小区智能安保系统模型的设计与实现毕业论文

海南软件职业技术学院毕业设计（论文）

目录

摘要 .................................................... 3 Abstract ................................................ 4 1 总体设计 ............................................. 5 1.1 设计背景 ........................................... 5 1.2 设计思想 ........................................... 6 1.3 系统功能 ........................................... 6 1.4 系统设计框图 ....................................... 7 1.5 系统实现方法 ....................................... 7 2 系统硬件模块可行性分析 ............................... 8 2.1 CPU最小系统设计与选择 .............................. 8 2.1.1 AT89C51的引脚图及功能介绍 ......................... 8 2.1.2 振荡器和时钟电路 ................................ 10 2.1.3 复位电路 ........................................ 11 2.2 温度烟雾信号采集模块 .............................. 12 2.2.1 DS18B20的简介 ................................... 12 2.2.2 NIS-09C的简介 ................................... 13 2.3 煤气信号采集模块 .................................. 13 2.4 防盗报警模块 ...................................... 14 2.5 光报警模块 ........................................ 14 2.6 数据采集模块 ...................................... 15 2.7 键盘显示模块 ...................................... 18 2.8 CAN总线协议 ....................................... 19

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2.9 传感器模块 ........................................ 20 3 硬件单元电路设计 .................................... 22 3.1 ADC0809和三个报警传感器的接口电路设计 ............. 22 3.2 AT89C51与ADC0809接口电路 ......................... 23 3.3 AT89C51与光报警接口电路 ........................... 24 3.4 键盘显示接口电路 .................................. 24 3.5 AT89C51与CAN总线接口电路 ......................... 25 4 系统可靠性设计 ...................................... 24 4.1 硬件抗干扰措施 .................................... 24 4.2 提高元器件的可靠性 ................................ 24 5 系统调试 ............................................ 28 5.1 整体调试分析 ...................................... 28 5.2 硬件单元电路调试 .................................. 28 5.2.1 最小系统板调试 .................................. 28 5.2.2 A/D转换电路调试 ................................. 28 5.2.3 光报警电路调试 .................................. 28 5.2.4 键盘显示电路调试 ................................ 28 5.2.5 传感器电路调试 .................................. 30 6 系统使用说明 ........................................ 31 结 论 ................................................. 31 参 考 文 献 ............................................ 32 附录 系统原理图 ........................................ 33

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小区智能安保系统模型的设计与实现

摘要

中国安居工程需要大力发展安全文明小区建设，严峻的社会治安形势，需要建立并完善安全文明小区防盗报警网络系统体系。如何解决在当前每个家庭经济承受能力有限的情况下，建设满足防范功能及可靠性需求的安全文明小区防范防盗报警网络系统，是当前急需解决的课题。本方案是在考虑以上因素的基础上，所设计的可行实施方案。

小区安全防范报警系统是智能小区实现安全管理的重要系统,主要包括防盗报警、煤气泄漏报警、消防报警等。小区管理极为重要的内容是确保住宅,住户安全,生活中,人人都可能出现一些意想不到的求助情况,现代居住的格局,邻里常年不来往已是常事,家庭生活稳密性、封闭性越来越强。因此,小区安全防范及报警系统是具有先进的设计和设备,并为小区住户的安全提供保障的必要系统。

我国的安防自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。在小区内的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、瓦斯探头等报警感知设备，报警主机通过总线与管理中心的电脑连接，进行安防信息管理。如果发生盗贼闯入、抢劫、火灾、燃汽泄露等紧急事故，传感器就会立即获知并由报警系统即刻触发光警报以有效地恫吓企图行窃的盗贼；系统还会迅速向报警中心传送报警信息；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，中心据此派出机动力量采取相应解救措施；系统具备24小时防破坏等并自我监视，一旦有任何被破坏的迹象也会即刻报警。总之，无论白天黑夜，你离家在外还是在家休息，电子保安时时刻刻保护家庭安全，这正是能为家人、家庭、财产所做的最有效的安全防盗保护措施。

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Village intelligence security system model of design and implementation

Abstract

How to develop China project safe civilized village construction, severe social security situation, need to establish and perfect the safe civilized village security alarm system network system, How to solve the current each family economy support ability is limited, construction meet the demand of the guard function and reliability safe civilized village guard against security alarm network system, is the current urgent problem to be solved. The scheme is in on the basis of the above-mentioned factors, the design is feasible implementation plan.

Community safety alarm system is intelligent village realize the important safety management system, mainly including security alarm, gas leakage alarm, fire alarm, etc. A very important part of community management is to ensure that the residential , resident safety, life, everyone may appear some unexpected turn, modern residential pattern, the neighborhood is never going already is commonplace, family life steady tightness, closure is more and more strong. Therefore, the safety guard and alarm system is with advanced design and equipment, and for the safety of the village resident to provide the necessary security system.

China's security to be automatic alarm control system from the experience, and from simple to complex development process, and its intelligence more and more is also high. In the community residents in each unit is installed a the mainframe, residents can choose to install in resident the door, window place sound installation inspection, emergency, smoke/gas detector, gas detector alarm equipment such as perception, the mainframe through the bus and management center of computer connection, information security management. If there is a thief broke into, robbery, fire, gas leak accident emergency, such as, the sensor will immediately learned and the alarm system immediately trigger light alert to effectively intimidation attempts to steal the thief, The system will quickly to alarm center sent alarm information; Alarm center immediately after receiving warning automatic resolution processing, quickly identify types, the place, the judge alarm user, center on motor power sent to take corresponding measures to save; System has 24 hours the destruction and self-monitoring, once have any signs of destruction will immediately report to the police. In short, day or night, you have left at home or rest, electronic security every moment family safety protection, it is family, family and property can do the most effective security protection measures.

