1、基于51单片机的家居安防系统论文 基于51单片机的家居安防系统摘要：近年来，随着小康社会的进一步落实，买房人数日益增多，人们对家庭家居生活环境意识的逐渐提高，特别对“安全”越发重视。但非法入室盗窃，火灾，燃气泄漏等意外仍大量存在，一旦发生，后果不可估量，这些给家居安全带来极大的威胁。因此，能够实时地监测当前环境中有无外来入侵，实时监测温度、烟雾浓度等环境因素，并进行实时警告的家居安防系统是人们日益迫切的需求。本文设计并实现了一个家居安防系统，该系统以STC89C52RC单片机为核心处理器，用人体红外传感器，温度传感器，烟雾传感器进行采集数据，其中烟雾传感器需要通过ADC0832将模拟浓度量转换
2、成数字信号，最后所有数据由LCD1602打印出来。同时用户可以设置温度上下限报警阈值、烟雾浓度报警阀值，选择是否要进入布防模式。当发生室内温度过低或者高于报警值（达到燃烧点），烟雾浓度高于报警值，异物入侵时，就会立刻触发蜂鸣器和LED灯进行声光报警提示。 关键词：家居安防，STC89C52RC，温度监测，烟雾监测 Home Security System Based on 51 MicrocontrollerAbstract：In recent years, with the further implementation of a well-off society, the number of
3、 people buying houses has been increasing, and peoples awareness of the familys home living environment has gradually increased. In particular, more attention has been paid to security. However, there are still a lot of accidents such as illegal burglary, fire, gas leakage and so on. Once it happens
4、, the consequences are immeasurable, which poses a great threat to home safety. Therefore, a home security system that can monitor real-time intrusions in the current environment, monitor environmental factors such as temperature and smoke concentration in real time, and provide real-time warnings i
5、s an increasingly urgent need.This article designs and implements a home security system. The system uses STC89C52RC single chip microcomputer as the core processor, and uses human body infrared sensors, temperature sensors, and smoke sensors to collect data. Among them, the smoke sensor needs to co
6、nvert the analog concentration into digital signals through ADC0832. All data is printed by LCD1602. At the same time, the user can set the upper and lower temperature alarm threshold, smoke concentration alarm threshold, and choose whether to enter the arming mode. When the indoor temperature is to
