基于单片机的居室安全报警系统的设计Word文件下载.docx

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基于单片机的居室安全报警系统的设计

摘要

本设计是对基于单片机的居室安全报警领域进行研究，设计出以AT89C51单片机为核心的性价比高、易于安装的居室安全报警系统。

详细阐述了系统的组成结构、硬件设计和软件设计。

该报警系统采用无线通信与GSM通信相结合方式的通信方式和模块化设计思想，通过不同类型的传感器检测报警单元，来检测居室环境中不同类型的危险因素，必要时发出报警指令，并将房间的环境参数反馈给主控单元，主控单元就会马上接收到报警信号，对报警信号进行判断和处理，得出报警类型，进行声光报警，并通过GSM网络通知用户和警方，确保居室环境的安全。

该报警系统主要用来实现住户门与窗户的防入侵、防盗报警，火灾报警，燃气泄漏报警，按钮式居室紧急求助报警等多项居室安防功能。

并且该系统操作简单方便，智能化程度高，易于安装、调试，能够及时检测到家中的危险因素，防止危险事故的发生。

关键词：

AT89C51；

居室安全报警系统；

无线通信；

GSM；

传感器

DesignofHomeSecurityAlarmSystembasedon

SingleChipMicrocomputer

ABSTRACT

Thisdesignisbasedonsinglechipmicrocomputerhomesecurityalarmfieldresearch,todesignahomesecurityalarmsystem,whichmakesAT89C51asthecoreandthisiscost-effectiveandeasytoinstall.Thisdesignelaboratesthecomposition,hardwaredesignandthesoftwaredesign.ThealarmsystemadoptsthecombinationofthewayofcommunicationofGSMcommunicationandwirelesscommunicationandthoughtofmodulardesign.Throughthedifferenttypesofsensorunittestingdifferenttypesofriskfactorsinthedifferentrooms’environment,sendingalarminstructionswhennecessary,andthesensorunitwillfeedbacktheenvironmentparametersindifferentroomstomaincontrolunit.Themaincontrolunitreceivesthealarmsignalimmediately,judgingthesignalandthetype,withsoundandlightalarm,andnotifytheuserandpoliceinGSMnetworkatthesametime,toensurethesafetyofthedifferentrooms.Thealarmsystemismainlyusedtoimplementmanyhomesecurityalarmfunction,suchasintrusionpreventiondoors-windows,anti-theftalarm,firealarm,gasleakagealarm,emergencypushbuttonforassistanceandsoon.Thealarmsystempossesssimpleandconvenientoperation,highdegreeofintelligent,easytoinstall,debugandisabletotimelydetecttheriskfactorsinthehome,preventingtheoccurrenceofdangerousaccidents.

Keywords:

AT89C51;

Homesecurityalarmsystems;

Wirelesscommunication;

TheGSM;

Thesensorunit

1绪论

1.1本设计的研究背景 

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防范方式越来越不能满足人们日常防范的要求;

与此同时，随着生活水平的提高，液化石油气、管道煤气进入了大多数家庭，各种家用电器也得到了广泛的使用，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和有害气体中毒的危险。

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居室安全防范报警系统。

居室安全防范关系到社会的稳定，是社会安全防范的重点，绝不能掉以轻心。

社会治安的好坏直接影响每个公民的人身安全和财产安全，直接影响每个公民建设社会主义的积极性，安定团结是建设有中国特色社会主义不可缺少的基础条件，所以加强防火、防盗，在居室建立安防报警装置是社区安防系统行之有效的防范手段。

1.2本设计的研究目的和意义 

随着现代社会的不断进步，人们的生活水平也不断提高，人们对生活品质的要求也就越来越高，现今有关家庭、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,并且使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，满足了社会发展的需要。

以单片机与传感器为核心的居家安全报警设备能够对家中各种危险因素进行检测,这给居室安全问题的解决提供了新的选择。

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如发生入室盗窃、火灾、煤气泄漏等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。

一旦出现了入侵、盗窃等犯罪活动，防盗报警系统能及时发现、及时报警，同时电视监控系统能自动开启，并记录下犯罪现场以及犯罪分子的犯罪过程，以便及时破案，从而可节约大量人力、物力资源。

