最新西安工程大学刘晓刚基于单片机的智能安防系统.docx

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最新西安工程大学刘晓刚基于单片机的智能安防系统

摘要

随着现代化建设的飞速发展以及人民生活水平的不断提高，人们对其住宅的要求也越来越高，表现在不仅希望居室温馨、舒适，而且对其安全性、智能化方面也提出了更高的要求。

另一方面，现代电子、通讯技术的飞速发展已经为智能化安全住宅的研究提供了强有力的技术支持。

本文介绍了住宅智能化中的防盗报警系统，可实现自动检测与自动电话拨号报警。

自动检测是指由红外热释电探测实现盗情检测。

自动电话拨号报警是指通过电话网络自动向相关部门发出语音求救信号。

当防盗探测器检测到险情的时候，向单片机发出中断申请，再由单片机控制电话接口电路，实现模拟摘机，自动拨打相关部门的电话号码如小区管理中心电话。

最后通过硬件和软件实现了各个功能模块，通过对系统的误差分析，给出了系统的改进方案。

相关部分附有硬件电路图。

关键词：

防盗报警，自动拨号，语音报警

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofmodernizationandgreatimprovementofpeople'sliving,theneedofhousehasbeenchangedfromonlythelivingspacetomultiformneedsofhigh-quality,multi-function,safety,intelligenceandsoon.Ontheotherhand,therapiddevelopmentofelectronicsandcommunicationtechnologyhaveprovidedthechancetoexcogitatetheintelligenthouses.

Thepaperintroducesthehouseintelligenceanti-theftalarmsystem,canachieveautomaticdetectionandautomatictelephonedial-upalarm.Automaticdetectionmeansheat-releasinginfrareddetectionbyrealizing.StolenfeelingAutomatictelephonedial-upalarmisthroughthetelephonenetworktotherelevantdepartmentforautomaticspeechsignalforhelp.Whentheburglardetectordetectdanger,applytotheSCM,againbyinterruptsingle-chipmicrocomputercontrolinterfacecircuit,telephonesimulatingpickmachine,automaticdialingthetelephonenumberofrelevantdepartmentssuchasvillagemanagementcentertelephone.Finally,hasrealizedeachfunctionalmodulethroughthehardwareandthesoftware,throughtosystem'serroranalysis,hasgivensystem'simprovementprogram.Withtherelevantpartsofthehardwarecircuit.

KEYWORDS:

anti-theftalarm,automaticdial-up,voicealarm

第1章绪论

1.1研究的目的和意义

随着社会经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，人们对其住宅的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。

相反地，经济的快速增长也带来了相当大的负面社会效应，城乡、区域收入差距进一步拉大，流动人口也开始迅速增加，盗窃、入室抢劫等刑事案件也呈现出了增长趋势，人们越来越渴望有一个安全生活的空间，但是犯罪分子的作案手段越来越高明，他们甚至采用一些高科技的作案手段，使得以往那种依靠安装防盗门窗、或靠人防的防范方式越来越不能满足人们日常防范的要求。

这时，传统的家庭住宅显然己经远远不能满足人们的需求。

人们迫切需要一种智能型的家庭安全防范报警系统，能可靠的进行日常安全防范工作，及时发现险情并通知户主，以便将险情消灭在萌芽状态，这样人们便可安心工作，同时也保证了居民的生命财产不受损失。

于是有关家庭、办公室和仓库等处的安全防范和自动报警系统的开发研制日益被科研单位和生产厂家所重视，现在市场上也出现了各种名目繁多的报警装置，但多由于可靠性较差、功能单一或造价高而难于普及。

而随着电子通讯技术的飞速发展，单片微机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比高等突出优点己在工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。

因此利用单片机和一些简单的外围器件来开发一种适合于家庭、仓库、银行等重要场所的低价位、运行可靠的多功能智能型安全防范报警系统安全防范系统，对室内出现的各种紧急意外事件自动发出报警信息并通知户主进行及时处理已经势在必行。

本课题就是基于上述原因而提出的。

1.2报警系统发展历史和国内外研究现状

在社会信息化进程日益发展的今天，信息技术应用已渗透到人类生存、活动的各个领域，在建筑领域，人们的现代生活、工作对居住和办公的建筑环境不仅要求舒适健康、安全可靠、高效便利，同时还要适应信息化社会运用科技手段和设备的要求。