7、o low or higher than the alarm value (the burning point is reached), the smoke concentration is higher than the alarm value, and when foreign matter invades, it will immediately trigger the buzzer and LED light to sound and light alarm prompt.Keywords：Home security, STC89C52RC, temperature monitorin
8、g, smoke monitoring 1 绪 论1.1 研究背景和意义1.1.1 背景分析随着小康社会全面落实的进程，以及社会不断发展进步，人们经济水平大大提高，但同时，伴随着私有财产的增加进而带来了财产安全问题，入室非法盗窃的发生在当今仍有发生。特别是，当前的住宅居民楼大多数仍然是传统的安全设备，防盗窗、防盗网等。而同时，家庭中通讯线路、各种电路之间纵横交错，随着众多家用电器在家庭中爆发式地使用，燃气管道越来越普及地使用到家庭当中，稍有不慎，更带来其他方面的安全隐患。随着人们对家庭家居生活环境意识的逐渐提高，家居生活的安防问题成为人们新的需求，智能家居安防也正因此成为研究的热门之一。安防家
9、居能够准确安全地进行日常安防，及时发现各种危险一旦有发生的苗头立刻能做出响应处理，以便将危险消除在尽可能早的状态，保护人们的生命和财产安全，具有较大的经济利益和社会利益。1.1.2 本课题的研究意义物联网领域中，有着很多方向。在物联网影响下，智能家居是物联化的体现之一。个人认为，智能家居是一种使用传感器与嵌入式知识的综合运用。本课题的家居安防系统，是根据自己对智能家居的初步认识，利用学到的技术来设计和实现一个家居安防控制系统，能够优化人们的生活，增强家居生活的安全性。更重要的是，能够对大学所学的知识点有更深一层的理解，让使用传感器与运用单片机知识运用到实际当中。1.2 课题研究方法和内容1.2
10、.1 研究方法本论文在编写过程中主要采用了以下的研究方法：文献研究法：通过相关的文献和查阅书籍来取得一些对于课题有用的资料，从而更加科学、客观、全面地了解所要研究的问题，找出问题的本质属性，少走弯路，便于更有效的寻找解决问题的办法。实验法：通过对已有问题的研究和分析，从已得出的结论和经验出发，形成某种假设，将形成的假设计划出一个可控制的实验方法，通过多次的科学实验验证，观察自变量在变化过程中因变量的变化，从而得出自变量和因变量的关系，最后统计得出设定的功能是否可行。1.2.2 研究内容本论文总共分为五个部分，每个部分内容安排如下：第1章：绪论。主要说明研究的内容和研究背景的介绍以及研究的计划安
11、排。第2章：系统分析。主要包括需求分析，可行性分析以及系统实现的方案。第3章：系统硬件设计。主要介绍本系统的总体功能设计，硬件系统设计，具体描述硬件模块的设计和电路搭建。第4章：系统软件实现。主要介绍本系统的软件开发工具使用，软件设计和主要模块软件的描述和功能。第5章：系统调试。主要用不同的示例调试系统运行效果。第6章：结论。主要分析系统在总体设计上待改进的一些地方，分析优点以及如何对缺点进行改进等。最后是参考文献以及致谢内容。2 系统分析本章主要是对家居安防系统的背景和现状的调查，进行需求分析，包括人们对家居安防的市场需求和功能需求，以及对51单片机家居安防系统的完成进行可行性的分析。2.1
12、 系统背景及现状随着人们生活水平的不断提高，居民正在成为推动安防产业的重要力量，而家庭安防无疑是安防需求的重要力量。消费升级不断催生民用市场对安防产品新的需求，总而言之，家居安防的发展在如今呈现出蓬勃发展的上升阶段。2.2 系统需求分析2.2.1 市场需求近年来，国内安防行业市场规模保稳定增长，其市场前景可期。根据中商产业研究院数据显数据统计显示：我国安防行业市场规模从2012年的3240亿元增长到2018年的6600亿元，涨幅达104%。2018年中国安防行业市场规模在6600亿元左右。其中，智能安防行业市场规模近300亿元。预计在2020年，智能安防将创造一个千亿的市场，这也将是安防领域不
13、可小觑的市场。由此可得知，家居安防的市场潜力是非常巨大的。2.2.2 功能需求家居安防系统，主要考虑到日常家居环境中的不同情况，从以下场景对系统功能进行分析：大部分家庭都是使用燃气做饭，一旦发生泄漏，很大几率引起爆炸，因此功能需要实时监测烟雾气体浓度，烟雾浓度可以在液晶屏实时显示，一旦烟雾浓度达到用户自己设定的报警阈值，会立刻声光报警；考虑到家庭中存在易燃的沙发桌椅，电器等助燃物，假若发生明火意外，后果不堪设想，因此功能需要实时监测温度值，温度值可以在液晶屏实时显示，一旦温度值达到用户自己设定的报警阈值，会立刻声光报警；当家中有儿童，老年人独居时，长期室温过低会造成免疫力低下，所以功能还能选择
