1002024014马天翼基于单片机的居室安全报警系统的设计与实现 -

沈阳农业大学科学技术学院

题 目：院 系：专 业：班级学号：学生姓名：指导教师：成 绩：

毕业设计

基于单片机的居室安全

报警系统设计与实现

信息与控制学院 农业电气化与自动化 1002024014 马天翼 孔德尉 2014年 6 月 15 日

目 录

1 方案设计 ................................................................................................................................................ 1

1.1 设计任务要求 ........................................................................................................................... 1 1.2 整体方案设计框架 .................................................................................................................. 1 2 居室安全报警系统的硬件设计 ....................................................................................................... 3

2.1 红外传感器部分设计 .............................................................................................................. 3

2.1.1 热释电红外传感器的工作原理 ................................................................................ 3 2.1.2 菲涅耳透镜 ..................................................................................................................... 4 2.1.3 BISS0001集成电路介绍 ............................................................................................ 4 2.2 温度传感器部分 ....................................................................................................................... 5

2.2.1 温度传感器 ..................................................................................................................... 5 2.2.2 温度传感器工作原理 ................................................................................................... 6 2.3 烟雾传感器部分 ....................................................................................................................... 6 2.4 数码管部分 ................................................................................................................................ 8 2.5 声光报警提示电路 .................................................................................................................. 9

2.5.1 灯光提示电路 ................................................................................................................ 9 2.5.2 声音报警电路 ................................................................................................................ 9 2.6 无线遥控模块 .......................................................................................................................... 10 2.7 单片机部分设计 ..................................................................................................................... 11

2.7.1 STC89C52单片机 ...................................................................................................... 11 2.7.2 单片机的最小系统 ..................................................................................................... 12 2.7.3 按键控制电路、指示灯报警电路 .......................................................................... 15 2.7.4 电源模块 ....................................................................................................................... 16

3 居室安全报警系统的软件设计 .................................................................................................... 17

3.1 软件结构及功能 ..................................................................................................................... 17 3.2 软件程序调试 .......................................................................................................................... 18 参考文献 .................................................................................................................................................... 20 附录A 电路图 ....................................................................................................................................... 21 附录B 程序源代码 .............................................................................................................................. 21

I

附录C 实物图 ...................................................................................................................... 29

II

沈阳农业大学科学技术学院本科毕业设计 1 方案设计

1.1 设计任务要求

⑴设计包含了硬件设计和软件设计这两部分。模块分为数据采集、按键的设置、报警设备、无线遥控装置、数码管显示等等。

⑵居室安全报警系统是由红外热释电红外传感器、温度传感器、烟雾传感器、数码管电路、蜂鸣器、单片机控制电路、无线遥控电路和软件组件为主组成。

⑶居室安全主要分为防盗和防火，针对于此本文所设计系统主要实现如下功能：人们出行前，利用无线遥控器打开报警系统的保护状态，30秒后将传感器设置为工作状态进行布防。在布防期间，红外辐射探测器透过菲涅耳透镜建立一个监测区域，在该区域内任何人员活动都会触发红外辐射监测电路，激活报警电路，红色警示灯闪烁，数码管显示数字“1”，蜂鸣器长鸣报警；烟雾探测器会对室内烟雾浓度进行监控，当室内烟雾浓度过高，激活报警电路，黄色警示灯闪烁，数码管显示数字“2”，蜂鸣器长鸣报警；温度探测器会对室内温度进行监控，当室内温度过高，激活报警电路，绿色警示灯闪烁，数码管显示数字“4”，蜂鸣器长鸣报警。

1.2 整体方案设计框架

本设计所设计的居室安全系统主要包括以下结构：复位电路、报警电路、热释电红外传感器电路、温度传感器电路、烟雾传感器电路、无线遥控电路、数码管显示电路和相应的软件控制程序。

本设计所设计的居室安全系统以STC89C52单片机为中央数据处理单元，配以红外传感监测电路、温度传感监测电路和烟雾传感监测电路作为数据采集端，系统启动与关闭采用无线遥控技术，报警方式分为红、黄、绿彩灯闪烁和蜂鸣器长鸣以及数码管数字显示三种方式组合报警。

第一个监测点上设置的红外传感器探测到身体散发的红外线辐射时，可以将其转换为电压信号，经过放大电路和一个比较器电路，最终由STC89C52单片机接收产生的TTL电平。在单片机内部，由软件来查询和鉴别以确定最终是否发出警报信号。一旦发出了入侵的警报信号，报警电路将运行并放大，使蜂鸣器、发光二极管等设备发出相应

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沈阳农业大学科学技术学院本科毕业设计 的声音光线来配合。