但是经济的发展也带来了相当大的负面影响。

城乡收入差距、区域收入差距进一步拉大，以及流动人口的迅速增加，社会保障制度的不健全，盗窃、抢劫等刑事案件也呈现出了增加趋势。

人们越来越渴望有一个安全生活的空间。

犯罪分子的作案手段越来越高明，甚至采用一些高科技的作案手段，使得以往那种以人防为主的防范方式越来越不能满足人们日常防范的要求。

因此，人们的日常安防工作中，引入了很多高科技手段，我们称之为技术防范。

因为技术防范能够及时发现各种案情，并为案件的破获提供有力的证据，所以，越来越受到人们的重视。

与此同时，随着生活水平的提高，液化石油气、管道煤气进入了更多人的住宅里，各种家用电器也得到了广泛的使用，但是，人们在享受这些现代化设施带来的便利的时候，却也增加了火灾隐患。

如果一个小区实现了智能化管理，管理人员就可以快速有效地完成对小区的智能管理，诸如各种盗情、火灾等报警数据的采集，管理中心对各种警情的及时处理等。

在我国，小区安全防范报警系统已成为智能小区中实现安全管理的重要系统，根据我国建设部的规定，主要包括电视监控、防盗报警、求救求助、煤气泄漏报警、消防报警等内容。

该系统是一种比较完善的安全防范系统，通过在可视对讲的基础上，不断扩展主机功能，增设室内分机用于接收室内各探测器的报警信号。

室内分机有多个探测器接口，可接收感烟探测器、温度探测器、红外及微波探测器、煤气泄漏探测器等传来的报警信号。

目前国外发达国家己逐渐形成一个集安防、消防、医疗救护为一体的安全保障行业。

安全技术防范行业真正形成行业规模是在第二次产业革命中即1950年一1971年，首先在美国、英国等国家形成，像ADEMCO（安定宝）;VICON（维康）;CHUBO（集宝）;AMERICADYNAMIC（A.D）等。

60年代视频图像技术,70年代计算机数字技术。

80年代生物识别技术以及90年代国际互联网技术的应用，使安防行业得到快速发展。

我国智能住宅安防系统相对国外来讲，是有较大差距的。

现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门，虽有一定的防盗作用，在灾害发生的情况下，使逃生更加困难。

另外，小区安全措施不足;居民安全意识有待增强;安全防范系统也急需普及。

1.3研究内容和方法

本课题所要设计的智能型住宅安防报警系统就是为了适应市场的需求，克服当前市场上大部分安防报警系统功能不够齐全、或造价过高而难以进行大面积推广，或者是可靠性不高，存在误报、漏报等缺点，开发出一种低价位的、可靠性较高的、功能齐全的主要面向家庭、办公室、银行等重要场所的智能型安全防范报警系统。

所要实现的主要功能为:

对家庭、办公室、银行等重要场所在无人留守的情况下即将发生的非法入侵进行监测，当出现异常情况时，系统会自动通过电话线拨打用户的手机或相关部门的电话，并做出相应的语音提示，简单说明情况，通知相关人员进行及时处理.

本课题需要研究的内容主要有以下几个方面:

●根据系统功能要求并且考虑产品的性价比，进行系统的整体方案设计。

该方案采模块化设计方法，以方便系统的调试和用户的使用。

●系统硬件设计。

包括芯片的选型、所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设计。

主要内容有红外探测器的选择、红外信号处理电路的设计、双音多频拨号电路的设计、语音电路的设计和电话接口电路的设计。

●系统软件设计。

主要包括系统主程序、过程控制程序、外中断程序、电话拨号程序、语音程序。

根据本课题拟实现的功能和所要研究的内容，应采取以下研究步骤来实现:

系统整体功能分析与可行性研究、划分功能模块、各功能模块的电路原理设计、元器件（芯片）选择与特性测试、各功能模块的软件调试、各功能模块的整体调试、系统整体电路调试、系统整体软件调试、最后进行联机调试。

抗干扰设计应贯穿于整个设计过程之中。

另外，在满足各项性能指标的前提下，不仅要考虑到系统的易用性，还要努力降低成本，在保证灵敏度的情况下，尽量降低误报率。

第2章系统总体设计方案

2.1智能报警系统方案的选择

智能住宅安防报警系统开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况，根据我国住宅建设的实际情况，为满足新时期居民的居住要求，并充分考虑其经济性和可靠性，能真正实现智能化报警的要求来确定的。

