毕业论文基于单片机的智能家居报警系统的设计可编辑.docx

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毕业论文基于单片机的智能家居报警系统的设计可编辑

本科毕业设计

基于单片机的智能家居报警系统的设计

摘要

随着电子技术的飞速发展,实现家居信息化已成家居系统发展的新趋势。

传统的家居防盗在实际的使用中暴露了很多隐患,即使住所发生安全事故,户主也不能及时了解情况。

智能家居报警系统能很好地解决这个问题。

随着智能化家居概念的推广,智能家居报警系统发展迅速,它从原来的简单化、局部化向智能化、集成化发展,能对家居的安全环境进行监测,一旦发生安全事故,如火灾、被外人闯入等,就会发出报警信息,使得户主能及时对安全事故进行处理。

目前市场上常见的防盗报警系统的通信方式有固定电话拨号、以太网、集群系统等。

本系统采用单片机ATMega16作为MCU,通过西门子公司的GSM模块TC35i与用户进行远程信息交换,以热释红外传感器、温度传感器DS18B20以及电子密码锁等报警信息采集模块构成安防系统,保障住户和生命财产安全。

控制程序由主程序,TC35i程序、报警源信息采集程序等模块组成,其中主程序和TC35i程序共同负责短信息的发送。

该系统采用现有电话网络和单片机网络控制技术,具有自动化程度高、适用性强、电路设计可靠等优点,一般家庭都能接受。

关键词:

单片机安防GSM短消息

theIntelligentAlarmSystemofSecurityonSingleChipDevice

LinWeixing

CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China

Abstract:

Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,realizehomefurnishinginformationhasbecomeanewtrendinhomefurnishingsystemdevelopment.Homefurnishingsecuritytraditionalexposedalotofproblemsinactualuse,evenifthehomeaccidents,whocannotunderstandthesituation.Intelligenthomefurnishingalarmsystemcansolvethisproblemwell.Withthedevelopmentofintelligenthomefurnishingconcept,intelligenthomefurnishingalarmsystemisdevelopingrapidly,itisfromthesimple,localizedtotheoriginalintelligent,integrateddevelopment,canmonitorsecurityenvironmentofhomefurnishing,accidents,suchasfire,byintruders,willsendoutalarminformation,sothatthetimeforsecurityaccidenttreatment.Thesecuritymarketcommonalarmsystemusuallycommunicatewithafixedtelephonedialing,Ethernet,clustersystem.

ThedesignusesamicrocontrollerATmega16astheMCUforremoteinformationexchangebySiemensGSMmoduleTC35iusertoconstitutesecuritysystems,hydroelectricinfraredsensor,temperaturesensorDS18B20andelectroniclockalarminformationcollectionmodule.Itcanprotectthelivesandpropertyofresidents.Controlproceduresbythemainprogram,theTC35iprogram,alarmsourceinformationcollectionprogrammodules,ofwhichthemainprogramandTC35iprogramjointlyresponsibleforSMSsending.Thesystemusestheexistingtelephonenetworkandthesingle-chipnetworkcontroltechnology,hasahighdegreeofautomation,applicability,reliablecircuitdesign,theaveragefamilycanacceptKeywords:

MCUSecurityGSMMessage

1前言1

2总体方案确定1

2.1主控芯片1

2.2检测模块2

2.2.1人体热释红外传感器模块2

2.2.2温度传感器模块2

2.3报警模块2

2.4显示模块2

2.5键盘输入模块3

3理论分析及设计3

3.1系统总体框架3

3.2主控芯片电路4

3.3GSM模块4

3.3.1GSM模块简介4

3.3.2GSM指令设置6

3.4人体热释红外传感器模块7

3.4.1人体热释红外传感器的特点7

3.4.2人体热释红外传感器模块的使用7

3.5温度传感器模块8

3.6液晶显示模块10

3.7电子密码锁模块11

3.7.1矩阵键盘介绍11

3.7.2密码锁模块功能介绍13

4测试与试验分析14

4.1电路板焊接14

4.1硬件调试15

4.2功能测试16

4.2.1正常运转16

4.2.2温度过高报警16

4.2.3有人强行入侵后报警17

4.2.4没有报警时的状态17

4.2.5GSM报警17

5结论18

参考文献20

附录A电路原理图21

附录B部分程序22

致谢31

华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表

1前言

21世纪是一个信息化的社会,信息化使人们的生活方式发生了很大的改变,也为我们提供了很多的便利。

随着人们对生活质量的追求,安全防范意识的提高以及智能楼宇建筑的蓬勃发展,人们对家居的要求早已不只是物理空间,更为追求的是一个安全,方便,舒适的居家环境,防盗报警系统的平均点位容量也在迅速加大,报警探测器从原先的几个、十几个增加到上百、数百个。

