多功能家庭报警系统毕业设计.doc

毕业设计（论文）题 目多功能家庭报警系统设计系 （院）飞行学院专 业交通运输班 级2008级1班学生姓名陈艺赫学 号2008190312指导教师柳 明职 称讲 师二一二年六月二十日独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。  作者签名： 20 年 月 日 毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名： 20 年 月 日多功能家庭报警系统设计摘 要家中无人时如发生盗贼入室、火灾、燃气泄漏、老人突发疾病等突发事件，若不能及时处理，后果会很严重，因此有必要建立一个稳定、可靠、易操作的急救报警系统。本文设计了一种多功能家庭报警系统，本系统配备了人工呼救按钮、烟雾传感器、燃气泄漏传感器和红外热释电传感器，实现对家里情况的监控。本系统采用AT89S52单片机作为系统的核心芯片，辅助以DS1302时钟芯片以及LCD1602来显示系统的主要信息，采用西门子Siemens TC35 GSM模块作为向用户进行报警的子系统模块。借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，以最直观的短消息或电话形式，直接把家里发生的情况发送到手机上。本系统具有反应迅速，可靠性高，易操作，成本低的特点。关键词：单片机；GSM模块；传感器；人工呼救The Design of Multifunctional Home Alarm SystemAbstractTODAY, MANY PEOPLE OUT OF THEIR HOUSES BUSY WITH THEIR WORK，THE MOST BASIC PHONE IN REQUESTS CANNOT GUARANTEE THE SAFETY OF THEIR HOME. THEREFORE, WE MUST ESTABLISH A STABLE, RELIABLE, AND EASY TO OPERATE EMERGENCY ALARM SYSTEM. SO I DESIGNED A MULTIFUNCTIONAL HOME ALARM SYSTEM, THE SYSTEM AND EQUIPPED WITH ARTIFICIAL SOS BUTTON, SMOKE SENSOR, GAS LEAK SENSORS AND INFRARED HEAT RELEASE POWER SENSOR, MONITORING THE HOME SITUATION. THE SYSTEM USES AT89S52 MCU AS THE CORE OF THE SYSTEM CHIP, AUXILIARY TO THE DS1302 CLOCK CHIP AND THE LCD1602 TO DISPLAY SYSTEM INFORMATION, SIEMENS TC35 GSM MODULE SUBSYSTEM MODULE AS AN ALARM TO THE USER. WITH THE MOST RELIABLE, MOST MATURE GSM MOBILE NETWORK, THE MOST INTUITIVE SHORT MESSAGE OR TELEPHONE DIRECTLY TO THE HOME SITUATION REFLECTS ON THE PHONE. THIS SYSTEM HAS A RAPID RESPONSE, HIGH RELIABILITY, EASY OPERATION AND LOW COST.KEY WORDS：MCU；GSM MODEM；SENSOR；ARTIFICIAL CALL FOR HELP目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论11.1课题的研究背景11.2多功能家庭报警系统研究的发展及现状11.3课题研究目的及意义11.4课题的主要研究的内容与安排1第二章 各组成部分元器件概述32.1 