)、傳感器的選擇、報警電路的設(shè)計(jì)。 下面分 3章從系統(tǒng)總體的方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)對本設(shè)計(jì)做詳細(xì)的介紹。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 方案選擇論證 該 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案有以下兩種： 方案一：顯示方式采用數(shù)碼顯示，占用 I/O 較多，體積較大，采用掃描顯示占用機(jī)時，采用靜態(tài)顯示則需要更多芯片；數(shù)據(jù)存儲直接利用單片機(jī)內(nèi)部 RAM 存儲記錄數(shù)據(jù)；按鍵方式采用中斷矩陣鍵盤，相同按鍵占用 I/O 口較少，中斷方式不占用多余機(jī)時，但多占用一位中斷口； 16 路信號檢測方式采用掃描檢測，占用機(jī)器周期，存在掃描間隔時間，而且需多出掃描子程序；時間運(yùn)行方式采用單片機(jī)內(nèi)部定時中斷計(jì)時，存在加大誤差，而且完成日的處理程序復(fù)雜。 方案二：顯示方式采用 1602 液晶顯示模塊，僅需 8 位數(shù)據(jù)線和 3 位控制線，占用 I/O 口較少，而且能顯示字符，顯示位數(shù)更多，不需要其余外圍芯片；數(shù)據(jù)存儲利用外擴(kuò)存儲器；按鍵方式采用掃描矩陣鍵盤，相同按鍵占用 I/O 口較少，掃描鍵盤占用機(jī)時； 16 路信號檢測方式采用中斷方式，能及時發(fā)現(xiàn)并處理異常，主程序以及子程序省掉相關(guān)掃描子程序；時間運(yùn)行方式采用外部時鐘芯片，誤差小，能夠夠自動校正日期。 通過比較，方案二能滿足我們實(shí)時快捷的要求，更加簡單有效，故本設(shè)計(jì)選擇方案二。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)要存儲每路兩次報警歷史記錄，每次記錄占用 7 字節(jié)空間，則共需要 224B 地址空間， AT89C51 內(nèi)部僅 128B 內(nèi)存空間，需要外擴(kuò)存儲器。此處選擇外擴(kuò) AT24C02 可擦除存儲器，具有 256B 存儲空間，采用 I2C 總線方式，僅占用 2 位 I/O 口。采用掃描式 4*4 掃矩陣鍵盤，僅當(dāng)需要輸入時掃描鍵盤。采用中斷基于單片機(jī)的家庭防盜報警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 方式監(jiān)測 16 路信號，當(dāng)信號發(fā)生異常時，進(jìn)入中斷，掃描 16 路檢測信號輸入狀況，并對信號進(jìn)行計(jì)算處理，判斷異常通道號，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，然后出發(fā)報警中斷，進(jìn)行報警提示。采用外部時鐘芯片精確計(jì)時，單片機(jī)定時中斷同時計(jì)時，每過 24點(diǎn)自動從外部時鐘芯片 DS1302 校準(zhǔn)時間。 本設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個部分。模塊劃分為 數(shù)據(jù)采集、信號 放大處理、人工鍵盤控制、報警執(zhí)行、報警顯示等子模塊。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)可劃分為：傳感器檢測 、報警執(zhí)行電路、單片機(jī)控制電路、 LCD 控制顯示電路及相關(guān)的控制管理軟件組成。用戶終端完成信息采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送、功能設(shè)定、本地報警、本地顯示等功能。 從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求來分析該設(shè)計(jì) 構(gòu)成框圖如 圖 2— 1 所示： 圖 2— 1 總體設(shè)計(jì)框圖 整個系統(tǒng)由 AT89C5鍵盤、 LCD 顯示屏、 DS1302 時鐘芯片、 AT24C02 存儲芯片、檢測信號輸入、聲光報警電路組成。