基于单片机的智能家居环境检测与报警系统毕业设计论文

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1、 专科毕业设计（论文）设计题目：基于单片机的智能家居环境检测与报警系统 系 部： 信息工程系 专 业： 电子信息工程技术 班 级： 电子信息091302 姓 名： 学 号： 指导教师： 职 称： 20 12 年6月 摘要主要介绍一种以单片机AT89C51为控制核心的远程智能家居环境检测与报警系统，并从基本工作原理、电路构成、软硬件结合等方面对其进行详细的阐述。该系统可实现自动拨号，只需要通过普通电话线就能进行告警信号呼叫，及时将警情通知事主，能有效避免危险事故的扩大化。系统自动化程度高、适用性强、功能灵活多样，可广泛应用于商店现代化、家庭现代化等众多领域。关键词：AT89C51单片机控制、智能

2、化、拨号系统、报警系统AbstractMainly introduces a single-chip AT89C51 as the core to control the remote intelligent household environment detection and alarm system, and from the basic working principle, circuit structure, software and hardware combination of the detail. The system can realize the automatic di

3、al-up, need only through the ordinary telephone lines can perform alarm signal call, timely inform the Lord will alert, and can effectively avoid danger of accident evolved over time. High degree of automation system, and wide applicability, function agile diversity, can be widely applied in the sho

4、p modernization, family modernization, etc.Keywords: AT89C51 single-chip microcomputer control, intelligent, dial-up system, alarm system 目录Abstract3目录4第一章 引言51.1智能家居环境与报警系统概述51.2本设计任务和主要内容6第二章 系统主要硬件电路设计72.1单片机控制系统原理72.2单片机主机系统电路82.2.1 AT89C51单片机82.2.2 8255单片机92.3警情采集电路92.3.1 防区信号采集电路102.3.2 ZYMQ-2

5、气体传感器特点102.3.3无线门磁132.4 DTMF发送接收电路MT8880162.5 MT8880与语音电路的接口172.6 布防与撤防18第三章 系统软件设计203.1信号音的识别方法203.2系统主程序流程213.3自动拨号部分程序22结束语24参考文献26第一章 引言随着国民经济的发展，人民的生活水平日益提高，人们对生活质量提出了更高的要求，希望生活更加安全舒适。但是， 一些家庭由于疏忽大意时常会出现一些火灾或煤气泄露险情以及财物被盗的情况，给家庭和社会带来巨大的损失，因此迫切需要利用高技术的智能化手段，为家庭提供一个安全舒适的家居环境，智能家居安防系统能在各种紧急情况出现的第一时

6、间报警，通知物业管理中心和住户，把险情消灭在萌芽状态，减少各种损失。为家庭生活的安全舒适提供强有力的保障。该系统可对多路声、光等传感器进行监控，并根据采集各路敏感器件产生电路的变化，发出不同的报警信号，并能自动拨号到110，119等相应的报警机构机构。其核心是由单片机构成的控制部分，主要对声、光等信号变化时信号的采集，和对采集到信号的分析和处理，通过设计硬件、软件编程对各个部分进行操作和实现。智能家居环境检测与报警系统的核心是AT89C51单片机，主要是由E 2PROM、警情采集电路、语音录/放音电路等部分组成。编程软件选用汇编语言。当AT89C51单片机实时巡检到新的警情信号时，如：煤气的泄

7、漏、火灾的发生、门窗的位移、防区故障、主电断电或上位机死机时, 报警主机就会自动进行警情处理( 气体报警、门磁报警、记录警情以及拨号报警等等)。该系统快捷、有效，可靠性高，易于操作，发展前景比较广阔。1.1智能家居环境与报警系统概述随着人们生活水平的进一步提高，整个社会的发展也变得越来越复杂和多样化。人们安全防范意识的增强，安全问题已经常的被人们提起。为此，我们急需开发出一种面向大众、价格低廉、运行可靠的自动报警系统。鉴于最近几年我们国家的经济迅速的崛起，人们生活已经逐渐的开始富裕，住宅电话和移动通信设备已经十分普及, 另外，由于电话语音报警有着有效、快捷、价格低廉等优点，公共通信网络固然成了

