毕业设计基于单片机的安全监控系统.docx
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毕业设计基于单片机的安全监控系统
1绪论
国内外比较常用的监控技术当中通常还会使用视频监控技术，市场上完善的监控设备通常还具有自动控制功能，比如检测到烟雾浓度超过安全警戒线时，报警的同时还会进行断电洒水等操作，检测到燃气泄漏，空气中燃气浓度超标时，系统将进行自动打开窗户，切断电源等操作。
本课题是参照目前市场上现有的技术，设计的一个基于单片机的小区住户安全系统。
1.1背景和意义
我国的小区住户安全监控系统的发展经历了从无到有、从简单到复杂的过程，其智能化的程度也越来越高。
随着我国社会经济和文化建设的发展，社会公共安全受到人们越来越多的关注，作为一个新型的产业，安防产业发展很是迅猛，智能化安防技术的发展已取得了一定的成就。
企业和小区住户的安防需求日益凸现，数字化智能安防再次面临新的发展契机。
为了解决企业和小区住户安全防范等问题，近年来，建设部、公安部两部先后签署下达了多个相关重要文件，表明了强化建设企业和住宅小区的智能化安全防范设施的决心。
即便现代居民邻里常年很少往来,即便小区住户家庭生活稳密、封闭，在有小区住户安全监控系统的情况下仍能在极大程度上保障小区住户的安全。
无论何时何地，发生何种险情（如有人入室盗窃、发生漏水漏电漏气或某户需要紧急求助等情况），在户主未察觉险情且得不到邻里或附近人员帮助时，基于单片机的小区住户智能安全监控系统便会凸显它的最大价值，比如，在小区每个住户单元安装一台报警主机，住户可选择安装在住户门口、窗户处安装声检、紧急求助，烟雾/煤气探头和瓦斯探头等报警探测设备，如果发生有人闯入、起火烟雾或液化气泄漏等等诸多险情时，系统便会触发报警，让户主、周围能够给予帮助人或负责安防的部门知晓情况，并做出相应的处理，将险情造成的损失减小到最小化。
由此可见，无论白天黑夜，户主离家在外或是在家休息，基于单片机的小区住户智能安全监控系统可以帮助人们在最没有警觉性时提供极大的安全保障。
小区住户智能安全是如此的重要，这也就是本课题设计这套系统的意义和价值。
1.2设计的任务
本课程设计要求在通过对基于单片机的小区住户安全监控装置研究与设计中，熟悉和掌握各类传感器的工作原理和应用，以及各传感器电路的设计，熟悉和掌握以单片机为核心的监控系统的组成和工作方式，提高对电子电路的设计、仿真和制作能力，理解和掌握单片机系统的程序设计和功能仿正。
1.2.1本设计要完成的内容
（1）设计各传感器电路、锁存器电路、存储器电路、逻辑电路、LCD显示器、按键电路和声光报警电路等；
（2）设计信号调理电路；
（3）设计单片机基本电路和其它外围电路；
（4）设计部分程序；
（5）对课题进行仿真、调试和评估。
1.2.2本设计的主要任务及难点
本设计着重要研究和解决以下几个部分的问题，分别为：
“传感器采集部分”、“信号调理部分”、“键盘显示及声光报警部分”、“软件设计部分”和“Proteus仿真部分”。
（1）传感器采集部分
传感器采集部分由“红外传感器电路”、“烟雾传感器电路”、“浸水传感器电路”和“紧急求助开关电路”组成，分别采集“有无人员闯入”、“火情”、“漏水情况”和“有无求助信号”等参数。
这部分的主要技术难点是：
如何选择相对合适的传感器，使得方便的实现对信号的采集。
（2）信号调理部分
信号调理部分，主要解决对采集到的信号的滤波、放大和模数转换等调理。
部分传感器等采集电路输出电压电流等参数通常过大或过小，不适宜单片机读取和处理，所以需要对采集来的信号进行放大等调理或模数转换，使得电路输出电压和电流在单片机所适宜接受的范围内。
常用A/D转换的方法是将采集到的模拟信号通过A/D转换芯片配合软件进行模数转换的，而针对本课题，只需要对其输出信号进行模数转换的电路后面设计一个电压比较器电路，设置阀值，利用比较器的翻转特性，采集的信号超过阀值时，比较器输出电平发声翻转，单片机读变化高电平便能分辨参数情况。
