目录
1 引言 1
1.1 研究的背景 1
1.2 研究的意义 1
1.3研究的目的和内容 2
2 研究方案设计 2
3 硬件设计 4
3.1 单片机的最小系统 4
3.2 传感器模块 4
3.2.1 温度传感器模块 4
3.2.2 红外传感器模块 5
3.2.3 烟雾传感器 6
3.3 声光报警模块 7
3.4 键盘模块 8
3.5 OLED显示模块 9
3.6 GSM模块 9
4 软件设计 10
4.1主程序流程 10
4.2传感器模块的流程图 11
4.3 GSM模块的软件设计 12
5 系统测试 14
5.1 模块测试 14
5.1.1 传感器的测试和OLED屏幕测试 14
5.1.2 GSM模块发送短信测试 15
5.2 系统测试 15
6总结 17
参考文献 18
致谢 18
基于单片机的家庭安全系统设计
作者： 徐傲 指导教师： 陈学明
(海南师范大学物理与电子工程学院， 海口， 571158)
摘要：为了提高日常生活中家庭的安全性，实现家庭的智能化，自动化，本系统设计时用单片机STC89C51作为微处理器的智能家庭安全系统，采用了温度、烟雾、人体红外三个传感器模块，加上键盘模块，声光警报模块，OLED显示模块，GSM模块组成。本系统通过GSM的移动网路，以短信的形式向手机发送警报短信，并且可以通过远程控制关闭警报模块。除此之外，OLED显示屏上显示警报阈值，警报阈值可以通过键盘模块手动设置。结论表明：本系统设计较好的解决了家庭有毒气体泄露，家庭防盗等问题，能够比较有效的减小家庭意外的风险，提高日常的安全保障，并且具备较大的可移动性。
关键词：STC89C51单片机，家庭安全，警报系统，设计
Home security system design based on single chip computer
Author: Xu Ao Tutor: Chen Xueming
(School of Physics and Electronic Engineering, Hainan Normal University, Haikou, 571158)
Abstract: In order to improve the security of the family in daily life and realize the intelligence and automation of the family, the intelligent home security system is designed with single-chip microcomputer STC89C51 as a microprocessor. It adopts three sensor modules of temperature, smoke and human infrared, plus keyboard module, acousto-optical alarm module, OLED display module and GSM module. Through GSM mobile network, the system sends the alarm message to the mobile phone in the form of short message, and the alarm module can be closed by remote control. In addition, the OLED display displays the alarm threshold, which can be set manually via the keyboard module. The conclusion shows that the design of this system can better solve the problems of household toxic gas leakage and household anti-theft, and can effectively reduce the risk of family accidents, improve the daily security, and have greater mobility.
Key words: STC89C51 MCU, home security, alarm system, design
1 引言
1.1 研究的背景
