基于单片机的智能家居防火防盗报警系统

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• • 1.1课题的背景
  • 1.2 研究的目的和意义
• 第2章 系统总体方案设计
• • 2.1 设计要求
  • 2.2 方案选择和论证
  • • 2.2.1 单片机的选择
    • 2.2.2 显示方案的选择
• 第3章 系统硬件设计
• • 3.1 整体方案设计
  • • 3.1.1 系统概述
    • 3.1.2 系统框图
  • 3.2 最小系统模块
  • • 3.2.1 STC89C52简介
    • 3.2.2 最小系统电路
  • 3.3 液晶显示电路
  • • 3.3.1 1602液晶简介
    • 3.3.2 液晶引脚说明
    • 3.3.3 指令介绍
  • 3.4烟雾检测模块
  • • 3.4.1烟雾传感器的选型
    • 3.4.2 MQ-2型烟雾传感器的工作原理
    • 3.4.3 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标
    • 3.4.4 烟雾检测模块电路
  • 3.5 DS18B20传感器电路
  • • 3.5.1 DS18B20简介
    • 3.5.2 时序说明
  • 3.6 人体红外检测模块
  • • 3.6.1 热释电红外传感器的原理
    • 3.6.2 热释电红外传感器的原理特性
    • 3.6.3 HC-SR501模块相关介绍
  • 3.7 报警模块
  • • 3.7.1 蜂鸣器的介绍
• 第4章 软件设计
• • 4.1 程序语言及开发环境
  • 4.2 程序流程图设计
  • • 4.2.1 总体程序流程图设计
    • 4.2.2 液晶程序设计
    • 4.2.3 模数转换程序设计
    • 4.2.4 温度传感器程序设计
• 第5章 系统调试
• • 5.1 元器件的选择与测量
  • 5.2 元件的焊接与组装
  • 5.3 电路的调试
  • • 5.3.1 调试方法
    • 5.3.2 调试步骤
• 第6章 总结
• • 相关资料链接下载

摘要

随着社会的不断进步和科学技术、经济的发展，人们的生活水平得到很大的提高，人们愈加注重人身安全，因而也对防火防盗措施提出了新的要求。

本设计所做的智能家居控制系统包括室内信息智能监控功能、输入与实时显示功能、声光报警功能等。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一防火防盗报警系统。本设计采用HC-SR501人体红外感应模块、18B20温度传感器和MQ-2烟雾传感器检测信号，然后将信号传送给单片机处理,实现声光报警。该系统通过按键对系统的温度和烟雾的浓度进行初始化设置，利用LED显示模块对系统的温度和烟雾的浓度进行实时显示。该系统结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉，具有一定的实用价值。

关键词：报警器；传感器；单片机

Abstract

With the continuous progress of society and the development of science and technology and economy, people’s living standard has been greatly improved, and people pay more attention to personal safety. Therefore, new requirements for fire prevention and anti-theft measures have been put forward.
The design of intelligent home control system includes intelligent monitoring function of indoor information, input and real-time display function, sound and light alarm function, etc… In this paper, a fire alarm system is designed and developed by using single-chip microcomputer combined with sensor technology. This design uses HC-SR501 human infrared induction module, 18B20 temperature sensor and MQ-2 smoke sensor to detect the signal, and then transmits the signal to the MCU to realize the sound and light alarm. The system uses the button to initialize the temperature and smoke concentration of the system, and uses the LED display module to display the temperature and smoke concentration in real time. The system is simple in structure, stable in performance, easy to use and low in price, and has certain practical value.

Keywords: burglar alarm; sensor; single chip microcomputer

第1章 绪论

1.1课题的背景

我国现代社会经济飞速发展，人们生活水品不断提高，基于国家的十三五发展计划，在党的领导下全面奔小康社会，随着人们不断提高的生活水平，随之而来的使人们对生活质量的提高。其中，防火防盗是重中之重。防火关系到人们自身的生命安全，防盗关系到人们的财产安全。现在市面上的防盗措施仍然是以防盗门、防盗窗为主的传统防盗措施，主要以增加盗贼进入的难度来达到防盗的目的，但是它们不仅笨重，不容易安装，还会影响美观，更为出现事故时人们的逃生带来诸多不便，因此这种防盗方式因为会影响美观还有及时性差已经渐渐不能满足人们对它的要求了。同理，防火也应为人工的及时性差渐渐面临淘汰。随着科学技术的飞速发展，防火防盗的智能化渐渐登上社会舞台。本文论述的报警系统就是基于这样的一个目标而作出的一种基于单片机的，能满足人们日前生活所需的一种能够自动检测火灾和盗窃信息并报警的设备。

