家庭智能紧急呼救系统的设计.docx

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家庭智能紧急呼救系统的设计

西北民族大学

2011级毕业设计（论文）

家庭智能紧急呼救系统的设计

年级:

学号:

姓名:

专业:

指导老师:

二零一五年六月

摘要

随着经济的飞速发展和人们生活水平的不断提高，各种花式别墅和其它住宅如雨后春笋遍布祖国的大江南北。

但是家庭的各种状况也不断出现，如：

入室盗窃、火灾、易燃易爆物品发生爆炸、有毒气体泄漏，独自一人在家时出现紧急事故无法求助等。

所以设计出一款保障人们生命和财产安全而且经济实用的家庭智能紧急呼救系统是非常有必要的。

基于单片机家庭智能紧急呼救系统的设计，是采用STC12C5A32S2单片机作为整个系统的控制核心，利用人体红外传感器对一定范围内的人体进行监测，烟雾传感器对室内烟雾值进行检测，温度传感器实时监测室内温度否超过设定最大值，紧急呼救按键用于紧急情况呼救，LCD液晶显示屏实时显示各种监测数据，蜂鸣器用于发声报警，利用可靠且成熟的GSM移动网络对家庭中出现的状况以短信形式及时发送到住户手机上。

关键词：

GSM模块；单片机；紧急呼救按键；人体红外传感器

ABSTRACT

Withtheeconomicdevelopmentandtheimprovementofpeople'slivingstandards,andallkindsoffancyvillasarespringingupthroughouteverywhereofourmotherland,buttherearealsoavarietyofproblemsappearingforthefamiliessuchas:

burglary,fire,explosionofinflammableandexplosivearticles,leakoftoxicgas,andstayingathomealone,andcannotaskforhelpwhenanemergencyoccurs.Soitisnecessarytodesignakindofaffordableintelligentemergencycallsystemtoprotectpeople'slivesandpropertysafety.

ThedesignofSOSsystemisadoptingSTC12C5A32S2microcontrollerasthethecoreofcontrolforthewholesystem.Makinguseofinfraredsensortomonitorillegalinvadersandsmokesensortodetectsthesmokevaluesindoorwhetheritexceedsasetmaximum.Also,collectingindoortemperatureinformationbytemperaturesensorsaswellastheSOSbuttonforemergencycallforhelp.LCDliquidcrystaldisplayshowsallkindsofmonitoringdateinrealtime.Besides,buzzerisforaudiblealarmwhichadoptsreliableandmatureGSMmobilenetworktosendatextmessagetoapeople’sphonewhenthereareanyproblemsappearinginthefamily.

KeyWords：

GSMmodule；SCM；SOSbutton；PIRSensor

第1章绪论

1.1课题研究的背景

现在看新闻，经常会看到某某地方的住宅因不明原因起火，房子烧成灰烬，死伤尚未确定，或者是高龄老人突发疾病因家中无人送医而导致昏倒甚至身亡等等住宅突发事件[1]。

现在的一般住宅各种状况很多，比如突发火灾，入室盗窃，煤气泄漏，以及老人在家突然疾病得不到及时救助等等问题[2]。

这些问题一旦发生，后果不堪设想，轻则丢失财物，重则失去性命。

这些事故造成后果特别严重，是因为现在大多数住宅缺乏家庭智能紧急呼救系统，或者所用的紧急呼救系统不够完善。

因此，我们需要利用科学技术防患于未然，设计一个自动报警系统来实现住宅高度自动化来保障我们的人身和财产安全。

1.2课题研究目的和意义

家庭智能紧急呼救系统的设计的目的，就是利用科学技术来保障人们的人身和财产安全。

家庭智能紧急呼救系统的设计可以减少人们的经济损失，保障人们的人身安全，是家庭的安全卫士[4]。

家庭智能紧急呼救系统利用烟雾传感器实时检测住宅烟雾值；利用人体红外线检测有无非法闯入情况；利用温度传感器监测室内温度是否过高；设计一个紧急呼救按钮防止老人或者小孩独自在家突发紧急情况时能够及时呼救。