智能家居是利用综合布线、网络通信、系统总线等先进技术，将家居生活中的有关设施集成为统一管理的系统。智能家居系统概念在上个世界八十年代被提出，起初发展非常缓慢。直至九十年代的EIB总线（欧洲安装总线）出现，智能家居系统的发展才算有了较大突破[1]。1988年，世界上第一个家庭电气设计标准《家庭自动化系统与通讯标准》在美国诞生[2]。1997 年，中国制定了《小康住宅 电气设计（标准）导则》[3]。 2004 年6月，国内很多家企业联合起来，成立了E家佳------中国家庭网络标准网络产业联盟[4]。根据报告统计数据得知，亚洲的智能家居市场收入在2016年达到了2496.6万美元，在家庭的普及率上是0.19%，智能家居系统在日常生活中扮演着越来越重要的角色[5]。
近年来，国内很多地区都意识到家庭安全在日常生活中的重要意义。其中最重要的意义就是安防警报。家庭安防系统是通过各种警报探测器，警报主机，摄像机，读卡器，门禁控制器，接警中心及其它安防设备为住宅提供入侵报警系统服务的环境的复杂性，在实际的安防布设中可以结合实际需求来设定不同一个综合性系统[6]。
1.2 研究的意义
智能家居系统其最高要求是安全性，最大优势是能与其他智能设备融合。智能家庭安全系统可以与摄像头，传感器，警报器，通讯模块相结合，为家庭提供全面的安全方案[7]。例如，当有小偷进入室内，可以通过红外检测装置检测，然后由GSM模块向手机发送警报信息，以求将损失降到最低。除此之外，智能家居系统还可以与烟雾传感器，温度传感器相结合，从而检测煤气，火灾等家庭危害[8]。实验结论表明，智能家居系统能够较好的对危害安全的因素进行防范，能够比较有效的降低了毒气泄漏，火灾，盗贼等发生的可能性。
1.3研究的目的和内容
智能家居就是为了以人们的日常生活场景为基础，将智能设备维系在一起，为人们提供环境检测，远程控制，危险预警等家庭化服务，创造安心、舒适的生活或者工作环境[9]。考虑到日常中盗贼入室、厨房失火和忘记关煤气的可能性还是比较大的，本次设计的目的是为了设计一个可靠的，能够实现防火，防毒气泄漏，防盗三个功能为一体的家庭安全系统。除此之外，整个设计搭载了OLED模块和GSM模块用以实现显示和远程移动通信功能，提高了本设计的方便易用的性能。
论文结构：
引言部分，介绍了该产品国内外发展现状，家庭安防警报的发展现状，研究这个方向的意义，以及本次研究的目的和内容。
研究方案设计部分，在这个部分，总体介绍研究的方案，采用的器件以及要实现的功能。
硬件电路设计部分，在这个部分，主要介绍包括烟雾传感器，温度传感器，人体红外传感器的电路设计图。除此之外，还介绍了几个传感器的功能以及注意事项。
软件流程设计部分，主要是设计软件时的思路和逻辑。包含了主程序的设计流程图、传感器检测的流程设计图、GSM模块发送短信的流程设计图。
测试部分，测试各模块使用功能是否能实现，是否能达到实验预期。本部分主要测试了传感器模块是否能正常使用，GSM的短信发送功能
总结，大概描述了本次设计的工作内容，优点以及缺点。
2 研究方案设计
本系统设计采用STC89C51单片机作为微处理器。采用单片机技术，单片机对于智能家居而言就是人的大脑，这里采用单片机主要是为了单片机的CMOS化，即低功耗化[10]。传感器模块有温度传感器DS18B20，可以对温度进行检测，防止火灾的发生，有人体红外传感器，可以在用户出门后对人体进行检测，防止盗贼入内，有烟雾传感器模块MQ-2，可以对有毒气体浓度进行检测，防止有毒气体的泄漏。通过设定一个警报阈值后，如果传感器数值超过阈值，则通过声光报警模块进行报警，声光报警模块包括了LED警报灯和蜂鸣器警报器，在警报的时候由GSM模块向手机自动发送警报短信。当前温度值，烟雾浓度值，是否检测到有人也可以在OLED屏幕上显示出来。除此之外，当用户想要远程控制警报系统关闭时，也可以通过GSM模块接收用户手机发出的短信，通过软件设置可以完成指令，实现一定的远程控制功能。设计框图如图1所示。
图1
3 硬件设计
3.1 单片机的最小系统
STC89C51单片机的最小系统包括复位电路，晶振电路，电源。电源部分为单片机提供稳定的电压。可靠的时钟信号由晶振电路提供。复位电路为单片机提供初始化功能，由电解电容并联一个开关组成。当复位按键按下时，可以为复位引脚提供至少长达2个机器周期以上的高电平，从而达到复位功能的实现。EA反引脚接5V电源，使得单片机可以正常进行访问内部程序存储器ROM。VCC接5V电源，GND接地。单片机的最小系统如图2所示。闲置引脚被引出来之后留作备用。
图2
3.2 传感器模块
3.2.1 温度传感器模块
