宿舍智能防盜防火報警系統(tǒng)

宿舍智能防盜防火報警系統(tǒng)摘要本系統(tǒng)以價格低廉的STC89C52單片機(jī)為控制核心，借助煙霧傳感器，紅外熱釋電傳感器，光電傳感器，無線射頻模塊，實(shí)現(xiàn)對宿舍人員出入及宿舍安全情況的實(shí)時多點(diǎn)檢測，并由nrf2401無線收發(fā)模塊將實(shí)時宿舍信息傳遞給異地遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過液晶顯示器顯示宿舍當(dāng)前及近期的歷史狀況。其中：煙霧傳感器通過檢測室內(nèi)煙霧及可燃性氣體濃度，實(shí)現(xiàn)防火報警功能；紅外熱釋電傳感器能利用檢測人體釋放的紅外線判斷宿舍是否有人活動，并協(xié)同光電傳感器工作，起到防盜作用，并能夠提示宿舍無人時鎖門；無線射頻模塊與光電傳感器組合，可實(shí)現(xiàn)貴重物品進(jìn)出情況的檢測；液晶顯示當(dāng)前宿舍情況及近期歷史記錄；當(dāng)從機(jī)有異常情況時，主機(jī)聲光報警，并能鍵入密碼解警。關(guān)鍵字：STC89C52液晶顯示器光電傳感器煙霧傳感器人體紅外熱釋電傳感器nrf2401無線收發(fā)模塊無線射頻模塊目錄一、任務(wù)和要求1.1、任務(wù)……………………..……………...……41.2、要求 1.2.1、基本要求…………..…4 1.2.1、發(fā)揮部分……………..41.3、評分標(biāo)準(zhǔn)………………….…4二、方案設(shè)計及論證2.1、控制模塊……………….….52.2、電源模塊…………….…...52.3、煙霧檢測模塊…………..…52.4、人體檢測模塊…………..…62.5、人員出入檢測模塊……………….……...….62.6、無線通信模塊………...…..….62.7、顯示模塊…………….……….62.8、聲光報警模塊………….....….62.9貴重物品檢測模塊……………………..….…..7系統(tǒng)各模塊最終方案三、硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計3.1、控制模塊………...…...……..73.2、電源模塊……...........................................…...73.3、煙霧檢測模塊……...………...73.4、人體檢測模塊………..…...….83.5、人員出入檢測………...…..…83.6、無線收發(fā)模塊…………..………………....…83.7、顯示模塊……………......................................93.8、聲光報警模塊………..…......93.9、鎖門提示模塊…………........93.10、貴重物品檢測模塊………...9四、軟件設(shè)計4.1、發(fā)射流程圖………...……………….……..…94.2、接受流程圖……………….…11五、系統(tǒng)測試..5.1、測試儀器……………………..………………115.2、指標(biāo)測試……………………..………………125.2.1、煙霧傳感器測試…………………..….125.2.2、人體紅外熱釋電傳感器檢測………………….…….125.2.3光電傳感器測試……..………………..125.2.4無線收發(fā)測試…………..5.2.5貴重物品檢測測試……………….;..…………...六、總結(jié)參考文獻(xiàn)附錄一、任務(wù)和要求1.1、任務(wù)設(shè)計一個報警系統(tǒng)（低成本），系統(tǒng)應(yīng)用于學(xué)生宿舍，能自動監(jiān)視宿舍內(nèi)的安全情況，有異常情況發(fā)生時能立即發(fā)出報警和求助信息。1.2、要求1.2.1、基本要求：1.2.2、發(fā)揮部分：（1）人體檢測范圍5米左右。（2）能記錄最近幾天的宿舍安防情況。（3）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制，可在監(jiān)控點(diǎn)監(jiān)控多個宿舍。（4）能檢測本宿舍貴重物品的進(jìn)出情況。1.3、評分標(biāo)準(zhǔn)

