1、基于单片机的宿舍智能防火防盗报警系统的设计毕业设计论文山东交通学院毕业生毕业论文（设计）题目：宿舍智能防盗防火报警系统的设计 院(系)别 信息科学与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气091 二一三年六月原 创 声 明本人王程郑重声明：所呈交的论文“宿舍智能防盗防火报警系统的设计”，是本人在导师潘为刚的指导下开展研究工作所取得的成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，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，本人完全意识到本声明的法律后果，尊重知识产权，并愿为此承担一切法律责任。 论文作者(签字)：
2、 日期： 年 月 日 摘 要本设计是以凌阳SPCE061A为控制中心，实现对宿舍人员进出情况及人数的统计、贵重物品的检测以及宿舍火灾检测及报警功能。本系统设计并制作了一个主机，多个从机。从机由信号采集单元、信号传输单元、控制单元等组成，完成对宿舍火情、盗情等信息的采集、处理和发送功能。其中盗情检测由热释电红外传感器、光电开关和电磁信号感应技术（电磁型霍尔开关）完成，而火情检测由MQ-2烟雾传感器和温度探测器为一体的复合式火灾探测器完成。当防盗探测器或防火探测器检测到险情的时候，向单片机发出中断申请，再由单片机控制报警电路，实现自动报警。主机通过无线传输器件nRF905接受从机信息，实现异地实时
3、监控功能；该系统成本较低，应用于学生宿舍，能较好地完成宿舍内的安防，在异常情况时立即报警。经过测试，本系统完成了题目的各项要求。该系统不仅具有传统防盗控制方法的优点，还具有易于维护和实现非接触、高可靠监测的特点，并且硬件开销成本低，适宜宿舍、普通家庭、寝室、办公场所等。 关键词:凌阳SPCE061A单片机, nRF905，热释电红外传感器，烟雾传感器，光电开关Abstract The design is based on SPCE061A as the control center, to achieve the hostel staff out of the situation and st
4、atistics, as well as the detection of valuables dormitory fire detection and alarm functions. The system is designed and produced a host, multiple slaves. Slave by the signal acquisition unit, signal transmission unit, control unit and other components to complete the dormitory fire, Pirates of the
5、situation and other information collection, processing and transmission capabilities. Pirates of the situation in which detection by the pyroelectric infrared sensors, photoelectric switches and electromagnetic signal sensing technology (electromagnetic Hall switch) completed and fire detection by t
6、he MQ-2 smoke sensors and temperature probes as one of the completed composite fire detectors . When the anti-theft detectors or fire detectors detect danger, when an interrupt request to the microcontroller, and then by the MCU control alarm circuit, automatic alarm. Information received from the h
7、ost machine, to achieve real-time remote monitoring capabilities by nRF905; low cost of the system, used in student dormitories, can better accomplish dormitory security, in exceptional circumstances the police. After testing, the system completed the requirements of the subject.The system not only
8、has the advantages of traditional anti-theft control methods, but also has easy to maintain and achieve non-contact, highly reliable monitoring features, and hardware overhead, low cost, suitable quarters, ordinary family, bedroom, office space and so on.Keywords: SPCE061A MCU, nRF905, pyroelectric
