基于单片机的居室安全报警系统概要.

编号:

毕业论文(设计)

题目基于单片机的居家安全报警系统的设计

指导教师

学生XX

学号

专业机械设计制造及其自动化

教学单位XX学院机电工程系（盖章）

二O一三年五月一日

目录摘要：1

1 引言1

1.1现代居家生活中的安全隐患及检测1

1.2选题目的和意义1

1.3国内外的研究现状和发展趋势2

2居家安全报警系统总体设计方案3

2.1居家安全报警系统总体设计方案3

2.2 居家安全报警系统的功能及工作原理7

3居家安全报警系统的硬件设计7

3.1主控单元的设计7

3.2 火灾检测单元的设计11

3.3 漏水检测单元的设计12

3.4 煤气泄漏检测单元的设计13

3.5 甲醛监测单元的设计14

3.6 防盗报警单元的设计15

3.7 通信部分的设计16

3.9 显示电路和键盘接口的设计17

4居家安全报警系统的软件设计18

4.1 主控单元程序的设计18

4.2 各检测单元程序的设计20

参考文献22

谢辞25

基于单片机的居家安全报警系统的设计

蔺伟涛

（XX学院机电系，XXXX 253023）

摘要：本设计是对基于单片机的居家安全报警领域进行研究，设计出以STC89C52单片机为核心的高性价比，易于安装的居家安全报警系统。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单元检测居家环境中不同类型的危险因素，将不同房间的环境参数反馈给主控单元，主控单元做出相应的决策，必要时发出报警指令，确保居家环境的安全。该系统操作简单方便，智能化程度高，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：居家安全报警系统；无线通信；GSM

1 引言

1.1现代居家生活中的安全隐患及检测

现代的居家生活中，人们离不开自来水、电、天然气这些方便的生活资料，但是它们给我们带来方便的同时也增加了居家生活中的不安全因素，水管漏水，意外失火，煤气泄漏等事故都可能给家庭带来无法挽回的损失。随着城市的人口日益增加和人口的流动性日益增强，盗窃及入室抢劫的犯罪率也连年居高不下，传统的防盗门窗有一定的防X作用，同时也存在许多安全隐患。花样繁多的装修材料，家具，装饰用品在给我们提供方便，美化家居的同时也可能带来甲醛的污染。因此近年来居家环境的安全越来越受到人们的重视，如何营造一个舒适、健康、安全的居家环境成为人们普遍关注的热点话题。

近几年来电子科技日新月异，通信技术蓬勃发展，其中以芯片技术和传感器技术的发展尤为突出，这给居家安全问题的解决提供了新的选择。利用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，例如煤气浓度、甲醛含量、水管是否发生泄漏，是否发生入室盗窃等，系统能够及时的进行远程报警，通知用户进行解决。

1.2选题目的和意义

随着科学技术和经济水平的快速发展，人们对居家环境的要求已从最初满足简单的居住发展为注重对住宅的人性化需求，应运而生的是许多安全、舒适、快捷、方便的智能小区，其中安全性是首要目标。而智能住宅安全性的实现除了人为的因素外，安全防X系统

的设置也是不可或缺的重要措施[1]。

目前市场上存在的居家安防类产品种类较多，大致可分为防盗报警、视频监控、门禁系统等几个相对独立的门类，部分产品功能较少，功能较为综合的产品价格又相对较高，安装复杂。也就是说,现在急需一种既要价格大众化,又要功能强、安装简单、使用方便、工作可靠,误报率低的产品[2]。所以从实际应用出发,本文系统的阐述了居家安全报警系统的设计与实现。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。

居家安全与我们每个人息息相关，居家安全报警设备的使用能够提高人们的生活品质，让生活更加安全、方便，由于该系统所具有的优点及51系列单片机无法比拟的性价比，因此在未来发展中将拥有广阔的市场前景和发展潜力。