項目滿分設(shè)計報告設(shè)計與總結(jié)報告：方案比較、設(shè)計與論證，理論分析與計算，電路圖及有關(guān)設(shè)計文件，測試方法與儀器，測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析。50實(shí)際操作基本部分完成第（1）項任務(wù)10完成第（2）項任務(wù)10完成第（3）項任務(wù)10完成第（4）項任務(wù)10完成第（5）項任務(wù)5完成第（6）項任務(wù)5發(fā)揮部分完成第（1）項任務(wù)10完成第（2）項任務(wù)10完成第（3）項任務(wù)10完成第（4）項任務(wù)20二、方法設(shè)計及論證根據(jù)題目要求，系統(tǒng)由圖2-1組成：圖2-1系統(tǒng)框圖2.1、控制模塊方案一:采用SPCE061A單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，此單片機(jī)I/O接口比較多，雖然易于擴(kuò)展外圍電路，但不方便位尋址，且沒有總線。開發(fā)板集成了語音播報的硬件，通過軟件編程即可以用于語音采集和播報。但內(nèi)部開發(fā)函數(shù)不是很了然，且占用內(nèi)存太大，且模組比較貴，不經(jīng)濟(jì)，性價比比較高。方法二：采用現(xiàn)在比較通用的51系列單片機(jī)。51系列單片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)有比較長的時間，應(yīng)用比較廣泛，各種技術(shù)都比較成熟，雖然處理速度不是很快，但資料豐富，系列之52單片機(jī)，內(nèi)部集成8kflash空間，256BRAM區(qū)，足以實(shí)現(xiàn)設(shè)計程序，不需要外擴(kuò)，而且其最小系統(tǒng)板已經(jīng)設(shè)計好，不需要附加太多的外圍電路，可以方便可靠的使用。本設(shè)計需要網(wǎng)絡(luò)控制，需要多塊控制板，單價也要考慮在內(nèi)，51系列單片機(jī)造價低，不會耗費(fèi)太大開銷。綜合考慮我們選用方案二。2.2、電源模塊由于本系統(tǒng)傳感器比較多，需要多電平供電，我們考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。方案一：采用電池組供電。3節(jié)4.2V可充電式鋰電池串聯(lián)共12.6V給直流電機(jī)供電，經(jīng)過7812的電壓變換后給支流電機(jī)供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足，并且可以充電，重復(fù)利用，因此，這種方案比較可行。但鋰電池的價格過于昂貴，不滿足低成本的要求，因此，我們放棄了這種方案。方案二：采用變壓器組和電池組并舉的方式。從機(jī)檢測部分采用市電變壓供電：主機(jī)接收部分采用電池組供電，即適合從機(jī)檢測部分的家居應(yīng)用，也適合主機(jī)接受部分的方便攜帶。因此，我們選擇了這種方案。2.3、煙霧檢測模塊 方案一：選用光電煙霧傳感器。靈敏度高，可視范圍大，具有報警鎖定功能，可靠性高。但價格昂貴，不適合設(shè)計的低成本要求。方案二：選擇氣敏性煙霧傳感器。價格適中，可視范圍大，可靠性高，體積小，電源電壓小，靈敏度雖有些差，但可以滿足監(jiān)控?zé)o人時有無煙霧的設(shè)計要求。故本模塊選用方案二。2.4、人體檢測模塊方案一：選用人體紅外熱釋電傳感器探頭。造價低，性能優(yōu)良，電路制作裕度大。但鑒于對其了解不夠充分，若自己設(shè)計外圍電路，性能可能不穩(wěn)定，而且傳輸距離只有一米左右，距離較短，不符合題目要求。 方案二：選用人體紅外熱釋電傳感器模塊。性能穩(wěn)定，體積小，外型美觀，尤其是裝有菲涅爾透鏡，使得檢測范圍較寬，而且價格不高，三線引腳，輸出距離可控，應(yīng)用、編程簡單方便。因此本模塊選用方案二。2.5、人員出入檢測模塊方案一：用激光傳感器檢測，利用光的反射原理進(jìn)行距離的測量。激光傳感器具有抗干擾性強(qiáng)，測量精度高，反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。但需要添加外部的發(fā)射電路才能適合單片機(jī)接收，同時，由于激光傳感器的制作比較精細(xì)使其價格過高，由于此方案不需過高精度，因此不使用此方案。方案二：采用紅外開關(guān)傳感器實(shí)現(xiàn)人員檢測，當(dāng)有人接近傳感器時，傳感器發(fā)出的紅外線徑人體反射，可以檢測到回返光線，從而檢測有人經(jīng)過。并且傳播距離可達(dá)80cm左右，門口檢測足夠了。本系統(tǒng)采用此方案。