【正文】 我國目前民居內(nèi)幾乎沒有防火設(shè)施及救火器材，火災(zāi)報警系統(tǒng)必將得到更快的發(fā)展。現(xiàn)在一般居民住宅的主要防盜措施僅限于防盜窗、防盜門，雖有一定的防盜作用，在災(zāi)害發(fā)生的情況下，使逃生更加困難。 家用防盜系統(tǒng)近幾年來在全球以及 在中國的快速發(fā)展是信息技術(shù)發(fā)展尋找更廣闊的市場結(jié)合點的必然結(jié)果，是 IT 產(chǎn)業(yè)向傳統(tǒng)住宅產(chǎn)業(yè)以及人們生活滲透的必然結(jié)果。發(fā)展家用防盜系統(tǒng)是住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇。目前歐美已有一些國家正在大力研究無線防盜探測報警系統(tǒng)，隨著時間的推移，這種產(chǎn)品在我國也會發(fā)展成為主流。同時人類已經(jīng)進(jìn)入二十一世紀(jì)，傳統(tǒng)的防盜門窗越來越不能滿足人們?nèi)粘７婪兜囊?，因此人們迫切需要一種智能型家庭安全防范報警系統(tǒng) [4]。作為住宅的一個組成部分，安全防范系統(tǒng)也必將向多功能、全方位、綜合性、智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)代居住的格局，鄰里之間的來往越來越少，家庭生活隱密性、封閉性越來越強(qiáng)?？紤]設(shè)備成本與集中管理的需要，可將周界報警探測系統(tǒng)、住宅聯(lián)網(wǎng)報警系統(tǒng)加以集成和 第 3 頁 共 61 頁 綜合，構(gòu)成綜合防范體系。 火災(zāi)是可燃物在時間或空間上失去控制的燃燒所造成的災(zāi)害，是威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計，我國 70年代火災(zāi)平均損失不到 億元 ， 80 年代火災(zāi)平均損失接近 億元。 嚴(yán)峻的事實證明，隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會財富日益增加，火災(zāi)給人類、社會和自然造成的危害范圍不斷擴(kuò)大，它不僅毀壞物質(zhì)財產(chǎn)，造成社會秩序的混亂，還直接威脅生命安全，給人們的心靈造成極大的傷害。 隨著電子產(chǎn)品在人類生活中的使用越來越廣泛，由此引起的 火災(zāi)也越來越多，在我們生活的四周到處潛伏著火災(zāi)隱患。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，火災(zāi)報警系統(tǒng)必將得到更快的發(fā)展 [5]。利用單片機(jī)實現(xiàn)報警具有體積小、價格低、集成度高等突出優(yōu)點 ,利用單片機(jī)來開發(fā)防盜系統(tǒng)能使系統(tǒng)易于操作，且花費較小，因而具有廣泛的應(yīng)用性 [6]。本系統(tǒng) 針對以上問題通過使用手持設(shè)備，以無線的方式來完成各種操作。 本課題設(shè)計的家庭智能防火防盜報警系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計方案是以單片機(jī)為核心，它利用無線通信和自動控制技術(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將家居內(nèi)的異常情況及時傳輸給用戶或保安人員。針對目前家庭防火防盜系統(tǒng)的現(xiàn)狀，在以下幾個方面對系統(tǒng)進(jìn)行研究： (1)傳感器 部分設(shè)計。 (2)系統(tǒng)硬件設(shè)計。主要包括無線通信模塊電路、火災(zāi)報警電路、非法入侵檢測電路、 門控電機(jī)驅(qū)動模塊電路、鍵盤輸入及 LED 顯示模塊等 。通過軟件程序的編寫來指導(dǎo)硬件實現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能。 (4)系統(tǒng)軟件可 靠性設(shè)計。