9、infrared sensors, smoke sensors, photoelectric switches前 言防盗防火控制可广泛应用于工厂、家庭、汽车等场合。实现无接触、智能化报警是防盗控制系统目前的发展方向。随着工业的发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，近年来防盗控制的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。近年来,各高校及职工宿舍,如何有效地对宿舍进行监控已经成为一个亟待解决的问题。本文介绍了宿舍智能防盗防火报警系统，采用SPCE061A为核心单片机控制，集智能化防盗防火功能于一体宿舍报警系统，可实现自动检测与无线传输报警。防盗检测是指由热释电红外探测与光电开
10、关及电磁信号感应技术（电磁型霍尔开关）构成的探测器实现智能检测，同时由温度探测器和光电感烟探测器集为一体的复合式火灾探测器完成防火检测。多传感器的应用实现了低误报率，增强了系统可靠性。当防盗、防火探测器检测到险情的时候，向单片机发出中断申请，从机与主机直接通信，实现人机交互，表现智能化。主机可以与各从机无线通信，能显示当前各监控端的平安信息与人员进出情况，并能发送一些安防提醒信息。智能宿舍防盗报警系统主要应用了单片机技术和现代化电子通信技术，具有多项功能。并且防盗防火报警系统具有性能稳定、能全天候工作、耗电省，安装使用方便等特点。防盗系统监测模块前端传感器有红外线探头、温度传感器，采用热释电技
11、术的红外探头，具有超低误报率、防电磁干扰、自动温度补偿、长探距、大角度、功耗小等特点，应用较广；防盗防火系统的报警模块为声、光报警，形式多样、反应迅速。当系统监测模块检查到入侵信号报警模块能将被盗状态以声音和指示灯方式传输到十几米甚至几十米的范围。防盗系统的通知模块能在有盗情时通知管理中心，达到及时报警的目的，使人们能对现场进行高灵敏度监听，并进一步核实火情和盗情。1 任务要求与系统方案的论证1.1设计任务及要求 （1）实现人体检测与声光报警功能。（2）实现烟雾检测与声光报警功能。（3）用键盘输入密码完成报警系统的解警等工作状况。（4）实现异地监控。（5）能反映宿舍内人员的进出情况及人数的记录
12、。（6）宿舍无人时提示锁门。 (7) 能记录最近几天的宿舍安防情况。 (8) 实现网络控制，可在监控平台监控多个宿舍。（9）能检测本宿舍贵重物品的进出情况。1.2 总体方案论证根据题目要求的需要，本系统设计规划成三个主要模块：一个主机模块，两个从机模块(以两个从机模拟多个从机)。主机模块主要由无线接收模块、液晶显示模块、声光报警模块、键盘解警模块和电源模块等构成；从机模块主要由无线发射模块，各种检测模块和电源模块等构成。硬件部分就应该包括以下几部，如图1.1所示。图1.1系统总体结构图Fig. 1.1 The structure of system diagram1.3主控单元的选取方案在该系
13、统的两个组成部分中，都存在着MCU的选取问题，MCU的性能及其成本决定着整个系统的性能和成本。在异地监控站部分，MCU主要是对烟雾报警器和红外报警器进时监控、记录宿舍内的安防情况以及当警报发生时通过输入特定密码以达到解警行实的目的，因此可以有三种主控单元的选择方案。 方案一：选用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。FPGA作为新一代的可编程器件使得其应用较为灵活，功能从简单到复杂都可以实现，但是在该系统中，若使用FPGA则会提高系统的成本，同时由于增加的FPGA,也会给电路的维修工作带来不可必要的麻烦。 方案二：选用ATMEL公司生产的AT89C51单片机。AT89C51单片机是8位
14、的单片机，有32个I/0构成1，对于该系统来说端口不够使用，而且如果从机更多的话,单片机内部存储空间不够。方案三：选用凌阳SPCE061A单片机。凌阳SPCE061A单片机具有体积小、驱动能力强、可靠性高、低功耗、处理中断能力强等特点，5V低电压供电，功耗较低；16位微处理器芯片能保证任务快速准确的执行；不需任何外围器件就可以完成语音播放功能。SPCE061A具有丰富的功能模块资源：RAM、ROM空间大，SPCE061A单片机自身支持/转换，并且有专门的语音播放模块，语音播放功能强大，该芯片内置了在线仿真、编程接口3，可方便地实现在线调试，同时简化了外围电路，极大地提高了开发效率。综上，将凌阳
15、SPCE061A单片机作为主控单元的最终选取方案。1.4无线信号传输模块的选取方案在该系统中无线信号传输模块主要完成对报警信号的采集以及完成报警信号的无线发送，因此有以下两种方案可供选择:方案一：采用挪威Nordic公司生产的nRF905无线发射与接收模块。nRF905工作在433/868/915MHz 3个ISM频道，传输距离1000米左右，对于该系统来说，正合适对整个宿舍楼进行检测。虽然其成本高，但其器件得到充分利用。方案二：采用PT2262/PT2272无线发射与接收模块。PT2262/PT2272工作于315MHz，传输距离比nRF905要近，但该系统是对整个宿舍楼进行远距离监控，其传
16、输距离不足。因此选用nRF905作为该系统的无线发射与接收模块。1.5 烟雾传感器模块的选取方案方案一：离子式烟雾传感器。该烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。但其成本高不适于本系统的低成本要求。方案二：光电式烟雾传感器。光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过发出警报。此传感器对烟雾要求高，比如前向式光电烟雾报警器对稍大的烟雾粒子