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1 总体设计

1.1 设计背景

在当今高速发展的社会中，人们对自身所处的环境越来越关心，居家安全已成为当今小康之家优先考虑的问题。当上班家中无人，或者仅有老人孩子在家，或晚上在家熟睡，都必须确保家庭成员和财产的绝对安全。

中国安居工程需要大力发展安全文明小区建设，严峻的社会治安形势，需要建立并完善安全文明小区防盗报警网络系统体系。如何解决在当前每个家庭经济承受能力有限的情况下，建设满足防范功能及可靠性需求的安全文明小区防范防盗报警网络系统，是当前急需解决的课题。本方案是在考虑以上因素的基础上，所设计的可行性实施方案。在当前，随着经济的发展，人民的生活日益改善，人们对家庭生命财产安全越来越重视，采取了许多措施来保护家庭的安全。以往的做法是安装防盗门、防盗网，但也存在有碍美观，不符合防火要求，不能有效地防止坏人的入侵。现在，全国各地都在如火如荼地开展建设安全文明小区的活动，而且很多地方都提出取消防盗网的口号，家庭电子防盗报警系统也就应运而生。因为大多数家庭都是双职工，白天家里通常没有人，发生报警后，必须要有专人来处理，因此，必须设立报警中心。而且因为国内住宅区大多数是密集型分布，一个住宅区往往有几百上千户，并且都有自身的保安队伍，因此当用户防盗报警系统报警时，除了在现场报警外，还需要向当地派出所或公安分局进行报警联网外，也需要向住宅小区的保安中心进行联网报警，以便警情得到迅速处理。另外，考虑到国内普遍收入水平较低，对于每一户家庭的防盗报警系统成本不可太高，但因为用户数量多，也不能采用质量差的产品，以免误报频繁造成不良影响。根据以上分析，住宅小区对防盗报警系统的要求如下： 1.广泛性——即要求小区内每个家庭都能得到保护。

2.实用性——即要求每个家庭的防范系统能在实际可能发生受侵害的情况下及时报警，并要求操作简便，环节少，易学。

3.系统性——即要求每个家庭的防范系统在案情发生时，除能自身报警外，必须及时传到保卫部门，并同时上报当地公安报警中心。

4.可靠性——即要求系统所设计的结构合理产品经久耐用、系统是可靠。

5.投资可行性------即要求系统投资或造价能控制在小区家庭能承受的范围之内。

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1.2 设计思想

在小区内的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、瓦斯探头，防盗报警器等报警感知设备，报警主机通过总线与管理中心的电脑想连接，进行安防信息管理，本系统具有远程报警功能。如果发生盗贼闯入、抢劫、烟雾、燃汽泄露等紧急事故，传感器就会立即获知并由报警系统即刻触发光警报以有效恫吓企图行窃的盗贼；系统还会迅速向报警中心传送报警信息；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，中心据此派出机动力量采取相应解救措施；系统具备24小时防破坏等并自我监视，一旦有任何被破坏的迹象也会即刻报警。总之，无论白天黑夜，你离家在外还是在家休息，电子保安时时刻刻保护家庭安全，这正是能为家人、家庭、财产所做的最有效的安全防盗保护措施。

1.3 系统功能

设计具有防盗并且兼有防火，防煤气等功能的小区防盗报警系统，无疑可以使家庭保安自动化。系统采用体积小巧，功能强大，价格便宜的单片微型计算机作为居民家庭第一监视端，与单片机连接各种用于家庭安保的传感器作为收集信号并送给单片机初步处理，单片机实时与远方主监控计算机通信，将从传感器接收来的信号实时传给主机，主机端就可以知道小区各个居民家庭的异常情况，从而进行实时处理。系统利用CAN总线传输信息。本系统设计提高了安全可靠性，操作更方便，在工程实际中有广泛的应用，因而具有良好的应用前景和工程推广价值。

该系统运用了AT89C51单片机和CAN总线的主要特性和功能，将主从式微机通信运用于今天的生活，体现了自动化的发展前景一片光明。对于应用区域，每个家庭可实现：家中无人时，如上班了，可把家庭报警系统设置在外出布防状态，使所有的传感器都工作起来。当窃贼试图破门而入或从阳台闯入，热电释红外传感器器探测到动作，警号发声，并且保安中心立刻接收到警情，接着在数秒后公安局报警中心也会收到报警信号。家中有人时，如睡觉时，把系统设置在留守布防状态，当窃贼企图从大门闯入时，立刻发出警报；如果主人有紧急情况，如急病或受到挟持时，可按动键盘上的紧急按钮发出警报[1]。

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1.4 系统设计框图

图1.1 系统组成结构图

1.5 系统实现方法

(1) 利用各种传感器接收需要防备外界的异常信号。

(2) 单片机接收传感器检测信号，进行初步处理，如记录发生情况的位置，何种报警等等，也可以单片机进行现场报警。

(3) 利用CAN总线实现单片机与主控计算机的通讯。

(4) 在主控计算机上接收单片机送来的报警信号，发出报警信息。

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2 系统硬件模块可行性分析

报警器硬件由温度烟雾信号采集模块、煤气信号采集模块、防盗报警模块、光报警模块，键盘显示模块以及单片机与CAN总线模块组成。

2.1 CPU最小系统设计与选择

CPU最小系统在本设计的报警器中是中枢部分，所有要完成的命令和控制都是在此进行的。所以CPU最小系统的好坏直接影响本设计的前端探头和其他电路之间的配合问题，同样没有CPU最小系统，本设计也就失去了设计目的。经过比较，本次设计决定使用由ATMEL公司生产的常用、廉价的单片机AT89C51作为主控制器。 2.1.1 AT89C51的引脚图及功能介绍

