1、20102010 年山東省大學生電子設計競賽年山東省大學生電子設計競賽論文設計論文設計編 號： F甲3105 題 目：宿舍智能防盜防火報警系統學生姓名： 王金保 趙建行 宋磊磊 指導教師： 鄭桂興 單承剛 2010 年 9 月 20 日目目 錄錄摘摘 要要.1 1一、一、 方案設計與論證方案設計與論證 .2 21.1主控系統的選擇.21.2電源模塊的選擇.31.3無線收發模塊的選擇.31.4顯示模塊的選擇.31.5火災監測模塊的選擇.41.6人員監測模塊的選擇.41.7貴重物品監測模塊的選擇.4二、二、 硬件設計硬件設計 .5 52.1系統設計.52.2部分單元電路.62.2.1 自制可調穩壓

2、電源模塊 .62.2.2 鍵盤模塊 .62.2.3 煙霧傳感器模塊 .7三、三、 軟件設計軟件設計 .7 7四、四、 系統測試與結果分析系統測試與結果分析 .9 94.1測試環境.94.2測試方法.94.3測試結果.104.3.1 傳感器的測量.104.3.2 無線傳輸距離的測量.114.3.3 語音密碼功能校驗.114.3.4 下圖為工作狀態 LCD 顯示界面.114.4測試結果分析.12五、五、 設計總結設計總結 .1212六、六、 參考文獻：參考文獻： .1212七、七、 附錄附錄 .1313附 1：部分元器件清單.13附 2：系統使用說明書.13附 3：部分電路圖圖紙.143.1 自制

3、放大電路及其仿真圖.143.2 熱釋電紅外傳感器原理圖.143.3 自制 LED 顯示電路原理圖.153.4 PT2262 發射電路原理圖.15附 4：主要 C 程序.16摘摘 要要宿舍智能防盜防火報警系統采用 SPCE061A 單片機作為主控端與宿舍監控端的控制核心，包括無線收發模塊、熱釋電人體紅外傳感器、煙霧傳感器、光電傳感器、鍵盤模塊、LCD 液晶顯示模塊、聲光報警模塊等外圍設備。上位機與主控端直接通信，實現人機交互，體現智能化。主控端可以與各監控端無線通信，能顯示當前各監控端的安全信息與人員進出情況，并能發送一些安防提示信息。監控端具有人體監測、煙霧監測、聲光報警、語音提示、鍵盤解碼等

4、功能。煙霧傳感器放大電路、聲光報警電路、鍵盤電路、穩壓電源電路均為自制電路，經過測試均達到較好效果。利用無線通信實現主控端對各宿舍監控端傳感器模塊的控制。經過測試，本系統能夠很好的完成題目各項要求。關鍵字：SPCE061A 上位機 煙霧傳感器 熱釋電人體紅外傳感器 無線通信AbstractDormitory intelligent security fire alarm system adopts SPCE061A as the master and the monitoring control core and dormitory including wireless transceiver

5、 module, pyroelectric infrared sensors, smoke sensor body, photoelectric sensors, keyboard module, LCD LCD module, sound-light alarm module peripherals.PC and control the direct communication, realize human-machine interaction, intelligent. The control and monitoring can be wireless communication, c

6、an display the current safety information and the monitoring of personnel entering and leaving the situation, and can send some security message. The monitor has human monitoring, smoke, monitoring, sound-light alarm, audio, keyboard decoding etc. Function. Smoke sensor amplifier circuit, sound-ligh

7、t alarm circuit, keyboard circuit, manostat circuits are homemade circuit, after testing achieved better effect.Using the wireless realization of each dormitory master control module monitoring sensor. Through testing, this system can very good complete title requirements.Keywords: SPCE061A Principa

