1、基于单片机的gsm热释电红外多功能报警器含烟雾火宅报警学位论文本科生毕业论文基于单片机的GSM短信多功能安防系统的研究Research of multifunctional security system of GSM message based on SCM学生姓名【本人毕设，绝对可行】所在专业电子信息工程所在班级电子*申请学位*指导教师职称副指导教师职称答辩时间2014 年 5 月 7 日目 录摘 要 IAbstract II1 绪论 - 1 -2 功能实现与系统概述 - 2 -2.1 功能实现 - 2 -2.2 系统概述 - 2 -2.2.1 STC89C52单片机 - 2 -2.2.2
2、 GSM模块 - 4 -2.2.3 传感器 - 6 -2.2.4 LCD1602液晶显示屏 - 7 -2.2.5 DS1302实时时钟芯片 - 7 -3 硬件实现 - 8 -3.1 原理框图 - 8 -3.2 系统电源 - 8 -3.3 PL2303芯片 - 9 -3.4 MCU模块电路 - 10 -3.5 温湿度传感器电路 - 10 -3.6 蜂鸣器电路 - 11 -3.7 DS1302时钟芯片电路 - 11 -3.8 传感器及GSM模块电路 - 12 -4 软件的实现 - 13 -4.1 程序流程图 - 13 -4.2 各模块的编程 - 14 -5 软硬件测试 - 16 -5.1 硬件测试
3、 - 16 -5.2 软件测试 - 16 -6 开发过程与调试心得 - 20 -7 总结 - 22 -致 谢 - 23 -参考文献 - 24 -附 录 - 25 -摘 要在21世纪的今天，电子科学技术得到了飞速发展，主流的安防报警系统正在从单一化、局部化向多功能和智能化转变。在众多安防设备中，家用安防系统往往是人们尤为关注的一块，然而传统的单一报警系统（烟雾喷洒、燃气报警）在实际使用中暴露了很多隐患，例如：在发生燃气泄漏或火宅的时候，因为系统只是纯粹的响铃报警，在远处的屋主很难知道家里发生的警情，导致了财产损失进一步加重。本系统主要由51单片机、GSM模块及各类传感器组成，系统凭借稳定、成熟的
4、GSM移动网络，以及最直观的中文短消息和电话形式，直接把屋子里发生的警情反映到您的手机屏幕上。多元化的传感器选择让系统的预警功能得到更大的提升，它采用热释电红外传感器进行人体检测，外加配备烟雾可燃气传感器和火焰传感器，全面实现防盗、防火和防燃气泄漏的作用，并实时通知到指定的手机上。关键词：GSM模块；单片机；传感器；多功能安防；AbstractNowadays, in the 21 century, science and technology are in rapid development. The prevailing security alert system has develope
5、d from the simplification and localization to multiple function and intellectualization. In numerous security devices, the home security system abstracts peoples particular attention to it. However, the traditional single-functional alert system( Smoke Spraying, Gas Alarm) exposes a lot of problems
6、in application. For instance, when the accident of gas leaking or fire happens, people are difficult to know the situation in the house because the alert system only rings at that time, which will lead to more property losses.The system consists of 51 single-chip, GSM module and a variety of sensors
7、. The situation of your house will be reflected to your phone screen, with the help of the stable and mature network as well as the most intuitive short messages in Chinese and phone calls. The function of early warning has improved because of diversified selection of sensors. The system can know th
8、e human location by the pyroelectric infrared sensor, with the addition of the smoke gas sensor and the flame sensor, which can make the anti-theft, the fire prevention and the gas leaking prevention come true and the situation can be notified to the designated mobile phone the first time. Key Words