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案[2]。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口， AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[3]。

AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 AT89C51的引脚图如下图所示：

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图2.1 AT89C51芯片的引脚图

VCC：供电电压。 GND：接地。

P0口：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[5]。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。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[5]。

P2口：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[4]。

P3口：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[5]。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

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RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：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[8]。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。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[8]。

/EA/VPP：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）[6]。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。

此单片机主要用于控制，包括响应中断、延时、判断、发送对方号码等等。 2.1.2 振荡器和时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。考虑到成本和电路的简洁等方面，我们选用内部时钟方式。在单片机XTAL1和XTAL2两端跨接晶振就构成了稳定的自激振荡器，振荡电路的频率是晶体振荡频率。晶体频率可在1.2MHZ到12MHZ之间选择，频率越高，单片机速度越快。本设计选用的晶体频率为12MHZ。外接电容C1和C2，与晶体一起构成了本设计的晶振电路。C1和C2会影响振荡器的稳定性和起振的快速性，它还可以对振荡频率起微调作用。振荡电路如图下所示：

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图2.2 振荡器和时钟电路

2.1.3 复位电路

复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，计算机在启动时都需要复位，使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。在振荡器正在运行的情况下，复位是靠在RST引脚处保持至少2个机器周期（24个振荡器周期）的高电平而实现的[7]。

图2.3 按键电平复位电路图

为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RST引脚保持10ms以上的高电平，单片机可以循环复位。当RST从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。在复位有效期间，ALE和PSEN引脚输出高电平。

本设计如上图所示的复位电路。当加电时，电容C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RST引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于

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断开，RST的电位与地相同，复位结束。可见复位的时间与充电时间有关，充电时间越长复位时间越长。增加电容或增大电阻都可以增加复位时间。它还可以通过按键实现复位，按下键后，通过R1和R2形成回路，使RST端产生高电平。按键的时间决定了复位时间。

2.2 温度烟雾信号采集模块

火灾是发生频率较高的灾害，无论是电气设备、吸烟不慎、人为等原因都可能引发楼宇火灾。所以火灾报警宜早不宜迟，在火灾发生初始阶段及时报警，及时采取灭火措施最好。火灾发生大多是由局部物体的燃烧开始的，燃烧会产生烟雾、热量及火焰。因此，通过检测烟雾、温度异常，就可以判断火情，及时发出火灾报警，以便能有效的扑灭火源，免于成灾。准确的进行火灾报警，选择合适的温度传感器和烟雾传感器是准确报警的前提。综合考虑各种因素，本设计选择集成数字温度传感器DS18B20和烟雾传感器NIS-09C用作采集系统的敏感元件[8]。 2.2.1 DS18B20的简介

DS1820是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器,它将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的是温度信号数字值。与其它温度传感器相比,DS1820具有以下特性: 1) 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯。 2) 大容量的特性使得温度感知的需求可以简便的实现。 3) 可通过数据线供电，适用电压为3.0V——5.5V。 4) 零待机功耗。

5) 测温范围为-55℃——+125℃

6) -10℃— +85℃范围内，精度为±0.5℃。 7) 程序设定9—12位分辨率。

8) 转变12位的温度数字量最多需要750ms。 10) 用户可定义的非易失性的温度报警装置。

11) 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。 12) 应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。

DS18B20通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源[8]。

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2.2.2 NIS-09C的简介

NIS-09C是离子式烟雾传感器，内部使用了微量的放射性物质镅241。但传感器本身被金属制电极所覆盖,放射能决不会泄露。NIS-09C属于低功耗广普型传感器,可用9V电池带动。 主要技术指标

外加电压：DC7—12V以下 电流：27 ±3pA

放射线源：镅241 33.3KBq 周围温度：0--50℃ 周围湿度: 95%RH以下

2.3 煤气信号采集模块

煤气泄露报警:当室内煤气超过正常标准时,它将通过传感器向家庭控制器发出报警信号。对于密度大于空气的气体，感应器放在气体源的下方。对于密度小于空气的气体，感应器放在气体源的上方，当煤气泄露报警启动,就通知管理中心。综合考虑各种因素，本设计选用气敏传感器TP-1.1A，用作煤气报警。对气敏传感器TP-1.1A的简介如下： 1、应用

1）煤矿瓦斯监测、工业甲烷、天然气监测 2）民用燃气泄漏报警

3）以天然气为动力燃料的汽车安全监测 4）便携式气体探测仪 2、特点

1）低功耗 2）寿命长(≥5年)

3）环境适应能力强（抗烟、酒精，不怕油分子吸附） 4）应用电路简单

5）对甲烷及液化石油气高度的灵敏性 6）高浓度可燃气体冲击时，传感器无影响 3、工作条件

工作电压 6V±0.5VDC／5VDC

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负载电阻 51Ω／39Ω 静态功耗 ≤150mW 工作温度 —40℃～＋70℃