本设计采用温度传感器DS18B20来对温度进行检测。DS18B20是一款常用的高精度数字测量芯片。它的检测范围较宽，分辨率较高，内部由ROM,警报触发器，寄存器，温度传感器组成[11]。DS18B20具有三个引脚，其中 DO引脚为数字输出引脚，需要外接一个上拉电阻。另外，由于需要检测实时的温度，及时提醒需要警报，本温度传感器DS18B20采用外部电源供电方式，相对数据总线供电而言，测量速度较快。温度传感器模块接线电路图如图3所示。
图3
3.2.2 红外传感器模块
本设计红外传感模块采用HC-SR501集成电路。HC-SR501具有输出高电平的特性。并且由于这个特性，该模块能够更好的和大部分电路模块相连，而不需要经过转化。红外传感器模块与单片机连线如图4所示。感应范围如图5所示。红外传感器模块外置电路并联一个LED灯，当有人经过被传感器感应到时，输出高电平，点亮LED灯。注意，如果这里测出P1.4引脚的电压为3.7V以下，需要加一个三极管构成的外置驱动电路，将电压拉到4.3V,否则可能因为电平不稳地导致单片机识别不出高低电平。
图4
图5
3.2.3 烟雾传感器
考虑到家庭中可燃气体等的危害，本设计中加入了MQ-2烟雾传感器模块。当传感器所处环境中有毒气体浓度增大的时候，输出的电阻值就随之变小，输出的模拟信号也就变大。将其转化为电信号输入到单片机中。这种传感器可以对有害气体进行有效的检测，特别是对天然气泄漏可以更好的进行防范。MQ-2烟雾传感器模块具有四个引脚，分别是电源、地、模拟输出、数字输出。数字输出引脚DO输出TTL数字量0和1,模拟输出引脚AO输出1~5V电压。此外，为了更直观的观测气体浓度的变化，本设计将MQ-2模块的模拟输出引脚同模数转化器ADC0832相连接。将采集到的模拟信号通过ADC0832转化为数字信号，然后输入到单片机，再由OLED显示出来检测到的烟雾浓度。采集通道为1通道，得到烟雾浓度的数字信息。烟雾传感器、模数转化器与单片机连接如图6所示。
图6
3.3 声光报警模块
一般而言，单片机提供的电流不足以支撑蜂鸣器进行工作，所以这里加了一个外部驱动电路。蜂鸣器采用有源蜂鸣器，内部电阻在几百欧姆以上。有源蜂鸣器相无源蜂鸣器较而言，内部多了震荡结构，声音频率固定，并且只要加上电压就能够发出响声。声光报警模块如图7所示。BUZZER与P2.1相连。P2.1端口为高电平时，PNP三极管导通，蜂鸣器工作,发出警报。蜂鸣器并联一个LED灯，当蜂鸣器工作发出警报的时候，LED灯也会亮起。当P2.1为低电平时，三极管截止，蜂鸣器和LED停止工作。该模块主要是为了当传感器检测值超出设定阈值，或者检测到有人时发出警报。
图7
3.4 键盘模块
本设计采用三个独立键盘k1、k2、k3，分别连接单片机的P2_2、P2_3和P2_3引脚。 分别实现OLED的界面切换功能，防盗系统启动功能，警报关停功能。按下k1则切换不同的传感器在OLED屏幕上显示的数值。当用户外出时，按下K2启动防盗功能，系统就会不断扫描标志位，当有人闯入室内，标志位变为1则发出警报。当用户收到警报短信，如果离家近可以按下K3进行手动关闭警报系统。键盘模块如8所示。
图8
3.5 OLED显示模块
为了更加直观观测到传感器数值变化，本设计采用OLED显示模块来将温度，烟雾浓度显示出来。0.96寸OLED显示屏具有种接线方式，这五种接法都是通过屏幕上的BS0、BS1和BS2来配置的。这里选择的是仅仅两根线就可以控制OLED显示的IIC接口方式。0.96寸的OLED屏幕有四个引脚，VCC、GND、SCL OLED、SDA OLED。VCC接3V或者5V电源，GND接地，SCL OLED在IIC接收单片机的时钟信号，用于产生传输数据时的时钟信号。SDA OLED在应用中接收单片机的数据信号，用于传输数据。OLED的接线如图9所示。
图9
3.6 GSM模块
本系统设计GSM远程通信模块，用以保证用户收到警报消息的实时性。本设计的GSM模块采用的是SIM900A模块，因为SIM900A模块具有灵活易用，成本低廉，稳定可靠等特点。该模块可以实现语音通话，短信接收发送，传输数据，远程监控与控制等功。这里主要运用了SIM900A的短信接收发送与远程监控控制功能。当传感器检测到的数值超过设定阈值后，单片机就会通过GSM模块自动向用户发送短信。用户接收到短信之后，可以通过远程控制功能发送指令使其停止警报。使用该模块，首先需要将SIM卡插入相应的卡槽，并确定SIM卡激活且有余额。GSM模块与单片机连线如图10所示。
图10
4 软件设计
4.1主程序流程