AT89S52的主要功能简介32.2 Siemens TC35 GSM模块简介32.3 DS1302时钟芯片简介42.4 LCD1602液晶显示器简介52.5各部分传感器功能与简介5第三章 多功能家庭报警系统的硬件设计73.1系统的总体设计73.2 AT89S52单片机子系统73.3 DS1302时钟电路子系统83.4 LCD1602显示模块子系统93.5西门子 Siemens TC35 GSM模块子系统93.6多功能家庭报警系统的总原理图10第四章 多功能家庭报警系统的软件设计114.1主程序流程114.2 时钟芯片DS1302运行流程124.3 LCD1602液晶显示器的流程134.4西门子 Siemens TC35 GSM模块运行流程13参考文献15谢 辞16第一章 绪 论1.1课题的研究背景随着科学技术的高速发展和人们生活水平的大幅提高，人们对家庭住宅的要求已从单纯的追求生存空间与美化变为高服务、高质量、高安全等多种要求。与此同时，家居安全和家庭财产的受关注视程度也持续提高。但是，很多人特别是上班族和经常出差在外的人因为工作繁忙，当家中的儿童、老人，特别是残疾人或各种突发性疾病的患者等缺乏完全行为能力的人群，在遇到如盗贼入室、火灾、燃气泄露、突发疾病等各种突发性事件时，基本的电话求助已经不能够保证他们的人身及居家安全，因而，建立一种廉价、可靠、简便的急救报警系统已成为当务之急。1.2多功能家庭报警系统研究的发展及现状目前市面上的家用报警系统已从简单化、局部化向智能化、网络化发展，但是大多数都是独立的报警系统，在家中无人时报警基本不会起到效果。而企业级的报警系统往往需要架设网络，成本较高，不适合一般工薪家庭使用。国内的家庭安全智能系统产品已形成一个成熟、独立的体系，它是由安防主机和各种控制检测装置组成的系统，具有相对独立性、兼容性及可扩展性等特点。一般把红外热释电传感器探头安装在住户室外的窗口位置，当有非法入侵时，传感器就会触发主机报警。气体泄漏传感器通常安装在住户的厨房或厕所，一旦有气体泄漏，即触发主机报警。国内外也已经有成熟的突发事件应急安全警报系统，但是这两方面系统在家庭应用方面却是相互分离没有统一。1.3课题研究目的及意义本设计集成了红外热释电传感器、烟雾传感器、温度传感器、气体泄漏传感器，为用户提供了工作在外而家中无人情况下的盗贼入室、火灾、燃气泄露等突发事件的紧急报警。也可提供给失去行动能力的患者一键呼救的功能，该装置会在在单片机的控制下自动向实现设定好的用户号码发出报警短信呼叫急救。使用该警报系统，一旦家居环境状态发生改变，用户即可迅速做出反应，从而最大限度地减少安全事故的发生，为用户的家居安全提供了可以信赖的保障。1.4课题的主要研究的内容与安排本文设计了基于Siemens TC35 GSM模块的多功能家庭报警系统。此系统可让一般家庭在使用中更加方便，报警更加及时。因为无需使用有线电话网络进行报警，而是借助了目前已经成熟、可靠的GSM移动电话网络，直接把报警信息以及时间信息以直观的中文短消息的形式发送到目标用户的手机上，从而为报警和警情处理提供了可靠的依据。本设计以AT89S51 单片机控制和光电、气体传感器检测技术相互结合，实现自动报警、防护等功能。检测装置（红外线探测器、温度传感器、气体泄漏传感器）能够检测和分析现场环境因素，并将数据输送到单片机进行计算以对现场进行监测，当现场出现异常情况时，驱动报警系统。根据本设计的需要实现的功能为全文做如下安排：第一章，绪论。主要对多功能家庭报警系统的背景及此类系统在国内外发展的现状做了简单的陈述，明确此课题研究的目的及意义，同时简单阐述论文的结构与框架，方便读者查阅。第二章，系统主要元器件概述。对多功能家庭报警系统所需要的主要元器件作出简要介绍，说明各元器件在系统中起到的不同作用以及简单的接口与接法的说明。为系统的总体安装作出铺垫。第三章，多功能家庭报警系统的硬件设计。多各子系统内含元器件的接法作出介绍，阐述各子系统主要实现的功能与注意事项。画出系统的总原理图解释对分系统接口的接法及主要安排。第四章，多功能家庭报警系统的软件设计。为本设计的软件部分的总流程以及不同子系统的分流程作出简要介绍。