根据系统拟达到的总体功能，将其划分为以下功能模块:

前端探测器、自动报警主机、播号电路、语音电路、电话接口电路。

系统的前端探测器方案的选择直接决定了后面模块的选择。

经过多方资料的查阅，得到三种方案：

1.用无线电传送报警信号。

当传感器遇到异常产生一电平信号后，该信号经信号调理电路转换后送给单片机，单片机向告警信号发射电路送一经过编码的脉冲串，经过天线发射出去。

中央处理单元仍用一单片机来实现对经过解码的脉冲信号的处理继而进行播号报警。

如图2-1

图2-1方案1

2.用红外线对射管进行异常情况的采集.红外线发射管发射一红外线，由接收管接收，当有人闯入时，如果红外线被挡住，则接收管产生一电平给单片机，单片机进行信号处理，并进行播号报警。

方案如图2-2

图2-2方案2

3.用热释电传感器进行异常情况的检测。

传感器用RE200B，信号处理芯片用BISS0001，当有人闯入时，热释电传感器会产生一微弱的电压，经过BISS0001的处理，产生一TTL电平，传给单片机进行播号报警。

方案如图2-3

图2-3方案3

经过方案的对比，最终选择了方案3，原因如下：

1.方案1通过无线电传送脉冲信号，增加了编码与解码芯片，使成本增加。

同时，也使编程变得复杂了。

2.方案2采用对射管，节省了成本，但是红外线直线传播。

检测的范围比较小，如果要大范围检测的话，就要安装更多的红外线对射官，这又增加了成本。

3.方案3采用热释电传感器，价格便宜，而且检测范围大，距离远。

如果装上菲涅尔滤镜的话，检测范围会在10-20米，视场139°×126°。

经过BISS0001的处理输出一TTL电平给单片机，并且BISS0001还有防止误报的功能。

热释电的安装很方便，外观也很小，可以放在任何不起眼的地方。

基于以上原因，我选择了方案3作为最终方案。

2.2智能报警系统的总体构成

系统组成框图如图2-1所示。

图2-1智能住宅安防报警系统组成框图

单元模块的功能如下:

前端探测器完成对住宅里盗情发生前的参数的可靠监测工作，然后产生信号发送给自动报警器主机。

自动报警主机的核心器件是单片机，它是整个系统的“心脏”，由它来接收报警信号并控制、协调各功能模块的正常工作，考虑到系统的功能和经济性等因素，采用的是当今流行的性价比较高的AT89C51单片机。

输入输出设备包括报警蜂鸣器、按钮或开关、各类指示灯等。

报警蜂鸣器和各类指示灯用于声音报警和系统不同工作状态的指示;按钮或开关用于系统电路调试工作或一些用到手工触发的场合。

看门狗电路完成对系统监测工作，EEPROM中存储系统的一些原始参数、重要数据（预存电话号码、系统密码等）。

拨号电路主要采用MITEL公司的编/译码集成芯片MT8888来完成电话号码的发送、配合单片机完成电话线上各种信号音的监测等工作。

语音电路采用美国ISD公司的高保真录放一体化语音芯ISD1420来完成报警时进行语音提示的预存工作。

2.3报警系统的功能及工作过程

探测器安装在用户家里需要防范的部位，例如门窗、厨房，卧室等，报警主机放在家里比较隐蔽的区域，当系统设定为布防状态时，一旦有人入侵时，报警探测器立即向用户端自动报警主机发出报警信号，接到警情事件后，自动报警主机立即进行确认（多次巡检中断信号），确认无误后，进行事件的现场声（蜂鸣器）报警，同时用户端自动报警器自动向相关部门拨打预先设置好的报警电话号码，进行语音报警。

第3章用户端探测器设计

3.1热释电红外线探测器

在自然界，任何高于绝对温度（-273°）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。

3.1.1热释电效应

热释电效应是指如果使某些强介电质材料的表面温度发生变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的变化，从而使物质表面电荷失去平衡，最终电荷变化将以电压或电流形式输出。

在热释电红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器（PTR），PTR能将红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。

另一个是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它用来配合热释电红外线传感器，以达到提高接收灵敏度。