2.4 防盗报警模块

防盗报警:在小区每一住户内安装防盗报警装置。当住户家中无人时,可把家庭内的防盗报警系统设置为布防状态,当窃贼闯入时,报警系统自动发出警报并向小区安保中心报警。综合考虑各种因素，选用热电释红外传感器RE200B来进行防盗报警。

热电释红外传感器RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。 主要技术指标 工作波长 7-14μm 平均透过率 ＞75%

输出信号 ＞2.5V(420°k黑体1Hz调制频率0.3-3.0Hz 带宽72.5db增益) 工作电压 2.2-15V

工作电流 8.5-24μA(VD=10V,Rs=47kΩ,25℃) 源极电压 0.4-1.1V(VD=10V,Rs=47kΩ,25℃) 工作温度 -20℃- +70℃

上述特性指标是在源极电阻R=47KΩ条件下测定的，实际使用时可根据自己的需要调整R的大小。

2.5 光报警模块

由AT89C51的P1口的P1．4～P1．7分别控制4个发光二极管，予以光报警。P1．4～P1．7控制的灯依次为温度信号灯、烟雾信号灯、煤气信号灯和防盗信号灯。当这些输出端输出低电平时，对应的信号灯便会发光报警。

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图2.4 光报警电路图

2.6 数据采集模块

A/D转换是本系统比较关键的一步，通过A/D转换，成功的把所要测量和控制的数据采集过来，是保证系统功能可以实现的第一步。为了设计好A/D转换模块，使它达到预想的A/D转换效果，必须选定合适的A/D转换器。

A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，ADC0809由8路模拟信号输入端、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成。

(1) 其主要性能指标为: ①分辨率为8位。

②最大不可调误差： 0809为?1LSB。

③单电源+5v供电，基准电压由外部提供，典型值为+5v，此时允许输入模拟电压为0—5V。

④具有锁存控制的8路模拟选通开关。

⑤可锁存三态输出，输出电平与TTL电平兼容，功耗15mW。

⑥转换速度取决于芯片的时钟频率。时钟频率范围500KHz时，转换时间为128μs。 (2)ADC0809引脚功能

图2.5为ADC0809引脚图,说明如下；

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图2.5 ADC0809芯片引脚

①IN0—IN7——8路模拟信号输入端。

②ADDA、ADDB、ADDC——3位地址码输入端。8路模拟信号转换选择由A、B、C决定。A为低位，C为高位。与低8位地址中A0—A2连接。由A0—A2地址000－111选择INO－IN7八路A/D通道。其中模拟开关与输入通道的关系见表3.1。

表3.1路模拟开关与输入通道的关系表 通入IN0 通道 A B C 0 0 0 IN1 1 0 0 IN2 0 1 0 IN3 1 1 0 IN4 0 0 1 IN5 1 0 1 IN6 0 1 1 IN7 1 1 1 ③CLK——外部时钟输入端。时钟频率高，A/D转换速度快。通常由MCS－51型单片机ALE端直接或分频后与0809CLK端相连接。

④D0—D7——数字量输出端。

⑤ OE——A/D转换结果输出允许控制端。当OE端为高电平时，允许将A/D转换结果从Do—D7端输出。通常由MCS－ 51型单片机的RD端与单片机地址线如P2.0通过或非门与0809OE端相连接。当DPTR为FEFFH，且执行MOVX A，＠DPTR指令后，RD和P2.0均有效，或非后产生高电平，使0809OE端有效，0809将A/D转换结果送入数据总线P0口，CPU再读入A中。

⑥ALE——地址锁存允许信号。8路模拟通道地址由A、B、C输入，在0809的ALE信号有效时将该8路地址锁存。

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⑦START——启动A/D转换信号。当START端输入一个正脉冲时，立即启动0809进行A/D转换。START端与ALE端连在一起，由MCS－51型单片机WR与0809片选端(例如P2.0)通过或非门相连，当DPTR为EFF8H，执行“MOVX@DPTR，A”指令后，将启动0809模拟通道0的A/D转换。FEF8H—FEFFH分别为8路模拟输入通道的地址。执行MOVX写指令，井非真的将A中内容写进0809，而是产生WR和P2.0有效信号，从而使0809的START和ALE有效，且输出A/D通道0地址A0—A2。事实上也无法将A内容写进0809，0809中没有一个寄存器能容纳A中内容，0809的输入通道是IN0—IN7，输出通道是D0—D7，因此，执行“MOVX＠DPTR，A”指令与A中内容无关，但DPTR地址应指向当前A/D的通道地址。

⑧EOC——A/D转换结束信号。当启动0809A/D转换后，EOC输出低电平；转换结束后，EOC输出高电平，表示可以读取A/D转换结果。该信号取反后，若与MCS－51型单片机引脚INT0或连接，可引发CPU中断，在中断服务程序中读A/D转换的数字信号。若MC5—51型单片机两个中断源已用完，则EOC也可与P1口或四口的一条端线相连，不采用中断方式，采用查询方式，查得EOC为高电平后，再读A/D转换值。

⑨VREF+、VREF- ——正负基准电压输入端。基准电压的典型值为+5v，可与电源电压(+5v)相连，但电源电压往往有一定波动，将影响A/D精度。因此，精度要求较高时，可用高稳定度基准电源输入。当模拟信号电压较低时，基准电压也可取低于5v的数值。