第二章 各组成部分元器件概述本系统采用AT89S52单片机作为系统的核心芯片，辅助以DS1302时钟芯片以及LCD1602来显示系统的主要信息，采用西门子Siemens TC35 GSM模块作为向用户进行报警的子系统模块。除此之外，本系统的传感器主要包括红外HC-SR50传感器模块、MQ-2气体泄漏传感器模块、DS18B20数字温度传感器模块。下面将对系统的主要元器件进行介绍。2.1 AT89S52的主要功能简介AT89S52单片机是一种的CMOS8位微处理器，由Atmel公司制造，80C51系列产品引脚与指令可实现完全兼容。AT89S52单片机具有的功能包括： 32位I/O口线、256字节RAM、三个16位定时器/计数器、2个数据指针、片内晶振及时钟电路等。除此之外，还支持节电模式和2种软件进行编程。在掉电保护下，RAM可实现自动保存，不会丢失数据，直到硬件复位或中断为止。空闲模式时，单片机会暂停工作，但是允许定时器/计数器、中断、串口、RAM等的继续工作1。AT89S52单片机的管脚排列如图2.1。图2.1 AT89S52的管脚排列2.2 Siemens TC35 GSM模块简介TC35是德国Siemens公司制造的GSM无线通信模块，由于采用了通用的通信接口从而可以方便的与PC机、单片机实现相互连机通讯，快速的、安全的、可靠的、高效的实现不同系统方案中的传真收发、语音传送、数据传输和短消息收发。TC35模块可工作在包括900MHz和1800MHz两个频段，所在频段的功耗包括2W（900MHz）与1W（1800MHz）。模块包含AT 命令集的接口，支持PDU模式与文本的传真与短消息。另外，该模块包含电话簿功能，可方便实现通信与单片机编程4。西门子Siemens TC35 GSM模块的功能主要有以下几点：1.接收与发送短信息；2.远程小批量数据的交互传输；3.普通语音通话（GSM电话）；4.无线实时数据通信。SMS是由Etsi所制定的一个规范（GSM 03.40和GSM 03.38）。当使用7bits编码的时候可以发送150个字符，使用8bit的编码的时候最多130个字符，这些数据通常被用来当做数据通信消息，不能在手机屏幕上显示。使用16bit编码的时候最多70个字符并可以在大多数手机上显示。收发SMS信息时可采用PDU模式或者文本模式两种不同方式。PDU编码的表现形式之一实际上就是文本模式6。2.3 DS1302时钟芯片简介DS1302是Dallas公司推出的高性能时钟电路，是DS1202的升级换代产品，与DS1202可兼容，如图2.2。它最小可以以秒为时间单位进行计时，工作电压为2.2V5V。与CPU进行通信时可采用三线接口，若需要一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据则可采用突发方式。除此之外DS1302内部还装有用于存放数据的RAM，与锂电池一起实现断电保护功能。DS1302的主要功能如下：1.内含锂电池，可在意外断电的情况下持续保持运行长达十年，而且不会丢失数据；2.二进制数码或者BCD码表示时间，以此可实现与单片机的简单连接与数据传递；3.可实现24小时与12小时制的自由切换，12小时制的时钟模式自带PM和AM指示。图2.2 DS1302引脚图2.4 LCD1602液晶显示器简介LCD1602以体积小、微功耗、显示内容丰富的优点，在低功耗应用系统和袖珍式仪表中得到广泛应用，图2.3为LCD1602的引脚图。它的特征主要有：1.内部已含复位电路；2.提供各种相关控制命令，如：清屏、字符闪烁、显示移位等多种功能；3.显示数据存储器DDRAM容量为80字节；4.内含有190个6X8点阵的字型的字符发生器CGROM。图2.3 LCD1602引脚图2.5各部分传感器功能与简介要实现多功能家庭报警系统的防火、防盗、防燃气泄漏的不同功能，模块化的传感器是不可或缺的，而无论是使用哪种传感器模块，为实现与AT89S52单片机的简单连接与可自由拆卸式的模块化安装，其最终输出的都是0/1变量。下面对系统所需要的传感器进行简要的介绍。