8、l Computer Smoke Sensors Pyroelectric infrared sensor body Wireless communications一、一、 方案設計與論證方案設計與論證本宿舍智能防盜防火報警系統是一種新型的電子安全報警系統，該系統的設計是將電子探測、智能控制和無線通信相結合，從而形成一個智能防盜、防火報警系統。系統總體由煙霧傳感器、熱釋電人體紅外傳感器、鍵盤模塊，語音提示模塊，無線傳輸模塊組成，系統組成如圖 1.1 所示。主控室宿舍1宿舍n光電開關熱釋電人體紅外傳感器煙霧傳感器金屬傳感器控制部分監測部分顯示部分發光二極管LCD顯示喇叭圖 1.1 系統框圖為了較

9、好的實現系統各個監測模塊的功能和彼此之間的配合銜接，并且考慮到性價比，我們對系統各部分做了幾個方案并對其進行了設計對比論證，具體論證如下：1.11.1 主控系統的選擇主控系統的選擇方案一：采用通用的 51 單片機作為主控制器。51 單片機通用靈活、價格低廉、使用方便，但此單片機字長有限，數據處理能力很弱，處理速度較慢，資源不夠豐富，需要擴展較多的外圍電路，降低了系統的可靠性，增加了制作的費用，難以滿足本設計要求。方案二：可編程邏輯器件 CPLD,它具有編程靈活、集成度高、設計開發周期短、適用范圍寬、開發工具先進、設計制造成本低、標準產品無需測試等特點，可實現較大規模的電路設計。但是，該器件主要

10、依賴于軟件設計，缺少硬件的配合，致使程序設計復雜，難以使用，運算速度太快。CPLD 同樣難以滿足本設計的需要。方案三：采用凌陽公司的 SPCE061A 單片機。凌陽 61 單片機 RAM，ROM 空間大、指令周期短、運算速度快、低功耗、低電壓、程序易于編寫和調試，且具有 DSP 功能、支持在線仿真。開發更加容易，使整個系統變得更加簡單，性價比較高，C 語言與匯編語言可以互相調用，具有 10 位 A/D 轉換和兩路 D/A 轉換器，有強大的數模轉換功能。通過分析比較之后，為了獲得豐富的接口資源，基于 61 單片機簡單易學且性價比高等特點，我們采用方案三。1.21.2 電源模塊的選擇電源模塊的選擇

11、方案一：采用 1.5 伏干電池。體積小，重量輕，使用靈活方便。但是不滿足長時間的持續供電。方案二：采用直流穩壓電源。輸出精度高，0 到 32V 可調，調節范圍大，使用簡單，但是體積重量較大，不方便攜帶。方案三：自制 0 到 24V 直流穩壓電源。體積小，重量輕，攜帶方便，輸出電壓可調。為避免單片機與外圍模塊電源之間的干擾、本著輕便節約的思路，單片機供電我們采用方案一，其外圍模塊供電我們采用方案三。1.31.3 無線收發模塊的選擇無線收發模塊的選擇方案一：利用凌陽 SPCE061A 單片機配備的無線收發模組，它能精確的收發信號實現各節點與主控室之間的通信，頻率較高，價格昂貴，不適用于公寓監測系統

12、的大面積推廣。方案二：采用常用的 PT2272/2262 系列實現無線收發，芯片為 CMOS 工藝制造，功耗低，外圍電路簡單，電壓工作范圍寬，數據可達到 6 位，地址碼多。收發距離遠，測量精度高。綜合分析上述方案，為滿足設計需要，我們采用方案二。1.41.4 顯示模塊的選擇顯示模塊的選擇方案一：使用 LED 數碼管顯示。該方案控制部分簡單，且 LED 數碼管比較直觀，可視化強。但是只能顯示非常有限的符號與數字，占用資源較多且信息量少，顯然不能勝任設計復雜的顯示功能。方案二：采用 LCD 顯示。自帶字庫，有豐富的文字和圖形顯示功能，有良好的人機交換界面。LCD 的全中文界面顯示，使得顯示內容豐富