17、的感应较灵敏，对灰烟、黑烟响应差些。不适应本系统的烟雾综合性检测。方案三：MQ-2气体传感器。MQ-2所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)，当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。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13。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。根据综合需求考虑，本设计使用MQ-2烟雾传感器1.6温度传感器模块的选取方案方案一：测温电路。可以使用热敏电阻之类的器件利用其
18、感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。存在的主要缺点是：互换性差，同一型号的产品特性参数有较大差别；稳定性差较差；非线性严重，且不能在高温下使用。且设计需要用到A/D转换电路，电路比较复杂。方案二：使用温度传感器。可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。电路连接简单，同种产品性能相差不大，性能稳定，可以方便的替换坏掉的传感器。而且价格不高。综合考虑，采用方案二来设计实现。温度传感器有很多种，按输出量可分为模拟和数字温度传感器。模拟输出温度传感器具有很高的线
19、性度 (如果配合一个模数转换器或ADC可产生数字输出)、低成本、高精度(大约1%)、小尺寸和高分辨率。它们的不足之处在于温度范围有限(-55150)，并且需要一个外部参考源。数字输出温度传感器带有一个内置参考源，它们的响应速度也相当慢(100 ms数量级)。虽然它们固有地会自身发热，但可以采用自动关闭和单次转换模式使其在需要测量之前将IC设置为低功耗状态，从而将自身发热降到最低。数字输出温度传感器不需要外部线性化电路转换。此外，由于其IC集成特性，自然会降低成本。可与常见的计算机总线（例如I2C总线、SPI总线和SMBus等）连接。而且它们允许与远端其它传感器进行通信，以完成一些控制任务。设计
20、采用常用的数字温度传感器DS18B20，5V直流电压供电。图1.2 为DS18B20引脚分布图。DS18B20的性能特点：采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），测温范围为-55-+125，测量分辨率为0.0625，内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，适配各种单片机或系统机，用户可分别设定各路温度的上、下限，内含寄生电源，价格较低，约为8元人民币。 （a） PR-35封装 （b） SOSI封装 图1.2 DS18B20 引脚分布图Fig. 1.2 distribution of DS18B
21、20 pin温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化的趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。1.7宿舍人员检测模块的选取方案热释电红外传感器（人体红外感应模块）是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。它目前正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观
22、众已经睡觉后自动关机的机构；开启监视器或自动门铃上的应用；结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动.红外发射接收有两种方式，可以采用主动和被动方式。主动方式需要红外接收源和相应的接收、检测设备，红外线的发、收光路，或对准，或依靠反射方式进行。为了加大监控距离，要求发射功率较大，接收灵敏度较高。主动方式最大的缺点是把运动着的生物体和运动着的非生物体区分开来，只要将红外线束或红外光路遮挡，就会触发误报。如果有物体坠落遮挡，都会导致误报。被动式红外传感技术是利用红外敏感元件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大、处理，对被监控的对象实施监控。它能可靠地将运动着的生物体（人）和
23、飘落的物体加以区别。同时，它还具有监控范围大、隐蔽性好、抗干扰能力强和误报率低等特点。综合考虑后本设计采用被动式红外传感器作防盗传感器。红外线波长范围大致在0.761000m之间。物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足m*T=2989（um*k） 其中m为最大波长，T为绝对温度。人体的正常体温为3637.5C，即309310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为m=2989/（309310.5）=9.679.64um中心波长为9.65um。从内部结构分，热释电红外传感器有单探元、双元件、四元件及特殊型。双探元是将两个特性一致的探测元进行串接，组成差动平衡电路，有利于抑制因探测元自身温
24、度变化而产生的干扰13。四元件与双元件类似。用于人体探测的热释电红外传感器多采用双（探测）元或四元的器件。由于灵敏度要求不是很高，加之四元件价格相比双元更贵，因而设计最终采用双元的热释电红外传感器。选择了几种器件作比较，如表1.1所示。表1.1 几种红外传感器的主要参数Tab. 1.1 The main parameters of several infrared型 号Q74P228LN084性能说明探测元双元双元双元探头类型封装形式TO-5TO-5TO-5金属封装响应度6500V/M4500 V/M3900 V/M衡量灵敏度的重要指标等效噪声功率9.610-10110-91.110-9衡量稳
