安全智能家居监控系统.docx
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安全智能家居监控系统
安全智能家居监控系统
作品类型：
②微控制器MCU开发应用类
安全智能家居监控系统
摘要
本系统以单片机C8051F340为控制中心，运用ZYMQ-4气敏传感器构造了天然气报警排险电路；运用MQ-2烟雾传感器构建了烟雾报警更新室内空气电路，并结合热敏电阻构建了火灾报警电路；运用门磁开关构造了门磁报警电路；同时还建立了电话报警系统。
实现了室内家居的安全化，便利化。
此外，我队还利用PCF8563时钟芯片和LCD，使LCD实时的显示时钟信号。
关键字：
单片机控制，报警系统，继电器控制
Abstract
ThesystemuseMCUC8051F340asthecontrolcenterpart,usingZYMQ-4gassensorresponsibleforriskofnaturalgasalarmcircuit;theuseofMQ-2smokesensorsbuiltsindooraircircuitsmokealarmrefreshes,combinedwiththermistorbuiltfirealarmcircuit;useMagneticstructureofthedoormagneticalarmswitchcircuit;atthesametimeestablishedatelephone.Implementationoftheindoorhomesecurityandfacilitation.Inaddition,ourteamalsousedthePCF8563clockchipandLCD,tomakeLCDdisplayreal-timeclocksignal.
Keywords:
MCUcontrolalarmsystemrelaycrontrol
一、引言
1、意义
随着科学技术的飞速发展，人们生活水平不断提高，我们的生活质量也得到了极大的改善，尤其是煤气的普及使生产效率、市民的生活质量得到大幅提升，然而使用燃气的过程中，因燃气泄漏、废气等原因造成的燃气爆炸、中毒、火灾等意外事故时有发生，给人们的生命和财产安全带来了严重的威胁。
因此居家安全问题就受到了社会各界的广泛关注，其中，防煤气泄漏、防火、防盗以及节能的关注程度较高，我们就是针对这些问题设计了一套安全家居系统。
此系统有以下功能：
（1）对泄漏（积聚／扩散）的可燃气体或有毒气体的浓度进行检测、报警、关闭煤气阀门，由报警接点带动连锁装置自动开启轴流风机，排除险情。
（2）对烟雾以及温度进行检测、报警，自动开启轴流风机，更新室内空气。
（3）当主人不在家的时候，可以通过门磁开关来实现陌生人开启房门和窗户进行报警。
（4）以上的系统我们还专门设计了电话控制系统，当家里有险情出现时，系统会自动电话通知居室主人，以便及时排除险情。
（5）利用实时时钟芯片和LCD，让LCD实时显示时间。
因此，一套包含煤气报警排险装置、烟雾报警更新气体装置、门磁、窗磁报警装置、电话报警装置的系统，是安全家居中的重中之重。
2、技术要求
2.1设计要求
（1）煤气报警排险装置采用MQ-4气体传感器检测煤气浓度，当室内浓度高于1000pp时，检测电路给予单片机信号，单片机控制继电器关闭煤气阀门，开启报警器报警，同时控制轴流风机运转，更新室内空气排险。
当浓度降到正常值时，报警和轴流风机均停止。
（2）烟雾报警更新气体装置采用MQ-2烟雾传感器和热敏电阻检测室内烟雾浓度以及温度，当检测烟雾和温度同时超标时，检测电路给予单片机信号，控制报警器报警且同步控制轴流风机运转，更新室内空气，当室内烟雾浓度降低到正常之时，报警和轴流风机均停止。
（3）门磁、窗磁报警装置通过门磁开关5C-31B给予单片机信号，开启报警器报警。
（4）煤气报警排险装置、烟雾报警更新气体装置、门磁、窗磁报警装置均采用了电话自动报警系统，当有险情发生时，系统会自动通知居室主人，并报告险情。
并且煤气检测、烟雾检测、门磁报警同时进行，运用单片机采用中断方式控制，三者互不影响。
（5）为了合理利用资源，煤气报警排险装置、烟雾报警更新气体装置、门磁、窗磁报警装置均采用同一个报警器进行报警。
（6）LCD显示的实时时间应不出现太大偏差。
2.2可以扩展部分
（1）门磁报警装置可以载入密码功能，家人进入房间只要在规定的时间键入密码就不会产生报警。
（2）门磁、窗磁报警装置在报警的同时开启摄像头进行视频采集，并将视频传输到网上，使得主人在外地也可以及时了解家中的情况。