这部分的主要难点是：
针对各个不同的传感器的输出信号，通过计算，准确的将信号放大到合适的强度，并参照器件环境报警指标，设置正确报警的阀值。
（3）键盘显示及声光报警部分
本课题设置声光报警方式为：
红指示灯闪（每秒闪一次，连续），蜂鸣器响（连续报警）。
设计在LCD显示器上显示实际时间和实时检测到的参数，这样便需要通过日历芯片与单片机通信交换时间数据，并由单片机输出显示。
设计中需要扩展一块外部存储器芯片，用以存储实时检测到的参数和检测的实时时间。
键盘部分是用以设定日历初始时间和设置调用读取存储时间等功能。
这部分主要难点是：
充分利用好单片机I/O口资源也是需要思考的问题之一，可以从键盘的选择上入手，选用个别独立键盘，不用矩阵键盘。
（4）软件设计部分
各个器件和电路的功能基本都是通过单片机编程来工作的，如存储器芯片、日历芯片、LCD和声光报警电路等。
软件是贯穿整个智能监控系统的关键之一。
这部分主要难点是：
熟练应用几种中断的知识是一个要点，可能涉及到中断的嵌套使用，是值得思考研究的地方。
日历芯片采用的是SPI通信协议，而存储器使用的是I2C通信协议，如何灵活运用这两种协议，和各自的工作指令，并能准确的显示，都是要深入研究的部分。
（5）Proteus设计部分
最终的成果通过Proteus软件演示出来，在Proteus上绘制出电路图并加载软件后，能实现所要实现的功能。
这部分的难点是：
如何解决Proteus中有部分器件在元器件库里没有的问题。
考虑到传感器电路信号的特征和单片机读取信息的特征，在仿真中可采用开关电路，利用其输出电平代替传感器电路调理后的信号。
1.2.3要实现的部分重要指标
（1）采样时间：
≤10s；
（2）防盗报警：
有；
（3）漏水报警：
有，报警电流≥30mA；
（4）烟雾报警：
有，烟雾浓度≥2%；
（5）紧急求助：
有。
2总体方案论证
考虑到设计成本等诸多问题，本设计并没有选用市场上常用的视频监控的方案。
在本章中将结合系统框图对本设计选用的方案进行介绍和论证。
2.1系统框图
基于单片机的小区住户安全监控系统总体方案框图如图2.1所示。
图2.1基于单片机的小区智能安全监控系统框图
系统框图中双向箭头表示数据信息需要双向传输或控制，单向则是单向传输或控制。
系统是以AT89C52单片机为核心处理器的单片机智能小区住户安全监控系统。
2.2方案概述
下面将结合图2.1系统框图对本课题的总体方案进行阐述。
本监控系统可以同时监控2个监控区域，分别以A1和A2来表示这两个区域，对每个区域的四种参数进行检测（即监控“是否有人闯入”、“是否发生火灾”、“是否有漏水”和“是否有紧急求助”这四种险情）。
本设计中选用热释电红外传感器电路进行有人闯入参数采集；选用离子式烟雾传感器电路进行火情参数采集；选用浸水线缆电路进行漏水情况参数采集；并设置一个紧急求助开关，当任意一个区域需要紧急求助时，拨动开关即可，紧急求助开关电路也一个重要的采集电路。
上述几种被检测的参数一旦发生险情，系统将会发出声光报警，在LCD显示器上，险情参数和实时时间将会得以显示。
本设计的报警方案如下：
2个监控区域中只要发生任意险情，无论种类、数目和位置，便会发出连续的声音报警，同时发光二极管也将每秒闪烁一次，进行发光报警。
设计中还包含日历时钟芯片DS1302、存储器芯片AT24C02和LCD显示器LM032L等器件。
DS1302与单片机传输实时时间和日期，每隔2秒钟左右系统进行一次采样，采样获得数据和当时时间将会送给存储器AT24C02存储起来，存储器采用每分钟储存一次的方式进行存储，以充分利用存储资源。
系统中设立了5个独立按键，分别为B1、B2、B3、DD1和TT1，按钮DD1按下一次时，启动日历时钟芯片起始时间、日期设置阶段，并进入秒位设置，再按一下进入分位设置，以此类推，直到年位设置结束，再按一下DD1键跳出设置时间日期阶段，系统继续按设定的时间往下运行和显示。