8、报警系统的最佳传输媒介。因为公共通信网络能覆盖最广大的人群，而且一般来说公共通信网络的传输速度以及可靠性都是无需质疑的。因此，在这里我们选择公共通信网络作为我们自动拨号报警系统的传输媒介。智能家居环境与报警系统是进行无人报警和智能报警的有效手段和工具，它可以大大提高在无人情况下的安全系数，减少某些需要监控区域的人力资源。本智能系统自动化程度比较高，可以降低对操作者本身素质的要求。因此本系统的设计就是这样一个集方便、快捷，可靠性和安全性与一身的方面而进行考虑和设计的。1.2本设计任务和主要内容本论文主要研究单片机控制的智能家居环境与报警系统，分别对声、光等变化时产生的电信号进行采集，并对采集信号

9、进行分析和处理的一些研究。主要内容如下：1. 根据人们日常对于安全的需求，对整个系统进行整体化的设计和研究。2. 从人性化角度出发，使整个系统尽可能的减少操作，尽可能的达到智能化，尽可能的达到全自动化.3. 从快捷、有效入手，让报警系统可以适用于尽可能多的人群和范围。4. 使检测手段多样化，覆盖面广，通过不同的现代化手段来避免和减少意外和突发事件给人们带来的伤害。第二章 系统主要硬件电路设计2.1单片机控制系统原理系统组成框图如下图所示,采用AT89C51单片机为控制中心。外在接E2PROM用来存储事主想要存储的电话号码、设置一系列的参数以及存储警情信息等。当AT89C51单片机在进行实时巡检

10、时检测到警情信号时，实施报警的主机就会自动进行警情处理，如记录警情以及拨号报警等。拨号报警的工作原理：系统会自动的控制摘机挂机电路来模拟摘机，同时AT89C51单片机通过8255将MT8880设为突发方式，并同时按事主预先存入的电话号码进行拨号，拨完之后会检测对方是否摘机， 如果摘机就播放相应的警情语音信息，完成自动拨号报警。E2PROMAT89C51单片机及I/O扩展MT8880防区检测电路16路探测器电话录/放音电路接口电路模拟/挂机电路74HC37316路探测器光电隔离A0P0.0P0.7AT89C51 P2.5 P2.6 P2.7.74HC13874HC373 P2.5 P2.6 P2

11、.7模拟摘/挂机电路电话网图2-1-1 系统原理框图为了方便更直观的理解先简单介绍一次简易系统流程1：警情采集电路把采集的信号送到CPU2：CPU处理信号启动发送接收电路3：语音播放电路据警情播音CPU实时巡检到新的警情信号(如火灾)时，报警主机就会自动进行警情处理拨号报警的工作：系统自动摘挂机挂机电路模拟摘机若警情，CPU将会根据程序设置的电话号码自动拨号。语音拨号报警电路警情采集电路CPU图2-1-2 简易系统流程图2.2单片机主机系统电路2.2.1 AT89C51单片机AT89C51单片机是51单片机系列的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压

12、微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的输出管脚和指令相兼容。由于他是将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，由 AT89C51构成的单片机系统是一种具备结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。而且通过I/O口的扩展，可以在外部有存储器，并行I/O口，时钟芯片，系统监控芯片，总线接口等一系列的扩展。图2-2-1 单片机主机图2.3警情采集电路警情采集电路由16 路防区输入信号采集电路组成。由于此系统是专门为家庭设计的，故探测器只需用到气体传感器（检测煤气泄漏、火灾等）和无线门磁（