（3）另加一个温度传感器，让LCD实时显示时间的同时，显示室内的温度。
（3）可以利用湿度传感器，在外面下雨的时候感知湿度，实现自动关窗功能，真正做到家居生活的安全化，智能化，健康化，节能化，便利化。
3、说明
（1）本次设计考虑到煤气的危险性，故采用和煤气性质相同的天然气代替其进行设计、调试，所用传感器应对天然气最敏感。
本装置理论上对二者的检测报警控制电路完全一致，在具体必须用于煤气检测时，可以更换对煤气更敏感的气体传感器。
（2）烟雾报警更新气体装置本应该采用多点测量综合考虑，但是出于时间的紧迫性，实验装置的易操作性，本设计中只采用一点测量。
在现实生活具体利用时，可增加传感器进行多点测量。
（3）设计报告正文中的系统总体框图、主要流程图采用word绘制，主要核心电路原理图采用protel工具软件绘出。
完整的电路原理图、重要的源程序用附件给出。
二、系统方案
本系统需要设计煤气报警排险、烟雾报警更新气体、门磁、窗磁报警系统三套报警器的装置和一套定时控制装置。
设计的核心问题是检测到信号后的控制问题。
同时控制装置的灵敏性和实时性也是设计的重点问题。
1.方案设计概要
1.1方案一：
用模拟器件实现的反馈控制系统
1.1.1系统原理
用模拟器件实现的反馈控制系统的经典方块图如下图：
图1模拟器件控制系统的经典方块图
此闭环控制系统的经典方块图各方块的功能如下：
（1）给定装置：
其功能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。
（2）比较元件：
其功能是将检测元件测量到的被控量的实际值，与给定装置提供的给定值进行比较，求出它们之间的偏差。
（3）放大元件：
比较元件通常位于低功率的输入端，由于提供的偏差信号很微弱，因此必须由放大元件将其放大，以便推动执行机构去控制对象。
如果偏差是电信号，则可用集成电路和晶闸管等元器件所构成的电压放大器和功率放大器来进行放大。
（4）执行机构：
其功能是执行控制作用并驱动被控对象，使被控量按照预定的规律变化。
（5）检测元件：
其功能是测量被控制的物理量，并将其反馈到系统输入端。
在闭环控制系统中检测元件及相关的元器件构成系统的反馈装置。
如果被测量的物理量是电量，一般用电阻、电位器、电流互感器和电压互感器等来测量；如果被测量的物理量是非电量，通常检测元件应将其转换为电量，以便于处理。
（6）校正装置：
校正装置的功能是对进行加工处理，以形成合适的控制作用，从而使系统的被控制量按预定的规律变化。
通常在控制系统中，将校正装置和放大器组合在一起构成一个器件，称为控制器。
1.1.2.实现方法
为实现系统的整体功能，系统各模块的分析实现如下：
（1）检测元件：
由于需要检测室内的煤气（或烟雾），显然，检测元件应选择气敏传感器（或烟雾传感器），将检测信号转换为电信号进行反馈，
（2）比较元件：
闭环控制经典系统中的偏差可为正偏差、亦可为负偏差，只要有偏差，控制器和受控系统均运作，直到偏差接近0为止。
这显然与本次设计的技术要求相违背，所以所选的比较元件只能给予正偏差，负偏差一切置0。
电压比较器正符合此要求。
故比较元件选用电压比较器较为合理。
（3）给定装置：
由电压比较器知，给定装置选用一直流电源提供一直流电压即可，选用一电压值可调的恒压源最为合理。
同理可得，检测元件应给予电压信号。
（4）控制器：
由于电压比较器给予一高电平，无法驱动后续执行机构和被控对象，故控制器应选用功率放大器。
（5）受控系统：
显然受控系统应为轴流风机和蜂鸣器。
由以上分析可得此控制系统如下
图2模拟器件控制系统控制系统
由上图可知，首先根据所需测得室内煤气（或烟雾）浓度的上限值，根据传感器特性，将其转化恒定电压，将此电压设定为恒压源的输出电压，当室内浓度高于浓度上限时，传感器输出的电压高于此设定电压，此时电压比较器输出高电平，经功率放大器放大后，带动蜂鸣器和轴流风机工作，由于轴流风机的不断地向外排气，室内煤气（烟雾）浓度下降，当浓度低于上限值时，传感器输出的电压低于设定电压，此时电压比较器输出低电平，蜂鸣器和轴流风机停止工作。
1.2方案二：
利用比较器的单片机控制（如图3）
1.2.1系统原理
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
单片机是靠程序运行的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是一些特殊的功能。
所以可以用单片机编写程序进行控制执行机构的运作。
1.2.2实现方法