在編寫軟件程序時，避免中斷嵌套和在中斷中執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù) 綜上所述，根據(jù)我對題目的研究與分析本文的主要內(nèi)容安排如下： 第一章：緒論，主要闡述本課題研究的意義與背景以及本文主要內(nèi)容； 第二章：系統(tǒng)總體設(shè)計，主要介紹所設(shè)計的防火、防盜系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，工作原理等相關(guān)內(nèi)容； 第三章：硬件系統(tǒng)設(shè)計，主要設(shè)計整個系統(tǒng)的硬件電路； 第 5 頁 共 61 頁 第四章：系統(tǒng)軟件程序設(shè)計，主要程序設(shè) 計； 第五章：系統(tǒng)調(diào)試及仿真，主要對軟件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，無錯誤后燒錄到單片機(jī)進(jìn)行硬件調(diào)試，對主要模塊進(jìn)行了 Protues 仿真。 本文對防火防盜兩個模塊分別進(jìn)行設(shè)計，本章給出了火災(zāi)監(jiān)控模塊和防盜系統(tǒng)模塊的 整體設(shè)計方案?；馂?zāi)探測器通過對火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象（燃燒氣體）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測，將探測到的火情信號轉(zhuǎn)化成火警電信號傳遞給火災(zāi)報警控制器。整體電路設(shè)計框圖如圖 所示： 圖 系統(tǒng)原理及組成框圖 火災(zāi) 報警系統(tǒng)類型及火災(zāi)探測器選型 火災(zāi)報警系統(tǒng)類型 根據(jù)火災(zāi)報警系統(tǒng)中所使用的探測器種類，火災(zāi)報警系統(tǒng)可以分為以下四種： (1)感溫型火災(zāi)報警系統(tǒng) 由于火災(zāi)發(fā)生時燃燒物會產(chǎn)生大量的熱量，使得周圍溫度迅速變化。根據(jù)探測溫度參數(shù)的不同，一般可以將感溫型火災(zāi)報警系統(tǒng)分為定溫式、溫差式等幾種。在火災(zāi)發(fā)生的初期，由于溫度比 較低，許多物質(zhì)都處于陰燃階段，產(chǎn)生大量的煙霧。感煙型火災(zāi)報警系統(tǒng)主要有激光感煙式、光電感煙式和離子感煙式等。感光型火災(zāi)報警系統(tǒng)就是通過響應(yīng)火災(zāi)中產(chǎn)生的光特性，即擴(kuò)散火焰的光強(qiáng)度和閃爍頻率，來觸發(fā)報警系統(tǒng)的。 (4)復(fù)合型火災(zāi)報警系統(tǒng) 如果報警系統(tǒng)同時對溫度、煙霧和光輻射中的兩種或兩種以上參數(shù)做出響應(yīng)，那么它就是復(fù)合型火災(zāi)報警系統(tǒng)。 火災(zāi)探測器原理 火災(zāi)發(fā)生時，必然會伴隨著產(chǎn)生煙霧、高溫和火光，探測器對這些都很敏感。 火災(zāi)探測器主要分感煙、感溫、光輻射三大類： (1)感煙探測器。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。還有一種叫光電感應(yīng)探測器，它有一個發(fā)光元件和一個光敏元 第 8 頁 共 61 頁 件，平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達(dá)光敏元件上的光就顯著減弱，于 是光敏元件就把光強(qiáng)的變化變成電的變化，通過放大電路向人們報警。近年來還出現(xiàn)了激光感煙探測器，它也是利用光電感應(yīng)原理，不同的是光源改用激光束。 (2)感溫探測器。正常的情況下，探測器的電路斷開，當(dāng)溫度升到一定值時，由于金屬膨脹、延伸，導(dǎo)體接通，于是發(fā)出了信號。這兩種探測器都屬定溫型，即當(dāng)外界溫度超過某一限值時就會報警；還有一類是差溫型，升溫的速度超過特定值時，便會感應(yīng)報警。 (3)光輻射探測器。物質(zhì)在燃燒時，由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生閃爍的紅外光輻射使硫化鉛紅外光敏元件感應(yīng)，轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大后，就能向人們報警。 火災(zāi)報警器是重要的安全設(shè)備，一切重要的場所，如大型物資倉庫、隧道、大型船舶、高層建筑都應(yīng)該安裝。 