⑩Vcc——正电源电压(+5v)。GND——接地端。

ADC0809的A/D转换过程是在时钟信号的协调下进行的。ADC0809的时钟信号由CLOCK端送入,其最高频率为640MHz,在这个最高频率下ADC0809的A/D转换时间为100uS左右。A/D转换结束后,A/D转换的结果(8位数字量)送到三态锁存输出缓冲器,此时A/D转换结果还没有现在DB0—DB7八条数字量输出线上,单片机不能获取之。单片机要想读到A/D转换结果,必须使ADC0809的允许输出控制端OE为高电平,打开三态输出锁存器,A/D转换结果出现在DB0—DB7上。

数据采集的电路如图2.6所示。烟雾、煤气、防盗传感器的输出分别接到ADC0809 IN5、IN6和IN7。ADC0809的通道选择地址A，B，C分别由AT89C51的P0．0～P0．2经地址锁存器74LS373输出提供。当P2.0=0时，与写信号RD共同选通ADC0809。图中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。例如，输出地址7FF8H可选通通道IN4，实现对烟雾传感器输出的模拟量进行转换；输出地址7FF9H可选通通道IN5，实现对煤气传感器输出的模拟量进行转换。图中

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ADC0809的转换结束状态信号EOC接到89C51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元[9]。

2.6 数据采集模块

2.7 键盘显示模块

单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。

编码键盘是只要按下它的某一个键，就能产生这个键的代码，与此同时还产生一个脉冲信号，以通知CPU接收键码。编码键盘使用方便，也不用编写太复杂的程序。但硬件电路复杂，比非编码简易键盘成本要高。

非编码键盘也称简易键盘，它的按键是排列成行、列矩阵形式的。按键的作用只是简单地实现接点的接通或断开，因此必须有一套相应的程序与之配合，才能产生相应的键码，它基本上不需要附加什么硬件电路。但需要通过软件来解决按的识别、防抖动以及如何产生键码的问题。

为了节约成本，本系统选用简易键盘作为拨号输入。

单片机所用的显示有LED和LCD两种，从设计的难度和成本造价来说LCD都要高于LED。因此，本作品选用了由LED组成的7段发光显示器，它有简单、经济、易于与单片机接口等优点。7段LED选用的是共阳极的。

在本系统设计中，键盘用来按下出现异常情况的房间号，用LED组成的7段发光显示器来显示[10]。

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2.8 CAN总线协议

CAN（Controller Area Network）总线，又称控制器局域网，是Bosch公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局域网。由于其卓越的性能，极高的可靠性，独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域。

CAN的通信协议主要由CAN控制器完成。CAN控制器主要由实现CAN总线协议的部分和实现与微处理器接口部分的电路组成。对于不同型号的CAN总线通信控制器，实现CAN协议部分电路的结构和功能大多相同，而与微处理器接口部分的结构和方式存在一些差异[11]。

CAN控制器选用SJA1000作为控制器。SJA1000是高集成度CAN控制器。具有多主结构、总线访问优先权、成组与广播报文功能及硬件滤波功能。输入时钟频率为16MHZ时钟,输出可编程控制。由以下几部分构成：接口管理逻辑、发送缓存器、接收缓存器、位流处理器、位定时逻辑、收发逻辑、错误管理逻辑、控制器接口逻辑等。

SJA1000在电路中是一个总线接口芯片，通过它实现上位机与现场微处理器之间的数据通信。该电路的主要功能是通过CAN总线接收来自上位机的数据进行分析组态然后下传给下位机的控制电路实现控制功能，当CAN总线接口接收到下位机的上传数据，SJA1000就产生一个中断，引发微处理器产生中断，通过中断处理程序接收每一帧信息并通过CAN总线上传给上位机进行分析。AT89C51是CAN总线接口电路的核心，其承担CAN控制器的初始化、CAN的收发控制等任务。

CAN总线收发器选用PCA82C250作为总线收发器。 PCA82C250是CAN 协议控制器和物理总线之间的接口。82C250 可以为总线提供不同的发送性能，为CAN 控制器提供不同的接收性能。而且它与“ISO 11898”标准完全兼容。PCA82C250的目的是为了增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰（RFI）实现热防护等。

接口主要元件电路原理图见图2.7，在进行电路设计时应注意以下几点，否则达不到预期的效果。

（1）总线两端必须接两个终端匹配电阻RT，忽略掉它们，会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低。

（2）PCA82C250为CAN控制器和物理总线之间的接口，它可以提供向总线的差动发送能力和CAN控制器的差动接收能力，TXD和RXD引脚分别发送经过驱动后的发送和接

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收信号。其引脚8（RS）可以选择2种不同的工作方式：把该引脚直接与地相连，系统将处于高速工作方式，在这种方式下，为避免射频干扰，建议使用屏蔽电缆作总线；而在波特率较低，总线较短时，一般采用斜率控制方式，上升及下降的斜率取决于RS的阻值，实践表明15-200k为RS较理想的取值范围，在这种方式下，可以使用双绞线作总线（本系统采用该工作方式）。

（3）SJA1000的TX1脚悬空，RX1引脚的电位必须维持在约0.5VCC上，否则，将不能形成CAN协议要求的电平逻辑。因本系统传输距离近，环境干扰小，可以不用电流隔离，这样可以直接把82C250的VREF端（约为0.5VCC）与SJA1000的RX1相连，从而简化了电路。

（4）设计时将SJA1000的CLOCKOUT的时钟信号接至AT89C51的时钟电路输入端，作为AT89C51的外部时钟输入，解决了时钟同步问题；SJA1000中断输出信号/INT接至AT89C51的/INT0端，通过中断方式与AT89C51通信。