14、设定温度下限报警值，室内温度低于设定温度下限值，会立刻声光报警，提醒保暖；考虑到偶尔有入室盗窃发生，因此需要防盗功能，在用户（外出前或晚上睡觉）开启布防模式后，一旦有异常，立刻声光报警。2.3 系统方案软件开发方案：操作系统：微软公司的Windows 10编译工具：Keil单片机烧录工具：STC-ICP开发语言：C语言硬件组成方案：中央控制板：单片机STC89C52RC显示模块：LCD1602烟雾模块：MQ-2传感器温度模块：DS18B20传感器 人体红外模块：HC-SR501传感器其他配件：LED灯、按键模块、蜂鸣器、电阻、电容等等。2.4 可行性分析2.4.1 经济可行性分析随着科技进步，
15、家居安全需求的不断增加。随着技术产业的进步和国内芯片制造商技术的逐步成熟，让安防设备的成本价位在逐年下降，价格也越来越亲民。本系统设计结合传感器与单片机，成本也较为低廉。2.4.2 技术可行性分析以STC89C52RC为主板，温度传感器，烟雾传感器，人体红外传感器为核心的家居安防系统，能够严格控制价格，功耗，质量，稳定性。而且逻辑电路较为简单易懂，编程涉及知识大多在大学所学习的范围内，且能够根据实际开发进度对系统部分功能进行改进。综上所述，该系统从功能，成本，技术等方面考虑都是完全可行的。3 系统硬件设计3.1 系统功能设计经过需求分析和市场调研，本设计应实现以下功能：用烟雾模块测量出当前室内
16、烟雾浓度用模数转换器将测量到的模拟量转化成单片机可以处理的高低电平信号，然后把这些信号输出到液晶屏中打印出来。系统可以调节烟雾浓度报警值，一旦测量值大于等于报警值，蜂鸣器和LED灯会随即声光报警。用温度模块测量出当前室内温度液晶屏可以显示当前温度值系统可以调节温度上下限报警值，上限可用于火灾报警，下限可作室内低温功能提示，一旦测量值大于上限报警值或者低于下限报警值，蜂鸣器和LED灯会随即声光报警。温度上限报警阈值等于或低于下限报警阈值设定时会进行报警，提示设定不合理。重新开机后，能够记忆上次设定的烟雾报警值，温度报警值。用人体红外监测，一旦有异常入侵，蜂鸣器和LED灯会随即声光报警。按键能够调
17、节+报警阈值，能够设置是否进入布防模式。3.2 硬件系统设计烟雾传感器会将空气中烟雾浓度转换成模拟量输入到模数转换器ADC0832中，再经模数转换器转换成数字电压传给单片机；已封装好的温度传感器与人体红外传感器能够把测取数据直接转换为数字电压传给单片机。单片机把数据输出到LCD1602中显示出来，实现数据实时同步。单片机上电需预热，随后就立即进行温度值与烟雾浓度检测，可以通过按独立按键改变报警值，超过报警值立马报警；按下布防按键，等待数十秒能够进入布防模式，有异物入侵立马报警。图3-1系统总体模块框图3.3 硬件模块选型3.3.1 主控芯片STC89C52RC在本系统中是中央控制板。该单片机最
18、小系统只需电源，晶振，复位电路即可运作。中央控制板通过模数转换以及电路放大器，得到所要收集的数字信号在LCD屏幕上显示出来，并且能够保存在运行过程中修改的程序（例如保存报警值）。图3-2 单片机最小系统本系统有4个I/O口，分别是P0，P1，P2，P3。该单片机P0用作Data/Addr总线，有读内存，写内存，擦除内存三种状态，一般情况下让P0处于高阻态，使得P0口可以作为普通的I/O口使用，本设计用P0口来做液晶的数据寄存器口。P1用作输入输出口，P2输出高8位地址，用于对外部存储器的接口电路进行寻址。尤为重要的是P3，P3口有定时器，中断寄存器等，作为第一功能使用时，与P1口一样；作为第二
19、功能使用时，每一位都有特定用途。表3.1 P3引脚功能引脚端口对应功能P3.0RXD：串行接收P3.1TXD：串行发送P3.2INT0：外部中断输入0端P3.3INT1：外部中断输入1端P3.4T0：计数脉冲输入0端P3.5T1：计数脉冲输入1端P3.6WR：外部RAM写选通信号输出P3.7RD：外部RAM读选通信号输出3.3.2 显示模块系统中需要一个显示模块来显示当前信息，本系统采用LCD1602实现，因为其功耗低、显示信息量大。它是由32个5x7点阵组成的行字符型显示屏。能够显示出当前的烟雾浓度，温度值，安防状态的情况，并且用户调整报警值可在LCD屏幕上显示操作。图3-3 LCD电路图S