通過結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng) 可看出：以 AT89C51為系統(tǒng)中心，單片機(jī)與 AT24C02 交換歷史記錄信息，從 DS1302 獲得校準(zhǔn)時間，通過 4*4 矩陣鍵盤掃描輸入相關(guān)信息，通過 LCD 顯示屏顯示相關(guān)信息，檢測信號異常時對單片機(jī)申請中斷，單片機(jī)通過相關(guān)處理產(chǎn)生異常信息，通過聲光報警（蜂鳴器，報警指示燈）。 本系統(tǒng)電源可采用 220V 交流電輸入，也可直接提供 5V電源， DS1302 可根據(jù)需要提供備用電源（ 紐扣電池或者大電容）。系統(tǒng)的單片機(jī)時鐘采用 12MHz晶振； 4*4 矩陣鍵盤輸入行線接入 — 口，列線接入 — 口； 時鐘芯信號檢測電路 鍵盤 時鐘電路 外擴(kuò)存儲電路 單片機(jī) AT89C51 LED 發(fā)光報警 蜂鳴器報警 LCD 顯示 基于單片機(jī)的家庭防盜報警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 片 DS1302 時鐘 SCLK 引腳接 MCU 口，復(fù)位 RST 引腳接 口，數(shù)據(jù) I/O 引腳接 口； AT24C02 為 I2C 雙總線傳輸方式，時鐘信號 SCK 接 口，數(shù)據(jù)線SDA 接 口； 口接報警系統(tǒng)的蜂鳴器驅(qū)動，蜂鳴器采用三極管驅(qū)動，并聯(lián)續(xù)流二極管防止三級管擊穿； 口接報警系統(tǒng)的報警指示燈。單片機(jī)的 P0 口做數(shù)據(jù)輸入輸出口； LCD 的數(shù)據(jù)輸入、輸出和 16 路檢測信號的輸入都經(jīng)過 P0 口，LCD 三位控制線分別連接 、 、 ； 16 路監(jiān)測信號經(jīng)過 74LS373 鎖存輸入給 單片機(jī)。 主控芯片單片機(jī)的選擇 所謂單片機(jī)就是一塊芯片上集成了 CPU、 ROM、 RAM、定時 /計(jì)數(shù)器和多種 I/O接口電路等而具有一定規(guī)模的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)與通用微型計(jì)算機(jī)相比較，它在硬件結(jié)構(gòu)、指令設(shè)置上均有其獨(dú)到之處。 單片機(jī)在控制應(yīng)用領(lǐng)域中，有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：體積小，成本低，運(yùn)用靈活，易于產(chǎn)品化，它能方便地組成各種智能化的控制設(shè)備和儀器，做到機(jī)電儀一體化；面向控制，能針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得更佳的性能價格比；抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作 ，這是其他機(jī)種無法比擬的；實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。 AT89C51 是一種帶 4KB FLASH 存儲器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器。 AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。故此設(shè)計(jì)采用 AT89C51。 傳感器的選擇 常見的幾種紅外傳感器介紹 ? 紅外探測器 紅外探測器按照探測的機(jī)理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。熱探測器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使探基于單片機(jī)的家庭防盜報警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通 過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。 ? 紅外測溫產(chǎn)品 50 多種紅外測溫儀和非接觸紅外測溫系統(tǒng)可滿足不同行業(yè)用戶的特殊需求 ,提供最優(yōu)非接觸紅外測溫解決方案。在高性能和高品質(zhì)的紅外測溫產(chǎn)品市場，來自德國的 HEITRONICS 以其在尖端領(lǐng)域應(yīng)用中良好的品質(zhì)紀(jì)錄，被廣泛公認(rèn)為是世界一流的紅外測溫產(chǎn)品供應(yīng)者而受到信任。 ? 