第二个监测点上设置的温度传感器探测到室内高温时，可以将其转换为低电平信号，由STC89C52单片机接收产生的TTL电平。由软件来查询和鉴别以确定最终是否发出警报信号。一旦发出了高温警报信号，报警电路将运行并放大，使蜂鸣器、发光二极管以及数码管等设备发出相应的声音光线来配合。

第三个监测点上设置的烟雾传感器探测到室内烟雾浓度高时，可以将其转换为低电平信号，由STC89C52单片机接收产生的TTL电平。由软件来查询和鉴别以确定最终是否发出警报信号。一旦发出了烟雾警报信号，报警电路使蜂鸣器、发光二极管以及数码管等设备发出相应的声音光线来配合。

当人们出门后，报警系统变成运行部署状态，当有人闯入检测区域内，热释电红外传感器就可以检测到（或是出现高温、烟雾时），进而迅速转换输出方式，报警器启动，从而起到防盗防火作用。该报警器的最大特点是方便简单，用户操作灵活，智能化程度高，误报率低，易于安装和维护。随着现代科学技术的提高，人们的安全意识也飞速发展，在不久的将来报警系统将在更广泛的领域和层次得到应用。

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沈阳农业大学科学技术学院本科毕业设计 2 居室安全报警系统的硬件设计

从设计需求角度来分析，此设计包括如下四个部分：无线遥控部分、传感器部分、数码管部分、单片机STC89C52和报警器的报警系统。电路原理如图2.1所示。

电源 STC89C52 报警电路 单片机LED指示灯 复位电路 按键控制 电源开关 红外传感器 温度传感器 烟雾传感器 无线遥控 数码管显示

图2.1 电路原理图

2.1 红外传感器部分设计

2.1.1 热释电红外传感器的工作原理

热释电红外传感器（简称PIR）是一种全新的高灵敏度的检测仪器。热电传感器是利用热电效应的传感器，具有敏感度高的特点。它是由一个电压晶体元件和陶瓷氧化物部分组成。在监测传感器表面温度变化时,元件表面的电极由于热电效应而会产生电荷，在两者之间形成弱电压。其输出阻抗高，具有一个阻抗转换效应晶体管FET。

当传感器表面温度恒定在监视范围内，传感器没有信号输出。当人体进入监视区域，室温和体温的温度差，造成环境温度变化的，此时传感器输出信号；如果身体不移动到监视区域中，则环境温度不发生变化，传感器不会输出信号。热释电红外传感器如图2.2所示。

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图2.2 热释电红外传感器

2.1.2 菲涅耳透镜

菲涅耳透镜片由聚烯烃材料制作，反射镜的表面一侧是光滑的，另一侧是从小到大排列的同心圆。在许多情况下，菲涅耳透镜对于红外线和可见光透镜效果良好，但比很多镜片的平均价格都低。菲涅尔透镜可以根据光学设计或结构特点进行分类。菲涅耳透镜具有两种功能：一是聚焦作用，二是对所监视的区域内划分成多个小区域，包括亮区和暗区，如果一个运动物体进入监视区域，检测温度变化的热释电红外传感器将输出红外线信号。我们采用菲涅尔透镜的目的是和热释电红外传感器相结合使用，这样可以有效地集中监控红外感应区域[1]，菲涅耳透镜如图2.3所示。

图2.3 菲涅耳透镜

2.1.3 BISS0001集成电路

BISS0001是一个很好的传感信号处理集成电路，具有非常高的性能，被动式热释电红外开关由BISS0001、热释电红外传感器和少量的外部元件构成。其结构新颖，性能可靠，3V～5V的电压范围，当电压为5V时，具有10mA的输出驱动电流。它是由16个管脚集成块体，BISS0001的内部框图如图2.4所示，红外传感电路实物如图2.5所示。

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图2.4 BISS内部框图

图2.5 红外传感器实物图

2.2 温度传感器部分

2.2.1 温度传感器

本文所使用温度传感器模块可以检测周围环境的温度，具有灵敏度可调的特点，其工作电压 3.3V～5V，输出形式为模拟量电压输出和数字开关量输出（0 和 1） 两种，本文所用输出形式为数字开关量输出。该模块接口为4 线制，其中VCC 外接 3.3V～5V 电压（直接与单片机相连），GND 外接 GND，D0为数字量输出接口（0 和 1），A0为模拟量输出接口。

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沈阳农业大学科学技术学院本科毕业设计 2.2.2 温度传感器工作原理

热敏电阻模块对环境温度最敏感，一般用来检测周围环境的温度，模块在环境温度达不到设定阈值时，D0口输出高电平，当外界环境温度超过设定阈值时，模块 D0 输出低电平；该模块数字量输出D0与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的温度改变；该模块数字量输出D0直接驱动继电器模块，由此组成一个温控开关；该模块模拟量输出A0和A/D模块相连，通过A/D 转换，可以获得环境温度更精准的数值[2]；热敏电阻传感器原理如图2.6所示。