13、，易于人機交流。 考慮到顯示內容較多、方便人機交流我們選用 LCD 液晶顯示器。1.51.5 火災監測模塊的選擇火災監測模塊的選擇方案一：由于火災產生時會散發出大量的熱，因此我們考慮采用熱敏傳感器。當溫度達到熱敏傳感器的臨界值時，會發出報警，但是溫度難以控制，無法把握，并且當熱度很高時就已經很難控制。 。方案二：采用半導體式 CO 探測器。具有靈敏度高，相應速度快等優點。但是傳感器潮濕后失效退化，長時間后敏感度會下降。方案三：采用煙霧傳感器。當煙霧探頭碰到煙霧或者某些特定的氣體時煙霧探頭內部阻值發生變化，傳送出高電平，再經過外電路傳給單片機，再由其發生信號。綜合上述討論，我們采用方案三，不僅能

14、監測到火災發生時的情況，而且還能有效的控制宿舍內抽煙的頻率。1.61.6 人員監測模塊的選擇人員監測模塊的選擇方案一：采用光電開關。能監測到人員通過，經濟實用，并且監測距離適中，性價比較高，適用于公寓監控系統。方案二：利用圖像識別的原理。先提前把宿舍人員信息存儲起來，對宿舍的人員進行辨別，當非本宿舍人員進入時便提示并報警，直到宿舍人承認并消除報警后再停止報警，利用圖像識別不僅能實現報警功能，而且還能實現記錄進入人的面貌，但是其成本高，推廣起來不方便，不適用于學校宿舍的推廣。方案三：采用熱釋電人體紅外傳感器。菲涅爾濾光片能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而阻止太陽光、燈光等可見光中的紅外線通過，免

15、除干擾。在電子防盜、人體探測器領域中，應用廣泛，技術性能穩定。本身不發生任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價格低廉。考慮到現實環境因素，人員出入情況選擇方案一，宿舍內人員有無情況選擇方案三。1.71.7 貴重物品監測模塊的選擇貴重物品監測模塊的選擇方案一:采用振動傳感器。將振動的加速度轉換成與之成比例的電壓輸出。可以檢測環境振蕩及低振蕩，當物體移動時就報警，達到實時檢測，但是其抗干擾能力低，而且麻煩，不利于一些經常移動的物體檢測。方案二：根據超市等一些大型場合的防偷盜檢測原理，采用貼條形碼的形式，將貴重物品的表面貼上條形碼，將檢測裝置放置在宿舍的門口，當物品被拿出時便報警。方案三：采用金

16、屬傳感器。考慮到宿舍的一些大部分貴重物品如電腦，手機，MP3 等是金屬的，因此可以采用金屬傳感器來檢測是否被拿出宿舍，以此來監測貴重物品。綜合上述方案，考慮推廣普及成本及監測效果，我們采用方案三。二、二、 硬件設計硬件設計2.12.1 系統設計系統設計整個系統由 SPCE061A 單片機控制，利用無線收發模塊實現單片機之間的通信，宿舍單元的單片機控制各傳感器的工作狀態，并對其進行監測。主控室主要由聲光報警、LCD 顯示與鍵盤控制模塊組成。系統結構如圖 2.1 所示。宿舍單元SPCE061A單片機宿舍單元SPCE061A單片機主控室SPCE061A單片機熱熱釋釋電電紅紅外外傳傳感感器器光光電電開

17、開關關煙煙霧霧傳傳感感器器鍵鍵盤盤控控制制端端鍵鍵盤盤控控制制端端鍵鍵盤盤控控制制端端聲聲光光報報警警熱熱釋釋電電紅紅外外傳傳感感器器光光電電開開關關煙煙霧霧傳傳感感器器無無線線通通信信無無線線通通信信LCD顯顯示示上位機圖 2.1 系統結構圖2.22.2 部分單元電路部分單元電路2.2.12.2.1 自制可調穩壓電源模塊自制可調穩壓電源模塊所需元器件：變壓器（220/24V） 、二極管 IN4007、穩壓芯片 LM317。電路經過 220/24V 變壓器將市電轉換為可以利用的 24V 電壓，再經過電橋的整流，電容濾波，LM317 穩壓，最終達到基本穩定的電壓將其輸出。可以調節變阻器 R2 的