防盜系統(tǒng)整體設(shè)計 本次家用防盜報警系統(tǒng)是一種新型的電子安全報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計以AT89C51 為核心，將傳感器檢測技術(shù)、智能控制和無線電技術(shù)相結(jié)合，從而形成一個防盜報警系統(tǒng)。 具體原理框圖如圖 。當(dāng)兩部分靠得近時，處于報警守候狀態(tài)，當(dāng)拉開一定距離后，便觸發(fā)報警系統(tǒng)。它們組合應(yīng)用起來就可構(gòu)成一個發(fā)射、 —接收的數(shù)字編譯碼系統(tǒng)。無線接收電路由超再生接收、放大、整形、譯碼電路組成，經(jīng)過一系列處理，可以產(chǎn)生直接驅(qū)動報警電路的電信號。 E2PROM 存儲電路 門磁傳感器探測 編碼 解碼 信號接收 信號發(fā)射 AT89C51 單 片 機(jī) 的 控 制 信 號 產(chǎn) 生 鍵盤輸入及顯示 電 機(jī) 驅(qū) 動 LED 指示燈 現(xiàn)場報警 第 10 頁 共 61 頁 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 主要器件選型 核心處理器單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是一塊硅片上集成了微處理器 (CPU)、存儲器 (RAM、 ROM、 EPROM)和各種輸入、輸出接口 (定時器／計數(shù)器、并行 I／ O、串行口、 A／ D 轉(zhuǎn)換器及脈沖調(diào)制器 PWM 等 )的微控制芯片。它一方面要接收來自傳感器送來的溫度、煙霧對應(yīng)的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對這兩種信號分別進(jìn)行處理，以控制后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)動作；與此同時查詢是否有鍵按下的請求。并且也要考慮選擇低 價實用的機(jī)型，并為研制同一系列低功耗產(chǎn)品做準(zhǔn)備 [11]。 AT89S52 是一 個低功耗、高性能的 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi) 含 8k Bytes(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)。 Flash存儲空間，支持最大 64K 外部存儲擴(kuò)展。片內(nèi)資源有 4組 I/O 控制端口、 3個定時器、 8個中斷、軟件設(shè)置低能耗模式、看門狗和斷電保護(hù)。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機(jī)的功耗不斷降低。 AT89S52 引腳圖 所示。主要負(fù)責(zé)控制鍵盤，顯示，無線通信，電機(jī)驅(qū)動以及聲光報警模塊協(xié)調(diào)工作。 AT89C51是一種帶 4K字節(jié) 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)，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 [13]。 AT89S52是 AT89C51升級版，它們都是 8051的內(nèi)核， 52是 51的增強(qiáng)型， S52比 C51,定時器多一個 T2， RAM 多 128B， ROM 多 4K，中斷多 2 個，多一個看門狗 ,在掉電、數(shù)據(jù)指針等方面還有一些改進(jìn)， S52 的最高外接晶振可以達(dá)到33MHz， C51 大概只有 24MHz。當(dāng)然 S51 也具備這一功能， C51 和 C52 都不具備 [14]。 氣體傳感器的選擇 氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器。根據(jù)測量對象與測量環(huán)境、靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍我選用 TGS202 氣體傳感器作為本火災(zāi)探測的氣體傳感器，火災(zāi)中氣體煙霧主要是 CO2 和 CO， TGS202 氣 體傳感器能探測 CO2 ， CO，甲烷，煤氣等多種氣體，它靈敏度高，穩(wěn)定性好，適合于火災(zāi)中氣體的探測。選擇適當(dāng)?shù)碾娮枳柚?