13、用于防盗窃）。2.3.1 防区信号采集电路16路防区的输入信号收集电路如图2-3所示。收集电路经由一种可用于编程的并行接口芯片8255 与单片机AT89C51的P0 口相接, 而16 路防区的输入信号则是先经过光电隔离后再与8255 的PA 口和PB 口相接。PA 口和PB 口均设定为输入口, 16 路探测器的输入分别对应这16 个输入口。系统再经过收集芯片8255的PA、PB口的数据来判断是否有警情产生。P0.0P0.7AT89C51 P2.5 P2.6 P2.7A0A1 8255 PA0PA7D0D7 PB0PB7CS光电隔离16路探测器74HC37374HC138图2-3-1 16路防区

14、信号采集电路2.3.2 ZYMQ-2气体传感器特点经过多方比对最终选择了ZYMQ-2 气体传感器。ZYMQ-2 气体传感器的介绍如下：1) 广泛的探测范围2) 高灵敏度快速响应恢复3) 优异的稳定性寿命长简单的驱动电路应用：可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。1. 标准工作条件2. 环境条件3. 灵敏度特性4. 结构外形测试电路ZYMQ-2 气敏元件的结构和外形如图所示(结构A or B), 由微型AL2O3 陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封

15、装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。5. 灵敏度特性曲线6. 灵敏度调整ZYMQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件敏度的调整是很重要的。在此使用1000ppm氢气或1000ppm丁烷校准传感器。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。2.3.3无线门磁在传统的安全防范工程中，均采用有线的方式连接报警探头和防盗报警主机，由于受传输距离、环境、可变性等多种因素的制约，局限性很强。无线门磁的出现大大方便了系统的施工。无线门磁传感器是一种在保安监控、安全防范系统中非常常用的器件，无线门磁传感器工作很可靠、体积小巧，尤

16、其是通过无线的方式工作，使得安装和使用非常方便、灵活，而且价格也不贵。自己要开门、窗时，可由开关控制。适用于网吧，居民住宅、办公室、商店柜台等的防盗。图2-3-1 无线门磁实物图一、无线门磁传感器的工作原理：无线门磁传感器表明了说就是一种专门用来监控门的开关状态的报警器，当门无论因为何种原因被打开后，无线门磁传感器都会马上发出特定的无线电波，远距离向报警主机报警。无线门磁的无线报警信号在一般住宅中能传输20米，在开阔地能传输200米，这距离主要和周围的环境密切相关。 二、无线门磁传感器的特点无线门磁传感器基本采用省电的设计，当门处于关闭状态时它是不会发射无线电信号的，此时的耗电量只有稍微的几个

17、微安，当门被打开的一瞬间，它会立刻发射长达1秒左右的无线报警信号，然后再自行停止，这时就算门一直被打开着也不会再发射报警信号了，这样的设计是为了防止发射机内部由于连续发射信号造成部电池电量耗尽而影响报警。无线门磁传感器还配备有着电池低电压检测电路，这是为了用户能及时发现其还有没有足够的电量进行报警而设计的。当电池的电压低于8伏时，下方的LP发光二极管就会点亮，这时需要立即更换A23报警器专用电池，否则会影响报警的可靠性。 其装入电池后即进入工作状态，当探测到开门大于5毫米的位移时，报警指示灯（红色）就会常亮，并立即发射报警信号给主机，报警主机（若此时处于布防状态）时将现场警号报警，同时自动拨打

18、预设电话报警。欠压指示灯（绿色）亮，表示需要更换电池。 三、接线将无线发射器和磁块分别安装在门框和门上（通常在门的上沿及上框），但要注意无线发射器和磁块相互对准、相互平行，间距不大于5毫米。无线门磁传感器一般安装在门内侧的上方，它由两部分组成：较小的部件为永磁体，内部有一块永久磁铁，用来产生恒定的磁场，较大的是无线门磁主体，它内部有一个常开型的干簧管，当永磁体和干簧管靠得很近时（小于5毫米），无线门磁传感器处于工作守候状态，当永磁体离开干簧管一定距离后，无线门磁传感器立即发射包含地址编码和自身识别码（也就是数据码）的315MHZ的高频无线电信号，接收板就是通过识别这个无线电信号的地址码来判断是