1.HC-SR501红外热释电传感器HC-SR501是采用LHI778探头设计，基于红外热释电技术自动控制模块，具有可靠性强、灵敏度高的优点，广泛应用于各种自动感应电子设备，尤其是使用干电池进行供电的自动控制设备。它的主要特点包括：（1）全自动的感应模式，在正常模式下自动输出低电平，当有人进入其感应范围时则输出高电平，人离开感应范围则自动延时输出低电平，可方便实现与单片机的连接；（2）可设置光敏控制，在光线过强时可设置降低感应灵敏度，避免误报；（3）温度补偿，在环境温度升高至30以上时，探测距离可自动变短，采用一定的温度补偿作为性能补偿。2.MQ-2气体泄漏传感器本设计采用MQ-2电化学型气体传感器，此传感器常用于工厂和家庭等场所的气体泄漏监测，适宜于液化气、甲烷、氢气、烟雾等气体烟雾的监测。其主要特点包括：具有信号输出指示、双路信号输出、TTL输出有效信号为低电平、模拟量输出05V电压，浓度越高电压越高、对城市煤气、天然气、烟雾有较好的灵敏度、具有使用寿命长和稳定性好的优点，缺点是开机需要进行预热，预热阶段会产生误报。3.DS18B20数字温度传感器DS18B20数字温度传感器可以应用于多种场合。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温、机房测温、弹药库测温等各种非极限温度场合的测温。使用方便、封装形式多样、体积小，适用于各种控制领域的测温和设备的数字测温。其主要性能特点如下：（1）采用单线的接口方式，AT89S52单片机与DS18B20的双向的通讯仅需要一条线即可以实现；（2）可实现多点组网，通过并联在一条三线上的多个DS18B20数字温度传感器即可实现组网多点的测温；（3）DS18B20不需要外围元件，全部转换电路及传感元件集成在一只集成电路内部。第三章 多功能家庭报警系统的硬件设计针对系统设计要求的实现以及各子系统之间的管脚连接的具体要求，本章对系统各元器件连接以及各子系统实现的功能作出阐述及解释，为系统的软件设计与功能实现打下基础。3.1系统的总体设计为了实现在传感器发现警情时，对发生的时间进行记录与发送，要求系统具有实时时钟功能。本设计使用了DS1302时钟芯片，同时辅助以液晶显示器作为时间显示模块。在发生报警情况的同时将同时发送报警时间信息，为危险发生后的处理带来便利。下面将对系统的硬件设计进行介绍。图3.1为系统总体结构图。图3.1 系统总体结构图3.2 AT89S52单片机子系统AT89S52单片机子系统见图3.2，其主要实现的主要功能如下。1.电源电路：向单片机进行供电。AT89S52单片机工作的电压范围是4.0V5.5V， 所以通常给AT89S52单片机外接5V的直流电源。连接方式为20脚的VSS接电源地端，40脚的VCC接+5V电源。2.振荡电路：即为单片机运行的时间基准。由18、19脚外接晶振电路向AT89S52单片机提供正弦波信号作为基准，并由此作为单片机的执行速度。AT89S52单片机时钟频率范围为033MHz。图3.2 AT89S52单片机子系统3.复位电路（9脚、31脚）：此处外接电路用来确定单片机子系统的工作初始状态，完成单片机启动过程。在单片机子系统工作出现混乱或“死机”时，使用手动复位或重启电源即可实现此子系统的“重启”2。3.3 DS1302时钟电路子系统图3.3 DS1302时钟电路子系统DS1302由Vcc1或Vcc2两者中电压值较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X2与X1是振荡电路外接口，外接33kHz的晶振。通过RST输入驱动置逻辑1来启动数据传送。DS1302的RST端、SCLK端、I/O端分别与AT89S52单片机的P15、P16、P17口相连接将时钟信息传输给单片机，为系统的报警提供时间记录。时钟电路子系统接法如图3.3。3.4 LCD1602显示模块子系统图3.4 LCD1602显示模块子系统LCD1602显示模块子系统引脚排列见图3.4。LCD1602的Vss为电源地，Vcc为外接电源，Vee为对比度调节口，此处外接滑动变阻器配合调整屏幕对比度。RS在低电平0时为输入指令，高电平1时为输入数据。