在安全技术防范领域,具有防盗报警功能的电子密码控制系统逐渐代替传统的机械式密码控制系统,克服了机械式密码控制的密码量少、安全性能差的缺点,使电子密码控制系统无论在技术上还是在性能上都大大提高了一步,使密码控制系统具有很高的安全性、可靠性,应用日益广泛。

现代人,特别是的单身白领,一天大多数时间都在上班,若此时住被小偷闯入或者发生火警,但当事人却毫不知情,就不能及时作出应对方法,有可能造成重大的损失。

若当事人能在住所发生异常时第一时间就了解情况,并对此作出处理,就能减少造成的损失。

本设计的主控系统采用ATmega16单片机,该单片机性能优良,能满足智能家居防盗报警系统的基本功能。

检测报警源模块采用温度传感器和人体热释红外传感器,温度传感器能在住所发生火灾时报警。

用户可对本系统设置密码,当其它人输入密码次数错误达三次后,本系统会通过蜂鸣器报警,并发送短信到指定手机号码通知户主。

若在未输入正确密码的情况下强行闯入住宅,人体热释红外传感器能对其检测并发送信号报警,此时本系统则会通过蜂鸣器发出蜂鸣声报警,单片机也会通过GSM模块发送短信到指定手机号码进行报警,使当事人能及时了解情况并作出处理,避免造成严重的损失。

2总体方案确定

2.1主控芯片

方案①:

AT89C52是一个低电压、处理能力强、运算速度快、接25M晶振、超低功耗、片内资源丰富等优点（潘永雄,2008）,由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的STC89C52是一种高效微控制器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的STC89C52是一种高效微控制器冯建华等,2004。

方案②:

ATmega16是速度快、功耗低,具有较宽的工作电压的单片机,且它的片内资源丰富,自带有同步串行接口SPI,且程序下载可以直接通过ISP下载器直接下载,其内置有512字节的EEPROOM简化了系统中密码锁模块的电路设计,可节省外围芯片开销,并简化了电路设计苏平,2006。

方案选择:

本设计采用ATmega16作为主控芯片,能简化外围电路。

2.2检测模块

2.2.1人体热释红外传感器模块

基于红外线技术的DYP-ME003人体感模块的功耗很小,能长期可靠工作,而且其灵敏度高,可靠性强,有较宽的工作电压范围。

而且不发射任何类型的辐射信号,不易被常规手段侦测到。

2.2.2温度传感器模块

温度采集系统主要由芯片DS18B20和电信号转换模块组成。

DS18B20只要求一个端口即可实现通信,实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温,测量温度范围在-55oC到+125oC之间。

2.3报警模块

方案①:

采用二极管发光报警。

方案②:

采取蜂鸣器报警和GSM短信报警两种报警方式。

蜂鸣器能对入侵者进行警告,有阻吓入侵者的作用。

GSM短信能及时通知户主,让户主时刻了解家具的状况。

方案选择:

本设计选择方案②,蜂鸣器和GSM两种方式报警结合,能使报警更有威吓力,更加及时。

2.4显示模块

方案①:

采用LCD1602,该液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符。

每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能显示图形。

但是其使用简单,微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧,常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。

方案②:

采用了LCD12864作为显示模块,12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128×64,内置8192个16×16点汉字,和128个16×8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。

方案选择:

本设计选择方案②,友好的中文交互界面能让用户体验更好。

2.5键盘输入模块

方案①:

4×4矩阵键盘模块,以4条I/O线作为行线,4条I/O线作为列线组成的键盘。

在每一条行线和列线的交叉点上,设置一个按键。

这样键盘中的按键个数就是4×4个。

这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。

按键较多,可以设计更多的功能。

方案②:

4×3矩阵键盘模块,以4条I/O线作为行线,4条I/O线作为列线组成的键盘。

在每一条行线和列线的交叉点上,设置一个按键。

键盘中共有3×4个按键,相对4×4的少4个,可以设计出基本所需功能。

方案选择:

本设计选择方案①,由于本系统需要设置并输入密码,加上设置密码,确定,界面切换等按钮,4×3矩阵键盘模块显然不适用。

3理论分析及设计

3.1系统总体框架

本设计主要由单片机、温度传感器模块、人体热释红外传感器模块、蜂鸣器、GSM模块、矩阵键盘、液晶显示和密码存储等部分组成。

其中温度传感器模块和人体热释红外传感器模块用于对住宅的安全环境进行监测,若发生异常,则通过蜂鸣器和GSM报警。

矩阵键盘用于输入数字密码和修改密码等功能的实现。

由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码,后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比,从而判断密码是否正确,三次输入密码错误则报警。