图2.6 热敏电阻传感器原理图

2.3 烟雾传感器部分

MQ-2型气体传感器用于以氢气为主要成分的城市煤气、天然气、液化石油的测量，而且它抗干扰能力强，水蒸气、烟等干扰气体对它的影响小。其主为要部件MQ-2型气敏元件，该气敏元件采用烧结半导体所形成的敏感烧结体，具有稳定的阻值(即器件在纯洁空气中的阻抗)，从而保证了长期工作的稳定性，同时，该器件采用单电源供电，其功耗为0.7W左右，能够对所测试的气体有极高的灵敏度和信噪比。器件的灵敏度S=Ro/Rx为10～30。Rx为器件在丁烷浓度为0.2%时的阻抗，MQ-2气敏元件电路、结构和外形如图2.7、2.8所示。

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图2.7 MQ-2型气体传感器电路图

图2.8 MQ-2型元件外形结构图

针对居室安全系统设计要求，本文所采用的烟雾传感器模块的主要芯片是LM393、ZYMQ-2气体传感器，其工作电压为直流5V，具有信号输出指示灯，能够提供双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出，本文采用TTL低电平输出），器件响应时间：Tr≤10s，恢复时间：Tn≤60s，加热电压：V﹢=5+0.2V，加热功率约0.7W，工作环境要求丁烷浓度在0.2%时，在湿度小于85%RH，在-10℃～+40℃温度下不会引起误报，能够满足居室安全系统设计要求，烟雾传感器实物、电路原理如图2.9、2.10所示。

图2.9 烟雾传感器实物图

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图2.10 烟雾传感器模块电路原理图

2.4 数码管部分

当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成字样。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。本文所采用单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极组成共阳数码管。为了区分不同传感器报警，红外传感器对应数字1，温度传感对应数字2，烟雾报警对应数字4。本文所设计数码管显示电路原理、实物如图2.11、2.12所示。

图2.11 数码管显示电路原理图

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图2.12 数码管显示电路实物图

2.5 声光报警提示电路

2.5.1 灯光提示电路

LED即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光；它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光[3]。本设计利用不同颜色的LED指示不同传感器的报警，灯光提示电路如图2.13所示。

D1D2D3+5LEDRLEDYLEDGR42.2kR3R21k220 图2.13 灯光提示电路

2.5.2 声音报警电路

针对声音报警电路，本文采用蜂鸣器、限流电阻和晶体管组成的声音报警电路，蜂鸣器为发声元件，是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于报警器、汽车电子设备、定时器等电子产品中作发声器件[4]。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型，电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外

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沈阳农业大学科学技术学院本科毕业设计 壳等组成，接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互缠绕，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，本设计采用电磁式有源蜂鸣器，其中三极管Q1起开关作用，其基极的低电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极高电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声，声音报警电路如图2.14所示。

VCCP34R41kQ18550 蜂鸣器图2.14 声音报警电路

2.6 无线遥控模块

本设计利用PT2272模块构成的无线接收电路，在居室安全系统中加入了无线遥控功能，该功能能够实现对居室安全系统的布防、解除布防、停止报警等基础功能。PT2272无线接收电路、无线遥控实物如图2.15、2.16所示。

图2.15 PT2272无线接收电路

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图2.16 无线遥控电路实物图

2.7 单片机部分设计

2.7.1 STC89C52单片机

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89C52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。单片机引脚如图2.17所示。

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沈阳农业大学科学技术学院本科毕业设计 U11234567891011121314151617181920P10P11P12P13P14P15P16P17RESETP30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P36WRP37/RDX2X1GNDSTC89C52VCCP00P01P02P03P04P05P06P07EA/VPALE/PPSENP27P26P25P24P23P22P21P204039383736353433323130292827262524232221 图2.17 单片机引脚图

STC89C52引脚介绍如下：

⑴主电源引脚（2根）。VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源；GND(Pin20)：接地线。

⑵外接晶振引脚（2根）。XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端；XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端。

⑶控制引脚（4根）。RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位；ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号；PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号；EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

⑷可编程输入/输出引脚（32根）。STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。 2.7.2 单片机的最小系统

最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。

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沈阳农业大学科学技术学院本科毕业设计 操作说明：先打开电源开关，摁遥控器1，此时电子屏显示0000。按遥控器2，取消布防，电子屏无显示。红外报警时红灯亮，数码管都显示1；烟感报警时，黄灯亮，数码管都显示2；温度报警时，绿灯亮，数码管都显示4。存在两种报警时显示的是电子管亮暗的相加。例如，测试时注意尽量让一个报警，就是如果单独是红外正在报警，显示1111，如果此时烟感在报警，就会是反写的6，就是上面数的电路相加，不是数字相加。如果避免这种情况，在显示1111时，取消布防，开启布防，如此反复，知道显示0000时，再测另外一个报警。