然后利用单片机控制GSM发短信模块，可以实现各种突发状况的自动报警[3]。

当老人或者小孩独自在家身体突发不适时，只需按下紧急呼救按钮，家人就能知道并及时报警和回家救助，实现真正的家庭安全智能化。

家庭紧急呼救系统可以让保障家庭安全，还能让住户外出时更加放心。

最重要的是当家里出现事故时，家庭智能紧急呼救系统能够及时报警，这样事故会得到及时处理，降低事故对人身的伤害和减少财产损失。

随着物联网的发展，智能家居将成为每家每户的标准配置。

所以，家庭智能紧急呼救系统的设计能给未来智能家居的扩展和研究起到铺路的作用，具备一定的研究价值。

1.3本设计的主要内容

本设计的内容是设计烟雾传感器搭配温度传感器，对室内烟雾值和温度进行检测，设计人体红外传感器对非法入侵者进行监测，设计紧急呼救按键的设计可以在家中老人或者孩子以及独一人在家发生突发事件时，可以及时呼救。

以单片机作为系统的控制核心，对紧急呼救按键以及各个传感器检测到的信息进行分析处理，然后控制蜂鸣器发出声音报警和GSM通信模块向住户发出报警短信[5]。

系统中设计了烟雾传感器搭配温度传感器检测以及人体红外传感器，再加上紧急呼救按键的设计，大大的增加了本系统的检测环节的可靠性和有效性。

而蜂鸣器和GSM通信模块的设计，大大提高了整个系统的实用性和可靠性[6]。

本设计的GSM模块设计的是向三位住户连续发短信，大大提高了发出的报警短信被住户及时看到的几率。

1.4课题设计研究进度计划

第一阶段：

2014年11月10日-2015年1月10日：

尽可能多的收集家庭智能紧急呼救系统相关资料并将收集的各种资料进行分类整理，掌握国内外关于课题方向的研究动态及最新进展，完成开题报告。

第二阶段：

2015年1月20日-2015年4月10日：

通过图书、视频等资料学习STC系列单片机，C语言软件编程，了解各个元器件的原理以及画出原理图，焊接出实物，实物的调试。

第三阶段：

2015年4月10日-2015年5月1日：

参考国内外与家庭智能紧急呼救系统相关的文献，撰写毕业论文，准备毕业论文答辩。

第四阶段：

2015年5月：

毕业论文答辩。

1.5本章小结

本章主要介绍家庭紧急呼救系统的研究实际背景，介绍具体想达到的目和研究具有什么样的意义还有主要研究内容，对各个元器件的功能模块的功能指标进行介绍，明确了本设计的研究计划进度。

第2章设计功能指标要求

本设计利用温度传感器和烟雾传感器搭配监测形成家庭防火灾报警部分，人体红外传感器起到防盗报警作用，而且本设计添加了紧急呼救按键和GSM发短信报警功能，使得系统的功能更加完善和可靠。