P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.7/A15 ALE/PROG /RD/P3.7 /WR/P3.6 /INT0/P3.2 XTAL1 RST AD0 TX0 AD1 TX1 AD2 RX0 AD3 RX1 AD4 VDD1 AD5 VDD2 AD6 VDD3 AD7 VSS1 /CS VSS2 ALE VSS3 /RD XTAL1 /WR /INT XTAL2 CLK /RST TXD CANH RXD CANL VREF RS

图2.7 接口主要元器件电路图

2.9 传感器模块

上述所说的各种信号采集模块都是经过传感器来进行信号采集，再送到ADC0809，除了温度传感器DS18B20以外。因为DS18B20是数字温度传感器，输出的直接是数字信号，不用经过ADC0809的转换。

传感器是一个从系统接收功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件。按照这一定义，可以说传感器是一种吸收(提取)、转换和传送能量的器件。严格地说，应该区别检测和变换这两个概念。前者只是将被测量转移到系统中去，而后者

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从字面上说是将被测量的种类加以改变。有时，对被测量只进行一次变换还不够，必须进行第二次、第三次变换，一直到所希望的能量形式为止。传感器转换能量的理论基础都是利用物理学、化学等各种现象和效应来进行能量形式的变换。随着微电子和计算机技术的发展，传感器输出信号的形式应尽可能是电量[12]。

传感器的组成按其定义一般是由敏感元件、变换元件和测量电路三部分组成。除自源型传感器外，还需外加辅助电源，用框图表示，如图2.8所示。由图可知，传感器由以下几个部分组成：

敏感元件 转换元件 测量电路 辅助电源 图2.8 传感器的组成框图

（1）敏感元件(预变换器) 直接感受被测量(一般为非电量)并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量(包括电量)的其它量的元件。

（2）转换元件(变换器) 它能将其它物理量直接转换为有确定关系的电量的元件。 （3）测量电路(变换电路) 把转换元件输出的电信号变为便于处理、显示、记录、控制的可用电信号的电路。测量电路的类型视转换元件的不同而定．经常采用的有电桥电路和其它特殊电路，加高阻抗输入电路、脉冲电路、振荡电路等。 （4）辅助电源 供给转换能量。

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3 硬件单元电路设计

3.1 ADC0809和三个报警传感器的接口电路设计

由于温度传感器DS18B20是数字温度传感器，输出的信号就直接是数字信号，不用经过ADC0809的转换。所以，在设计中，就可以直接把DS18B20接到单片机的一个口。

ADC0809和三个报警传感器的接口电路设计图如图3.1所示。

图3.1 ADC0809和传感器的接口电路图

如上图所示，三个传感器分别接在AD0809的三个模拟信号输入端。由于它们输出的都是模拟信号，单片机不能接受，所以通过AD0809的转换将传感器输出值转变为单片机能够接受的二进制数值。由于本次设计只要求完成报警功能，并不显示具体的数值，所以只需将测得值与设定值进行比较，当达到报警上限时执行相关报警动作。

元器件的选取： ADC0809芯片一块

47K的电阻一个，51欧姆的电阻一个，50K的电阻两个

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3.2 AT89C51与ADC0809接口电路

AT89C51与ADC0809接口电路如3.2所示。

图3.2 AT89C51与ADC0809接口电路图

ADC0809的通道选择地址A，B，C分别由AT89C51的P0．0～P0．2经地址锁存器74LS373输出提供。当P2.0=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。图中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信 号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。ADC0809的转换结束状态信号EOC接到AT89C51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元[10]。

AT89C51的频率跟ADC0809的频率不一致，所以选用74LS74进行二分频。 元器件的选取： AT89C51单片机一块 ADC0809芯片一块 74LS74芯片一块 74LS02芯片一块 74LS04芯片两块

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3.3 AT89C51与光报警接口电路

AT89C51与光报警接口电路如图3.3所示

图3.3 AT89C51与光报警接口电路图

把四个发光二极管分别接在AT89C51的P1.4～P1.7口。P1.4～P1.7口控制的灯依次为正常信号灯、煤气信号灯、火灾信号灯和防盗信号灯。当进行一种报警时，所对应的发光二极管就会亮。例如，当进行火灾报警时，P1.6口的发光二极管就会亮。

元器件的选取： 四个340欧姆的电阻 四个发光二极管

3.4 键盘显示接口电路

键盘显示接口电路如图3.4所示。

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图3.4 键盘显示接口电路图

具体扫描法：

（1）将全部行线Y0-Y1（行）置低电平，然后检测列的状态。只要有一列的电平为低，则表示按键中有键被按下，而且闭合的键位于低电平与2根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中没有键按下。

（2）判断闭合键所在的位置。在确定有按键按下以后，就可以进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置低电平，即在置某根行线为低电平时，其线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再将行检测各列的电平状态。若为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

元器件的选取：

按键选用我们熟悉的四脚矩形按键8个 9012PNP放大三极管4个 四位共阳LED数码管一块 4.7k的限流电阻4个

3.5 AT89C51与CAN总线接口电路

AT89C51与CAN总线接口电路图如图3.5所示。

图3.5 AT89C51与CAN总线接口电路图

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在系统中，SJA1000的片选信号一般由地址总线经译码获得，并由此决定出CAN控制器各寄存器的地址。在本设计中，单片机AT89C51的P2.7为片选信号。