1.3国内外的研究现状和发展趋势

近年来随着电子信息技术，计算机技术，通信技术、传感器技术的迅速发展，有关居家安全报警方面的产品也越来越多。国内外已有如西门子、霍尼韦尔、博世、XX映烨等多家公司开发研制出了一系列的家庭安防报警产品，他们普遍具有有线或无线的通信功能来完成一些报警功能，并进行了成功的应用。例如西门子的产品组合包括通用的安全和安防解决方案和服务，主要包括门禁系统、入侵探测、视频监控系统、现场服务控制中心和应急管理系统。由于安装了西门子消防和语音疏散系统，金茂大厦和作为全球最高酒店的XX 金茂君悦大酒店，为数以千计的人提供了安全、舒适的工作和生活环境。

可以预见，智能住宅小区将成为建筑业未来的发展趋势，居家安全报警系统将成为智能住宅小区不可或缺的组成部分，特别是随着人民生活水平的提高，使用居家安全报警系统设备的人会越来越多，人们的生活也会更加舒适、安全。

2居家安全报警系统总体设计方案

2.1居家安全报警系统总体设计方案

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家安防报警系统，该系统以单片机为核心，由安放于不同房间各种检测单元和负责决策的主控单元组成，各检测单元负责检测室内环境的各种条件，例如温度，湿度，甲醛含量，是否漏水等，再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，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。

该系统的硬件主要由主控单元、火灾检测单元、漏水检测单元、防盗检测单元、煤气泄漏检测单元、甲醛含量检测单元、无线通信模块、GSM网络通信模块八个部分组成，各部分相互配合，保证系统的正常运行。系统的电路主要由电源模块、单片机模块、传感器模块、无线模块、显示模块、报警模块组成[3]，其系统框图如图1所示。

图1总系统结构图

2.2.1 主控制芯片

主控单元和五个检测单元都是以STC89C52单片机为核心，这样方便各检测单元与主控之间的通信。该单片机具有8K在系统可编程Flash存储器具有以下标准功能: 8k字节

Flash，512字节RAM，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断全双工串行口。内置看门狗电路，它是一种集看门狗，电压监控和EEPROM低成本高性能微处理器[4]。该单片机的基本系统电路如图2所示，主控单元和每个检测单元都包含一个单片机的基本系统。

图2 STC89C52基本系统图

2.2.2 主控单元

主控单元作为系统的控制中心，负责通过无线模块接收各个检测单元的信息，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。

采用GSM短信模块来发送接收短消息,从而实现对家居安全的监控。选用多种传感器采集家居信息,运用信息融合技术,获得较为可靠的报警信息。业主接到报警信息后,回复短信以控制和处理现场情况,达到保证家居安全和防盗的目的。系统结构简单，安装调试简单，使用方便[5]。。

2.2.3 探测器

探测器是用来检测室内的各种环境信息的，这些环境信息被发送给主控单元，以便主

控单元及时根据信息做出处理。传感器是探测器的核心部件，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)火灾探测器

火灾探测器主要安装在厨房，它采用的是烟雾传感器和温湿度传感器相结合的探测方式。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。温湿度传感器能将环境的温度和湿度转化成模拟量信号，这些模拟量信号在自身处理芯片的作用下转换成可以被单片机处理的数字量信号。火灾发生时，室内的温度和湿度都会很短的时间内急剧升高，综合温度和湿度条件能够防止烟雾传感器由于外部干扰而造成误报。

(2)漏水探测器

漏水探测器主要安装于卫生间，它的工作原理主要是利用了水的导电特性，探测器两个探头安装在离地面略高的地方，分别连接单片机的一个I/O引脚和GND引脚，当有漏水的情况发生时，水面高于探头的安放高度，探测器的两个探头接通，单片机的I/O引脚的电平被置低，产生报警信号。

(3)防盗探测器

防盗探测器安装于窗户的上方，探测部分主要由热释电和红外传感器组成。当有歹徒从窗而入时，热释电和红外激光传感器就能够同时产生报警信号，两种传感器的结合使用能够防止小动物或意外情况而引起的误报。热释电传感器的重要组成成分是压电陶瓷类电介质，这种介质在电极化后能保持极化状态，称为自发极化。自发极化随温度升高而减小，在居里点温度降为零。因此，当这种材料受到红外辐射而温度升高时，表面电荷将减少，相当于释放了一部分电荷，故称为热释电。将释放的电荷经放大器可转换为电压输出，从