在日历时间设置阶段，每按一下按钮加键（B2），处于设置状态的该位数值加一；每按一下按钮减键（B3），处于设置状态的该位数值减一。
时间日期显示在LCD显示器的第二行，第一行是显示检测的区域代号和对应该区域参数险情的个数。
当按钮B1按下一次，进入调用存储器查询时间设置阶段，第一次按钮B1时，进入分位个位数值设置，按加键（B2）、减键（B3）对设置位数值进行设置，同样每按一次B1键设置位往前移一位，直至设置完毕，LCD显示器显示调用查询的存储数据和时间，再按下B1键，系统继续工作（重新进入检测存储工作等）。
另外设定按键TT1，此按键是停止报警键。
按下此键后，利用外部中断0的中断方式，停止声光报警，但是显示器上仍然显示险情数据，可以在系统误判后解除报警，或者在发觉险情后，不需要报警时，按下此按钮，停止声光报警。
具体的硬件设计方案和软件设计方案将在第3章和第4章中详尽阐述。
利用Proteus软件演示成果时，利用设计的简单开关电路的输出电平代替传感器电路采集调理后的数字信号，解决了器件库中没有所需要的传感器而难以仿真的难题。
开关电路输出高电平表示该参数发生险情，相反开关电路输出低电平表示该参数没有发生险情。
单片机系统的数据输入部分中，A1区域的输出端连到第一块8D数据锁存器上，A2区域的输出端连到对二块8D数据锁存器上，这两组锁存器的输出端Q0～Q3都一一对应接到单片机的P0口的P0.4口到P0.7口上。
利用P2.2口和P2.3口分别对这两块锁存器进行选通，实现分时读取采集的数据，节约了端口又防止了信号“碰撞”。
3硬件电路设计
硬件电路的设计包括对单片机基本外围电路的设计、采集信息的传感器电路的设计、信号调理电路的设计、声光报警电路的设计和开关按键等电路的设计。
下面我们将对各个电路选用的器件进行简略的介绍，并从节约成本、设计合理和实用性等角度出发，对系统硬件电路进行了设计，并在本章中对每个部分电路的具体设计方案进行了详尽的阐述。
3.1AT89C52单片机外围电路
3.1.1AT89C52单片机的简介
AT89C52是一个低电压、高性能的CMOS单片机，它是一款8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（ROM）和256bytes的可随机存取数据的存储器（RAM）[1]。
该单片机采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产而得，兼容标准MCS-51系列的指令系统，片内置8位中央处理器和Flash存储单元。
本设计中选用AT89C52单片机在电子行业里有着广泛的应用。
3.1.2单片机晶振电路
单片机内部并没有晶振，需要外加晶振，在内部振荡器的协同下工作的。
将晶振与电容按图3.1中所示连接，组成并联谐振回路，构成一个自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟[2]。
单片机振荡器的频率主要取决于所用晶振的振荡频率，本设计中选用晶振约为12MHz，此时选用的电容C1和C2约为30pF左右为宜。
如图3.1所示为单片机外部晶振电路图。
图3.1单片机外部晶振电路
3.1.3单片机复位电路
单片机的复位电路是单片机外围电路重要的组成部分之一，复位方式有上电自动复位和外部按键手动复位两种，单片机在时钟电路工作以后，RESET端保持接收2个机器周期的高电平时就可以完成单片机的复位操作[3]。
例如本设计中选用的晶振频率为12MHz，则RESET端应保持接收高电平时间≥2μs，才可以完成复位。
设计中采用的是外部手动按键复位电路，单片机的复位电路图如图3.2所示。
图3.2单片机复位电路
按下复位按钮时，经由电阻给电容充电，电容的电压缓慢上升至VCC（若电容充电后电压没到VCC，芯片复位脚仍近似接低电平。
），松开按钮时电容放电，从而使得复位电路接受到大于2个机器周期的高电平，使得单片机成功复位。