9、: GSM Module;Single-chip;Sensor;Multifunctional Security基于单片机的GSM短信多功能安防系统的研究电子信息工程，*指导教师：*1 绪论人们的生活水平随着科技的发展正在不断地提高，大家对个人财产安全也就更加重视起来了，安防已经成为众人关注的焦点之一；科学技术的进步更加突显了传统安防的人防物防的弊端和局限性。家庭里的安防系统已经从外围布防向内部防范发展，本地安防业逐渐向远程监控靠拢。具有舒适、便捷、安全的生活环境才能算是一个理想的家庭生活环境，设计本安防系统的意义和目的就是确保每一个家庭住户的生命和家庭财产安全。远程的安防系统，使人们可以在任
10、何地方都能够及时知晓布防空间所发生的险情，因为现代家庭内部的家电越来越多样化和复杂化，导致室内发生火灾、煤气泄漏等危险的概率越来越大，所以普通的监控等单一的安防系统已经满足不了用户的需求和时代的发展了，安全防护设备应当不仅包括防盗功能，还应具有监控煤气泄漏和火灾报警功能。现在最常见的是利用互联网和固定电话作为信息传输途径的安防设备，这一类系统必须通过有线连接才能实现，成本高、实效性低和灵活性差是有线安防网络还需要改进的地方。本安防系统是通过GSM模块连接到现有的GSM网络的，它没有地域限制，传输距离、保密性和灵活性都是有线安防所望尘莫及的，而且将GSM网络作为智能安全控制系统现在并不是很普及，
11、在众多的对比优势下，其发展空间和需求量也将会日益增长。这也是以一种物联网的形式去实现实时监控，我相信这个方向会有很大的开发价值与广阔的前景，希望可以从本次课题中试着去接近、去熟知、去掌握这个领域的相关知识。2 功能实现与系统概述2.1 功能实现根据市场需求分析和技术限制，本安防系统功能实现要求如下：1. 可实现电子时钟和温湿度的实时显示。2. 实现实时监控非法入侵的人、火灾警情、可燃气体泄漏的预警。3. 当有警情发生的时候，能及时启动蜂鸣器响铃报警、同时GSM模块发送短信到预设号码并拨打预设号码以较长时间提醒屋主。4. 为了方便用户对系统的操作，要求能通过物理按键进入调节模式对预设电子钟时间和
12、预设号码进行修改保存。5. 为了不干扰屋主正常生活，实现预设时段开启热释电红外报警功能，防止误报警。6. 通过PL2303实现单片机电路与电脑连接直接下载烧写程序。2.2 系统概述在本安防系统的设计中，我们采用了LCD1602液晶显示屏作为显示和人机交互界面。当系统初始化时，以DS1302作为实时时钟芯片为准的时钟信息和DHT11温湿度传感器采集的室内空气的温湿度，都会显示在LCD1602上。处于这个界面时，我们按下不同按键，可以进入不同的功能参数调节模式，例如：按1键为进入时间调试模式，按2键为进入预设时间段调试模式等。进入各个调试模式后，可通过按键使光标左移或右移并对数值进行加减处理。因为
13、各个传感器模块遇到警情时的电平跳变都比较持久，所以主程序是通过查询模式对火焰传感器、MQ2烟雾可燃气传感器和热释电红外传感器进行信息数据采集（电平变化的判断）来推定是哪一种警情发生了，然后通过中央处理器STC89C52单片机进行信息处理并通过串口通信控制SIM900A的GSM模块进行中文短信和拨打电话至预设手机号码上，并进行蜂鸣器响铃报警。2.2.1 STC89C52单片机STC89C52单片机是一款运行比较稳定、快速和消耗功率低的比较经典和常见的MCU，因为它的代码与80C51的编写方式一样，所以对于用户来说上手比较快。STC89C52有40个引脚，每个引脚的功能都比较简单明了，所有的接口基
14、本满足了我的设计系统所需要的功能，所以采用此款单片机作为这次安防系统设计的主控制器。STC89C52主要由CPU、RAM、ROM和4个并行I/O口、还有一个全双工串口和5个中断源。CPU控制着单片机的各个接口根据指令代码进行一系列有条不紊的工作。单片机引脚图见图2-1。STC89C52的主要参数12：1. 是6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以供选择使用且指令代码完全兼容传统的80C51的增强型8051单片机。2. 有8K字节的应用程序储存空间。3. 自身具有EEPROM。4. 具有看门狗。5. 芯片上已集成512字节的RAM。6. 工作电压为5.5V3.3V。7. 工作频率范围在040M
15、Hz之间，实际的工作频率是可达到48MHz。8. 有32个通用I/O口，P0口要加上上拉电阻才能作为普通的I/O口使用。9. 适应多种编程软件对单片机进行编程，不需要特定的下载器对单片机进行软件烧写。10. 有定时器T0、T1和T2、3个16位定时器/计数器。11. 可用下降沿或低电平触发外部中断电路。图 2-1 STC89C52引脚图2.2.2 GSM模块GSM模块作为用户手机和控制器之间数据交换的桥梁，在本系统中起着至关重要的作用，本系统使用SIM900A GSM模块。蜂窝通信引擎SIM900A是Siemens推出的一种无线通信模块，并且已经有国内的无线电设备入网证3。SIM900A的的设
16、计比较人性化，芯片总体是比较小巧的、消耗的功率也只有0.6W左右。是一款便携的无线通信模块，可以广泛的在遥感监测，远程通信等设备中使用。在综合对比功能、价格等因素后选择使用此款GSM模块。具体样式如图2-2所示。图2-2 GSM模块样式以SIM900A作为主芯片的GSM模块主要有以下参数：1. 通信接口：支持AT指令控制、支持RTS/CTS硬件流控控制、支持从1200bps115200bps范围的通信波特率调节、RS232串口和LVTTL串口。2. 工作频段：EGSM900Mhz/DCS1800Mhz自动搜索2个频段。3. 发射功率：EGSM900Mhz时2W，DCS1800Mhz时1W。4.