而产生报警信号。当辐射继续作用于热释电元件，使其表面电荷达到平衡时，便不再释放电荷。因此，热释电传感器不能探测恒定的红外辐射。

红外探测器采用的是光电开关，光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

(4)煤气泄漏探测器

煤气主要由氢、甲烷、一氧化碳、乙烯等成分组成，天然气主要由甲烷、乙烷、丙烷等成分组成。可见在两种气体中，甲烷都是它们的重要组成成分，通过对甲烷含量的检测就可以确定是否发生煤气、天然气的泄漏。

甲烷传感器将与甲烷浓度有关的信息转换成模拟量信号，这些模拟量信号可以通过A/D 芯片转换成数字量信号，发送给单片机，单片机根据数字量的大小就可以获得室内的甲烷含量，进而计算出煤气，天然气的浓度，从而可以达到检测及报警的目的。

(5)甲醛含量探测器

甲醛被普遍认为是室内环境第一杀手，它的释放期一般为3-15年，其危害对人体尤其是婴幼儿、孕期妇女、老人和慢性病患者甚为严重。甲醛主要存在于地板，装修板材、家具、地毯、油漆及胶水中，人们很容易忽视它的存在，但它对人们的健康会造成十分严重的危害。

甲醛传感器采用的是Dart sensor公司生产的电化学式甲醛气体传感器HCHO。这种传感器是从呼吸式酒精传感器基础上开发出来的，适合于绝大多数的环境（-20℃~+50℃）监测使用（如有特殊介绍，可应用于更高的温度中）。这款传感器设计构造简单，以很少的部件使得其成本得到降低，它并不需要电源激励，仅仅在信号的处理和显示时需要电能，所以仅仅一个简单的小电池单元即可。

2.2.4 通信设备

本系统的主要采用无线通信方式，这样就避免了复杂的线路铺设，既美观又方便。主控单元与各子单元是采用无线模块24L01进行通信，有效X围为60米，完全满足家庭使用的需要。主控单元与用户通信采用的是GSM（移动手机网络）的方式，报警系统能够将家中的情况以短信的方式发送给用户，用户也可以通过发送短信控制家中系统的运行。2.2 居家安全报警系统的功能及工作原理

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，火灾检测单元安装在厨房，漏水检测单元可以安装在卫生间，防盗报警检测单元安装在门窗的上方，煤气泄漏检测单元安装在厨房，甲醛含量检测单元放置在客厅或卧室。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，一旦发生起火，水管漏水，入室盗窃，煤气泄漏等意外情况，主控单元就会马上接收到报警信号，接着主控单元会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网路通知用户。

该居家安全报警系统主要有六大功能：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；能够监测家庭中的煤气或天然气的浓度，发现煤气泄漏，及时报警；具有智能防盗功能，当有盗贼进入时，立即进行报警，及时通知警方和户主；智能火灾报警，家中出现火灾时立即进行报警，减少财产的损失；智能防水检测功能，发现家中漏水，及时关闭总阀，并短信通知主人，避免损失；可以通过遥控器实现系统的控制，使用方便，操作简单。

3居家安全报警系统的硬件设计

3.1主控单元的设计

主控制器主要由电源、GSM通信模块、无线通信模块、显示设备、按键、遥控器几部分组成，组成结构如图3所示。

主控制芯片STC89C52

显示设备 12864

液晶

无线通信设备

24L01

遥控器

4×4输入按键

DC5V 电源

GSM 移动网络通信模块声光报警设备LED 灯、蜂鸣器

接收器

图3 主控单元系统图

电源部分使用的是AC220/DC5V 电源模块，电源变压后再通过稳压芯片稳压，最终得到稳定5V 电压输送给单片机及其它用电设备。

显示设备使用的是12864液晶，12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，带中文字库的12864液晶每屏可显示4行8列共32个16×16点阵的汉字，每个显示RAM 可显示1个中文字符或2个16×8点阵全高ASCII 码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII 码字符的显示。通过液晶实现对室内外温度、湿度、光照强度、系统工作状态等的显示,方便人们实时了解系统的工作状态。显示液晶的基本电路如图4所示。

图4液晶显示连接电路图

GSM移动网络通信模块选用的是西门子公司的TC35模块，这是是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块，它易于集成，性价比高，有良好的产品质量和性能的保证，系统通过它同用户的手机进行短信通信，方便快捷。

该GSM模块可传输语音和数据信号,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。自动波特率为1.2kb/s～115kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service,短消息), 可进行发短信，打。该模块扩展电路如图5所示，特征说明如下。

信息传送内容：语音和数据

电源：单电源3.3V ～5.5V

频段：双频GSM900MHz 和DCS1800 MHz(Phase 2+)

发射功率：2W （GSM900MHz Class 4）1W （DCS1800MHz Class 1）

SIM 卡连接方式：外接

天线：由天线连接器连接外部天线

通话模式: 300mA (典型值.)