3.2电压比较器电路设计
3.2.1LM339的简介
LM339集成块内部具有四个独立的电压比较器，LM339的特点是：
（1）失调电压小，典型值为2mV；
（2）电源电压范围宽，单电源为2V～36V，双电源电压为±1V～±18V；
（3）对比较信号源的内阻限制较宽；
（4）共模范围很大，为0V～（VCC-1.5V）V0；
（5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；
（6）输出端电位可灵活方便地选用。
3.2.2单限比较器电路
输入信号Uin作为待比较电压，待比较的电压加到同相输入端，反相输入端接参考电压（门限电平）Ur，Ur也称为阀值。
当输入电压Uin＞Ur时，输出为高电平UOH；反之当Uin＜Ur时，输出为低电平UOL；在Uin=Ur时发生翻转[4]。
图3.3给出的是一个基本单限比较器电路。
图3.3基本单限比较器电路
相对应的比较器电路输入输出电压特性图如图3.4所示。
图3.4电压比较器输入输出电压特性
3.3烟雾传感器电路设计
3.3.1烟雾传感器NIS-09C的介绍
本设计选用的烟雾传感器是NIS-09C烟雾传感器，这是一款离子式烟雾传感器，是日本NEMOTO公司设计的新型烟雾传感器[5]。
NIS-09C离子式传感器的工作方式及部分重要指标参数如下：
检测方式：
离子式；放射源：
镅241；
电源电压范围：
6.0V～18.0V；温度：
-40℃～+50℃；
典型电源电压：
9V；输出电压：
5.6V±0.4V；
电流损耗：
27pA±3pA；灵敏度：
0.6V±0.1V。
要利用此传感器设计良好的烟雾传感器电路还需要了解部分NIS-09C烟雾传感器的其它特性参数，下面将进行介绍。
NIS-09C的灵敏度特性在表3.1中有所标识，该表是根据UL217标准制定的（风速条件是0.1m/s）。
表3.1NIS-09C灵敏度特性
烟雾浓度（%）
输出电压（V）
误差（ΔV）
0
5.6±0.4
0
1
5.3±0.5
0.3±0.1
2
5.0±0.5
0.6±0.1
3
4.7±0.5
0.9±0.2
4
4.4±0.5
1.2±0.2
5
4.2±0.5
1.4±0.2
NIS-09C的电源电压特性在表3.2中有所标识。
表3.2NIS-09C电源电压特性（温度：
25℃；湿度：
60%RH）
电源电压（V）
输出电压（V）
6
3.3±0.3
9
5.6±0.4
12
8.0±0.7
15
10.0±0.85
18
13.0±1.0
NIS-09C的温度特性在表3.3中有所标识。
表3.3NIS-09C温度特性（湿度：
60%）
温度℃
输出（V）
0
5.15±0.4
25
5.6±0.4
50
5.85±0.4
NIS-09C的湿度特性在表3.4中有所标识。
表3.4湿度特性（温度：
25℃）
湿度（%C）
输出（V）
30
5.75±0.5
60
5.6±0.4
90
5.45±0.4
NIS-09C的实物图如图3.5所示。
图3.5NIS-09C的实物图如所示。
3.3.3烟雾传感器电路设计方案
烟雾传感器电路是对所监控区域环境中的烟雾浓度信息进行采集，通过合理的方法将采集到放大调理和模数转换后才送单片机读取。
参照上一节中对NIS-09C离子式烟雾传感器进行的详尽阐述，利用NIS-09C烟雾传感器的参数信息对烟雾传感器电路进行设计。
基于NIS-09C传感器的烟雾传感器电路图如图3.6所示。
图3.6基于NIS-09C传感器的烟雾传感器电路图
图3.6中标识有“NIS-09C”字样的芯片便是我们选用的烟雾传感器传感器NIS-09C。
将NIS-09C的1脚和4脚接到+9V直流电源上，3脚接地。
工作在+9V直流电压下时2脚将输出5.6V±0.4V的电压，其电平大小足以给单片机读取，所以不需要将烟雾传感器NIS-09C输出的模拟信号进行放大，这也是为何选用次传感器进行设计的重要原因。