19、否是同一个报警系统的，然后根据自身识别码（也就是数据码），确定具体是哪一个无线门磁传感器报警的。四、无线门磁传感器工作参数外形尺寸：71x36x15.4毫米发射功率：30毫瓦工作电流：10毫安工作电压：12V，A23报警器专用电池工作频率：315M编码芯片：SC2262/振荡电阻可切换：1.5M/4.7M/3.3M可以安装在任何经常开合的地方。五、主机接收板无线门磁传感器的地址码必需和报警器主机的地址码完全一致。这就需要在报警主机这一块再加入一个无线频率接收模块，我们可以选择锁存型接收板。锁存型接收板工作频率为315MHZ，能接收无线门磁传感器发送过来的地址编码和数据码，并锁存数据，供单片机读

20、取。图2-3-2 锁存型接收板实物图2.4 DTMF发送接收电路MT8880MT8880是MITEL公司推出的集成电路芯片之一，它是一种用于处理DTMF信号的专用芯片, 不仅仅具备有接收和发送DTMF信号的自动拨号功能, 还有检测电话线上拨号音、回铃音和忙音等信号音的功能。外围电路简单，适合与单片机接口。如图2-4所示图中开关S1由一个继电器控制，J1接口与电话线相连。MT8880 内部有五个寄存器,分别是接收数据寄存器、发送数据寄存器、收发状态寄存器以及收发控制寄存器CRA和CRB。由于在此设计中,仅需要实现发送DTMF信号实现自动拨号的功能所以只需用到发送数据寄存器、收发控制寄存器CRA和

21、CRB。发送数据寄存器中的数据的作用是用来决定要发送的双音频信号的频率,所以只能往发送数据寄存器内部写入数据。两个收发控制寄存器CRA和CRB占用着同一个地址,因此根据CRA中的寄存器选择位的值决定着是否对CRB进行操作。其接口电路如图2-5 所示。图2-4 MT8880与8255接口电路2.5 MT8880与语音电路的接口ISD1420语音芯片ISD1420 语音芯片是采用了直接模拟存储技术,它的录放音质特别好, 并具有特别的混响效果; 其外围的元件非常简单, 仅仅需要简单的电阻、电容器件就可以组成简单的录、放音电路; 不需要后备的电源, 并且其信息存储时间很长长, 不需要专用的编程器及语音

22、开发器; 具有较强的选址能力, 可把存储器分为160段来进行管理, 再形成最小的录放时间为125ms。其接口电路图如图2-6所示。 图2-5 MT8880与语音部分接口电路语音分段方法:地址输入端A7A0由高位向低位排列,每位地址代表着125ms 的寻址,160 个地址覆盖着20s的语音范围( 1600.125s=20s ),录音和放音功能都是从设定的起始地址开始的,录音结束可以由停止操作来实现,芯片内部会在本段的结束位置中自动插入结束标志( EOM);而放音的时侯如果遇到了EOM 标志会立即自动停止放音。在本设计中,因为需要用到四段报警提示语音,因此在设计时都需要把每段语音都设为5s,它的起

23、始地址分别是00000000B、00101000B、01010000B、01111000B,从这四段的起始地址我们可以看出A0、A1、A2和A7都是接地的，都为0。2.6 布防与撤防报警主机如何让其处于工作状态和非工作状态，这可以通过报警主机上的按钮进行控制，也可以通过无线遥控器进行控制。同样无线遥控器也是通过发射固定的频率和自身的识别码等待主机相应的。无线遥控器用于报警系统的设防与解防 图2-3-3 无线遥控器实物图第三章 系统软件设计3.1信号音的识别方法系统在检测到警情信号后就会进行模拟摘机。为了区别模拟摘机后电话系统是否处于可拨号的状态、电话拨完号码后电话是否已经接通以及对方是否已经摘