图5 TC35外围扩展电路图

无线通信设备采用的是24L01无线模块，最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强。可使用的频道高达126 个，满足多点通信和跳频通信需要，内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制；低功耗1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态为22uA；掉电模式下为900nA；内置2.4Ghz 天线，体积小巧；模块可软件设地址，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便。与51系列单片机P0口连接时候，需要加10K的上拉电阻,与其余口连接不需要。其他系列的单片机，如果是5V的，请参考该系列单片机IO口输出电流大小，如果超过10mA，需要串联电阻分压。如果是3.3V的，可以直接和RF2401模块的IO口线连接。比如AVR系列单片机如果是5V 的，一般串接2K 的电阻。

键盘用于主控单元基本参数的设置，也可以通过SAA3010T遥控对其参数进行设置，遥控接收器使用的是HS0038，与单片机的连接电路如6图所示。

图6 红外遥控接收器电路图

我们采用接收头，它的驱动电路简单，方便单片机进行控制。它的操作方法和普通的电视机遥控器的操作方法相同，操作简单，使用方便，如图7所示。

图7 HS0038遥控器

3.2 火灾检测单元的设计

火灾报警单元由烟雾传感器和温湿度传感器组成，温湿度传感器的增加能够增强报警的可靠性，减少误报的发生[6]，火灾报警单元的组成如图8所示。

火灾报警MCU

烟雾传感器MQ-2温湿度传器DH11

A/D 转换芯片

无线通信24L01

总控单元

图8 火灾检测单元系统图

烟雾传感器将采集到的烟雾浓度转化为模拟量信号，再经过A/D芯片将模拟量信号转化为数字量信号，发送给单片机。温湿度传感器DH11能将温度、湿度以数字量的形式发送单片机，因而信号不必再经处理。MCU将接收到的信息通过无线通信模块24L01发送给总控单元。

系统采用的烟雾传感器的型号是MQ-2，MQ-2使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)，对烟雾的灵敏度很高。当传感器所处环境中存在烟雾时，传感器的电导率随空气中烟雾浓度的增加而增大，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，连接电路如图4所示。

图9 烟雾传感器电路图

烟雾传感器输出的信号是模拟量，必须转换为数字量才能发送给单片机，模数转换采用的芯片是AD0832，它与单片机的连接电路如图10所示。

图10AD0832转换芯片电路图

3.3 漏水检测单元的设计

该单元的设计主要是利用了水的导电特性，与单片机连接的有两个检测探头，分别连

接单片机的I/O引脚和GND引脚。使用时将两个探头放在卫生间地面的上方，当有漏水的情况发生，卫生间产生积水，探测器的两个探头被积水接通，预设高电平I/O引脚被置低，产生报警信号，单片机再通过无线通信模块将报警信号发送给主控单元，从而完成整个报警过程[7]。

该报警单元的具体结构如图11所示。

图11 漏水检测单元系统图

3.4 煤气泄漏检测单元的设计

煤气泄漏检测单元主要由甲烷含量显示液晶、甲烷传感器、无线通信模块、蜂鸣报警器几部分组成，结构如图12所示。

总

控

单

元

图12 煤气泄漏检测单元系统图

其中，显示液晶选用的是5110液晶屏，它的特点有：性价比高，LCD1602可以显示32个字符，而Nokia5110可以显示15个汉字，30个字符，Nokia5110裸屏仅8.8元，LCD1602一般15元左右，LCD12864一般50~70元；接口简单，仅四根I/O线即可驱动，LCD1602需11根I/O线，LCD12864需12根。速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍。