2.6、無線通信模塊 方案一：采用GPS模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。沒有距離的限制，模組比較貴，成本太高， 方案二：采用以太網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接?？梢詫?shí)現(xiàn)網(wǎng)路監(jiān)控。但需要配備長線，線路復(fù)雜，不方便。 方法三：采用nrf2401無線收發(fā)模塊，集成度高傳，體積小，低功耗，傳播距離可達(dá)100米左右，可以實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控，攜帶方便，便于控制。2.7、顯示模塊方案一：采用LED數(shù)碼管顯示器。LED數(shù)碼管亮度高，醒目，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，方便控制.。但占用I\O接口太多，動態(tài)顯示占用CPU時間較多，不方便數(shù)據(jù)處理，靜態(tài)顯示則需要外接譯碼器和鎖存器，最重要的是傳輸數(shù)據(jù)較多時不能清楚明白顯示數(shù)據(jù)信息，不方便信息讀出。方案二：采用LCD液晶顯示器。LCD有明顯的優(yōu)點(diǎn)：微功耗、尺寸小，薄輕巧、顯示信息量大、字跡清晰、美觀、視覺舒適；可以用中文LCD液晶進(jìn)行顯示，有自帶的漢字字庫，使整個控制系統(tǒng)更加人性化。串口控制只需要四個I\O口，操作簡單方便?；谏厦娴谋容^分析和現(xiàn)有的LCD器件，選用方案二。2.8、聲光報警模塊 方案一：聲音發(fā)生體采用蜂鳴器，驅(qū)動只需要一只三極管，方便直接。光電報警采用一個發(fā)光二極管。功耗低且發(fā)光效果也很好。 方案二：采用R110/120（10/20秒）語音錄放模塊，單片可分段錄放模塊，反復(fù)錄放，零功耗永久保存信息，單5V供電，自動節(jié)電，接口簡單，使用方便，但費(fèi)用較高，所以放棄使用此方案。綜合之，我們采用方案一。2.9、貴重物品檢測模塊 方案一：使用E210磁條檢測儀，獨(dú)有過流保護(hù)裝置，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠抗干擾性好，使用壽命長，通過聲光報警可以檢測，只需要在貴重物品上貼磁條，廉價經(jīng)濟(jì)，但磁條檢測儀過于昂貴，不適合于宿舍防盜系統(tǒng)。 方案二：使用無線射頻模塊。電路大多采用芯片，電路簡單，可靠，方便易行。且采用一節(jié)干電池供電，超低功耗。故本模塊采用此方案。系統(tǒng)各模塊最終方案 控制模塊： 采用STC89C52單片機(jī)電源模塊： 采用電池盒供電煙霧檢測模塊： 采用氣敏型煙霧傳感器人體檢測模塊： 采用人體紅外熱釋電傳感器人員出入檢測模塊： 采用紅外接近傳感器無線通信模塊： 采用nrf2401模塊顯示模塊： 采用液晶顯示模塊聲光報警模塊： 采用蜂鳴器和led發(fā)光二極管貴重物品檢測模塊： 采用無線射頻模塊三、硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計3.1、控制模塊控制模塊采用STC89C52單片機(jī)，52單片機(jī)屬于51系列單片機(jī)，有四個I\O口，兩個外部中斷，三個定時器，一個串行通信接口；兩級中斷優(yōu)先級，8kflash內(nèi)存，256字節(jié)RAM區(qū),本開發(fā)板的最小系統(tǒng)已經(jīng)完善，常用外圍電路已經(jīng)焊接在最小系統(tǒng)板上。方便應(yīng)用，多點(diǎn)控制廉價。3.2、電源模塊 本系統(tǒng)采用變壓器電源跟電池組電源并舉的方式供電。從機(jī)檢測部分安放在宿舍里，采用市電供電比較方便，而且經(jīng)濟(jì)。不用考慮系統(tǒng)因為供電電源而帶來的壽命縮短問題。變壓器變壓組可以提供多種穩(wěn)定電平，從而保證了傳感器的額定電壓。從機(jī)檢測部分電源采用變壓線圈降壓，再經(jīng)LM2596穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定在12V給光電開關(guān)供電，7809穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定在5V給單片機(jī)、煙霧傳感器、紅外熱釋電傳感器、蜂鳴器等供電，11171穩(wěn)壓芯片將電壓分別穩(wěn)定到3.3V以便于給低功耗的無線通信模塊供電。