具体各个模块功能指标要求如下：

（1）温度传感器：

设定温度上限值为50°C,当室内温度超过50°C时，系统发出警报；

（2）人体红外传感器：

人体红外的监测距离为7米，当入侵者进入7米监测范围内，系统发出警报；

（3）烟雾传感器：

主要检测室内烟雾值以及火焰，当室内烟雾值达到一定值或者火焰达到一定程度时，系统发出警报；

（4）紧急呼救按键：

如果有紧急情况发生，当紧急呼救按键按下，系统发出警报；

（5）GSM模块：

当各个模块检测到异常，单片机控制GSM模块向3位住户发出报警短信。

第3章设计方案

3.1基本设计思路

通过对国内外家庭智能紧急呼救系统的研究现状和方法的分析，同时结合我国总体生活水平和居住条件等各个方面情况。

所以，本设计既要考虑到系统的可行性，也要考虑到设计的成本代价。

元器件的选择要符合设计要求，不能盲目选择[7]。

通过分析，要设计一款安全可靠又合适家庭智能紧急呼救系统需要具备以下条件：

（1）系统需具备人体红外线传感器以达到防盗报警效果；

（2）系统需具备烟雾传感器以达到防气体泄漏和防火灾报警效果；

（3）系统需具备温度传感器对室内温度检测以达到高温（火灾）报警效果；

（4）系统需具备家庭紧急呼救按键以达到突发事件及时报警效果；

（5）系统需具备液晶显示器来直观反馈个检测器件是否正常工作；

（6）系统需具备GSM模块在事故时及时发出报警短信，同时向3位住户发送短信保证报警短信能够及时被看到，第一时间对事故作出处理。

3.2整体方案概述

本设计主要是以STC12C5A32S2单片机为控制核心。

利用烟雾传感器和温度传感器搭配检测形成火灾报警部分，防盗报警部分利用的是人体红外传感器，紧急呼救部分设计成按键形式，显示部分利用LCD液晶显示，报警部分蜂鸣器和GSM模块组成，GSM模块在报警时向3位住户发送报警短信，系统总体原理框图如下图3-1所示：

3-1系统总体原理框图

3.3系统方案论证

本系统主要是利用一个微控制器采集来自传各个感器器检测到的信息和紧急呼救按键的信息，然后微控制器GSM通信模块发出报警短信[8]。

所以微控制器的的选择，是整个设计的重中之重，通过分析和总结，提出了三种方案。

方案一：

本设计的微控制器采用51系列单片机；

方案二：

本设计的微控制器采用PIC单片机；

方案三：

本设计的微控制器采用ARM系列的单片机。

以上三种方案均可用于本设计，经过综合考虑和分析得出结论：

51系列单片机在学习生活中接触比较多，编程相对容易也比较了解其性能，可查询资料也较多，而且价格便宜。

PIC单片机兼容性强，但是指令较少，控制指令编写相对较难，价格比较贵[9]。

而ARM单片机功能强大，但是有很多它提供的功能在本设计中无法用到，可查询资料也相对较少，价格也相对较贵[10]。

通过各个方面的比较和分析和基于设计预算成本的考虑，决定使用第一套方案。

3.4本章小结

本章主要对家庭智能紧急呼救系统的设计方案进行介绍，首先介绍对本设计的基本设计思路。

然后是总体设计的概述，对系统需要的元器件和实现的功能进行了阐述。

最后是对设计的微控制的选择的方案进行具体论证，选择最适合本设计的方案。

第4章具体设计

4.1硬件电路设计

4.1.1单片机最小系统电路设计

单片机最小系统主要是由单片机、晶振电路、复位电路，电源组成[11]。

本系统的用STC12C5A32S2单片机作为控制核心，+5V电源供电。

时钟电路作为单片机最小系统最基本也最重要的组成部分之一，用来给单片机提供时钟信号，电路受时钟电路对的影响随时钟电路参数的变化而变化。

时钟电路的输入接口分别是单片机的引脚XTAL1和引脚XTAL2，时钟周期随着使用不同的晶振大小会产生变化，所以指令周期的不同[12]。

复位电路可以保证电路安全可靠的工作，是电子产品中不可或缺的电路元件，系统在启动运行时都需要进行复位，因为复位之后系统启动后寄存器中的数据都处于初始状态值，而且系统必须从这个初始状态开始启动工作。

本系统中复位操作方式设计为按键复位。

进行复位操作时，如果在RST引脚上是高电平复位信号，而且保持两个周期以上，这个时候单片机就进行复位操作[13]。

单片机最小系统电路图如图4-1所示。

图4-1单片机最小系统电路图

4.防盗报警电路设计

本设计的防盗报警模块利用的是人体红外热释传感器。

家庭智能紧急呼救系统设计，也是基于原有的家庭防盗系统加上各种传感器模块和紧急呼救按键的设计组成的更加全面且可靠的家庭安防系统，所以人体红外传感器模块是本系统不可或缺的模块。