将采集到的模拟信号转化成数字信号也是至关重要的一步，通常对模拟信号到数字信号的处理采用模数转换芯片结合软件来实现A/D转换的，但针对本设计，使用采用运放LM339搭建电压比较器电路，利用比较器翻转特性，将采集的模拟信号转换为数字信号的方法更为高明和方便。
设定当环境中烟雾浓度≥2%时，表明出现险情，参照表3.1，可设计报警阀值为+4.5V。
如图3.6所示，传感器NIS-09C的输出端通过电阻接到LM339的反相输入端，经过分流分压后得到的阀值电压Ur1接到LM339的正相输入端，Ur1的值为+4.5V。
当环境中烟雾浓度＜2%时，LM339反相输入端取得电压＞+4.5V，比较器输出端输出为低电平；当环境中烟雾浓度＞2%时，LM339反相端取得电压≤+4.5V，比较器输出发生翻转，输出高电平。
单片机读的该高电平便表示读取到环境中烟雾浓度超过警戒线，发生了火灾，接着单片机将进行驱动声光报警等一系列操作。
3.4热释电红外传感器电路设计
3.4.1热释电红外线原理和特性
热释电红外线传感器发展于80年代，是一种新型高灵敏度探测元件，它能在检测到人体发射的红外线后输出相应强度的电信号，市场中常利用热释电红外传感器组成防入侵报警器或各种自动化节能装置[6]。
热释电红外传感器以非接触形式检测出人体辐射出的红外线，产生电量的变化，转换成电压信号输出。
将这个电压信号加以放大就可以驱动各种控制电路。
热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器，它是由高热点系数材料制成的探测元件，在探测器内部装两个探测元件，将这两个探测元件反相串联起来，从而抑制元件自身温度升高产生的干扰。
由于热电器件输出的信号一般为电荷信号，不能直接被其他器件所接受或使用，因而热释电红外传感器中装入了一个场效应管，利用场效应管实现阻抗变换，使其最终输出为电压信号。
人体辐射的红外线中心波长约在9μm～10μm左右，而通常的红外探测元件的波长灵敏度在0.2μm～20μm范围内，所以需要在传感器顶端开设一个装有菲涅尔系列滤光镜片的窗口，经过滤光片滤光后，探测元件能够接收的辐射波长约在7μm～10μm的范围内，滤光片将其它的波长的红外线予以吸收，装有菲涅尔滤光片的热释电红外探测元件就刚好适合人体红外辐射的探测，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外探头，一旦有人侵入检测区域，人体的红外辐射通过滤光片滤波并聚焦，被热释电红外探头接受，误判率很低。
由于两片热释电元接收到的热量不同，电信号是不能被抵消的，信号经处理后可以输出适当强度的电压信号。
3.4.3热释电红外传感器RE200B的简介
本设计选用的RE200B是一款热释电红外传感器，这种传感器是由一种晶体材料做成，当这种晶体表面受到红外线照射时，会在晶体表面产生电荷，随着光线对晶体照射的改变，电荷量也会发生改变。
这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号，同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。
图3.7为热释电传感器RE200B的实物图。
图3.7热释电红外线传感器RE200B实物图
和大多热释电红外传感器一样，RE200B对于不同波长的光线照射都能产生不同程度的响应，因此我们看到的RE200B的封装中有一个像玻璃似的小窗，这就是加了一块菲涅尔系列滤光镜片[6]。
通过这个菲涅尔系列滤光镜片可以限定晶体对特定波长的光线产生响应，加菲涅尔系列滤光镜片后，RE200B一般接收波长在7μm～10μm，因此只接受接近人体辐射的红外线波长的辐射。
表3.5中列出了热释电红外传感器RE200B的主要特性和部分技术参数，参照这些参数可利用RE200B设计相应的红外防盗电路。
表3.5RE200B的主要特性和部分技术参数
封装
TO-5式封装