甲烷传感器选用的型号是GJ4,它的输出量是模拟量，需要经过A/D转换发送给单片机，

它的使用方法与烟雾传感器类似，连接电路如图13所示。

图13甲烷传感器应用电路

3.5甲醛监测单元的设计

甲醛探测单元主要是由甲醛传感器、运算放大器、无线通信模块和声光报警器组成。甲醛传感器将甲醛浓度转化为电信号，信号经过运算放大器处理后输入单片机，单片机对信号进行判断，将甲醛含量信号通过无线通信模块发送给主控单元[8]。

图14 甲醛检测单元系统

传感器内部包含一个常规的两电极燃料电池传感器，工作电极通过外电路将电子释放到计数电极，并且在计数电极端随着氧的减少而消耗，内电路由电解液中的离子流来实现。设计精良，便于电解液的消长。电解液的消长随环境温度和湿度的变化而变化，但是仍可正常工作不会影响到校准值。具体电路如图15所示。

图15 甲醛传感器应用电路

在高精度测量中反馈电阻应为470K，同时并联一个4.7μF的钽电容在没有反向响应时间的情况下降噪。

3.6防盗报警单元的设计

防盗报警单元是由热释电传感器和红外传感器组成的双鉴探测器。双鉴探测器与以往的热释电或红外单一传感器系统相比，其误报率明显下降。

双鉴探测器工作时将热释电传感器和红外传感器两种信号经过与非门处理后发送给单片机。只有两个两种传感器同时响应时，探测器才将报警信号发送给单片机，否则不产生报警信号。另外在设计时，在热释电传感器部分加入菲涅耳透镜，通过透镜分割方式的改变可以降低外部干扰信号而起的误报原理图如图16所示。

图16 防盗报警单元系统图

双鉴探测器工作时将热释电传感器和红外传感器两种信号经过与非门处理后发送给单片机。只有两个两种传感器同时响应时，探测器才将报警信号发送给单片机，否则不产生报警信号。另外在设计时，在热释电传感器部分加入菲涅耳透镜，通过透镜分割方式的改变可以降低外部干扰信号而起的误报。

3.7通信部分的设计

该系统的通信部分主要由GSM移动网络通信模块和24L01无线通信模块组成。GSM 模块通过手机移动网络与用户的手机进行通信，用户可以随时了解到家中的安全状况。各检测单元通过无线通信模块与主控单元进行通信，及时将探测到的信息反馈给主控单元。具体通信结构如图17所示。

图17 系统通信结构图

GSM移动网络通信模块采用的是TC35模块，它的主要特点是覆盖面广，花费少，质量可靠，安全程度高。它内部继承了标准的AT指令集和RS232接口标准，更便于单片机系统对它的控制，减少了外部电路的设计，也简化了程序的编写。其硬件电路并不复杂，但使用模块较多，这就加大了编程的复杂度和调试的难度。因此应先通过单片机将各个模块单独调试后在进行整体调试[9]。具体的连接电路如图18所示。

图18 TC35通信模块应用电路图

SIM CARD是移动通信网络用户识别模块，SIM CARD上包含了用户的用户信息，是与手机通信必不可少的工具。SIM卡和卡座上有6个相互对应的引脚，这是SIM CARD和TC35连接的接口[10]。

无线通信部分采用是24L01无线通信模块，它内置2.4Ghz 天线，体积小巧，可软件设地址，软件编程非常方便，内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC 开关电源均有很好的通信效果，与51系列单片机P0口连接时候，需要加10K的上拉电阻,与其余口连接不需要，具体接口电路如图19所示。

VDD

CE

SCK MISC

IRQ

MOSI

CSN 1

8

7

6

5

4

3

2

10

9

图1924L01连接电路图

3.9显示电路和键盘接口的设计

该部分主要是由液晶显示屏、4×4键盘及其相应的控制电路组成。用户可以通过键盘设置报警的，报警方式，工作模式等。通过液晶显示器可以清楚的了解系统的运行情况和家中的环境参数[11]，例如温度、湿度、煤气浓度、甲醛浓度、是否漏水、通信状况等，显示内容如图20所示。

家居安全报警系统

温度：25℃湿度：50%

煤气检测：正常漏水检测：正常

火灾检测：正常甲醛检测：正常

防盗检测：正常通讯检测：异常

图20 液晶显示画面示意图