电压比较器能够通过电压比较，输出高低电平两种模式，所以可以根据单片机的特点，可设计控制系统框架如下：
图3利用电压比较器的单片机控制框架1
煤气（或烟雾）传感器和热敏电阻随时检测室内煤气（或烟雾和温度），并转变为电压信号传给比较器，当室内煤气（烟雾和温度）超过设定的上限值时，经过单片机编程控制蜂鸣器报警，并同时通过继电器控制轴流风机工作排气。
（煤气泄漏还要通过继电器关掉电磁阀），当室内气体浓度降到上限值以下时，关闭蜂鸣器和轴流风机。
以达到安全保护和更换室内气体的功能。
门磁、窗磁开关一直检测门窗的闭合，若打开，则进行声光报警。
以上部分一旦有信号输入单片机，则单片机会检测电话线上有无铃留信号，若有则延时继续检测，直到无铃留信号，系统模拟摘机，发送DTMF信号，若没有接通，则模拟挂机，机修检测铃留信号，当接通后，会有语音信息提示居室主人家里发生什么险情。
1.3方案三：
利用A/D转换器的单片机控制（如图4）
A/D转换器能把测量电路所测得的模拟电压转换为数字量，并将数字信号传送给单片机，故可设计如下控制系统框架：
图4利用A/D转换器的单片机控制框图
2、方案优缺点分析与选择
以上方案各有优缺点：
（1）模拟器件实现的反馈控制系统能够有效地抑制被通道包围的前向通道中的各种扰动对系统输出量的影响；也可以减小被控对象的参数变化对输出量的影响。
但是由于增加了反馈通道，使模拟器件实现的反馈控制系统增加了元器件的数目和系统的复杂程度；模拟器件实现的反馈控制系统带来了系统的稳定性问题；系统对参数变化和干扰灵敏度不算太好等使得实现模拟器件实现的反馈控制系统（方案一）有一定的难度。
（2）单片机是一种微型的计算机，具备计算机绝大多数功能，高集成度、体积小、高可靠性、控制功能强、低功耗、性价比高，适合安全家居的要求。
方案二中，利用电压比较器的输出来作为单片机的输入信号，由于电压比较器的高电平电压可以通过调整上拉电阻来进行数值调整，以符合单片机的输入要求，可以达到很好的效果。
方案三中，利用A/D转换器的输出作为单片机的输入信号，由于A/D转换器是把模拟量转换为数字量，单片机的输入有一定的上限值（过大会烧毁），所以利用A/D转换器很难保证单片机的输入在安全范围内。
综合各方案的特征和设计的可行性，最终选择方案二，单片机控制系统来实现本次安全家居的设计实验。
3、系统方案
在控制电路方式确定后，根据设计目的和设计技术要求，就可以构建系统的总体框图，如图5所示。
图5安全家居系统总体框图
三、理论分析与计算
1、传感器的选择与分析
1.1气敏传感器
ZYMQ-4气敏传感器由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
ZYMQ-4气敏传感器对甲烷、天然气有很高的灵敏度；对乙醇、烟雾的灵敏度很低；具有快速的响应恢复特性；具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；使用时，驱动电路简单。
所以本次设计中采用ZYMQ-4气敏传感器。
其标准工作条件如下表：
符号
参数名称
技术要求
备注
回路电压
ACorDC
加热电压
5.0V
0.2V
ACorDC
负载电阻
可调
加热电阻
31
3
室温
加热功耗
表1ZYMQ-4气敏传感器的标准工作条件
ZYMQ-4气敏传感器的检测范围为:
300-10000ppm,敏感体表面电阻为:
（5000ppm甲烷），灵敏度（
的变化率）为:
（1000ppm/5000ppm
）,其灵敏度特性曲线如下：
图6ZYMQ-4气敏传感器灵敏度特性曲线
由上图可知，ZYMQ-4气敏传感器的电阻值与室内气体浓度呈线性递减关系，所以室内浓度与气敏传感器的电流近似呈线性关系，再结合电位器，即可将浓度信号转化为电压信号。
1.2烟雾传感器
由图6可以看出，ZYMQ-4气敏传感器关于烟雾（smoke）的特性曲线较为平缓，从而可知ZYMQ-4气敏传感器对烟雾也有一定的敏感性，但敏感性很微弱，无法进行正常的烟雾检测。
所以，我们选择了和ZYMQ-4气敏传感器同系列的MQ-2的烟雾传感器进行烟雾火灾报警的检测器件。
MQ-2对烟雾的敏感性较强，而对天然气却很弱。
MQ-2烟雾传感器与MQ-4气敏传感器属同一系列的传感器，其外观、连接方式、标准工作条件、输出方式等特性均与MQ-4相似。
故其理论分析和测试电路与MQ-4相同
四、系统电路设计
本系统的总体方框图如图6所示，下面根据总体方框图介绍各个部分的电路设计。
1、实时时钟PCF8563
PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过