20、TC89C52RC的P0.0-P0.7，P2.5-P2.7分别与LCD1602的D0-D7，EN,RW,RS相接。P2.5连接显示屏的EN，是使能脚，通过输出电平到EN确定LCD1602工作状态。P2.7控制RS，是数据(RS=1)还是指令(RS=0)。P2.6控制RW，是读(RW=1)还是写(RW=0)。所以P2.6和P2.7是一起控制LCD1602读写指令数据。P0.0-P0.7控制D0-D7是输入或输出我们所需要的指令数据。3.3.3 烟雾传感器模块系统采用了MQ-2气体传感器作为烟雾传感模块，是由于MQ-2烟雾传感器对于液化气，家用天然气检测时有较高的灵敏度，对气体响应快，而且价格便宜
21、，符合本系统的要求。因为传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的变化而变化。由此特性，要将电导率的变化转换成该气体浓度相对应的输出信号。 由于MQ-2输出的是模拟量，因此需要把测得的结果传给AD转换芯片的CH0口，AD转换模块把模拟量转换为数字量，再把数据送给单片机进行处理，显示在LCD显示屏上。图3-4烟雾传感器电路图3.3.4 AD转换模块 系统的AD转换模块采用了ADC0832这个8位A/D转换芯片。因它通过三线接口与单片机连接，功耗低，最重要是可以把烟雾传感器获得的模拟数据量转换成数字数据量， 再传给单片机处理。图3-5 AD转换模块电路图STC89C52RC的P1.2连CS，P1.3连I
22、/O CLOCK 。P1.4连DATA INPUT和DATA OUT。CS=1时，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当CS=0时，ADC0832开始数据转换，I/O CLOCK、DATA INPUT使能，DATA OUT脱离高阻态。P1.4控制DATA INPUT，STC89C52RC的控制字可通过P1.4写到DATA INPUT。P1.3控制I/O CLOCK，I/O CLOCK=1时可以获取STC89C52RC的时钟周期。3.3.5 温度传感模块系统采用温度传感器DS18B20作为测量温度器件，因为其低功耗，易配微处理器，且温度传感器只有一根单线总线，可以降低系统的复杂度。
23、最重要的是，输出为已校准的数字信号，可直接将温度转化成数字信号处理器处理。单片机的P1.1口与温度传感器模块相连接。在本设计中，用外部供电实现温度传感器模块与单片机连接，能够使温度测量时间较短。图3-6温度传感器电路图3.3.6 人体红外传感器热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器，能够接收人体辐射出的特定波长的红外线。选择HC-SR501是因其灵敏度高，可靠性强，适应低电压工作模式。图3-7人体红外传感器电路图人体红外传感器模块与单片机的P1.0口相连接。当有人进入检测区域，人体红外传感器模块会输入一个高电平，从而三极管导通，单片机接收到信号然后执行报警。3.3.7 报警模块本
24、系统使用有源蜂鸣器与三个LED灯组合成声光报警器，分别用于温度过高报警指示灯、烟雾浓度过高报警指示灯，和人体入侵报警指示灯。STC89C52RC的P2.0和蜂鸣器相接。STC89C52RC的P2.1-P2.3和L1、L2、L3相接。一旦有异常，蜂鸣器会响，相对应的灯也亮。图3-8报警模块电路图3.3.8 按键模块本设计中用的只有4个按键，分别是“设置键”“减键”、“加键”，“布防/撤防键”，考虑到电路与程序，故采用独立键盘的方式。单片机的P3.2-P3.5和RST与K1-K4连接。图3-9按键模块电路图3.3.9 电源模块本系统用的是低电压直流电源供电，使使用时更安全。图3-10电源模块电路图
25、4 系统软件设计4.1 开发环境搭建4.1.1 开发软件安装本设计使用的开发软件是keli 4版本软件，该软件上具有可编译可调试可检测bug以及检测数据流动走向等功能，编程代码易学易用，基于C语言编程，也可用汇编以及宏定义等编程，其强大的编程工具，以及软件仿真调试，可调试出bug以及错误。直接安装keli 4版本，以管理员模式运行，授权注册该软件。图4-1 开发软件注册新建工程或者打开工程编码，设计使用的芯片是STC系列，在该软件上选择的芯片可以是Atnel，两者互相兼容，故可选择AT89C52或者AT89S52，将代码编写完成后，需选择编译后形成一个hex二进制的后缀名，便于给STC-ISP