人体红外热释传感器有3个引脚，1号引脚接+5V电源，2号引脚接单片机，3号引脚接地。

人体红外热释传感器电路图如图4-2所示。

图4-2人体红外热释传感器电路图

4.火灾报警电路设计

一般说到家庭的安全问题，一般谈论的焦点问题都是防火防盗。

火灾是家庭事故的主要原因之一，设计一个火灾报警电路是防止火灾对家庭造成重大损失的重点措施。

烟雾传感器既能检测烟雾值，又能检测各种可燃气体的泄漏，绝对是家庭防火系统中的最佳选择[14]。

因此本系统设计一个烟雾传感器模块，型号为MQ-2。

MQ-2烟雾传感器有4个引脚，1号引脚接AO口，2号引脚接单片机，3号引脚接地，4号引脚接+5V电源。

MQ-2烟雾传感器电路图如图4-3所示。

图4-3烟雾传感器电路图

上面介绍了烟雾传感器的设计能够很好的防止家庭火灾，但是为了使系统更加稳定可靠，本设计决定在防火灾这一环节加上一个模块，那就是温度传感器，选用的型号为DS18B20。

一般情况下，正常的室温一般不会超过40°C，只有发生火灾或者其他造成温度过高的特殊情况时室内温度才会达到40°C以上。

但是有些地方夏天偶尔也会出现40°C的高温天气，所以为了保证温度传感不误报警，所以本设计温度传感器设置的温度上限值为50°C，只有当室内温度超过50°C，系统才会发出报警。

温度传感器的电路图如图4-4所示。

图4-4温度传感器的电路图

4.1.4紧急呼救电路设计

现在的家庭，年轻人大多数时间都在外面工作，而在留在家里的一般都是年迈的老人或者小孩。

老人如果突然疾病或者小孩在家遇到突发状况而自己又无法解决，一旦出现这样的问题，轻则是救治不及时导致病情加重或者加大经济损失，重则是失去生命。

因此在本设计中，特别设计一个紧急呼救按键。

当人们独自在家时，一旦突然疾病和紧急情况且自己无法解决，可以立即按下紧急呼救按键，系统会马上发出蜂鸣声报警而且通过GSM模块向家发出紧急呼救信息，紧急呼救按键引脚接单片机P1.7口。

紧急呼救按键设计接口如图4-5所示。

图4-5紧急呼救按键电路图

无线报警设计

为了让家庭紧急呼救系统的报警功能更加完善，系统设计了无线报警功能，就是利用GSM模块向住户发送短信报警。

本设计的GSM模块的型号是SIM900A。

单片机对SIM900A进行控制，通过TTL接口对SIM900A模块进行控制，将单片机的TXD连接到SIM900A的RXD，将单片机的RXD链接到SIM900A的TXD上，实现串数据的接收和发送，GND连接到GND上[15]。

GSM接口电路如图4-6所示。

图4-6GSM接口电路图

4.1.6LCD显示电路设计

本设计的液晶显示是利用LCD液晶显示屏。

显示屏上需要清晰直观的显示室内实时温度、烟雾传感器是否报警、人体红外传感器是否报警、是否在布防状态，以及系统是否发出紧急呼救报警，可以利用液晶显示屏上的显示结果来检查整个系统是否在正常工作。