同时，居室安装火灾防范报警系统，能在火灾发生的萌芽状态及时得到扑火，以避免重大火灾事故的发生；

居室安装煤气泄漏防范报警系统，通过传感器检测到煤气浓度超过某一给定值时，报警系统自动开启，通知住户及时关掉开关，以减少损失。

本系统还设置有紧急呼叫开关，适合于有老人或小孩等行动不便的人群的家庭，当居室出现紧急情况时可通过手中的遥控器或按一下系统主机的紧急呼叫键直接拨打预先设定的电话号码进行紧急呼救，以避免意外发生。

这种利用单片机和一些简单的外围器件来开发的多功能智能型安全防范报警系统安全防范系统，能可靠的进行日常安全防范工作，及时发现各种险情并通知户主，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。

由单片机进行报警控制是用软件实现的，其控制方法及控制参数便于修改，因而可提高报警系统的灵活性，更主要的是可实现更为复杂的报警控制及增加系统的功能。

使用该系统无需改动家中的用电线路，成本低，不影响美观，无线通讯，使用方便，适合一般家庭使用。

安全防范关系到千家万户的生命和财产安全，关系到社会稳定不容忽视，智能安全报警系统必将大大提高住宅的安全程度，有效保证居民的人身财产安全，有助于社会稳定。

因此，智能居室安全报警系统的设计与开发具有很强的研究价值和实际意义。

2居家安全报警系统总体设计方案

2.1居家安全报警系统的设计思路

本设计属于单片机应用系统，确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。

总体方案的好坏，将直接影响到控制系统的性能和实施细则。

为了增加系统的可靠性和实用性，所有输入输出部分采用低电平有效，家电采用继电器控制。

根据设计要求可以分为以下几个模块：

主控单元模块、无线通信模块、GSM网络通信模块、防盗报警模块、火灾报警模块、煤气泄漏报警模块和按钮式居室紧急求助报警模块。

利用单片机系统把几个模块紧密结合起来，便可实现时间显示、险情显示和报警、家电集中遥控控制等功能。

该系统的设计是将单片机控制技术，传感器检测技术，通信技术相结合的新型居室安全报警系统，系统以单片机为核心，由负责决策的主控单元和安放于不同房间的各种检测报警单元组成，各检测单元负责检测室内环境的各种条件，如果检测到有不正常状况，各个检测报警单元会立即发出声音报警，接着将采集到的数据通过无线通信的方式发送给主控单元，主控单元做出决策，进行声光报警，并发出相应的指令控制系统的运行，从而实现室内环境的自动检测和自动报警，维护室内环境的安全。

2.2居室安全报警系统的功能及工作原理

该居室安全报警系统主要有五大功能：

智能防盗功能，当有盗贼进入时，立即进行报警；

智能火灾报警，家中出现烟雾时立即进行报警，减少财产的损失；

可以监测家庭中的煤气或天然气的浓度，发现煤气泄漏，及时通知警方和户主；

当居室出现紧急情况时，主人可通过手中的遥控器或按一下系统主控单元的紧急求助按钮直接拨打预先设定的电话号码进行紧急呼救，以避免意外发生；

手机网络智能报警，当检测到家中出现意外情况时，通过短信进行报警，同时可以通过遥控器实现系统开关的控制，使用方便，操作简单。

该系统的主控单元可以放置在客厅，检测单元可以安装于住宅的不同房间。

例如，防盗报警检测单元安装在门窗的上方，火灾检测单元安装在厨房，煤气泄漏检测单元安装在厨房。

放置在不同位置的检测单元将信息通过无线设备实时的发送给主控单元，一旦发生入室盗窃，起火，煤气泄漏等紧急意外情况，主控单元就会马上接收到报警信号，对报警信号进行判断和处理，得出报警类型，进行声光报警，并通过GSM网络通知用户和警方。

一旦出现了入侵、盗窃等犯罪活动，防盗报警系统能及时发现、及时报警，同时电视监控系统自动开启，并记录下犯罪现场以及犯罪分子的犯罪过程，以便及时破案，从而可节约大量人力、物力资源。