1.2 研究的目的和意义

火灾自动报警系统能够在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量和光辐射等物理量，通过感温、感烟和感光等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，提醒人们注意火灾的发生。我国的火灾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。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种简单的、廉价实用的火灾自动报警装置。
除了火灾给人们带来生命财产安全，意外入侵也时刻威胁着人们的人身安全。从现代人们住宅发展的趋势来看，现代人们住宅主要是向群体花园式住宅区发展，向高空中发展，一般都是一个住宅区有几栋至几十栋以上，但目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅单元，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗报警器进一步完善和提高。本设计就是为了满足现代住宅防火防盗的需要而设计的家庭式电子防火防盗系统。

第2章 系统总体方案设计

2.1 设计要求

(1)熟悉51单片机集成开发环境，运用C语言编写工程文件；
(2)熟练应用所选用单片机的内部结构、资源，以及软硬件调试设备的基本方法；
(3)自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现；
(4)理解防火防盗报警系统的原理和掌握实现方法。

2.2 方案选择和论证

2.2.1 单片机的选择

方案一：采用DSP作为系统控制器。DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。DSP具有对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小，容易实现集成，可分时复用，共享处理器，方便调整处理器的系数实现自适应，可用于频率非常低的信号等优点。但DSP硬件电路比较复杂，且价格昂贵，数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。

方案二：采用单片机作为系统控制器。单片机具有可靠性强、性价比搞、电压低、功耗低等优点得到迅猛发展和大范围推广，单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种逻辑功能，本身带有定时器、计数器，可以用来定时和计数，并且其功耗低，体积小，计数成熟和成本低等优点。
通过以上两种方案论证和比较，从设计的实用性，方便性和成本出发，选择了以STC89C52单片机作为中央处理单元进行防火防盗报警器的设计。

2.2.2 显示方案的选择

方案一：采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格虽适中，对于显示数字也最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线少。但是由于数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往会有很多障碍，所以不采用LED数码管作为显示。

方案二：采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字、图形。显示多样、清晰可见，对于本设计而言，一个1602的液晶屏即可，价格也还实惠，所以此设计中采用LCD1602液晶显示屏作为显示模块。

第3章 系统硬件设计

3.1 整体方案设计

3.1.1 系统概述

整个系统以STC89C52单片机为核心器件，配合电阻电容晶振等器件，构成单片机的最小系统。其它个模块围绕着单片机最小系统展开。其中包括，烟雾采集传感器选用MQ-2，由于该传感器输出的是模拟信号，因此需要模数转换芯片ADC0832，把模拟信号转为数字信号再传给单片机；温度采集使用DS18B20数字传感器，该传感器通过单总线和单片机相连；人体检测使用HC-SR501模块，该模块完成了信号的检测、放大、比较等处理，最终输出高低电平信号给单片机；显示设备使用1602液晶，可以在屏幕上显示实时烟雾浓度值、温度值，以及开关状态等信息；报警模块则采用蜂鸣器和LED灯组成，三个LED分别代表了入侵报警指示、烟雾报警指示和温度报警指示，无论哪个检测元素超标，蜂鸣器都会鸣叫报警；本设计还有4个按键作为操作输入设备，可以用来调节报警阈值的大小和布防设置；最后是供电采用常用的USB 5V进行供电。