图1系统总体框架图

3.2主控芯片电路

主控芯片采用单片机ATmega16L,它的片内资源丰富,内含8通道10位AD转换器,带有同步串行接口SPI,两个外部中断。

其内置有512字节的EEPROOM简化了系统中密码锁模块的电路设计,该模块原理图如下:

图2ATmeaga16主控芯片原理图

3.3GSM模块

3.3.1GSM模块简介

随着信息科学的迅猛发展,不仅是有线网络已经发展得很好,而且无线的。

在20世纪80年代以来,全球移动通信系统（GSM）首先提出了网络。

如今,它已被广泛通过世界成为泛欧洲的数字蜂窝系统的标准（Chin-ChenChangetal,2005）。

本设计采用的GSM模块为TC35i,TC35i是新一代无线通信GSM模块。

自带RS232通讯接口,可以方便地与PC机、单片机连机通讯。

可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务ShortMessageService和传真。

TC35模块的工作电压为3.3?

5.5V,可以工作在900MHz和1800MHz两个频段,所在频段功耗分别为2w900M和1w1800M。

通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。

TC35i的数据接口COM电平通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s~115kb/s,自动波特率为1.2kb/s~115kb/s。

它支持Text和PDU格式的SMSShortMessageService,可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复郑凌燕等,2006。

其实物图如下图所示:

图3GSM模块

TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块ASIC、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。

作为TC35的核心,基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号,并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。

（韩斌杰,2009）在不需要额外硬件电路的前提下,可支持FR、HR和EFR语音信道编码。

该模块模块有AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k,4.8k,9.6k的非透明模式。

此外,该模块还具有电话簿功能、多方通话,漫游检测功能,常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。

通过独特的40引脚的ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。

通过ZIF连接器及50Ω天线连接器,可分别连接SIM卡支架和天线。

该模块的串口采用交叉串口的形式,其与单片机的接口电路原理图如下所示:

图4GSM模块原理图

3.3.2GSM指令设置

对TC35I的操作均采用AT指令,它包含了GSM语音和短信息的控制。

根据AT指令的GSM07.05标准,发送和接收中文或中/英文混合的短信息必须采用PDU模式,Text模式只支持传送英文及数字信息。

PDU模式的编解码过程复杂,本系统使用Text模式就可以满足系统功能需求,故选择Text模式作为系统的通讯模式。

模块的通讯全部采用AT+XXXX完成。

发送短消息的基本命令如下:

1设置短消息发送格式（0-PDU,1-文本）

AT+CMGF1;

2发送短消息短消息内容为test

AT+CMGS""目的地址

test^z^z

3列出所有的短消息AT+CMGL“ALL”;

4读取短信息内容Oncemore,假设INDEX6,AT+CMGR6。

发送短信的流程图如下:

图5发送短信流程图

3.4人体热释红外传感器模块

3.4.1人体热释红外传感器的特点

人体红外线传感器能长期可靠工作且不易被常规手段侦测到,所以在安全监控领域得到大量使用。

但是人体红外线传感器容易受各种热源、光源、射频辐射的干扰,其穿透力也较差,人体的红外辐射容易被各种物体遮挡,并且当环境温度和人体温度接近时,探测灵敏度会明显下降,严重时还会造成探测失效,因此在设计及安装使用时应注意上述问题。

红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。

红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向即与半径垂直的方向移动则最为敏感,在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

3.4.2人体热释红外传感器模块的使用

基于红外线技术的DYP-ME003人体感模块,其灵敏度高,可靠性强,较宽的工作电压范围。

具有全自动感应效果,即当人进入其感应范围则输出高电平,人离开感应范围则自动延时关闭高电平,输出低电平。

并且可设置为可重复触发方式:

即感应输出高电平后,在延时时间段内,如果有人体在其感应范围活动,其输出将一直保持高电平,直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段,并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点。

本设计中,将传感器模块直接与单片机的引脚相连。

其电路原理图如所示:

图6红外模块电路图

其参数表如下:

表1红外热释参数表

序号参数项参数值

1工作电压DC5V至20V

2静态功耗65微安

3电平输出高3.3V,低0V

4延时时间可调0.3秒~18秒

5封锁时间0.2秒

6触发方式L不可重复,H可重复,默认值为H

7工作温度-15~+70度

8感应范围小于120度锥角,7米以内

3.5温度传感器模块

人体温度采集系统主要由芯片DS18B20和电信号转换模块组成。

DS18B20是比较新型的一种温度传感器,只要求一个端口即可实现通信、DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号在实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温、测量温度范围在-55oC到+125oC之间、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择、内部有温度上、下限告警设置。

电路原理图如下图所示:

图7温度传感模块电路图

其工作原理图如下:

图8DS18b20工作原理图

3.6液晶显示模块

本设计的显示采用了LCD12864作为显示模块,其中VSS和VDD分别接地和5V正极,滑动变阻器调节对比度。

Rs/Rw分别是数据/命令选择和读写端口,D0?