24、机接听电话等几种状态, 所以系统必须进行信号音的识别，这样才能保证报警的有效性。如何识别信号音, 这就需要我们知道每种信号音的特性。各种信号音的特性如下:1.拨号音: 45025Hz 连续蜂音;2.忙音: 0.35s断0.35s通的45025Hz 蜂音, 音断周期为0.7s ;3.回铃音: 4s断1s 通的45025Hz 蜂音, 音断周期为5s。这些电话信号都是模拟信号, 但是单片机是无法识别出模拟信号的, 所以必须将模拟信号先转换为脉冲信号,，然后再根据脉冲信号的脉冲个数进行信号识别。这些电话音频信号的脉冲个数可用公式N=tm/T计算, N 代表每音段周期的脉冲个数; T 代表着电话音频信号

25、的音频周期, 单位是s ; tm代表着信号音断周期的通时间, 单位是s。 在实际使用过程中, 发现最主要的就是需要识别出拨号音、忙音和回铃音信号，只有识别出这三种信号才能进行更加有效的自动拨号报警。通过仔细分析这三种信号的特性我们可以看出：在特定的计数时间以内,他们的脉冲个数是不同的。本来在设计之初,考虑采用5s为一个计数单位来进行判断这三种信号音,但通过实际的调试验证后发现:自动拨号报警后，当对方摘机时,要等待相应一段时间事主才能够听到报警的语音。通过反复研究及调试,最后选用了计数时长为2s来判断拨号音,采用计数时长为2.8s来判断是不是忙音,若不是就说明电话已经拨通了。再采用计数时长为1s

26、的计数单元,采用计五次后的累加脉冲数来判别事主是否已经接听电话。若是,则播放相应的报警提示语音;若不是则再计1s ,然后进行计算最后5s内的脉冲数,再次判断事主是否摘机。经此反复,一直到超过等待时间如果还会死没有人接听电话系统就自动进行挂机。由于干扰和其他因素的影响,避免不了有误判的现象。因此采取在所有预先设定的电话至少有一个拨通就只拨一遍,如果全部没拨通或者没人接听则把所有预存电话重拨一遍,这样漏报报警的概率就可忽略不计。 3.2系统主程序流程开始拨号循环计数器清0电话拨通标志位清0模拟摘机拨预置电话号码已拨电话计数器加1MT8880置为呼叫模式调用信号音判别模拟挂机对方是否摘机？MT888

27、0置为DTMF发送模式拨预置电话号码有回铃音？有拨号音吗？等待时间到？发报警语音提示电话拨通标志位置1模拟挂机拨完预置电话？拨号循环计数器加1拨通标志为1？拨通标志为1？结束NNYYNYYYNNN3.3自动拨号部分程序自动拨号部分的子程序如下：AUTOCALL: CLR P1.2 ;进行模拟摘机MOV A,#5DH ;允许信号音的输出, 下一次为写控制寄存器CRBMOVX DPTR,A ;写控制寄存器CRAMOV A,#51H ;将MT8880 设置为突发模式MOVX DPTR,A ;写控制寄存器CRBMOV A,#56H ;将MT8880 设置为呼叫模式MOVX DPTR,A ;写控制寄存器

28、CRALCALL DELAYLCALL AUTOY ;调用信号音来判别子程序, 看有无拨号音MOV A,#5DH ;允许信号音的输出, 下一次为写控制寄存器CRBMOVX DPTR,A ;写控制寄存器CRAMOV A,#50H ;将MT8880 设置为突发模式MOVX DPTR,A ;写控制寄存器CRB ;拨预存的电话号码MOV A,#56H ;将MT8880设置为呼叫模式MOVX DPTR,A ;写控制寄存器CRALCALL AUTOY ;调用信号音判别子程序, 看有无回铃音LCALL AUTOY ;调用信号音判别子程序, 看事主有无摘机SETB P1.2 ;模拟挂机还有在编写自动拨号程序的