3.1.2 系统框图

① 主电源引脚
VCC（40脚），接＋5V电源正端；
GND（20脚），接＋5V电源地端；
② 外接晶体或外部振荡器引脚
XTAL1（19脚），接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器 的输入端。当采用外部振荡器时，此引脚应接 地。
XTAL2（18脚），接外部晶振的另一个引脚。在片内接至反相放大器的输出端和 内部时钟电路的输入端。当采用外部振荡器时，此脚接外部振荡器的输出端。
③ 控制信号线
RESET（9脚），复位信号输入端，复位/掉电时内部RAM的备用电源输入端。
ALE（30脚），地址锁存允许/编程脉冲输入，用ALE锁存从P0口输出的低8位地址。在对片内EPROM编程时，编程脉冲由此输入。
PSEN（29脚），外部程序存储器读选通信号，低电平有效。
EA（31脚）,访问外部存储器允许/编程电压输入。EA为高电平时，访问内部存 储器；低电平时，访问外部存储器。
④ 多功能I/O口引脚
8051单片机设有4个双向I/O口（P0、P1、P2、P3），每一组I/O口线都可以独立地用作输入或输出口，其中：
P0口（32～39脚）——双向口（三态），可作为输入/输出口，可驱动8个LSTTL门电路。实际应用中常作为分时使用的地址/数据总线口，对外部程序或数据存储器寻址时低8位地址与数据总线分时使用P0口：先送低8位地址信号到P0口，由地址锁存信号ALE的下降沿将地址信号锁存到地址锁存器后，再作为数据总线的口线对数据进行输入或输出。
P1口（1～8脚）——准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。用作输入线时，口锁存器必须由单片机先写入“1”，每一位都可编程为输入或输出线。
P2口（21～28）——准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。可作为输入/输出口，实际应用中一般作为地址总线的高8位，与P0口一起组成16位地址总线，用于对外部存储器的接口电路进行寻址。
P3口（10～17脚）——准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。双功能口，作为第一功能使用时，与P1口一样；作为第二功能使用时，每一位都有特定用途，其特殊用途如下表所示：

端口引脚	第二功能	注释
P3.0	RXD	串行口数据接收端
P3.1	TXD	串行口数据发送端
P3.2	/INT0	外中断请求0
P3.3	/INT1	外中断请求1
P3.4	T0	定时/计数器0外部计数信号输入
P3.5	T1	定时/计数器1外部计数信号输入
P3.6	/WR	外部RAM写选通信号输出
P3.7	/RD	外部RAM读选通信号输出

3.2.2 最小系统电路

STC89C52的最小系统如下图所示，整个最小系统由三个部分组成，晶振电路部分、复位电路部分、电源电路等三个部分组成。
晶振电路包括2个30pF的电容C2和C3，以及12M的晶振X1。电容的作用在这里是起振作用，帮助晶振更容易的起振，取值范围是15-33pF。晶振的取值也可以是24M，晶振的取值越高，单片机的执行速度越快。在进行电路设计的时候，晶振部分越靠近单片机越好。
单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。
复位电路由10uF的极性电容C1和10K的电阻R4构成。利用电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电，RESET脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RESET脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
最后一个是电源部分，采用5V的USB直接供电，可采用手机充电器、电脑USB口、移动电源等设备进行供电。
此外，除了单片机最小系统的3个部分之外，这里还多了一些外部电路。
由于STC89C52的P0口是漏极开路输出，因此在P0口接了一个10K的排阻R1，使得P0口可以作为普通的I/O口使用，本设计用P0口来做液晶的数据口。
特别注意的是，对于31脚(EA),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行；当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。由于我们的程序存储在了单片机内部，所以EA要接高电平，保证单片机是从内部读取程序去执行的。

1602LCD主要技术参数：
◆显示容量:16×2个字符
◆芯片工作电压:4.5—5.5V
◆工作电流:2.0mA(5.0V)
◆模块最佳工作电压:5.0V
◆字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm

3.3.2 液晶引脚说明

1602的引脚如下表所示：

编号	符号	引脚说明	编号	符号	引脚说明
1	VSS	电源地	9	D2	数据
2	VDD	电源正极	10	D3	数据
3	VL	液晶显示偏压	11	D4	数据
4	RS	数据/命令选择	12	D5	数据
5	R/W	读/写选择	13	D6	数据
6	E	使能信号	14	D7	数据
7	D0	数据	15	BLA	背光源正极
8	D1	数据	16	BLK	背光源负极

第1脚：接地电源VSS。
第2脚：5V正电源为VDD。
第3脚：VL为液晶显示器对比度调整的端口，对比度的强弱由接电源的不同决定，对比度的调整可以通过一个10k的电位器。
第4脚：RS是寄存器选择，高水平的数据寄存器，低选择指令寄存器。
第5脚：R / W的读和写信号线，高水平低的读操作，写操作。其中RS与R/W的关系决定了当时状态，例如两端共同为0时能够写入命令或者显示其地址，当两端同为1时可以读忙碌信号，当RS为1，R/W为0时能够将数据录入。
第6脚：使能端E，当E端由1至0时，液晶模块中的命令开始被运行。
第7至14脚：D0-D7为8位双向数据线。
第15脚：背光源正极。
第16脚：背光源负极。