总线接口串行传递。
最大总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。
PCF8563实时时钟芯片的工作电路如下：
图7PCF8563实时时钟芯片的工作电路
其中，OSOI为振荡器输入，OSOC为振荡器输出，/INT为中断输出（开漏；低电平有效），
接地，SDA为串行数据I/O，SCL为串行时钟输入，CLKOUT为时钟输出（开漏），
为正电源。
2、煤气（烟雾）检测电路
煤气（烟雾）检测电路如图11所示，
图8煤气（烟雾）检测电路
集成比较器LM311的3号端恒输入5V电压（即
=5V），由于传感器输出电流与室内煤气（烟雾）浓度成比例关系，即I=kC（I为传感器输出电流，C为室内煤气浓度，k为比例常数），故可通过传感器和电位器
将浓度转化为电压信号输入到LM311的2号端（即
=kC*
）。
电压比较器可将模拟信号转换成二值信号：
当
输入端电压高于
输入端时，电压比较器输出为高电平；当
输入端电压低于
输入端时，电压比较器输出为低电平。
LM311是一种通用的集成比较器，开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；但其响应速度快，传输延迟时间短，而且可以直接把高电平信号输入给单片机。
由以上分析可知，可以调节电位器的阻值来调节室内报警浓度的上限制。
3.门磁检测报警电路
门磁检测报警电路如下图：
图9门磁检测报警电路
门磁开关5C-31B可设置为常开型和常闭型。
当设置为常开始时，开门不报警，关门报警；当设置为常闭型时，开门报警，关门不报警。
3、继电器控制电路
继电器控制电路如下图所示：
图10继电器控制电路图
本电路所用的继电器型号为HJR-4102-L-12V，继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
本电路中，当单片机输出口有信号时，继电器动触点2由与常闭触点3吸合跳变为与常开触点1吸合，此时，电路导通，轴流风机/电磁阀/热水器开始工作；当单片机输出口信号消失时，动触点又跳变为与常闭触点吸合，轴流风机/电磁阀/热水器停止工作。
二极管IN4007起保护晶体管9013的作用。
当晶体管9013由导通变为截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，这时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在9013的集电极与发射集之间，会使晶体管击穿，并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压，从而避免击穿晶体管。
4、报警电路
报警电路如下图所示：
图11报警电路
当输入端P1.0有信号输入时，晶体管Q7基极产生电流，此时晶体管导通，在+5V电压下，蜂鸣器工作；当输入端P1.0没有信号输入时，此时由于Q7基极无电流，晶体管截止，蜂鸣器停止工作。
5、LCD接口电路
LCD是液晶显示技术和投影技术相结合的产物，它利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次的图像。
液晶显示屏上的每一个点都对应有控制器内的显示缓存RAM中的一个位，用户如果要点亮LCD屏上的某一个点时，实际上就是对该点所对应的显示RAM区中的某一个位进行置1操作，故可以通过编写程序来控制LCD的显示图像。
LCD的接口电路如下图所示：
图12LCD接口电路
6、铃流检测电路
铃流检测电路如下图所示：
图12铃流电路
该电路主要用于检测电话线上有无铃流信号，因为报警是通过家用电话实现的，所以必须检测此时电话线的状态。
铃流信号的特点是：
续4s，断1s，频率为450Hz。
在此采用了集成锁相环LM567，以确保检测450Hz的信号。
7、DTMF发送电路
在此可以采用现成的DTMF芯片，但是如果采用专门的芯片就得还得加上附加电路，使成本又上升。
鉴于C8051F340的内部有四个16位的定时/计数器，可以利用这一内部资源，采用脉宽调制—PWM实现DTMF通信。
单片机PWMDTMF通信原理图如下：
图13单片机PWMDTMF通信原理图
8、语音电路
由于本系统的报警语音信号比较固定和简单，而且C8051F340内部FLASH有存储器，所以这里就不采用专门的语音芯片。
先把要报警的语音信号存在单片机C8051F340内部存储器中，再经过D/A转换为原始语音送到电话网。
四、系统软件设计