26、软件烧录。图4-2 开发软件环境配置4.1.2 烧写软件平台通过STC-ISP软件进行烧录，该软件可以对STC系列型号的单片机进行烧录，具体实现多种功能的单片机型号烧录，针对本设计型号为STC89C52RC系列，通过设备管理器可以查看，对波特率通常选择默认型号即可，其他默认选项即可。用下载数据线选择hex文件为二进制数字进行烧录、下载编程。图4-3 烧写软件图4.2 软件总体设计4.2.1 软件设计流程图图4-4 软件设计流程图 首先，显示屏、报警阈值开始初始化，接着读取烟雾浓度和温度值，在显示屏上显示数据；感应有无入侵情况，判断烟雾浓度，温度值是否超过报警值，一旦大于报警值，或者有入侵情况，
27、立马进行声光报警；判断是否按下设置按键，按下进入调节报警值界面，然后再重复以上，直到整体数据接收完毕。4.2.2 主函数设置一个main程序为主程序， 定义温度值，烟雾浓度，显示屏、报警阈值初始化，读取烟雾浓度和温度值，在显示屏上显示数据，调用报警函数，报警判断；按键判断，是否按下设置按键，是否调节报警阈值。void main(void) int temp; / 温度值 uchar num; / 烟雾值 uchar i; / 循环变量 LcdInit(); / 液晶功能初始化 LcdShowInit(); / 液晶显示内容初始化 AlarmInit(); / 报警值初始化 while(DS18
28、B20_ReadTemp()=85) / 等待传感器初始化完成 DelayMs(10); while(1) num=Get_ADC0832(); / 获取烟雾的浓度值 num=num/2.2; / 调整浓度值，使其在0-100之间变化 if(num100) num=100; LcdGotoXY(1,13); / 液晶光标定位 LcdPrintNum1(num); / 显示烟雾浓度的值 temp=DS18B20_ReadTemp(); / 读取温度值 LcdGotoXY(1,4); / 液晶光标定位 LcdPrintNum2(temp); / 显示温度值 AlarmJudge(num,temp)
29、; / 报警判断 for(i=0;i15;i+) / （延时0.15秒，并在这个时间段进行按键扫描） KeyScanf1(); / 按键1设定按键 KeyScanf2(); / 按键2报警值调节按键 DelayMs(10); / 延时 4.3 软件模块设计与实现4.3.1 LCD显示模块对LCD1602模块的控制流程如下：（1）写初始化函数，初始化包括：清屏，功能设置：8位、5*7点阵、开显示、不显示光标、字符不闪烁、写字节指针+1，整屏不移动（2）写1602写入数据函数，函数功能包括：数据/命令模式切换，数据/命令的写入（3）写1602写入字符串，在屏幕打印出字符串图4-5 LCD显示屏流程
30、图主要代码实现如下：void LcdWriteCmd(uchar cmd) /写入命令 LcdRs_P = 0; LcdRw_P = 0; LcdEn_P = 0; P0=cmd; DelayMs(1); LcdEn_P = 1; DelayMs(1); LcdEn_P = 0; void LcdWriteData(uchar dat) /写入数据 LcdRs_P = 1; LcdRw_P = 0; LcdEn_P = 0; P0=dat; DelayMs(1); LcdEn_P = 1; DelayMs(1); LcdEn_P = 0; void LcdInit() /初始化函数 LcdWr
31、iteCmd(0x38); / 16*2显示，5*7点阵，8位数据口 LcdWriteCmd(0x0C); / 开显示，不显示光标 LcdWriteCmd(0x06); / 地址加1，当写入数据后光标右移 LcdWriteCmd(0x01); / 清屏 void LcdGotoXY(uchar line,uchar column) /光标定位函数 / 第一行 if(line=0) LcdWriteCmd(0x80+column); / 第二行 if(line=1) LcdWriteCmd(0x80+0x40+column); 4.3.2 AD模数转换模块对AD转换模块的设计如下：（1）烟雾传感器通过CH0口把