3.3.3 指令介绍

清屏指令
指令如下所示

3.5 DS18B20传感器电路

3.5.1 DS18B20简介

（1）概述
DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强，易配微处理器等优点，可直接将温度转化成数字信号处理器处理。测量的温度范围是-55°C—125°C。可编程分辨率9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。相较热电偶传感器而言可实现高精度测温。

写时序由两种写时序：写1时序和写0时序。总线控制器通过写1时序写逻辑1到DS18B20，写0时序写逻辑0到DS18B20。所有写时序必须最少持续60us，包括两个写周期之间至少1us的恢复时间。当总线控制器把数据线从逻辑高电平拉到低电平的时候，写时序开始（3-10）。
总线控制器要生产一个写时序，必须把数据线拉到低电平然后释放，在写时序开始后的15us释放总线。当总线被释放的时候，5K的上拉电阻将拉高总线。总控制器要生成一个写0时序，必须把数据线拉到低电平并持续保持（至少60us）。
总线控制器初始化写时序后，DS18B20在一个15us到60us的窗口内对I/O线采样。如果线上是高电平，就是写1。如果线上是低电平，就是写0。

4.2.3 模数转换程序设计

读取ADC0832芯片的采集数据之前，单片机要先发一个起始信号给ADC芯片，由于ADC0832有两路AD转换通道，因此还需要发一个通道选择信号，告诉ADC芯片要选择哪个通道进行转换。之后就进行采集结果的读取，ADC芯片会返回2字节数据，第1字节是进行正向传输，第2字节是反向传输，之所以要进行两次的传输，是因为可以把这两字节数据进行校验，以判断传输是否出错。最后把读取的AD结果返回给主函数。

第5章 系统调试

5.1 元器件的选择与测量

本次设计的元器件主要有：单片机、晶振、电阻、电容、按键、开关、电源座、三极管、蜂鸣器、温度传感器、烟雾传感器、红外热释传感器、数模转换芯片、液晶等。这些元器件的引脚需要我们认真查找资料，了解每个器件的特性再进行焊接。这些元器件直接根据型号到电子元器件市场就很容易买到。其中焊接时要注意元件正负极性，电阻电容大小、芯片引脚顺序等细节。一般电阻的大小可以通过色环读取，或直接用万用表进行测量；电容和晶振等的大小会标准在元件本身；元件的正负可以遵循长正短负的原则，一些特殊元件可以通过查找资料获知正负极。

5.2 元件的焊接与组装

组装电路通常采用焊接和在面包板上插接两种方法，无论采用哪种方法均应注意以下几方面。
(1)所有元器件在组装前应尽可能全部测试一遍，以保证所用元器件均合格。
(2)所有集成电路的组装方向要保持一致，以便于正确进行焊接合理安排布线。
(3)分立元件时应仔细辨明器件的正反向，标志应处于比较容易观察的位置方便检查和调试。对于有正负极性的元件，例如电解电容器、晶体二极管等，组装时一定要特别注意极性，否则将会造成实验失败。
(4)为了便于焊接查线以及后期的检查电路，可根据电路中接线的不同作用选择不同颜色的导线。一般习惯是正电源用红色线、负电源用蓝色线、地线用黑色线、信号线用黄色线等。当然使用一种颜色也是可以的。
(5) 在实际焊接中连线需要尽量做到排版简洁连线方便。连线不跨接集成电路芯片上，必须从其周围通过。同时应尽可能做到连线不相互穿插重叠、尽量不从电路中元器件上方通过。
(6)为使电路能够正常工作与调测，所有地线必须连接在一起，形成一个公共参考点。 正确的组装方法和合理的布局，不仅可使电路整齐美观、工作可靠，而且便于检查、调试和排除故障。如果能在组装前先拟订出组装草图，则可获得事半功倍之效果，使组装既快又好。

5.3 电路的调试

调试是指系统的调整、改进与测试。测试是在电路组装后对电路的参数与工作状态进行测量，调整则是在测试的基础上对电路的某些参数进行修正，使满足设计要求。在进行调试前应拟订出测试项目、测试步骤、调试方法和所用仪器等，做到心中有数，保证调试工作圆满完成。