主程序流程就是在用户按下警报开启按钮外出后，系统一直循环检测是否接收到警报信号。如果中端口接收到低电平，就表明确实有警情。这时候相应的传感器数值超过阈值，标志位就会变成1，否则标志位仍然为0。如果标志位为0，则跳转到初始化的下一步，这样一直循环，直到标志位变为1。如果标志位为1，则调用相应的中断子程序，将警报信息通过GSM以短信的形式发送到用户的手机上。发送完毕后又会跳转到显初始化的下一步，如此循环。此时用户在外，可以通过短信远程控制警报系统关停。主程序流程如图11所示。
图11
4.2传感器模块的流程图
在本次系统中，每个传感器测量数值超过阈值时，将标志位置1。当标志位为0时，跳回至开始，从新扫描标志位，直至标志位为1。而当标志位变为1的时候，执行下一个流程，读取编号判断警报的类型，而后就会自动触发声光警报和GSM发送短信警报。传感器警报的子程序流程图如图12所示。
图12
4.3 GSM模块的软件设计
单片机经过串口发送AT指令给GSM，从而完成发送短信的功能。GSM发送短信的流程是首先进行串口初始化，而后第一步发送"AT+CMGF=1"设置文本模式为TXT形式，第二步再发送AT+CSCS="UCS2"设置为CUS2形式，能够发送中英文短信。第三步发送"AT+CSCA?"模块会按照SIM卡自主设置短信消息中心号码，只需要查询就可以了。第四步模块开始后需要执行SMS功能，需要先查询"AT+CPMS?"指令后返回正常，以避免出现"+CMS ERROR：515、517"的信息提示。第五步发送"AT+CSMP=17,167,0,24"修改短信文本模式，消息显示在终端（末尾为25，则消息储存在SIM卡中）。第六步发送"AT+GMGS= ? "为发送短信的内容，其中引号内容为中英文转化的Unicode（万国码）。最后发送"0x1a"确认发送。GSM模块短信发送流程如图13所示。相较而言，采用TEXT模式发送英文短信，必须更改为AT+CSCS="GSM",AT+CSMP=17,167,0,240。同时不需要将手机号和发送短信的内容转化为Unicode码。
图13
5 系统测试
5.1 模块测试
5.1.1 传感器的测试和OLED屏幕测试
检测环境为室内，当时体感温度为29摄氏度。检测到初始时OLED显示温度为28.87（单位摄氏度），具有1.13摄氏度的偏差。烟雾浓度为31，红外传感器显示有人，OLED屏幕此时显示正常。这些内容均在OLED屏幕上显示出来。测试如图14所示。
图14
当温度传感器靠近热源时（这里用手捂住温度传感器的方式）。温度显示34摄氏度，测试正常。当烟雾传感器靠近有毒气体时（这里采用打火机对着烟雾传感器MQ-2不打火只放气测试），浓度显示124。测试结果如图15所示。
图15
当单独检测红外传感器电压时，人的手靠近则为三点多伏特，当静止不动的时候，电压变化为零伏特。OLED屏幕上，显示"有人"自动变为"没人"。
5.1.2 GSM模块发送短信测试
GSM模块采用CUS2中英文发送模式发送一条中文短信"单片机课设"（转化成Unicode码为"53557247 673A8BFE8BBE"），到手机（手机号码也需要转化成Unicode码）。大概一分钟后手机接收到短信。测试如图16所示。
图16
5.2 系统测试
整个系统，当传感器检测到的数值超出设定的阈值，或者红外传感器检测到有人，则自动发送短信。此处设定阈值为30摄氏度，烟雾浓度为90。发送检测内容为温度传感器数字35，烟雾传感器数值80，检测到有人设定为"1"，修改发送到手机号代码为Uart1Sends("AT+CMGS=\" ?\"\r\n");//此处修改为对方的电话号。测试收到短信如图17所示。
图17
6总结
本家庭安全系统的设计在一定程度上解决了日常家庭生活中的危害。采用MQ-2模块对有毒气体进行检测，采用红外传感模块对是否有人进行检查测，采用DS18B20数字温度传感器模块进行检测。拥有防毒气泄漏，防盗，防火灾等功能。同时本系统配备了OLED显示功能，当用户在家时，可以观测到此时的温度与有毒气体浓度。当用户外出时，按下按钮，会增加一个防盗的人体红外检测。当检测到有人或则是传感器检测值超过阈值，就会自动发出警报，并且向用户手机发送短信。本次设计，根据各种模块的性能对比，综合选择更灵敏，成本更低廉的设备，极大的为用户节约成本，方便了用户的使用。当然，本系统虽然具有以上优点，但仍然存在一些不足。例如当用户在外，接收到短信时，并不能判断红外传感器检测到的是否是盗贼，如果这时候用户赶回家就会显得得不偿失。针对以上内容，若是搭载一个云WIFI模块和摄像头模块，将当时检测到的情况拍摄下来发送给用户，也许用户能会有更好的体验。
参考文献
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