貴重物品檢測模塊采用一節(jié)干電池供電?？紤]到主機(jī)接收部分的便攜性，電源采用三節(jié)電池組成的電池組供電。單片機(jī)可直接用此電源供電，無線通信可把電池組經(jīng)11171穩(wěn)壓后供電。3.3、煙霧檢測模塊封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。由附錄圖1可以看出煙霧傳感器的引腳以及其接線圖，將A、A連在一起，B、B連在一起，（注意：A、B是等效的兩端，并無極性可言）。電阻絲可直接供5V電壓加熱，輸出端與地接一個滑動變阻器RL，以調(diào)節(jié)其輸出電壓。但輸出電壓是一個模擬量，電壓會隨著煙霧的濃度增加而增加，不適合單片機(jī)的檢測。在輸出端接一個反相器，這樣，輸出就變成了開關(guān)量。適合單片機(jī)的檢測。 煙霧傳感器可作為宿舍防火系統(tǒng)。當(dāng)宿舍煙霧達(dá)到一定濃度，煙霧傳感器就會同過無線通信模塊發(fā)送報警信息。實(shí)現(xiàn)宿舍防火系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控。3.4、人體檢測模塊熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路，如作電源開關(guān)控制、防盜防火報警、自動覽測等。

熱釋電紅外線傳感器應(yīng)用電路圖如附錄圖2：紅外熱釋電傳感器與紅外壁障傳感器搭配，在宿舍無人時提示鎖門，或睡覺時關(guān)燈。也通過無線通信模塊提醒主人宿舍有人，組成一個簡單的宿舍實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。3.5、人員出入檢測模塊人員出入檢測模塊采用兩個光電開關(guān)傳感器，傳感器由三條引出線：紅、綠、黃。紅色電源線，綠色地線，黃色外接上拉電阻是輸出信號線。顧名思義，光電開關(guān)傳感器的信號是一種開關(guān)量。通過內(nèi)部的紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外線，當(dāng)外界有障礙或者有人阻擋時會有一部分紅外線反射回來，被接受管接受到，根據(jù)接收管能否能接受到回返信號來判斷前方有沒有障礙或者人的存在。分別在宿舍門口的內(nèi)外墻壁放置一個光電開關(guān)傳感器，以其響應(yīng)的時間先后來判斷人員的進(jìn)出情況。并做出記錄，以方便歷史查詢。3.6、無線收發(fā)模塊 Nrf2401無線模塊由PWR_UP、CE、CS三個引腳決定四種工作模式：工作模式PWR_UPCECS收發(fā)模式110配置模式101空閑模式100關(guān)機(jī)模式0XX 本模塊有兩種收發(fā)模式，ShockBurstTM模式跟直接收發(fā)模式，本系統(tǒng)采用ShockBurstTM模式。 ShockBurstTM模式的配置字使NewMsg_RF2401能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在NewMsg_RF2401工作的過程中，只需改變其最低一個字節(jié)中的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間的切換。 ShockBurstTM的配置字可以分為以下四個部分： 1.數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)。這使得NewMsg_RF2401能夠區(qū)分接受數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC校驗碼； 2.地址寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)。這使得NewMsg_RF2401能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù)； 3.地址：接收數(shù)據(jù)的地址，有通道1的地址和通道2的地址； 4.CRC：使NewMsg_RF2401能生成CRC校驗碼和解碼。 當(dāng)使用NewMsg_RF2401片內(nèi)的CRC技術(shù)是，要確保在配置字中CRC校驗被使能，并且發(fā)送和接收使用相同的協(xié)議。 在配置模式下，注意保證PWR_UP引腳為高電平，CE引腳為低電平。