29、过程中有几个需要注意的地方。第一,MT8880的DTMF产生器是发送部分的主体部分,它用来产生全部十六种失真小、精度高的标准双音频信号,这些双音频信号的频率均由3.579545MHz 晶体振荡器分频产生。电路由行/列可编程分频器、数字频率合成器、开关电容式D/A变换器组成。行和列单音正弦波经混合、滤波后产生双音频信号通过DTMF 编解码表把编码数据写入MT8880 发送寄存器产生单独的fLOW 和fHIGH,一经编码过程错误就会导致拨号无效、失败, 所以在编程过程中一定要十分小心。第二,在摘机后应延时一段时间再去判断摘机音,因为本系统采用机械继电器实现自动摘机,故应考虑继电器的响应时间。 最后

30、一个电话号码拨完后不能再马上拨打接下来的一个电话号码,应保证好挂机的最短有效时间用来确保上一电话号码确实已经处于挂机状态,否则会出现拨打下一个电话号码时没有拨号音的情况，影响报警的有效性。结束语首先，通过这次毕业论文的设计，在一定程度上提高了自己的独立思考能力和单片机的专业知识。虽然这个题目的灵感并非完全是自己的，在关于这个题目的许多方面的了解也还不够，甚至可以说没有正真完全掌握这一智能系统，但通过这样一次的尝试和努力，我依然有了很大的收获。在季斌老师的指导和督促下，通过自己的努力终于完成了这一份毕业设计，有了这样一次过程和经验，相信在以后的工作生活中一定会更加的得心应手，如鱼得水。完成这次毕

31、业设计是对自己一次实实在在的提高，的确收益良多。我这次设计的是一个基于智能家居环境与报警系统，它能够适应广大人群和整个社会的需要，在提高社会安全方面有着重要的作用。该系统以单片机AT89C51为核心部件，通过ZYMQ-2气体传感器和无线门磁传感器对报警信号进行采集，并由单片机完成对信号的分析和处理，随后作出报警。系统用Protel软件绘制电路原理图和PCB电路印刷板图，利用MCS51汇编语言编制,运行程序该系统的主要特点是:本系统配置灵活,可以有效、快速地应用于对安防要求比较高的场合。比如:对需要监视视频丢失的场合,可以配置视频监测盒;而对智能小区、医院等,可以通过RS485总线将一台DVR

32、( Digital Video Recorder )主机、一套报警监控软件和多台报警主机组合到一起,构成一个网络型智能监控系统。本报警系统价格低廉、操作简便，使用人群广泛，对于操作人员本身的素质要求并不高。而且由于系统自动化程度高，一般只需要一人即可操作整个系统，有时甚至不需要人员操作，这大大节省了劳动力。本系统通信速度极快。由于系统连接的是公共通信网络，所以能在第一时间将报警信号送出，大大提高了安全系数。本系统可靠性高，误报率低。当然本系统也有许多方面存在不足。比如整个系统比较依赖于声、光传感器部分，一旦信号采集部分出现问题或遭到人为破坏，系统就无法发出正常的报警，存在一定的漏洞。在这些方面

33、还有待于进一步的改进，例如加入防破坏的系统。参考文献（一）张友德，赵志英，涂时亮. 单片微型机原理、应用与实验.上海：复旦大学出版社，1993（二）何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京:北京航空航天大学出版社, 1990（三） 薛均义，张彦斌.MCS-51/96系列单片微型计算机及其应用.西安:西安交通大学出版社，1990 （四）张鑫，陈书谦. 单片机原理及应用.北京：电子工业出版社，2005.8（五） 王珺燕，徐玉峰，柴新禹.智能语音拨号报警系统 电子技术应用期刊论文 2006年3期（六） 张敏等 期刊论文 基于热释电红外传感器的无线监控报警系统设计 来源：安防科技（七）陈宁 学位论文 家庭安防系统的研究 来源：天津大学