18、阻值來改變輸出電壓，選擇需要的電壓值。穩壓電源電路如圖 2.1所示。圖 2.1 穩壓電源電路2.2.22.2.2 鍵盤模塊鍵盤模塊4*4 鍵盤采用線選法。先掃描行線，并都送高電平，另外四根作為接收線，并從接收線取得一個數據 keyfirst，然后把剛才的接收線作為掃描線，并都送高電平，把剛才的掃描線作為接收線，并從接收線取得一個數據 keylast，通過對這兩個數據的處理即可得出是哪個鍵按下。其電路原理圖如圖 2.2 所示：圖 2.2 4*4 鍵盤原理圖1*8 鍵盤采用共陰極接法，另外八條作為數據采集線，單片機時刻掃描數據采集線，當掃描到低電平時代表相應按鍵按下。其電路圖如圖 2.3 所示：圖

19、 2.3 1*8 鍵盤原理圖2.2.32.2.3 煙霧傳感器模塊煙霧傳感器模塊所需元器件：MQ-2 煙霧傳感器、LM324 芯片、發光二極管、滑動變阻器等。本電路通過煙霧傳感器對煙霧進行檢測，檢測結果經過電容濾波，U1B 進行電壓的比較，通過 U1A 進行放大，輸出開關變量給單片機，單片機對其電平的高低做出判斷，進行相應的處理。用發光二極管查看電路是否工作。煙霧傳感器電路如圖 2.4 所示。圖 2.4 煙霧傳感器原理圖三、三、 軟件設計軟件設計程序主要分為主控端程序與各監控端程序，主控端主要實現對監測端傳來的信息的處理及保存，及時的反饋到監控端，還實現與上位機的通信。檢測端主要對各傳感器監測到

20、的信號進行分析，并及時傳給主控端，做出相應的判斷與處理。開始各模塊初始化傳感器檢測有無異常YN語音提示關門煙霧傳感器檢測光電開關記錄人員進出情況Y熱釋電人體紅外傳感器檢測NY 是否是最后一人YN聲光報警將監測信息通過無線傳輸給控制端 是否第一人進入YN輸入解鎖碼 密碼是否正確聲光報警等待解警YN圖 3.1 監測點程序框圖開始各模塊初始化時鐘顯示接收信息PC機存儲最近一年信息、可查詢狀況節點位置信息處理信息處理BA無線發送無線發送采集信息發送控制信息存儲近七天信息圖 3.2 主控程序流程圖四、四、 系統測試與結果分析系統測試與結果分析4.14.1 測試環境測試環境模擬宿舍房間布局，成比例的制作一

21、個系統模擬平臺，并將熱釋電人體紅外傳感器，煙霧傳感器等模塊放在適當的位置，達到完全模擬宿舍房間的功能。并且另外模擬主控室房間。4.24.2 測試方法測試方法采用先局部后整體的方法，分模塊進行測試，測試成功之后將各個模塊整合，進行總體測試，記錄數據，并對其進行分析。首先將各個傳感器關閉，測試無線傳輸的距離，在檢測的最佳距離范圍內開啟各個傳感器，分別測試各傳感器的功能實現情況，并對其進行記錄。4.34.3 測試結果測試結果4.3.14.3.1 傳感器的測量傳感器的測量各端口初始化，并開各傳感器、打開主控端與監控端無線通信，進行整體測量，經過多次測量取有效值，得數據如下：表 2 各傳感器測量數據表

22、類別宿舍宿舍現有人員是否有煙霧及吸煙人密碼是否錯誤LCD 顯示部分是否發出提示或報警A無人有是A 宿舍 異常 0 人提示并報警A無人無是A 宿舍 異常 0 人提示并報警A無人有否A 宿舍 異常 0 人提示并報警A無人無否A 宿舍 正常 0 人提示關門A一人有是A 宿舍 異常 0 人報警無提示A一人無是A 宿舍 異常 0 人報警無提示A一人有否A 宿舍 異常 0 人報警無提示A一人無否A 宿舍 正常 0 人無B無人有是B 宿舍 異常 1 人提示并報警B無人無是B 宿舍 異常 0 人提示并報警B無人有否B 宿舍 異常 0 人提示并報警B無人無否B 宿舍 正常 0 人提示關門B一人有是B 宿舍 異常