25、定度的主要指标窗口波长715um714um714um探测器接收红外线的谱范围使用温度-55+125-40+80-40+80器件能正常使用的温度范围从上表分析可以知道Q74的综合性能较好，且几者的价格相差不大，因而选用Q74热释电红外传感器用于电路设计。1.8人员出入检测模块的选取方案光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电绝缘），所以它可以在许多场合得到应用。按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离近，可检测半透明物体的密度（透光度）。反射式的工作距离被限定在光束
26、的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。本系统选择对射式光电开关。1.9显示模块的选取方案12864A-1汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵，16*8=128，16*4=64，一行只能写8个汉字，4行；）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。本系统选取其作为显示模块，适时显示宿舍的安防情况。1.10 时间模块的选取方案DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年
27、补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒分时日日期月年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302时钟芯片的最大优点是当单片机掉电后DS1302时钟芯片能继续计数12。DS1302的引脚如图1.3所示。图1.3 DS1302的引脚功能图Fig. 1.3 DS1302 pin function1.11键盘的选取方
28、案键盘有两种，一种是编码键盘，一种是非编码键盘。编码键盘主要通过硬件电路产生被按按键的键码和一个选通脉冲，选通脉冲常作为CPU的中断请求信号，以便通知CPU以中断的方式接受按键的键码，这种键盘使用方便，但硬件电路复杂，一般不采用。而非编码键盘的每个按键的作用只是使相应接点接通或断开，每个按键的键码并非由硬件电路产生，而是由相应的扫描处理程序对它扫描形成的，因此，非编码键盘的硬件电路简单，得到广泛的应用。非编码键盘又有矩阵式和独立式两种。矩阵式键盘（也称行列式键盘）适用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交点上。一个33的行列结构可以构成一个有9个按键的键盘。同理，一个44的
29、行列结构可以构成一个16键的键盘，很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口。按键设置在行列线交点上，行列线分别接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低电平，则行线电平为低电平，列线电平如果为高电平，则行线电平为高电平。这是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行列线为多键共用，各按键均影响该键所在行列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来做适当的处理，才能确定闭合键的位置。独立式按键就是各按键相互
30、独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。为了节省I/O口，我决定使用矩阵式键盘，使用44的。2 系统硬件设计2.1 主控单元2.1.1 凌阳SPCE061A概述SPCE061A是凌阳科技推出的又一个16 位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE0
31、61A内嵌32K 字的闪存FLASH ROM。较高的处理速度使其能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相同， SPCE061A微控制器也适用在数字语音识别应用领域。SPCE061A在2.6V3.6V 工作电压范围内的工作速度范围为0.32MHz49.152MHz，较高的工作速度使其应用领域更加拓宽。2K字SRAM和32K字闪存ROM仅占一页存储空间，32位可编程的多功能I/O端口；两个16位定时器/计数器；32768Hz实时时钟；低电压复位/监测功能；8通道10位模-数转换输入功能并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式；双通道10位DAC方式的音频输出功能5。SPCE061A是数字声音和语音识别产品的一种最经济的应用。2.1.2 凌阳SPCE061A结构图SPCE061A的结构如图2.1所示：图2.1 SPCE061A结构图Fig. 2.1 SPCE061A diagram2.1.3 凌阳SPCE061A性能 16 位微处理器； 工作电压：VDD 为2.63.6V(cpu), VDDH 为VDD5.5V(I/O)； CPU 时钟：0.32MHz49.152MHz ； 内置2K 字SRAM； 内置32K 闪存ROM； 2 个16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数