3.2 软件程序调试

调试过程中首先要检测的就是硬件电路的设计原理是否正确、能否达到预期效果以及实现方法是否简便等等；其次在焊接好电路之后，认真检查电路的焊接情况。采用分块调试的方法，烟雾探测电路、红外检测电路、温度检测电路、无线遥控电路、数码管显示电路和单片机控制电路进行调试。在对每个模块的进行调试过程中又采用了由局部到整体，由简单到复杂的调试方法，最后再将各个模块总和成一个整体[8]。程序烧录运行，如图3.2所示。

图3.2 程序烧录运行图

在完成对程序的调试及烧录之后，还需要对其进行演示，把开发板与电脑连上，设

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沈阳农业大学科学技术学院本科毕业设计 置好对应的接口，完成供电及下载。分别对烟雾探测电路、红外检测电路、温度检测电路、无线遥控电路、数码管显示电路和声光报警电路进行测试。测试能否达到报警。经过测试，完全可行。因而简单的实现了对无线遥控、温度、烟雾、红外和报警的控制。

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参考文献

[1] 胡萍．串口通信的红外报警器的研制[J]．计算机与现代化，2010：15-16． [2] 唐德琴．电子温度测量仪器技术发展战略研究[J]．电子科学技术，2009：1-8． [3] 杨志忠．数字电子技术[M]．北京：高等教育出版社，2003：12-15．

[4] 沙占友．单片机及外围电路设计[M]．北京：电子工业出版社，2003：114~128． [5] 汪文，陈林．单片机原理及应用[M]．湖北：华中科技大学出版社，2007：1-10． [6] 李行善．基于串口组件的体系结构[J]．电子串口与仪器学报，2010：15-16． [7] 康华光．电子技术基础数字部分[M]．北京：高等教育出版社，2008：3-6． [8] 李庆亮．C语言程序设计实用教程[M]．北京：机械工业出版社，2005：17-22．

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附录A 电路图

沈阳农业大学科学技术学院本科毕业设计 图A1 电路汇总图

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沈阳农业大学科学技术学院本科毕业设计 附录B 程序源代码

#include //调用单片机头文件

#define uchar unsigned char //无符号字符型 宏定义 变量范围0~255 #define uint unsigned int //无符号整型 宏定义 变量范围0~65535

#define key_io P1 uchar key_can;

// 红外热释电平时为0 有输出为1

sbit beep = P2^3; //蜂鸣器定义

sbit red = P2^2; //红色发光二极管定义 sbit green = P2^1; //绿色发光二极管定义 sbit yellow = P2^0; //黄色发光二极管定义 sbit hw = P1^3; //红外热释传感器定义 bit flag_300ms = 0; sbit yaokong1 = P2^4; sbit yaokong2 = P2^5; //sbit RST = P2^6;

sbit yw = P3^2; //烟雾 sbit gw = P3^3; //高温

sbit S1 = P1^7;//千位的位选信号 sbit S2 = P1^6;//百位 sbit S3 = P1^5;//十位 sbit S4 = P1^4;//个位 sbit a = P0^0; sbit b = P0^1; sbit c = P0^2; sbit d = P0^3; sbit e = P0^4; sbit f = P0^5; sbit g = P0^6; sbit p = P0^7;

//sbit key1 = P2^4; //sbit key2 = P2^5; //sbit key3 = P2^6; //sbit key4 = P2^7;

uchar code N[10] = {0xC0, 0xf9 ,0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90}; //共阳极

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为了进一步调试烟雾传感器模块，编译了如下测试程序。

/******************************************************************** 说明：1、 当测量浓度大于设定浓度时，单片机IO口输出低电平

*********************************************************************/ #include //库文件

#define uchar unsigned char//宏定义无符号字符型 #define uint unsigned int //宏定义无符号整型

/******************************************************************** I/O定义

*********************************************************************/ sbit LED=P1^0; //定义单片机P1口的第1位 （即P1.0）为指示端

sbit DOUT=P2^0; //定义单片机P2口的第1位 （即P2.0）为传感器的输入端 /******** 延时函数***********************************/ void delay()//延时程序 {

uchar m,n,s;

for(m=20;m>0;m--) for(n=20;n>0;n--) for(s=248;s>0;s--); }

/********主函数************************************/ void main() { while(1) //无限循环 { LED=1; //熄灭P1.0口灯 if(DOUT==0)//当浓度高于设定值时 ，执行条件函数 { delay();//延时抗干扰 if(DOUT==0)//确定 浓度高于设定值时 ，执行条件函数 { LED=0; //点亮P1.0口灯 } } } }

/*******结束*****************************/

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沈阳农业大学科学技术学院本科毕业设计 附录C 实物图

图C1 实物图

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