23、 0 人報警無提示B一人無是B 宿舍 異常 1 人報警無提示B一人有否B 宿舍 異常 1 人報警無提示B一人無否B 宿舍 正常 0 人無4.3.24.3.2 無線傳輸距離的測量無線傳輸距離的測量我們采用 PT2272/2262 無線傳輸模塊，并利用自制 LED 數碼管顯示二進制數據，20m 發送數據 0001，40m 發送數據 0010，50m 發送數據 0100，60m 發送數據 1000。顯示數據如下：表 1 無線傳輸距離測量顯示以上數據表明 PT2272/2262 正常工作范圍 0 到 50m。4.3.34.3.3 語音密碼功能校驗語音密碼功能校驗初始密碼設為 123，根據語音提示進行密

24、碼修改和密碼解警。表 3 語音解碼功能校驗數據表123次數輸入現象輸入現象輸入現象1123請輸入新密碼456請再次輸入密碼456密碼修改成功2123請輸入新密碼789請再次輸入密碼456兩次輸入密碼不相同3456請輸入密碼567請輸入密碼124報警4.3.44.3.4 下圖為工作狀態下圖為工作狀態 LCDLCD 顯示界面顯示界面 20m40m50m60m100010010010001002000100100010001030001001001000100距離次數4.44.4 測試結果分析測試結果分析從測試數據可以看出，宿舍防盜防火報警系統運行正常，能按照題目要求進行測試周圍環境的變化，并發出報

25、警。其中的無線傳輸模塊可以達到 50m 左右，能很好的符合題目的要求，各模塊測試也基本正常，基本上實現了各功能的測試，創新部分的語音密碼功能也符合了我們的思路。五、五、 設計總結設計總結經過這四天三夜的努力，我們實現了題目的基本要求，發揮部分也大部分實現了功能。通過不斷的硬件試驗和程序調試，宿舍防盜防火報警系統能較好的按照題目的要求運行。但是好的結果總是經歷不平凡的坎坷，期間我們曾不斷調試煙霧傳感器的精確度，讓其達到比較精確地目的。由于時間緊，工作量大，加之我們經驗不足，水平有限，系統還存在很多需要改進的地方。經過改進，相信系統會更加具有說服力，并且更加美觀大方。本次競賽極大地鍛煉了我們各方面

26、的能力，我們懂得了合作的重要性與思維的無限性。雖然我們遇到了很多困難與障礙，但是總體上成功與挫折交織，困難與希望并存，今后我們將繼續努力，爭取更大進步。科技落實生活，創新改變生活，希望人人都能馳騁在無限思維的海洋中。六、六、參考文獻：參考文獻： 1 羅亞飛凌陽十六位單片機應用基礎北京航空航天大學出版社，2005.52 譚浩強 C 語言程序設計（第二版） 清華大學出版社，1999.123 高峰單片微型計算機原理與接口技術北京科學出版社4 閻石數字電子技術基礎高等教育出版社，2006.55 童詩白 模擬電子技術基礎高等教育出版社，2006.56 曾興雯高頻電子線路高等教育出版社 2004.17 黃

27、智偉無線發射與接收電路設計北京航天航空大學出版社，2004.5七、七、 附錄附錄 附附 1 1：部分元器件清單：部分元器件清單序號名稱型號數量功能1單片機SPCE061A 單片機3控制2熱釋電人體紅外傳感器PIR3檢測是否有人3煙霧傳感器MQ-22檢測煙霧4LCD 液晶顯示屏SPLC701B1顯示5鍵盤自制3控制6光電開關6檢測人員進出7聲光報警器自制3報警8金屬探測器3貴重物品進出9芯片、電阻等若干 附附 2 2：系統使用說明書：系統使用說明書鍵盤的功能如下表，當需要修改密碼時按修改密碼鍵即可實現，剩余三個為保留鍵，當需要時可以設置其功能，讓其實現特定功能，第一個人進入宿舍時需要輸入密碼，當