SJA1000的TX1脚悬空，RX1引脚的电位必须维持在约0.5Vcc上，否则，将不能形成CAN协议所要求的电平逻辑。如果系统传输距离近，环境干扰小，可以不用电流隔离，这样可直接把82C250的VREF端（约为0.5Vcc）与RX1脚相连，从而简化了电路[13]。

当上电复位时，AT89C52的上电复位，需要从低到高的电平变化来激活，而SJA1000的17脚RST被激活，需要出现一个由高电平到低电平的跳变，因此，这必须加一个反相器。

82C50第8脚与地之间的电阻称为斜率电阻，它的取值决定了系统处于高速工作方式还是斜率控制方式。而在波特率较低、总线较短时，一般采用斜率控制方式，实验数据表明15～200kΩ为斜率电阻较理想的取值范围，在该方式下，可以使用平行线或双绞线作总线。在本设计中选用150K。

元器件的选取： SJA1000芯片一块 PCA82C250芯片一块 74LS04芯片一块 16MHZ晶振一个 22PF的二极管两个 60欧姆的电阻一个 150K的电阻一个

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4 系统可靠性设计

小区安防系统的报警要求准确无误，必须是可靠的，因此可靠性是一个很重要的指标，因此，系统的硬件电路、软件系统的设计均应围绕这个中心进行。

4.1 硬件抗干扰措施

干扰的渠道有：供电系统的干扰，过程通道的干扰，空间的干扰等。在印刷电路板设计时，考虑到电路板过大时，印刷线条长，抗噪声能力下降；过小时，散热不好，容易受邻近线干扰。所有本系统设计电路板时，把相关的器件尽量放靠近些，容易产生噪声的器件、电流电路、大电流电路尽量远离单片机。同时整个系统用一个电源，并保证其良好的共地。

4.2 提高元器件的可靠性

提高单片机应用系统中所有元件的质量，以提高系统内在的可靠性，这也是关键性的措施。采取的措施有：

（1）选用质量好的接插件，并设计好工艺结构，如选用带屏蔽的接插件； （2）选用合格的电子元件，并进行严格的测试、筛选； （3）设计时，技术参数留有一定的余量； （4）提高印刷板的组装质量。

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5 系统调试

5.1 整体调试分析

整个调试所使用的测试仪器仪表和工具： 1．微机一台； 2．示波器； 3．万用表； 4．直流稳压电源； 5．单片机开发系统一套；

本系统的调试主要分为硬件调试、软件调试和联机调试三大部分。

经过初步的分析设计后，在制作硬件电路的同时，软件调试也在穿插进行。这样有利于问题的分析和解决，不会造成问题的积累，而且不会因为一个小问题而需要检查整体电路，从而可以节约大量的调试时间。软件编程中，作者首先完成的是单元功能模块的调试，然后进行系统调试，整体上与硬件调试的方法差不多。联机调试是最重要的一部分，同时也是本装置成功的关键，有许多问题都比较棘手。

5.2 硬件单元电路调试 5.2.1 最小系统板调试

首先检测所制作的电路板是否有虚焊，短路等现象。然后接上+5V电源，检测各个芯片的电源是否为+5V，如果是+5V的话，说明供电正确。接上电压，看单片机是否发热，如不发热说明电源连接正确。测单片机30脚（ALE）是否有脉冲波形输出，如果有说明单片机正常工作。

5.2.2 A/D转换电路调试

先对A/D进行编程调试，通过后才能继续完成其他模块的调试，这一步很关键，也是最难调试的一步。

给AT89C51烧入A/D转换程序先调试A/D转换电路。A/D转换电路调试步骤如下： （1）、给三路模拟电压输入一定的直流电压，用万用表检测电压是否采集过来，也就是输入端电压与电源所给电压是否一致。

（2）检测ADC0809的启动信号输出是否正确。

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（3）测得输入端电压与电源所给电压一致后，再检测ADC0809的通道选择是否正确：如：给IN5输入0～5V的电压，如果测得C端为高电平，B端为低电平，A端为高电平，则表示该通道选择正确，否则不正确。如果不正确，检查程序是否正确，如果程序没有问题，再检查电路是否接对了。

（4）测得通道选择正确后，再测量数字量输出，也即ADC0809的D0～D7输出端的数字量是否与输入模拟量相对应。改变模拟电压量输入，看数字信号变化是否和模拟量变化对应，如果输出数字量与输入模拟量相对应说明A/D转换正确。

5.2.3 光报警电路调试

首先先检查发光二极管的正负极有没有接错，发光二极管有缺口的是负极。发光二极管是给一个低电平时，发光二极管就亮。用万用表测发光二极管是否是好时，把万用表的档调到合适的档位，红表笔接正，黑表笔接负，发光二极管亮，就表示发光二极管是好的。

当接收到传感器所检测的信号有异样时，所相应的发光二极管就会亮。例如，当温度传感器所检测到的温度高于所设定的最高温度时，所对应的发光二极管就发亮。如果有异常信号后，二极管不亮，先检查硬件电路是否正确，如果硬件电路无误后，就可以判定是软件的问题，再修改程序，进行调试。