用菲涅尔透镜配合放大电路将信号放大60-70db，就可以检测10-20m处人的活动。

3.1.2热释电红外传感器结构

传感器通常包括热释电晶体、电极、氧化膜、衬底、FET和负载电阻几个组成部分，热释电晶体一般是PZT或其他材料，在晶体上下表面分别设置电极，在上表面再加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。

如图3-1（a）和3-2（b）分别为热释电红外线传感器RE200B的结构图及其等效电路图。

热释电晶体的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗很高，一般为l0K-47K，而且输出电压信号又极其微弱，故在管内附有FET放大器及厚膜电阻，以达到阻抗变换的目的。

在管壳顶端装有滤光镜片及窗口，用以选择接收不同的波长。

在窗口上装滤光镜的目的是使不需要的红外线不能进入传感器。

一般热释电红外传感器在光谱范围内的灵敏度是相当平坦的（并且不受可见光的影响）。

一般常用硅质聚乙烯材料的滤光镜，它能以非接触形式检测出物体放射出来得红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。

传感器探头前部装有菲涅尔透镜。

由于人的活动频率范围在0.1-10Hz，因此需要对人体活动频率加以增频，而菲涅尔透镜是一种多面反（折）射镜，比较理想。

当人体进入菲涅尔透镜的一个视场时，在热释电传感器上产生一个交变红外辐射信号，就会使传感器电路产生一个微弱的电压信号。

图3-1热释电红外线传感器结构图图3-2等效电路图

窗口

硅片（mm）

视

域

（°）

源极

电压

（v）

工作电流

（uA）

工作电压

（v）

响应波长

（um）

环境

温度（℃）

噪声

（mv）

0.5

138*125

0.4-1.1

8-24

2.2-15

6-14

-20-+70

<200

红外探测器电路这里采用RE200B双元件型热释电红外传感器，在这种传感器内部，两个敏感元件反相连接，当人体静止时两元件极化程度相同，互相抵消。

但人体移动时，两元件极化程度不同，净输出电压不为0，从而达到探测移动人体的目的。

表3-1所示该传感器特性。

表3-1热释电红外传感器特性（RE200B）

3.1.3热释电红外探测器基本原理

热释电红外传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，可以将其转化为与人体运动速度，距离，方向等有关的低频电信号。

由于传感器的电压响应度与入射光辐射变化的频率成反比，因此，当恒定的红外辐射照射在探测器上时，探测器没有电信号输出，所以恒定的红外辐射不能被检测到;而物体移动速度越快，同样的入射功率下，输出电压就会越小，只有达到报警闽值电平时，探测器才会有电压信号输出。

根据该特性，选择热释电红外探测器适用于盗情信号的检测。

探测器原理框图如图3-3所示，当人体进入警戒区，人体温度会引起环境温度辐射场的变化，通过菲涅尔透镜，热释电红外探头感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，则在负载电阻上产生一个电信号，电信号的大小，决定于敏感元件温度变的快慢。

经过后级比较器与状态控制器产生相应输出信号Uo。

图3-3热释电红外线探测器原理框图

3.1.4热释电红外探测器电路设计

热释电红外探测器电路采用的器件包括红外探测器专用芯片—红外传感信号处理器BISS0001、热释电红外探头RE200B（传感器）及一些外围元件（电阻电容）。

它的正常工作电压是+4.5V（工作范围可在3V到5V之间）。

检测元件BISS0001是CMOS数模混合专用集成电路，具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号预处理。

另外它还具有双向鉴幅器，可有效抑制干扰，其内部设有延迟时间定时器和封锁时间定时器。

管脚排列及各点波形如图3-4、3-5和3-6所示。

当A端等于“0”时，为不可重复触发工作方式，即在Tx时间内，任何工C7的变化都被忽略，直至延迟时间Tx结束。

当Tx时间结束时，Uo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器进入封锁周期Ti。

在Ti周期内，任何IC7的变化都不能使Uo为有效状态。

本电路中由于BISS0001的1脚接的是低电平，即此时芯片设置为不可重复触发状态，所以在延时周期内，电路不会被重复触发，直到延时周期结束。

这一功能的设置，可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

RRl、RC1为输出延迟时间Tx的调节端，RR2、RC2为触发封锁时间Ti的调节端。

图3-4BISS0001管脚排列图

图3-5不可重复触发工作方式下各点波形

图3-6可重复触发工作方式下各点波形

图3-7所示为红外探测器分立元件电路图。

当热释电红外探头接收到人体发出的红外线后，经过内部转换，输出一个微弱的低频电信号到BISS0001芯片的第一级运算放大器工C1的同相输入端（14脚），对信号进行放大预处理，然后由电容祸合给第二级运算放大器IC2，对信号再次放大，同时将直流电位抬高VM。