17、 工作温度：-40C+85C。5. 短信（SMS）：支持MT/MO/CB/TEXT和PDU模式的短信，短信储存在SIM卡里。6. 电源供电：DC5-24V，本系统适配器为12V，1A为GSM模块单独供电。AT指令：系统主要用到的AT指令有以下几种，见表2-1：表2-1 系统用到的AT指令TA指令操作TA指令操作AT+IPR=4800修改GSM波特率为4800AT+CSMP=17,167,2,25设置文本模式参数AT握手指令AT+CSCS=UCS2设置为 UCS2 编码字符集ATD10086；拨打10086AT+CMGS XXX发送中英文短信到XXXAT+CMGF=1设置为文本模式短消息工作模式
18、：发送短消息GSM模块常用到的模式有Text和PDU。Text模式实现起来很简单，但是只能作为简单的英文短信发送模式，是不能收发中文短信的；然而PDU模式下不仅能发送英文短信，更重要的是能支持中文短信的发送。本设计系统中使用PDU模式中的UCS2编码用于发送Unicode字符。通过 文本与Unicode字符相互转换的软件（见图2-3），我们可以很轻松地得到文本的相关Unicode码，并写入到单片机的指令代码中。图2-3 unicode转换软件GSM模块与单片机通信方式：首先将模块的地线与单片机的地线相连接，接着将单片机的RXD（串行口输入端）和TXD（串行口输出端）分别与GSM模块上的TXD（
19、串行口输出端）和RXD（串行口输入端）连接起来。硬件对接好后，为了使之能够实现通信，需要软件设置好单片机和GSM模块的波特率，本系统均设置为4800bps的波特率，然后用单片机的串口通信接口输出AT指令码，对模块进行相应的参数修改和操作。2.2.3 传感器为了检测到不同类型的物理量，需要选择不同类型的传感器。我们可以从各种各样的传感器中得到所需的开关量，当系统检测到这种开关信息的时候，就可以做出相应的决策。2.2.3.1 热释电红外传感器热释电红外传感器不仅能鉴别出运动的生物与其它非生物，还能在不用直接接触人体的情况下检测出由人体向外辐射出来的红外线，并能将这种人体红外转变为高低电平信号。传感
20、器上的一块光学滤光片是为了使模块对某一波长范围的红外辐射具有较高的敏感度。它除了能允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将阳光和灯光等这样的无检测价值的红外辐射隔离掉。热释电红外结构图如图2-4所示。图2-4 热释电红外结构图和电路图2.2.3.2 MQ2烟雾可燃气传感器MQ-2气体传感器所使用的是一种叫二氧化锡的气敏材料，该材料在清洁空气中电导率是比较低的。传感器的电导率会随着空气中可燃气体浓度的增加而增大。传感器可检测多种可燃性气体和部分烟雾颗粒，MQ2传感器对我们生活中常见的液化石油气、天然气和氢气的检测比较精准，是一款适合多种场合应用的低成本传感器。2.2.3.3 火焰传感器火焰传感器
21、一般是由光敏二极管和转换电路组成的一种对火焰的红外线或紫外线探测比较敏感的元器件，以红外敏感的火焰传感器为例，其主要用来检测一些波长范围在700nm1050nm的热源，探测角度最大达60度，其中红外光波长在920纳米附近时，改传感器灵敏度达到最大。当探测到火源时输出形式为数字开关量输出（0和1），火焰传感器探头的工作温度为-25摄氏度85摄氏度，所以在使用过程中要注意被检测的火焰不能离传感器探头太近，以免造成探头损坏。2.2.3.4 DHT11温湿度传感器DHT11温湿度传感器是一款能同时检测空间温度和湿度的复合传感器，它输出的是已校准的温湿度数字信号，模块采用了专用的数字模块采集技术和温湿度