5.2.4 键盘显示电路调试

在调试前，值得提到的是三极管的几个极的判断和数码管的a至g所对应的管脚的测试，这是十分重要的，这直接关系到此部分的成败。1、判断基极和管子类型（PNP或NPN）：由于基极与发射极、基极与集电极，分别是两个PN结，它们之间的反向电阻值都很小，所以用万用表欧姆档（R×100或R×1K）测量时，先将任一表黑笔接到某一个认定的管脚上，另一表笔先后接到其余两个管脚上。如果测量得到的阻值都很大（或都很小），然后对换表笔，重复上述测量时，阻值恰好与上述相反，都很小（或都很大），则可断定所认定的管脚为基极。若不符合上述结果，应另换一个认定管脚重新测量，直至符合上述结果为止。测量时注意管脚和表笔的极性。当黑笔接在基极，红表笔分别接在其它两极时，测得的电阻值都较小，则可判定该三极管为NPN型，反之即为PNP型。2、判断集电极和发射极：判断集电极和发射极的基本原理是把三极管接成基本单管放大电路。利用测量管子的电流放大系数β的大小来判断集电极和发射极。对于常用的NPN型小功率硅管，若集电极接电源正极，发射极接电源负极，这时表针偏较大。如果电压极性反接，则表针偏转就比较小。由此即可判断出集电极和发

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射极。另一种更可靠的办法是，当肯定被测为NPN型硅管后，将黑表笔接于一个待测的管脚，红表笔接另一个管脚，基极悬空，观察表针偏转情况，然后将黑表笔所接管脚与已断定的基极用手捏住，比较测量出的阻值变化，然后更换黑、红表笔，再观察阻值变化。如前者的变化比较大，则前者黑表笔所接管脚就是集电极，红表笔所接管脚为发射极。如为PNP管子与上述情况相反。根据上面的方法，测得所使用的三极管是PNP管，其管脚平面对向自己，管脚从左到右为e，b，c。数码管脚的测试就显得比较简单：如果是共阴极的数码管就让位选接地，然后点亮其它的管脚，通过显示结果来断定引脚是a，b，c等，位选也是拿万用表的黑表笔去探试的。如果是共阳极的话就用红表笔来探试位选，其它的与共阴极的一致。经过以上的判断，得到正确的管脚接入电路中。

具体调试步骤为：

（1）键盘是否工作正常。如果不工作，先检查键盘的接线是否正确，如果接线是正确的话，就再检查软件，看程序是否正确。

（2）当按下键盘时，数码管显示的数字是否与软件设计的一样，如果不满足要求，则继续调程序。

5.2.5 传感器电路调试

在进行传感器调试时，首先检查各个传感器的接线电路是否正确，特别是有三个脚的传感器。传感器接到ADC0809时，要接负载电阻，负载电阻的阻值大小有传感器本身决定。当四个传感器接收到各种异常信号时，如，烟雾浓度过高时，烟雾传感器就接收到这个异常信号，通过ADC0809的数据采集，送单片机处理，与设定的烟雾浓度进行比较，若烟雾浓度高于所设定浓度时，给发光二极管一个低电平，发光二极管就亮，显示报警。其他传感器的调试也是如此。当四个传感器都能接收异常信号时，说明传感器电路是正确的，调试以后就没问题了。

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6 系统使用说明

本系统使用起来非常方便，下面就系统的使用方法作一个简单的介绍。首先 小区的使用用户将各个传感器接在自家的合适位置，例如，将煤气报警传感器接在厨 房，将温度传感器和烟雾传感器接在客厅，将红外传感器接在门口，把键盘放在容易发现的地方，以备出现紧急情况时，可以在第一时间按下键盘，通知小区控制中心。然后接上电源就能工作了。

当有报警时，小区控制中心的报警灯就会亮。例如当烟雾传感器检测到室内烟雾浓度过高时，ADC0809就会将这个信号采集过来，送单片机处理，此时，与烟雾传感器相对应的发光二极管就会亮。其他报警情况也是如此。

当有报警信号时，小区的住户可以按下装在家里的按键，按下自己家里的房间号，这样，房间号就会显示在小区控制中心，小区控制中心就可以知道发生的具体情况和具体房间号。

本装置使用起来简单易学，而且功能比较强大。

结 论

本文设计和实现了一种基于AT89C51单片机的小区安防报警系统。该系统主要以方便、廉价、可靠和实用等为目的，主要以小区各个住户为主要对象，采用了ADC0809数据采集，利用AT89C51作为控制器，通过简易键盘设置房间号，共阳极四位数码显示，并由二极管发光来进行报警。

本文的重点是ADC0809的三路模拟电压采集、单片机键盘显示最小系统和CAN总线数据传输。在实际的实现过程中，遵循从易到难，从硬件到软件的过程。首先理解设计任务以及系统要求实现的功能，有针对性地查阅相关的资料，熟悉所需芯片以及元器件的工作原理，再着手设计硬件电路并根据硬件电路的设计特点，有步骤地对硬件电路进行分模块调试。

本系统有四个传感器来监测家庭异常情况，如有异常情况发生时，传感器就将检测到的信号经过ADC0809采集后，送到AT89C51进行处理，同时，报警灯亮，显示报警。在这四个传感器中，温度传感器DS18B20不用通过ADC0809进行转换，因为它输出的信号直接是数字信号。在此系统中，键盘用来设置小区家庭报警的门牌房间号，数码管用来显示。

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由于本人的知识和能力有限，对其中的某些问题，未能进行深入分析研究。又由于条件的限制某些器件没能买到，此系统也未能达到要求的效果。

文中定有许多不足之处，敬请各位老师谅解！

参 考 文 献

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附录 系统原理图

DC+5VR1海南软件职业技术学院毕业设计（论文）

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海南软件职业技术学院毕业设计（论文）

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