报警中心接到警情后立即自动进行分辨处理，迅速识别判定警报类型、地点、用户，电子地图显示报警位置并瞬间检索打印用户报警信息，报警中心据此派出机动力量采取相应解救措施。

当居室发生烟雾、燃气泄漏等事故时，传感器会立即获知信息，并由报警系统发出声光报警，以提醒住户采取相应措施。

住户也可通过固定式紧急呼叫报警系统，向智能化管理中心呼叫报警，中心可根据情况迅速处理。

该系统的硬件主要由主控单元、防盗报警单元、火灾报警单元、煤气泄漏报警单元、按钮式居室紧急求助报警单元、无线通信模块、GSM网络通信模块等多个部分组成，各部分相互配合，保证系统的正常运行。

总系统结构图如图2-1所示。

图2-1总系统结构图

3各个模块介绍

3.1主控单元

主控单元作为系统的控制中心，以AT89C51单片机为核心，负责通过无线模块接收各个检测报警单元的信息，对信息进行处理，发现报警信息发出相应的报警，并及时通知用户进行处理。

主控单元还可以完成GSM网络短信报警，声光报警，LED屏幕显示，键盘控制等处理任务。

AT89C51时一种带有4k字节Flash闪速存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

该单片机的引脚功能如图3-1所示。

图3-1AT89C51单片机的引脚功能

3.1.1AT89C51单片机引脚功能简介

（1）主要特征：

●片内数据存储器RAM有128B，21个特殊功能寄存器SFR；

●片内程序存储器FlashROM有4KB；

●可寻址片内外统一编址的64KB的ROM；

可寻址片外64KB的RAM；

●一个8位的微处理器；

●一个全双工通用异步串行接口UART；

●两个16位的定时器/计时器；

●四个8位可编程的并行I/O接口（P0--P3）；

●五个中断源、两个优先级的中断控制系统；

●片内振荡器和时钟产生电路。

（2）管脚说明：

●电源引脚：

VCC（40脚）：

电源端，接+5V电源；

GND（20脚）：

接地端，接+5V电源地端。

●外接晶体引脚：

XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）：

片内振荡电路反相放大器输入

XTAL2（18脚）：

片内振荡电路反相放大器输出

当采用内部时钟时,片外连接石英晶体和微调电容，产生原始的振荡脉冲信号。

当采用外部时钟时,XTAL1输入外部时钟脉冲信号,XTAL2悬空。

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

●控制信号引脚：

RST、ALE、PSEN、EA

RST（9脚）:

复位信号输入端，高电平有效。

保持两个机器周期高电平时,完成复位操作。

ALE/PROG（30脚）:

地址锁存允许输出端/编程脉冲输入端；

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN（29脚）:

外部程序存储器读选通输出信号；

访问片外ROM时,输出负脉冲作为读ROM选通。

常连接到片外ROM芯片的输出允许端（OE）作外部ROM的读选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/Vpp（31脚）:

外部程序存储器地址使能输入/编程电压输入端。

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；

当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

●输入/输出端口引脚P0、P1、P2、P3

4个8位的并行输入/输出端口，共32个引脚。

作为通用输入/输出端口，P0、P2和P3端口又各自有第2功能。

⑴通用输入/输出端口

准双向口:

作输入时要先对锁存器写“1”。

P0端口（P0.0—P0.7，第39—32脚）：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1端口（P1.0—P1.7，第1—8脚）：

内部带上拉电阻的准双向口,输出能驱动4个74LS负载。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2端口（P2.0—P2.7，第21—28脚）：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3端口（P3.0—P3.7，第10—17脚）：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

⑵P0、P2、P3端口的第二功能

P0端口:

在CPU访问外部存储器或I/O接口时，P0口分时提供低8位地址（A0-A7）和8位数据（D0-D7）总线。

这时,需要一个8位锁存器,利用ALE（地址锁存许）来锁存P0口低8位地址信号。

P2端口：

在CPU访问外部存储器或I/O接口时，P2口提高8位地址（A8-A15）的总线信号。

P3端口：

在CPU访问外部存储器或I/O接口时，P3口提供读、写控制总线信号。

还提供串行通信、外部中断、计数器的外部计数输入信号等。

P3.0RXD：

串行口数据输入（接收数据）；

P3.1TXD：

串行口数据输出（发送数据）；

P3.2/INT0：

外部中断0输入；

P3.3/INT1：

外部中断1输入；

P3.4T0：

定时器0的外部输入（计数输入）；

P3.5T1：

定时器1的外部输入（计数输入）；

P3.6/WR：

外部数据存储器写选通控制输出；

P3.7/RD：

外部数据存储器读选通输出控制。

AT89C51数据总线是由P0口提供的，P0口本身能以多种方式提供数据总线和地址总线。

当ALE输出信号为高电平时，P0将输出的数据锁入总线驱动器中作为地址的低8位，然后和P2送出来的高8位地址一起组成一个完整的16位地址，以寻址到外部的64KB的地址空间。

AT89C51的地址总线比较简单（只有3个：

RD、WR、PSEN），其中RD是用来读取外部数据内存的控制线，WR是用来写数据到外部数据内存的控制线，PSEN是用来存取外部程序内存的读取控制线。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3.2探测器

对于报警电路，首要的问题是把反映事物状态的物理参数探测出来，如位移、温度、气体，红外线，无线电波等，这种探测器件就是传感器。

传感器在报警电路中，相当于人体的五官，是检测外界事物变化最敏感的器件，也是报警电路中最重要的部分。

它的本质特征是将各种物理量变为电信号输出,其中电信号包括数字信号和模拟信号，数字信号可以通过电气隔离直接传送给单片机或者微型计算机进行处理；

模拟信号则利用数据采集系统将多路被物理量值转换成数字量，在通过单片机或者微型计算机进行数据处理，实现实时测控。

根据探测警情的不同，不同类型、不同原理的传感器构成了不同的探测器，该系统涉及的探测器主要有以下几类：

（1）防入侵、防盗探测器

防入侵、防盗探测器安装于窗户的上方。

凡存在于自然界的物体都会发射出红外线，只是发射出的红外线波长不同而已。

热释红外传感器是利用热电元件的热释电效应来探测人体发射红外线的一种传感器，它以非接触方式检测人体发射出的微弱红外线能量并将其转化为电信号输出，特别适用于防盗报警电路。

由于人体所发射的红外线能量十分微弱，因此光靠热释电红外传感器来接收，其灵敏度时很低的，探测距离仅为2～3m远不能满足防盗报警的要求。

为了扩大探测距离，提高灵敏度，本设计采用光学系统的菲涅尔透镜，涅尔透镜作用有两个:

一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在热释红外传感器上，从而可把探测距离扩大到20m以上；

第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在热释红外传感器上产生变化热释红外信号，这样传感器就能产生变化的电信号。

探测部分主要由热释电红外传感器CK-6组成。

当家中无人时，可把系统设置为布防状态。

入侵探测器应有防拆、防破坏功能。

当入侵探测器受到破坏，拆开外壳或信号传输线，使线路短路断路时，探测器应能发出报警信号；

同时，入侵探测器应有抗小动物干扰的能力，在探测范围内，如有直径30cm，长度50cm的具有与小动物类似的红外辐射特性的圆筒大小物体，探测器不应发出报警信号。

（2）火灾探测器

火灾探测器主要安装在厨房。

由于火灾初发时首先产生大量烟雾然后才起火，往往不易被察觉，所以选择烟雾传感器构成的探测器能及时检测到火灾产生的烟雾并于以报警，有利于及时扑灭火灾。

烟雾传感器主要有离子式烟雾传感器和光电式烟雾传感器两种，该系统选用的是离子式烟雾传感器。

离子式烟雾传感器内部含有放射源镅241，这种传感器内外电离室的电流、电压在正常情况下是稳定的。

有火灾发生时，电离室在电场的作用下电离出正、负两种离子，两种离子各自向正负两极移动，内部的电流、电压发生改变，产生报警信号，通知主控单元，将报警信息