22、传感技术，确保传感器具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。该产品具有品质卓越、超小的体积、极低的功耗、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。单线数字信号输出接口把系统的集成变得更便捷。2.2.4 LCD1602液晶显示屏本系统选用的1602显示屏，它采用的是标准的16脚（带背光）接口字符型液晶显示，它是一种比较典型的专门用于数字、符号和字母的点阵式LCD，模块的各引脚功能说明如图2-5所示。 图2-5 LCD1602引脚功能2.2.5 DS1302实时时钟芯片DS1302是时钟芯片，能够作为一个系统的调时和计时用。DS1302的三个接口与单片机相连接，CLK/EN/DATE三个接口分别是传输
23、时钟频率，使能信号和数据的。它还有两个电源，一个系统的电源接入，也称为主电源，是DS1302平时供电的主要来源，它常常还有一个备用纽扣电池，是在主板断电时为1302提供电力支持，保证1302的正常计时。3 硬件实现在前面的两个章节已经对课题背景将系统的基本组成部件做了简单的介绍，在接下来的这一章里面我们将分模块对硬件电路里的具体硬件单元电路及各单元电路的电气连接做详细的介绍和展示。将在此章节中把各模块在Altium Designer中设计好的电路进行理性的分析，最后将设计出的系统电路PCB导出，制作成有良好可焊性的实物PCB电路板。3.1 原理框图系统硬件可分为几个模块，分别为PL2303串口
24、模块、单片机控制模块、GSM模块、各类传感器及人机交互等外设器件。图3-1为系统的硬件原理框图。图3-1 硬件原理框图由硬件系统框图可看出，整个系统是以单片机为中心，外围传感器和GSM等共同实现的。单片机通过I/O口与LCD16202、按键及DS1302等进行连接，通过I/O传输和接受这些外围器件的信息，各类传感器（烟雾、火焰、热释电等）用杜邦线在主电路板上取得工作电压，均以单线的形式连接到单片机进行高低电平的变化与单片机通信。3.2 系统电源供电是整个系统的基础，本安防系统分两个电源，一个是GSM自带适配器（12V,1A），为GSM模块单独供电用。另一个系统电源就是用于单片机、各个传感器及其
25、它外围器件的供电。电源电路如图3-2所示，因为整个系统的功耗和所需电流并不大，所以直接选用5V，750ma的电源适配器通过USB接口为整个系统供电。图中电源电压由右下角USB接口进入系统，VCC和GND分别是系统的电源和接地标号。总电源指示灯4点亮，电压经过高低频滤波后，设置了一个总开关，以方便系统电源的管控。UVCC连接单片机供电系统，为单片机提供电力支持。3.3 PL2303芯片PL2303是一个USB与串口之间的一个接口转换器，它的高兼容性驱动在大多数操作系统中都能够模拟成COM端口，是主机与外设实现串口通信的理想选择，在此系统中加入PL2303的典型应用电路，PL2303的TXD和RX
26、D口分别于单片机的RXD（P3.0）和TXD(P3.1)口连接实现串口通信。主要的实现的功能是可以使用主机通过USB与系统电路板连接后可直接下载程序进入单片机，这样就省去了要随身携带下载器的繁琐，在P1引出的与PL303连接的4个排针引脚可以外接其它的设备的串口相连，并通过此板下载程序代码到外接设备中，也就是起到了一个集成在电路板上的下载器的功能。除了充当下载器，PL2303还可以用做单片机与主机之间的串行通信接口，亦可以充当其它外设与主机之间的通信接口。有了这个接口，调试双机通信或者单片机与GSM模块之间的通信就方便了很多。P7和P8分别为接地的扩展接口和5V电压的扩展接口，主要是为外接的传