28、三次輸入密碼錯誤時，會發出聲光報警，輸入錯誤便不報警。確認確認8475清除清除162930如果金屬探測器監測到信號時會發出報警，需要輸入密碼解警，否則一直報警，主控室同樣可以解警。 附附 3 3：部分電路圖圖紙：部分電路圖圖紙3.13.1 自制放大電路及其仿真圖自制放大電路及其仿真圖所需元器件：芯片 LM324、220k 滑動變阻器本電路為最基本的放大電路，其功能只是實現信號的放大作用，可以用于有放大功能的電路，電路利用 LM324 的放大作用，再添加一些基本的外圍電路，達到穩定的放大，并且能夠達到不失真的效果。在輸入信號為電壓 200mV，頻率為 60HZ 是輸入電壓值時，將可調變阻器調到最

29、大時輸出電壓可以達到3.953V。放大倍數大約為 15 倍。放大電路及其仿真結果如圖 7.1 所示圖 7.1 放大電路3.23.2 熱釋電紅外傳感器原理圖熱釋電紅外傳感器原理圖所需元器件：BISS0001、RE200B、極性電容該電路由熱釋電人體紅外傳感器及其主要的芯片 BISS0001 組成，其間加一些外圍電路來實現熱釋電的檢測功能，將檢測結果經過 Vo 輸出給控制器。熱釋保留保留保留保留保留保留修改修改密碼密碼電人體紅外傳感器如圖 7.2 所示圖 7.2 熱釋電人體紅外傳感器3.33.3 自制自制LEDLED顯示電路原理圖顯示電路原理圖所需器件：發光二極管、八段數碼管、ULN2003N 芯

30、片、三極管 8050、電阻數碼管中的段選先經過三極管 8050 放大后再連接到數碼管上，目的是讓數碼管顯示亮度提高，段選經過芯片 ULN2003A，連接到排針上。發光二極管連接到 G7短，有其進行控制。LED 顯示電路如圖 7.3 所示圖 7.3 LED 顯示電路原理圖3.43.4 PT2262PT2262發射電路原理圖發射電路原理圖所需器件：芯片 PT2262、三極管 8050、電阻電容若干。其電路圖如圖所示7.4 所示圖 7.4 PT2262 電路圖 附附 4 4：主要：主要 C C 程序程序主控端程序：主控端程序：#includeSPCE061A.hunsigned DataA,Data

31、B,RSAT,RSBT,Flag,Temp,CountR,CountS ,Data;main() SystemInit(); /系統端口初始化 LCD501_Init(0 x00);/LCD 模塊顯示初始化LCD501_SetPaintMode(0);LCD501_SetContrast(10);LCD501_FontSet(0);KeyInit();/鍵盤模塊初始化*P_INT_Ctrl |=0 x0010;/開中斷_asm(INT IRQ,FIQ);RSAT=0;/變量初始化RSBT=0;while(1)StartDisp();/顯示歡迎界面，進入主菜單DISPSS(A);/顯示 A 宿舍

32、信息DISPSS(B);/顯示 B 宿舍信息 DispTime();/顯示系統時間 Receive();/接收各監測端*P_Watchdog_Clear=0 x0001;/清看門狗監測端主函數：監測端主函數：#includeKey.h#define P_IOA_Data(volatile unsigned int *)0 x7000#define P_IOA_Buffer(volatile unsigned int *)0 x7001#define P_IOA_Dir(volatile unsigned int *)0 x7002#define P_IOA_Attrib(volatile unsigned int *)0 x7003#define P_IOB_Data(volatile unsigned int *)0 x7005#define P_IOB_Buffer(volatile unsigned int *)0 x7006#define P_IOB_Dir(