D7为并行数据端口,分别接P1的D0?

D7郭天祥,2009,12864的接口表如下:

表2LCD12864并行接口

管脚号管脚名称电平管脚功能描述

1VSS0V电源地

2VCC3.0+5V电源正

3V0-对比度（亮度）调整

4RSCS）H/LRS“H”,表示DB7?

?

DB0为显示数据

RS“L”,表示DB7?

?

DB0为显示指令数据

5R/WSIDH/LR/W“H”,E“H”,数据被读到DB7?

?

DB0

R/W“L”,E“H→L”,DB7?

?

DB0的数据被写到IR或DR

6ESCLKH/L使能信号

7DB0H/L三态数据线

8DB1H/L三态数据线

9DB2H/L三态数据线

10DB3H/L三态数据线

11DB4H/L三态数据线

12DB5H/L三态数据线

13DB6H/L三态数据线

14DB7H/L三态数据线

15PSBH/LH:

8位或4位并口方式,L:

串口方式

16NC-空脚

17/RESETH/L复位端,低电平有效

18VOUT-LCD驱动电压输出端

19AVDD背光源正端（+5V）

20KVSS背光源负端

其原理图如下:

图912864原理图

3.7电子密码锁模块

3.7.1矩阵键盘介绍

密码锁采用矩阵键盘作为输入。

在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式,在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接王卫星,2009。

在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式,如图6所示。

在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接。

这样,一个端口（如P1口）就可以构成4×416个按键,比之直接将端口线用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,比如再多加一条线就可以构成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一键（9键）。

由此可见,在需要的键数比较多时,采用矩阵法来做键盘是合理的。

下图为矩阵键盘的原理图:

图10矩阵键盘

键盘扫描流程图如下:

图11键盘扫描流程图

3.7.2密码锁模块功能介绍

该模块利用Mega16单片机其内部自带的512字节的EEPROOM进行存放密码,具有密码显示、密码修改、密码错误提醒的功能。

具体功能实现如下:

单片机可以对EEPROOM进行读取密码和写入密码,本密码锁是事先把初始密码123456写入EEPROOM中,用户输入密码后,通过对用户输入的密码和EEPROOM中的密码进行比较,若比较相同则提示开锁称成功,开锁后,用户可以修改密码,即把用户输入的新密码写入到EEPROOM当中,并清除之前的密码,按下保存键后,即成功修改密码。

若用户输入的密码与EEPROOM中的密码不一样,则提示密码错误,输入密码错误次数累加一,当输入密码错误达到三次后,则通过GSM报警。

流程图如下:

图12密码开锁流程图

4测试与试验分析

4.1电路板焊接

本设计使用9×15cm的万能板。

在焊接万能板的时候,时应注意控制焊点大小,避免电路发生短路。

焊接前,必确定好元器件的排布,确定电路走线方向和间距。

焊接时,要按照先难后易,先低后高的顺序。

图13实物正面图

图14背面电路图

4.1硬件调试

在通电之前,先用万用表检查线路的正确性,并核对元器件的型号、规格是否符合要求。

特别注意电源的正负极以及电源之间是否有短路。

如果不仔细检查好,通电后可能会对元器件造成损害,产生不良的后果,所以检查这一步至关重要。

通电后也要检查各期间引脚的电位,仔细测量各点电位是否正常。

观察单片机能否正常工作。

硬件调试预期结果如下表:

图15测试表

条件液晶显示报警

室温,无人温度正常读数,显示无人,safe无

温度过高,无人温度正常读数,显示无人,danger蜂鸣器报警,短信报警

室温,有人温度正常读数,显示有人,danger蜂鸣器报警,短信报警

温度过高,有人温度正常读数,显示有人,danger蜂鸣器报警,短信报警

4.2功能测试

4.2.1正常运转

电路接通电源后,各模块正常运转。

图16模块正常运转

4.2.2温度过高报警

当发生火警时,温度传感器会检测到的温度过,此时蜂鸣器会报警。

系统上的液晶显示状态如下图所示:

图17温度过高报警

4.2.3有人强行入侵后报警

当有外人强行入侵时,蜂鸣器会报警。

系统上的液晶显示状态如下图所示:

图18外人强行入侵后报警

4.2.4