工作电压
3V～10V（Rs=47kΩ）
电源电压
0.3V～1.5V（VD=5V，Rs=47kΩ）
输出信号
MIN2.5Vp-p（TYP4.0Vp-p）
探测视角
水平方向张角138°
垂直方向张角125°
3.4.4热释电红外传感器电路的设计
基于RE200B热释电红外传感器的传感器电路如图3.8所示，参照图3.8对电路进行连接。
图3.8热释电红外传感器电路图
日常生活中对射式红外传感器也常用来进行防盗监控的设计。
对射式红外传感器是利用当有障碍物阻断红外发射头发送至红外接受头的红外线，从而红外接受头接收不到红外时输出电平改变，通过识别这个电平的变化来设计防盗系统。
而本设计是利用热释电红外传感器RE200B进行防盗电路设计，来检测区域是否有人闯入的参数的，我们之所以选择热释电红外传感器，而不选用对射式红外传感器来设计防盗监控，是因为，对射式传感器只要任意一种障碍物阻断红外线的发送路径，就会产生电平的变化，相反采用热释电红外传感器，利用人体自身波长的特性，加上菲涅尔系列滤光镜片进行滤光，就能基本准确的判断是否是人闯入，动物等其它物体闯入时产生的电平和检测到人时的电平存在着区别，误判率比较小。
图3.8中热释电红外传感器的D端串联一个10kΩ电阻再接到5V电源上，D端还通过连接一个电容接到地线，这样便构成一个降低射频干扰的电路。
G端接地，S端接47kΩ负载电阻再接地，因此偏置电压约为1V。
热释电红外线传感器输出电信号的幅度和频率主要取决于人体的温度、探测背景、人与传感器的距离、人的移动速度和光学透镜系统的焦距等。
传感器输出通过阻容耦合后连到低噪声运放LM324，构成带通滤波和第一级放大电路的反向输入端。
再由电阻R6、电容C4耦合到第二级放大器的反相输入端，进行进一步滤波和放大。
滤波的上限截止频率为：
f1=
=15.9Hz式（3.1）
滤波的下限截止频率为：
f2=
=0.07Hz式（3.2）
电路增益与频率是密切相关的，当输入信号频率为1Hz时，第一级放大增益约为：
Au1=
式（3.3）
第二级放大增益为：
Au2=
式（3.4）
根据式（3.1）和式（3.2）计算得滤波后允许通过信号的带宽为15.83Hz。
根据式（3.3）和式（3.4）计算得放大后信号的总增益约为66dB。
经过放大后的信号连接到LM339的反相输入端，设置参考电压为3.8V，当被放大后的的输出信号大于3.8V时，比较器LM339输出电压为高点平，此时便表示电路检测到有人的移动。
3.5漏水传感器电路设计
3.5.1浸水线缆JS-RS的介绍
在漏水检测的系统中也常用到浸水线缆JS-RS，浸水线缆JS-RS通常被用于机房、空调房等场所的漏水检测，浸水线缆JS-RS的实物图如图3.9所示。
图3.9浸水线缆JS-RS实物图
表3.6列出了浸水线缆JS-RS的一些主要技术参数。
表3.6浸水线缆JS-RS主要技术参数
供电电源
直流电10V～30V
感应线缆长度
10m（可选其中几段）
连接端子
5PIN5.08mm间距插拔端子
电导率
＞5μs/cm
工作环境
0℃～85℃
3.5.2漏水传感器电路设计
国内外市场上还会使用探极式漏水传感器来设计漏水监控电路，但由于成本大的缘故，选择JS-RS浸水线缆来设计漏水检测电路即可。
该浸水线缆可等效看作为一个阻值可调电位器，当有水漫过某一段浸水线缆，则该段线缆近似为短路，整段线缆的总阻值将减小，利用这一特性，设计如图3.10的漏水传感器电路。
图3.10浸水电缆电路图
连接方式如图3.10所示。
设置翻转阀值Ur2，Ur2=+4.5V，若无浸水情况，利用分压原理，LM339反相输入端处电压Ui大于阀值电压Ur2，LM339输出为低电平；若浸水后，检测电路中电流大于30mA时（出现漏水情况），LM339反相输入端处电压Ui小于阀值电压Ur2，LM339输出电平发生
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