RS在低电平0时向LCD写指令或数据，在高电平1时从LCD读取信息。DB0DB7为数据总线为LCD输入和输出数据。3.5西门子 Siemens TC35 GSM模块子系统图3.5 GSM模块子系统GSM模块子系统的管脚排列见图3.5。TC35模块以3.35.5V为工作的电压范围，2W（900M）与1W（1800M）分别是所在的频段及功耗。模块使用AT命令集进行数据传输。数据通过RXD/TXD口进行输入输出。通过的40引脚的连接器，实现信号的双向传输。单片机可向模块直接发送AT指令的ASCII码，GSM模块接收并处理数据然后向目标号码发送短信。3.6多功能家庭报警系统的总原理图图3.6 系统的总电路图多功能家庭报警系统设计的引脚接法如图3.6，各主要接口的功能如下：P0口：此处P0口与P2.0P2.3接LCD1602作为本系统的显示模块。因P0口内部没有上拉电阻，所以此处增加一组上拉电阻作为补充。P1口：P1.0P1.2作为DS18B20数字温度传感器模块的接口。P1.3P1.4作为HC-SR501红外热释电传感器模块的接口。P2口：P2.0P2.3接LCD1602作为本系统的显示模块。P2.3P2.4作为MQ-2气体泄漏传感器模块的接口。P2.5P2.7作为一键报警功能的接口。XTAL1/ XTAL2：振荡器放大器的输入端和输出端，一起外接振荡器为单片机提供振荡脉冲。第四章 多功能家庭报警系统的软件设计多功能家庭报警系统的软件部分主要包括时钟报时子系统、GSM短信报警子系统、传感器感应子系统。其中由于MQ-2烟雾感应传感器模块存在预热时间，故而初始化模块的主要作用为开机时防止系统误报而设置的软件程序。4.1主程序流程发短信：警告：房屋内出现火情！发短信：警告：房屋内燃气发生泄漏！YYN读紧急情况开关发短信：警告：窗外情况异常！发短信：警告：房屋内有人工呼救！读温度传感器是否高温YYNNN读红外热释电传感器开关读气体泄漏传感器开关撤防YN读布、撤防开关布防发短信：系统运行正常！开始图4.1系统运行主流程单片机对GSM模块进行初始化之后。GSM模块接收到新的短消息，与单片机的传输数据中给出标志提示读取短信。需要发送报警信息时，由AT89S52单片机把AT指令以ASCII码的方式将短信内容从接口发送给GSM模块。系统运行总流程如图4.1。系统处于撤防时，系统即使检测到报警信号也不会发送信息，避免系统误报。系统处于布防时，系统检测到报警信号即会发出报警短信，用户端接收到报警，若认为是误报，可向TC35模块发送指令短信，由单片机判断并发出控制信号，忽略报警信号不再发送报警短信。收发短信所需要的基本AT指令如表4.1。表4.1 基本AT指令网络联机AT TC35 联机后应答：”OK”发送短信AT CMGS=“XX”发送短信的目标号码接收短信AT CMGR=X 从存储区（X）读短信删除短信AT CMGD=X 从存储区（X）删除短信4.2 时钟芯片DS1302运行流程所有的数据传输由CE（即RST）输入驱动高启动。首先，控制逻辑被CE打开，命令序列/移位寄存器的地址才可以被允许访问。然后，CE还会提供了一个终止字节数据的传输方法。一个时钟周期在这里指的是从一个下降沿到达之后的上升沿的序列。而对于数据的输入/输出而言，数据只能在下降沿被输出，而在时钟的上升沿被输入。DS1302时钟芯片的运行流程如图4.2。开始设置CE为高在上升沿按位传输地址字读入或写出相应地址的数据设置CE为低结束图4.2 DS1302运行流程4.3 LCD1602液晶显示器的流程在显示字符时, 首先要输入显示字符的地址，即告知模块显示字符的具体位置在哪里。需要注意的是，LCD1602液晶显示器是慢显器件，因而在执行指令之前要确定模块的忙标志即D0脚为逻辑0，若为逻辑1则该指令失效。对LCD1602液晶屏幕器进行初始化时，首先要设置显示模式，LCD1602液晶显示器显示的字符可自动右移，从而免去人工设置。LCD1602液晶显示模块的运行流程如图4.3。