27、感器供电和为GSM模块提供共地端口。图3-2 电源及PL2303电路3.4 MCU模块电路MCU模块电路如图3-3所示，单片机的典型系统电路都比较成熟了，P1、P2接口是单片机I/O口的引脚，方便接入传感器。在电路设计中，需要注意的是P0口的上拉电阻，因为P0口是集电极开路输出，这种结构是没有输出高电平的能力的，需要接上拉电阻才能输出高电平。如R2上拉电阻就是为了使P0口能够实现高电平而加入的，P0口主要是与LCD1602的DB0-DB7进行8位2进制数据的传输，单片机的P2.5-P2.7三个接口分别连接LCD的数据和读写选择等功能引脚上，实现指令的选择。的在系统中，我们用到的大部分是单片机I
28、/O口基本的输入输出功能，如P2.0-P2.4这5个引脚接着独立键盘，可以用简单的代码实现物理键盘的操作。单片机晶振引脚X1和X2上的12M晶振匹配4800bps的波特率的误差最小，只有误差只有0.16%。图3-3 MCU模块电路3.5 温湿度传感器电路DHT11温湿度传感器元器件有4个引脚，其中一个是NC脚（即不需要连接），所以在电路实现的时候，只需要三个引脚就可以了，其信号输出为单路数字信号输出，通过P4排针和杜邦线跳线，我们可以灵活地选择任意一个单片机空闲的I/O口作为DHT11的信号输入，输出口。见图3-4.图3-4 温湿度传感器电路3.6 蜂鸣器电路一般来说，5V蜂鸣器的工作电流为2
29、0多mA，但是STC89C52单片机的I/O口电流约为4mA7mA，对于蜂鸣器来说，由于其工作电流比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动蜂鸣器的，所以要利用含三极管的放大电路来进行放大电流以驱动它。如图3-5，当P6通过杜邦线连接到单片机任意空闲I/O后，P6输出低电平时，三极管呈放大状态，蜂鸣器响，当P6为高电平时，三极管呈截止状态，蜂鸣器不发声。在本系统程序中，使用高低电平切换输入让蜂鸣器能够发出“嘀嘀嘀”的声音的。 图3-5 蜂鸣器电路3.7 DS1302时钟芯片电路时钟芯片的电路设计中，由于DS1302的RST,I/O/SCLK三个功能接口对I/O没有什么特殊的要求，所以直接接
30、入单片机三个相邻I/O口（P3.4-P3.6），方便后期PCB电路板的布线，这里需要注意的是，芯片有两个电源接口，VCC2为主电源接口，与系统的供电相连。VCC则是备用电源（3.3V纽扣电池）接口，备用电源是为了防止系统掉电后，时钟错乱而设定的，也是DS1302经常会用到的电源。其晶振引脚X1，X2接32.768Khz的晶振，以给芯片提供时钟频率。图3-6 DS1302时钟芯片电路3.8 传感器及GSM模块电路可燃气体、热释电红外和火焰三个传感器和GSM模块都是现成的模块，外接到主电路板上实现功能，传感器的连接都比较简单，都是1个5V，一个GND，还有一个数字信号输出口，都是高低电平的开关量来
31、表示检测状态的。火焰、红外和可燃气体传感器与单片机P1.3，P1.4，P1.6三个接口相连。GSM模块与主电路板的连接主要有RXD（串行输入P3.0）和TXD（串行输出P3.1）口与单片机的串行口相连，再将GSM模块与主电路板共地即可。4 软件的实现4.1 程序流程图图4-1 程序流程图 4.2 各模块的编程当实现的功能较为复杂时，必须用模块化的方法来编写程序。模块化程序设计具有明显的框架性，方便我们对程序的修改和功能扩充，还能增加程序的可读性和可移植性。所以在对本安防系统的编程中，我选择了分模块的编程方法，主要分为以下几个模块：Main.c(主函数)主函数主要起到对所有子程序的调用和在子程序之间建立相互联系的一个主要程序，没有在主程序中调用的函数不会被执行。Ds1302.c(实时时钟函数)在函数中已根据DS1302时钟芯片时序图编写好时钟芯片的初始化和读写程序，通过DS1302.h头文件调用即可。Lcd1602.c(液晶显示函数)在此函数中，将液晶的初始化、指令读写和数据读写程序定义好，在其他函数中包含lcd1602.h头文件后，直接调用即可。Key.c(按