本设计是用12864液晶显示进行显示，12864液晶显示器共有12个引脚，6号引脚接+5V电源，7号引脚接地，其他引脚接单片机。

12864液晶显示电路图如图4-7所示。

图4-7液晶显示屏电路图

4.1.7报警器电路设计

无论是过去还是现在，报警器是每个家庭紧急呼救系统的必备模块。

本设计的报警器用的是蜂鸣器。

蜂鸣器在报警信号发出后，发出蜂鸣般刺耳的声音，这样的声音会直接会使入侵者惊慌而逃而且能够引起附近居民的注意。

蜂鸣器是利用8550三极管进行放大，基极接单片机，集电极接地，发射极接蜂鸣器正极，蜂鸣器接+5电源。

蜂鸣器电路图如图4-8所示。

图4-8蜂鸣器电路图

4.2元器件选择

4.2.1单片机选择

25k。

一般的单片机大多数都是8k内存，根本不能满足要求，所以本设计选择的单片机最基本要求是内存至少要在25k上。

本次设计对于单片机的选择，首先要确保报警的准确可靠和抗干扰性得到保障，而且要求要不增加设计的成本而且又能保证系统能够稳定可靠工作。

STC12C5A32S2单片机功能特点以及指令完全兼容传统的单片机，具备传统单片机的各种功能，而且比传统的8051系单片机运行速度要快10倍左右[16]。

最重要的是其内存高达32K，符合本设计的程序内存要求。

通过对各种能够实现本设计功能的单片机的对比，经过综合分析决定，决定使用STC12C5A32S2单片机做为本设计的微控制器。

4.2.2人体红外热释传感器选择

本设计系统采用的是型号为HC-SR501的热释电红外传感器。

探测波长范围为8～14µm。

人体的正常温度一般在37°C左右，因此会发出波长为10µm左右的红外线[17]。

当有非法入侵者出现在监测范围内，其能够很有效地监测到非法入侵者。

HC-SR501的热释电红外传感器可以不分昼夜，可以连续二十四小时不间断监测。

而且HC-SR501红外传感器检测到的信号是不需要再外置A/D转换器进行A/D转换的，原因是其内部拥有BISS0001芯片，可以自身完成A/D转换[18]。

当探测范围内有非法入侵者，输出高电平，入侵者离开时经过延时关闭高电输出低电平，同时触发蜂鸣器报警，并通过GSM模块向住户发短信报警。

4.2.3烟雾传感器选择

本设计选用的传感器为MQ-2烟雾传感器。

此类传感器是众多半导体烟雾传感器的其中一种，有很多优点，例如：

能够探测的区域很宽、灵敏度高、非常的耐用、驱动电路不是很复杂，稳定性特别好等[19]。

烟雾传感器收集到的信号为模拟信号，需要经过A/D转换成数字信号才能被单片机接收。

当室内烟雾和一些可燃气体浓度增加到一定值到一定值，烟雾传感器就会将信息经过处理最后反馈到单片机，发出警报。

MQ-2烟雾传感器在测量前需要先预热几分钟，这样做可以减少误报。

4.2.4温度传感器选择

本设计选用的温度传感器型号为DS18B20。

温度传感器是一个可以直接把采集的模拟信号转换成数字信号，而且信号转换速度特别快，仅需1S就可以完成。

温度传感器检测到的温度是直接以数字的形式显示在液晶显示屏上，而且检测温度能精确到小数点后一位。

其读出的数值宽度可达到9位，能够测量的最低温度为-55°C,最高温度为120°C[20]。

DS18B20的结构特别的简单小巧，可以焊接在空间很小的电路板上，除此之外DS18B20还有很多优点，比如测量温度范围很广，测量反应速度很快，购买成本低等。

DS18B20还可以设置温度上限，一旦检测到的温度超过上限值，系统就会报警。

4.2.5GSM模块选择

本设计的GSM通信模块的型号为SIM900A。

其采用工业标准接口，是一个2频的GSM模块，工作频段为为EGSM900MHZ和DCS1800MHZ。

SIM900A工作电压范围:

3.1-4.8V,操作温度范围：

-40°Cto+85°C，SM900A采用省电技术设计，在睡眠模式下最低耗流只有1mA。

SIM900A的主要特征如下：

（1）功能齐全：

电话、短信，GPRS网络通信等；

（2）供电多样性：

5V引脚和VBTA引脚可以分别用USB配手机充电器供电和直接使用锂电池供电；

（3）保护功能完善：

具有电源反接保护和SIM卡保护。

4.2.6LCD显示器选择

因为液晶显示屏需要的显示的数字和文字比较多，所以此次设计的的LCD液晶显示屏需要有一定的长度和宽度，才能满足对所有数据和文字的清晰显示。

基于上述要求，通过对各种LCD液晶显示屏的对比和分析，本电路设计的液晶接口电路采用的是12864液晶显示屏。

12864显示屏内置液晶显示模块，可以显示一些简单的中文字库的点阵图形。

12864还具有背光功能，可以在夜间正常显示所有数据。

12864的最大特点是编程比较简单，而且功耗很小。

4.3系统总体软件程序设计

家庭智能紧急报警系统主要采用模块化编程，分为主控模块、传感器检测模块、紧急呼救按键模块、GSM通讯模块、供电模块。

利用C语言对程序编写。

主程序流程图如图4-9所示，由流程图可以看出，当传感器检测到情况或者紧急呼救按键按下时，则表示家中有异常状况发生，蜂鸣器会发出警报，与此同时GSM通讯模块以短信的形式告知户主中发生异常。

图4-9主程序流程图

烟雾传感器程序设计

当室内烟雾浓度过高或者一些气体泄漏，烟雾传感器就会将信息先通过A/D转换，然后传送给单片机，单片机控制蜂鸣器发出报警声，同时控制GSM通信模块分别向三位住户发送短信告知家中发生异常情况，用户就可以及时做出相应处理。

烟雾传感器检测流程图如图4-10所示。

图4-10烟雾报警流程图

4.3.2蜂鸣器程序设计

蜂鸣器报警的流程设计，所谓蜂鸣器报警就是单片机控制蜂鸣器放音过程，达到报警功效。

当家庭智能紧急呼救系统检测到异常后会把信息反馈给单片机，单片机控制蜂鸣器发出蜂鸣声报警。

蜂鸣器工作程序流程图如图4-11所示。

图4-11蜂鸣器程序流程图

4.3.3人体红外传感器程序设计

人体红外传感器的作用就是防盗，当有入侵者进入到红外传感器的监测范围内，红外传感器先经过内置设备将收集到的信号进行放大，然后将信息传送给单片机。

单片机控制蜂鸣器发出警报声，同时GSM通信模块分别向三位住户发短信告知有人入室盗窃。

人体红外程序流程图如下图4-12所示：

图4-12人体红外传感器程序流程图

4.3.4温度传感器程序设计

温度传感器主要是检测家庭温度是否过高，当温度传感器检测家庭温度超50°C，首先会将信息传送到单片机，单片机控制蜂鸣器发出报警声，然后通过GSM通信模块分别向三位住户发短信告知家中温度情况异常，以便于住户及时做出相应的处理，保证人身和财产安全。

测温度传感器程序流程图如图4-13所示。

图4-13温度传感器程序流程图

紧急呼救按键程序设计

当家中只有老人或者小孩独子在家时，发生紧急情况且无法拨打电话求救时，只要按下呼救按键，就会直接将信号传送给单片机，单片机控制蜂鸣器发出报警声，同时GSM模块发出报警短信。

紧急呼救程序流程图如图4-14所示。

图4-14紧急呼救程序流程图

LCD液晶显示程序设计

当各个传感器检测在检测或者紧急按键按下或者未按下时，都会在LCD液晶显示器上实时显示各个元器件的工作状态。

人们可以通过LCD液晶显示器观察元器件的各种数据，可以根据数据和实际情况进行对比，判断各个器件工作是否正常。

LCD液晶显示程序流程图如图4-15所示：

图4-15LCD液晶显示程序流程

4.4本章小结

本章主要介绍了各个传感器模块的硬件电路设计以及紧急呼救按键的设计，还对系统显示模块和GSM通信模块的电路设计进行了介绍，每个硬件的原理进行详细的介绍。

还介绍了各个模块的选择和软件设计，对系统的总体软件设计进行介绍，然后详细说明了各个元器件的软件设计的功能以及工作特点，认真绘制了每个元器件的程序流程图。

第5章设计调试及遇到的问题处理

5.1设计的调试方案和安排

硬件调试的方案一般有两种，分别为边焊接安装边调试和整体焊接安装好后再调试。

而本次调试采用的方案是整个系统焊接好了之后一次性调试的方法。

大致的调试安排如下：

（1）先