开始对LCD1602进行初始化延时消抖设第一行显示位置显示第一行内容设第二行显示位置显示第一行内容图4.3 LCD1602显示流程4.4西门子 Siemens TC35 GSM模块运行流程系统通电后AT89S52单片机对西门子Siemens TC35 GSM模块进行初始化设置, 删除之前存储的短信, 之后系统检测是否有新的短信如果有则复位新的短信标志,系统执行读取控制指令，若为目标用户发送的短信则对短信内容的指令进行处理，并执行相应的指令，之后删除此条短信息，并清除缓冲区数据。然后系统查询是否有来自AT89S52单片机发送的报警信号。然后将报警信息和时间信息通过西门子Siemens TC35 GSM模块发送到用户指定的手机号码上。GSM模块运行流程如图4.4。Y处理新短信息NN开始初始化串口初始化GSM模块是否有新短信息有无报警进行报警Y图4.4 GSM模块运行流程参考文献1 罗维平, 向阳, 吴雨川. 基于单片机的GPS/GSM车辆监控系统的移动单元J. 武汉科技学院学报, 2007(4): 189-195. 2 谢卫华, 宋蛰存. 基于单片机的家庭智能防火防盗系统的设计J. 机电产品开发与创新, 2009(6): 24-29. 3 王觅蕤, 马维金, 万晓飞. 家庭厨房安全综合报警系统J. 电子设计工程, 2011, (13): 34-38. 4 SIEMENS. AT Command Set Siemens Cellular EngineM. German: SIEMENS 2002: 3-11. 5 J. A. Vasconcelos, J. H. R. D. Maciel, R. O. Parreiras. Scatter search techniques applied to electromagnetic problemsJ. IEEE Transactions on Magnetics, 2005(5): 1804-1807. 6 刘海锋. 基于GSM的远程报警系统J. 鄂州大学学报, 2009, (5): 174-180. 7 王骐, 何嘉斌. 单片机控制GSM模块实现短信收发的软件设计J. 单片机与嵌入式系统应用, 2005, (01): 57-65. 8 杨照. 开关、报警电子小制作入门M. 杭州: 浙江科学技术出版社, 2005. 9 许兴在. 传感器近代应用技术M. 上海: 同济大学出版社, 1994. 10 樊振方, 彭爱华, 周健. 基于GSM网络的汽车防盗报警系统设计J. 电子技术应用, 2006(3): 96-113. 11 俞竹青, 潘全胜. 一种光电编码器用可编程计数电路的设计J. 传感器技术, 2002, (10): 22-24. 12 Akyildiz I F, Weilian S, and Sankarasubramaniam Y. A Sur-vey on Sensor NetworksJ. IEEE Communications Maga-zine, 2002, 40(8): 102-114. 谢 辞经过几个月的查阅资料、整理材料和写作论文，在今天终于能顺利完成论文。时间总是走的最快，来不及让我们感叹，四年时间匆匆而过，所付出的心血，随着论文的完成，也终将让我可以在大学生活上划下完美的句号。论文得以完成，我要感谢的人实在太多了。首先要感谢柳明老师，因为论文是在柳老师的悉心指导和严格要求下完成的。柳老师为了提供了许许多多专业知识上的指导和富有创造性的建议，他严谨细致、一丝不苟的作风，是我倍受感动，他将一直是我工作、学习中的榜样。如果没有柳老师这样的帮助、关怀和熏陶，我不可能会这么顺利地完成毕业设计。在此我向柳明老师表示深深的感激和崇高的敬意！ 在论文的写作过程中让我学到了做事要有的正确的心态，首先我明白了无论做什么事情都要一丝不苟，不能马虎，对于出现的问题和偏差都不要轻视，让凭借正确的心态借以适当的途径去解决，并且要有耐心和毅力，不能碰到困难就打退堂鼓，半途而废，要坚信只要坚持下去就可以找到新思路是问题得以解决。日后工作中要学会与人合作，重视团队精神，认真听取别人的意见，只有这样做起事情来才能事半功倍。总之，通过此论文的写作，我收获了很多。论文的完成既将会为我大学四年划上了一个完美的句号，也是我将会为了以后的人生之路做一个很好的铺垫。