系统软件基于单片机开发系统keilC51,本系统软件流程图如下图所示
图14整个系统的主程序流程图
图15MQ-4煤气报警系统流程图图16MQ-2火灾报警系统流程图
图17门磁开关系统流程图图18电话报警系统流程图
五、测试方案与测试结果
1、测试仪器与测试方法
1.1测试仪器
因为电源输入/输出都是直流，谐波含量较少，所以测试仪器仅用到万用表、示波器，此外还用到天然气浓度检测仪和烟雾浓度检测仪。
万用表用来测量电流和电压，同时用于电路的调试过程，示波器用来检测波形，以便分析电路性能。
1.2测试方法
整个测量过程是以“先局部，后整体；先硬件，后软件”的思路进行的。
在测试过程中，努力争取理论联系实际，先按预先设计电路进行设计焊接电路，在调试过程中，为取得最好的效果，可根据需要更换器件。
测试过程中要时刻注意观察，避免短路、过压和过流等现象发生，一旦发生测试样品过热、冒烟或起火现象，必须立即切断电源。
2、测试数据记录与结果分析
2.1传感器电流与天然气浓度
传感器ZYMQ-4的测试电路如下所示：
测试数据如下表所示（C为室内天然气浓度，I为传感器的输出电流）：
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
第6次
第7次
第8次
浓度C（ppm）
500
800
1000
2000
4000
5000
7000
9000
电流I
（mA）
2.30
5.68
9.12
19.53
45.53
53.90
76.99
99.96
表1传感器电流与煤气浓度的测试数据
由实验数据可画出C-I图如下：
图传感器电流与天然气浓度C-I图
2.2比较电压器测试
比较电压器的测试，主要是用万用表测试比较电压器的输出电压的大小，看是否符合要求。
可以通过上拉电阻
来提升比较电压器LM311的输出电压，直至符合要求。
测试数据如下表所示（
为上拉电阻，
为LM311的输出电压）：
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
（
）
0
100
330
510
1000
（V）
1.96
2.36
2.98
3.63
4.02
2.5系统测试
经系统测试能完成如下功能：
（1）当室内浓度高于1000pp时，单片机控制继电器关闭煤气阀门，开启报警器报警，同时控制轴流风机运转，更新室内空气排险。
当浓度降到正常值时，报警和轴流风机均停止。
（2）当检测烟雾超标而温度正常时，没有火灾报警。
当检测温度超标而烟雾正常时，同样没有火灾报警，只有二者同时超标时，有火灾报警控制报警器报警且同步控制轴流风机运转，更新室内空气，当室内烟雾浓度降低到正常之时，报警和轴流风机均停止。
（3）门磁、窗磁报警装置通过门磁开关5C-31B给予单片机信号，开启报警器报警。
（4）煤气报警排险装置、烟雾报警更新气体装置、门磁、窗磁报警装置均采用了电话自动报警系统。
煤气检测、烟雾检测、门磁报警同时进行，运用单片机采用中断方式控制，三者互不影响。
（5）LCD显示的实时时间与正确时间相差不大。
3、测试结果分析
（1）由传感器电流与天然气浓度测试数据表1，和数据分析图图——可以看出，传感器的输出电流和天然气浓度近似成正比关系，基本论证了传感器的特性。
但是，测量过程中的测量误差是难免的（尤其是弄得测定气体浓度），另外，传感器的测量精度不算太高，所以测量数据只能反映一个大概值。
（2）考虑到实验设备满足不了可燃气体的测量的安全性保证，所以测量数据在满足要求的条件下，不继续进行验证测量。
五、结论
通过团队多天不懈的努力，本系统终于完成了最初安全家居的设计目的。
并且在进行编译程序和调试电路的过程中，不断的发现问题、解决问题，并不断完善系统的功能与性能。
充分认识到单片机控制系统的优越性和重要性。
整个电路本着简单可靠，选用价格低廉的通用元件的原则，尽力做到安全家具系统的多功能化，力求所设计的系统切实可行，能在社会生活中得到实用，促进社会生活的安全化、便捷化。
单片机体积小，价格便宜，控制功能强，在单片机的基础上，此系统仍有很多功能可以完善，可以尽力向智能家居的各个方面扩展。
六、参考文献
【1】ISBN978-7-03-018955-4胡寿松《自动控制原理》科学出版社第五版P5-6页
【2】713800薛伦生、王学智等《采用单片机控制的可燃气体探测报警器》《电工技术杂志》2001年第11期
【3】450053刘玉平、安家文《XN-1新型语
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