再经内部的两个电压比较器（IC3,IC4）构成的双向鉴幅器，检出有效触发信号VS去启动延迟时间定时器（只要有触发信号VS的上跳沿则可启动延迟时间定时器）。

由于VH≈3.15V,VL≈1.35V，所以当VCC为+4.5V电压时，可有效地抑制士0.9V（VH-VL）的噪声干扰，提高系统的可靠性。

IC6是一个条件比较器，当输入电压VCVR时，IC6输出为高电平，则打开与门IC7，此时，如果有触发信号VS的上跳变沿到来，将启动延迟时间定时器，同时Uo脚（2脚）输出高电平信号，经与门后送单片机进行报警处理，此时探测器进入延时周期，延迟与封锁时间为几秒钟。

该设计输出为脉冲信号，当有移动物体进入探测范围以内时，输出端电平由低电平跳变至高电平，可实现检测并报警。

图3-7红外探测器电路图

具体数据:

Tx=49152*R1*Cl（3-1）

Ti=24*R2*C2（3-2）

探测器输出数据如表3-2所示，当探测到异常信号时输出高电平。

表3-2输出数据

VDD（V）

Uo（V）

Vo（V）

Io（mA）

无信号

有信号

4.5

4.5

0.05

4.49

0.29

4.45

0.29

4.45

第4章用户端自动报警器设计

本章详细介绍报警主机的硬件和软件设计。

主要包括微处理器主机、双音多频（DTMF）收发电路、语音电路、看门狗电路、电话接口电路。

详细阐明芯片的选型比较，所选用芯片的内部组成、功能特点，并设计出具体的硬件电路。

4.1报警主机

报警器的主机采用AT89C51单片机来实现。

单片机是将中央处理器（（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器及输入输出接口电路等计算机主要部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

现在世界上己经有很多大公司能够生产单片机，随着超大规模集成电路的迅猛发展，单片机的功能也日渐强大，运算速度日益提高，相继出现了32位和64位单片机，但根据实际系统的需要和产品的性价比，本系统选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89C51，构成系统的主机。

4.1.1AT89C51特点

AT89C51是ATMEL公司采用CMOS工艺生产的低功耗、高性能8位单片机，与MCS-51单片机兼容，其功能特点为:

（1）4K字节闪烁存储器（FLASH），可进行1000次写、擦除操作。

（2）静态操作，外接OHZ-24MHZ晶振。

（3）128字节内部数据存储器（RAM）o

（4）32位可编程输入/输出线。

（5）两个16位定时/计数器。

（6）六个中断源。

（7）一个可编程串口。

（8）支持低功耗模式和掉电模式。

4.1.2主机硬件电路设计

自动报警器电路见图4-1。

时钟电路由两个30Pf的电容和12MHz的晶振构成。

复位电路由电阻、电容、二极管和按键开关构成，具有上电复位和手动复位的功能。

单片机的INT0与盗警传感器相连，实现各种警情的采集。

为防止环境干扰信号对触发中断的影响，当响应中断后，对中断信号多次巡检，确认是中断信号时，才去执行中断处理子程序，否则认为是外界干扰信号不执行报警处理，有效降低误报几率。

图4-1自动报警电路

P2.1与语音电路相连，实现语音的回放控制。

P2.2接播号与语音转换电路。

P2.3与电话接口电路相连，实现模拟摘挂机的控制。

P2.4接蜂鸣器，实现现场警报。

P0.0,P0.1,P0.2和P0.3分别与MT8888的D0,D1,D2和D3相连，用作数据总线。

P2.0与MT8888的RSO相连，控制MT8888内部寄存器的选择。

P2.5与MT8888的CS相连，控制MT8888的选通。

P3.6,P3.7分别与MT8888的WR和RD相连，控制MT8888的读写。

P0.4.P0.5接EEPROM的串行输入和串行输出端，P0.6,P0.7分别接EEPROM的串行时钟输入和片选输入端。

4.2串行EEPROM-X25045

为增强系统的可靠性和安全性，本系统采用X25045为记忆存储元件，系统参数、电