，使得?dāng)氣體濃度達(dá)到一定程度（如 CO 濃度達(dá)到 ﹪）時， VA 端獲得適當(dāng)?shù)碾妷海ㄔO(shè)為 3V）。 圖 TGS202 檢測電路 溫度傳感器的選擇 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有 LTM8877，LTM8874等等。封裝后的 DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機(jī)房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。 DS18B20 采用一線通信接口。主要首先提供以下功能命令之一： （ 1）讀 ROM； （ 2） ROM 匹配； （ 3）搜索 ROM； （ 4）跳過 ROM； （ 5）報警檢查。一個控制功能指揮指示 DS18B20 的演出測溫。溫度報 警觸發(fā)器 TH和 TL都有一字節(jié) EEPROM 的數(shù)據(jù)。在片上還載有配置字節(jié)以理想的解決溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換。通過緩存器讀寄存器。 DS18B20 封裝如圖 所示： 圖 DS18B20 封裝圖 無線通信模塊芯片的選擇 本文選用 nrf24L01 作為門控系統(tǒng)的無線通信模塊， nrf24L01 是由 NORDIC 生產(chǎn)的工作在 — 的 ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過 SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。 極低的電流消耗：當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為 0dBm 時電流消耗為 ，接收模式時為 ，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。它能方便地采用三線串行接口方式與各種微處理器連接，構(gòu)成各種廉價的測控應(yīng)用系統(tǒng)。 圖 TLC549 的引腳圖 鍵盤輸入模塊芯片選擇 本系統(tǒng)的門控密碼輸入部分采用 HD7279(A)加 64 個獨立按鍵構(gòu)成的鍵盤電路。 第 15 頁 共 61 頁 HD7279 內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受 16 進(jìn)制碼， HD7279A 還同時具有 2 種譯碼方式， HD7279(A)還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。 第 16 頁 共 61 頁 圖 輸出 5V的電壓 如上圖所示， 圖 是輸出為 5V 的電路原理圖。本系統(tǒng)使用的兩款單片機(jī)均需要 5V 供電，而且兩款單片機(jī)的外部晶振均可使用 無源晶振，引腳布局也是相同的，所以他們的最小系統(tǒng)是可以互相轉(zhuǎn)換的 [16]。如圖 是最小系統(tǒng)電路圖。 (2)控制引腳： PSEN 、 ALE、 EA ／ VP、 RESET。 P0 口（ ~ 共 8 條引腳，即 39~32 腳 )：是雙向 8 位三態(tài) I／ O 口。每一位都能作為可編程的通用 輸入／輸出線。在訪問外部存儲器時，它送出高 8 位地址。在單片機(jī)中，這 8 個引腳都有各自的第二功能。 表 31 P3 口的第二功能 引腳 第二功能 名稱 RXD 串行口接收數(shù)據(jù)輸入端 TXD 串行口發(fā)送數(shù)據(jù)輸出端 INT0 外部中斷 0 輸入端 INT1 外部中斷 1 輸入端 T0 外部計數(shù) 0 脈沖輸入端 T1 外部計數(shù) 1 脈沖輸入端 WR 寫外設(shè)控制信號輸出端 RD 讀外設(shè)控制信號輸出端 火災(zāi)探測器的設(shè)計 火災(zāi)是發(fā)生頻率比較高的災(zāi)難，無論是電氣設(shè)備、煤氣泄漏還是人為的原因都有可能引發(fā)火災(zāi)。 本文采用的 DS18B20 作為火災(zāi)的溫度監(jiān)控傳感器，它是單總線結(jié)構(gòu)與單片機(jī)僅需一根數(shù)據(jù)線即可，圖 為 DS18B20 與單片機(jī)的連接圖， 2 端直接接單片機(jī)的管腳相連。 RS 是 英文 ―推 第 19 頁 共 61 頁 薦標(biāo)準(zhǔn) ‖的縮寫，