人體熱釋電紅外傳感器 在電子防盜、人體探測器領(lǐng)域中，被動式熱釋電紅外探測器的應(yīng)用非常廣泛，因其價格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。 ? 無線紅外傳感器 無線紅外傳感器又名無線紅外探測 器，無線智能幕簾 /廣角紅外探測器采用美國軍用紅外傳感器進(jìn)行信號采集探測與摩托羅拉芯片組合集成單片機(jī)智能技術(shù)控制，自動溫度補(bǔ)償、微電流省耗、無誤報、無漏報、探測距離遠(yuǎn)、工作穩(wěn)定、性能可靠、外形精巧、美觀大方。機(jī)內(nèi)設(shè)置電源外撥開關(guān)，外出設(shè)防可以接通電源，達(dá)到更加省電的效果。它是根據(jù)人體紅外光譜而工作，當(dāng)人體在其接收范圍內(nèi)活動時，探測器輸出報警信號，廣泛用于銀行、倉庫和家庭等場所的安全防范。它是目前可靠性較高的產(chǎn)品，紅外探測部分采用報警器用傳感器和紅外專用處理 IC。高頻發(fā)射部分采用最新聲表面（ S）穩(wěn)頻技術(shù)，配合成 熟的外圍電路，使得產(chǎn)品具有紅外探測靈敏度好、誤報率低、高頻發(fā)射頻率穩(wěn)定、發(fā)射功率大的特點(diǎn)。 總而言之，不同類型的探測器用不同的手段探測各種入侵行為，如人體的移動、物體的震動、玻璃的破碎和門窗的開關(guān)等，系統(tǒng)將所得的信號進(jìn)行邏輯判斷，發(fā)出警報。常用的傳感器有對射紅外探測器、磁控管（門磁）、震動開關(guān)、被動紅外探測器（ PIR）、雙鑒探測器、煙感、溫感探測頭等。這些傳感器不僅可以對室內(nèi)的門、窗、敞開的陽臺、固定玻璃、保險箱等的異常情況進(jìn)行監(jiān)測，而且還能對家中的火警進(jìn)行監(jiān)測。在家中無人的情況下還具有探測有無物體移動的功 能，以發(fā)現(xiàn)家中是否有偷竊等異常情況。這些器件有效地為控制單元傳送現(xiàn)場的資料，提供報警控制。而本設(shè)計(jì)采用由熱釋電紅外線傳感器和振動位移傳感器構(gòu)成的復(fù)合式傳感器，通過探測人體特有的紅外線和人體的運(yùn)動來檢測盜情。 基于單片機(jī)的家庭防盜報警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 熱釋電紅外傳感器的原理 熱釋電紅外 (PIR)傳感器 是一種能檢測人體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。它能組成防入侵報警器或各種自動化節(jié)能裝置， 它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，將這個電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路。 其工作電路原理及設(shè)計(jì)電路如 圖 2— 2 所 示 , 在 VCC 電源端利用 C1 和 R2 來穩(wěn)定工作電壓，同樣輸出端也多加了穩(wěn)壓元件穩(wěn)定信號。當(dāng)檢測到人體移動信號時，電荷信號經(jīng)過 FET 放大后，經(jīng)過 C2， R1 的穩(wěn)壓后使輸出變?yōu)楦唠娢?，再?jīng)過 NPN 的轉(zhuǎn)化，輸出 OUT 為低電平。 RSY2 Y1R1 R2 C2 C1 R3 R4 Q2N P NQ1F E TV c c V C C3v 12vOUT 圖 2— 2 熱釋 電紅外傳感器原理圖 熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾，該傳感器在工藝上將兩個特征一致 的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸 出。 熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負(fù)極性的。 熱釋電紅外傳感器的選定 基于單片機(jī)的家庭防盜報警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 目前常用的熱釋電紅外傳感器型號主要有 P22 LHI95 LHI95 RE200B、等。熱釋電紅外傳感器通 常采用 3 引腳金屬封裝，各引腳分別為電源供電端（內(nèi)部開關(guān)管 D極， DRAIN)、信號輸出端（內(nèi)部開關(guān)管 S極， SOURCE）、接地端（ GROUND)。本設(shè)計(jì)傳感器采用雙元熱釋電紅外傳感器 RE200B，該傳感器翻用熱釋電材料極化隨溫度變化的特殊探測紅外輻