配置字從最高位開始，依次送入NewMsg_RF2401.在CS引腳的下降沿，新送入的配置字開始工作。3.7、顯示模塊本系統(tǒng)采用12864液晶顯示模塊，顯示宿舍的號碼，實(shí)時顯示煙霧，人員進(jìn)出以及密碼解鎖情況。按照，一定的時序?qū)懭胍幌盗械闹噶羁刂谱?，由煙霧傳感器，人體紅外熱釋電傳感器，光電傳感器控制其顯示情況，并能調(diào)用宿舍情況的歷史記錄。3.8、鍵盤模塊 本機(jī)采用2*4矩陣鍵盤（見附錄圖3），軟件消抖，即接收到按鍵信號，延時10ms后，如果還保持按鍵電平則認(rèn)為是有鍵按下，否則視為無效按鍵。鍵盤識別采用線反轉(zhuǎn)法：先對51單片機(jī)P1口低四位送低電平，讀取P1口高兩位的值；再對P1口高兩位送低電平，讀取P1口低四位的值，將兩次讀到的值組合在一起就得到了按鍵的特征碼，再根據(jù)特征碼查找鍵值。3.9、聲光報警模塊用蜂鳴器作為聲音發(fā)聲體，發(fā)光二極管作為光報警裝置。由于單片機(jī)的電流驅(qū)動有限，所以采用一個三極管來增加驅(qū)動能力，二極管的驅(qū)動簡單，只需要一個上拉電阻。3.10、鎖門提示模塊 鎖門提示模塊只需要一個蜂鳴器，把蜂鳴器連接在P1.7口，當(dāng)檢測到宿舍沒人時提示鎖門。3.11、貴重物品檢測模塊 題目要求系統(tǒng)可以檢測貴重物品，但貴重物品的種類很多又隨著人們的認(rèn)識不同而有不同的定義。所以本系統(tǒng)采用給貴重物品外加附屬物的辦法來實(shí)現(xiàn)貴重的物品檢測。如附錄圖4所示：無線發(fā)射器電路由低頻振蕩器和高頻振蕩器組成，低頻振蕩器由電阻器Rl、R2、電容器Cl、C2和時基集成電路ICl組成;高頻振蕩器由可變電阻器RP、電感器Ll、電阻器R3、R4、電容器C3-C9、發(fā)射天線Wl和晶體管Vl組成如圖所示6-194。無線接收報警器電路由無線接收處理電路和報警電路組成。無線接收處埋電路由無線接收集成電路IC2、電容器ClO-Cl9組成;報警電路由音效集成電路IC3、晶體管V2、電阻器R5和二極管VD組成。低頻振蕩器振蕩工作后，輸出lkHz的振蕩信號對高頻振蕩器進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的高頻信號通過天線Wl向空中發(fā)射出去。在無線接收報警器與無線發(fā)射器的距離在3m之內(nèi)時，天線W2將Wl發(fā)射的高頻調(diào)制信號接收下來，再送至IC2進(jìn)行譯碼解調(diào)處理，使IC2的2腳輸出低電平。若無線發(fā)射器與無線接收報警器的距離超過3m時，則無線接收報警器將收不到Wl發(fā)射的高頻調(diào)制信號，IC2的2腳輸出高電平。ICl選用NE555型時基集成電路;IC2選用TDA7000型無線接收集成電路;IC3選用KD9561型報警音效集成電路。四、軟件設(shè)計4.1、發(fā)射流程圖4.2、接收流程圖五、系統(tǒng)測試5.1、測試儀器測試使用的儀器如下表所示：表5.1.1測試使用的儀器設(shè)備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1YB4365雙蹤示波器1江蘇揚(yáng)中電子儀器廠2直流穩(wěn)壓電源1衡孚開關(guān)電源3秒表精度0.01s1--4DT9205萬用表1寧波中策電子有限公司5米尺最大測距1m，最小量程0.1cm1--5.2、測試指標(biāo) 為了更好的了解各個模塊器件的性能跟功能，我們對各模塊做了以下幾種檢測：5.2.1、煙霧傳感器測試 煙霧傳感器內(nèi)部有一個加熱絲，加熱一段時間后才會有反應(yīng)，即需要預(yù)熱，預(yù)熱完畢后，當(dāng)通入煙霧時就會輸出高電平，煙霧散去輸出低電平，由此可知，煙霧傳感器是開關(guān)量而且是高電平有效。5.2.2、人體紅外熱釋電傳感器測試該傳感器有兩個電位器，一個用來調(diào)節(jié)延時時間，另一個用來調(diào)節(jié)距離。其中調(diào)試參數(shù)如下：表5.2.1距離測試角度（度）120600-60-120最遠(yuǎn)（cm）517560625554510最近（cm）132162195168129表5.2.2延時測試次數(shù)1234最低時間（秒）1.952.061.921.98 延時最大可以大到傳感器的壽命，所以上表只出示延時的最小時間。由上表可以得出傳感器的最小延時時間約是1.98秒。5.2.3、光電傳感器測試紅外發(fā)射管的電流在5~2