5.3.1 调试方法

调试方法原则有两种。第一种是边安装边调试的方法。它是把复杂的电路按原理框图上的功能分成单元进行安装和调试，在单元调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完成整机调试。这种方法在新设计的电路中比较常用。第二种方法是在整个电路系统全部焊接完毕后，实行一次性调试。这种方法比较适用于电路相对来说比较简单，系统不复杂的电路调试。

5.3.2 调试步骤

（1）通电前检查
电路焊接完毕后, 不要急于通电，首先要根据原理电路认真对照检查电路中的接接线是否正确，包括错线（连线一端正确、另一端错误），少线（安装时漏掉的线），多线（连线的两端在电路图上都是不存在的）和短路（特别是间距很小的引脚及焊点间），并且还要检查每个元件引脚的使用端数是否与图纸相符。查线时最好用指针式万用表“Ω×1”档进行检查, 或是用数字万用表“Ω”档的蜂鸣器来测量，而且要尽可能直接测量元器件引脚，这样同时可以发现接触不良的地方。
（2）通电观察
在电路安装没有错误的情况下接通电源（先关断电源开关，待接通电源连线之后再打开电路的电源开关）。但接通电源后不要立即进行电路功能的测试，首先要充观察整个电路有无异常现象，电路中元器件是否有发热烧坏等现象，是否有漏电现象，电源是否有短路和开路现象等。如果电路在测试过程中出现异常，首先应该立即关闭电源，检查后排除故障再重新通电测试。然后再按要求测量各元器件引脚电源的电压，而不只是测量各路总电源电压，以保证元器件正常工作。
（3）单元电路调试
在调试单元电路时应明确本部分的调试要求。调试顺序应按照电路原理图中信号流向进行，这样可以把整个电路进行分步调试，把前面调试好的电路的输出信号作为后一级电路的输入信号。从而保证电路的调试更加顺利方便。
单元调试包括静态和动态调试。静态调试一般是指在没有外加信号的条件下测试电路各点的电位，特别是有源器件的静态工作点。通过它可以及时发现已经损坏和处于临界状态的元器件。动态调试是用前级的输出信号或自身的信号测试单元的各种指标是否符合设计要求，包括信号幅值、波形形状、相位关系、放大倍数和频率等。对于信号产生电路一般只看动态指标。把静态和动态测试的结果与设计的指标加以比较，经深入分析后对电路与参数提出合理的修正。在调试过程中应有详尽记录。
（4）整机联调
各单元电路调试好以后，并不见得由它们组成的整体电路性能一定会好，因此还要进行整体电路调试。整体电路调试主要是观察和测量动态性能，把测量的结果与设计指标逐一对比，找出问题及解决办法，然后对电路及其参数进行修正，直到全部电路的性能完全符合设计要求为止。

第6章 总结

本次设计任务——基于单片机的防火防盗报警系统虽然不是新的，但从中能体现到一个系统开发设计的过程，足于让我们受益。能够从设计、论证、制板、编程到最终的调试成功。完成整个系统的设计，这是一次难得的实践机会。
理论联系实践，体现出大学生的动手能力。通过查资料和收集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动接受知识转换为主动寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大突破。在以往的传统学习模式下，我们可能会记住很多书本知识，但是通过毕业设计，我们学会了如何将学到的知识化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题，把握重点，攻克难关，活学活用。
设计论证和完成本次设计的过程，将单片机原理、C语言程序、模拟电路基础与数字电路基础等多门课程的内容有机地结合应用在了一起。通过实际的分析与应用深化了对这些主干知识的认识。此外掌握了从系统的需求、方案论证、功能模块的划分、原理图的设计和绘制、PCB板制作、程序设计到软硬件调试的设计流程，积累了硬件设计的经验。单片机的功能日益强大，但其基本原理是相对不变的。因此虽然本次设计任务的功能较为简单，但是能够较全面的涉及单片机各项基本知识，提高了自己的单片机设计能力，是一次将理论能力向实践能力转化的好机会。
通过这次设计，深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了学习成果。虽然在这次设计中对知识的运用和衔接还不够熟练。但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，今后我将不断加深理论基础和实践能力，在以后的工作学习中取得更大的进步。
在设计过程中由于时间仓促有很多地方难免存在不足之，但在以后的工作中，我们会严格要求自己最求完美。回头再看看该设计，还可以扩展设计的功能，比如加上自动灭火设备、短信通知、无线数据传输等，都可以提高本设计的适用范围。

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基于stc89c52单片机的智能家居防火防盗报警系统protues仿真与keil4编程

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