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基于STC15F60S2的智能安防系统设计

专家
2013-01-22 11:34:31     打赏

作者:内蒙古科技大学秋实电子工作室 张德龙 郭建 云国栋
指导教师:王永平

作品简介

开发背景:
随着计算机技术、通信技术、控制技术的飞速发展,人们对居住环境提出了更高的要求,希望居住在一个生活现代化,环境舒适化、安全化的生活空间。而提供用户全面、可靠的环境监测信息是智能家居系统中尤为关键的部分之一。通过环境监测系统,用户可以实时获得居住环境的信息,如:温度、毒气浓度、火灾信息等。并将采集到的环境信息作为其他家庭设备运行时的参数,实现对环境的智能化控制。

系统的总体设计:
智能安防家居监控系统的总体结构框图如图所示,该系统
主要由数据采集模块、单片机控制模块、通信模块、显示模块和报警模块组成。 

 

结构说明:
主控制模块,采用STC15F2K61S2单片机作为主控单元;温度检测模块,采用DS1820温度传感器采集温度数据;煤气浓度检测模块,采用MQ-5传感器采集数据;烟雾浓度检测模块,采用MQ-2传感器采集数据;液晶显示模块,采用LCD1602液晶显示器显示;报警模块,采用灯光和蜂鸣器报警;实时时钟部分,采用PCF8563芯片,键盘设置采用独立按键方式;窗帘控制模块,采用步进电机来进行控制;排气扇模块,采用5V直流电机来控制;红外发射模块,采用三极管驱动红外发射管的方式来驱动,发射38KHz的载波;红外接收模块,采用VS1838B红外一体化接收头来接收载波信号;GSM模块,采用西门子的TC35 GSM模块;通信模块采用串口进行通信。

功能与使用说明:
红外对射装置用于防盗入侵报警。该模块采用VS1838B红外一体化接收头作为信号的接收端,以红外发射管作为信号的发射端。采用了载波发送信号,可以使信号传播的更远,更好的防止了外部噪音信号的干扰。
烟雾传感器采用了MQ-2传感器,可以灵敏的检测到室内烟雾的浓度,使单片机能够方便的检测到是否有火灾产生。
煤气传感器采用了MQ-5传感器,MQ-5可以方便的检测室内是否有煤气泄漏,传递信号给单片机,使之能够发送信号给GSM模块。
声光报警模块采用了四个LED灯和一个无源蜂鸣器,LED灯的亮灭有四种情况:正常情况下亮绿灯;有外部入侵的时候,第一个红色灯亮;有烟雾的时候(火灾)第二个红色灯亮;有煤气泄漏的时候,第三个红色灯亮。在正常情况下,蜂鸣器无声;在任何一种警情下都会间断的响起,用来警告现场人员。
电机及其驱动模块,因为板载电源功率有限,当直流电机转动的时候会有很大电流,拉低了芯片的电压。为了是主控芯片能够更稳定的工作,通过外接电源,以驱动步进电机和换气扇电机。步进电机用来控制窗帘的拉伸,直流电机用作换气扇。
光敏电阻用来感受外部光线,并传递参数给单片机,单片机根据亮度来调控窗帘的位置以及是否需要打开灯光。
时间及温度显示模块,采用LCD1602液晶,PCF8563实时时钟芯片以及DS18B20温度测量模块来采集室内的温度参数并且显示时间。可以掉电保护时间,不需要重新进行设定。另外可以根据时间来控制灯光是否需要打开,此部分设计为自动控制和人工控制两种控制方式,更加灵活适用。
通信模块使用西门子TC35 GSM模块,该模块可以通过串口接收单片机发送的指令,根据指令进行打电话或者发送短信操作,本设计中只用到了发送短信的功能。
主控芯片负责检测煤气,烟雾是否泄漏,灯光和窗帘的智能控制,液晶实时时钟和温度的显示及设置,在控制过程中不断发送38KHz的载波,以使辅助单片机能够不断接收到红外信号,并且负责向辅助单片机发送是否有警情发生的信号。
辅助单片机负责检测红外信号是否被阻断和接收主控芯片发送的警情信号,然后控制GSM模块来发送短信,完成声光报警和远程报警的功能。
图片:

  

平台选型说明

单片机开发板(STC15F2K60S2)

设计说明

整体设计方案:
单片机是整个监测报警系统的核心,系统的工作原理是:先通过传感器(包括温感、烟感和煤气浓度传感器)将现场温度、煤气浓度和烟雾浓度等非电信号转化为电信号,由A/D转换电路,完成将模拟信号到数字信号的转换,单片机判断是否发生异常,如果环境有异常系统将显示并报警。
1、主控芯片的选择:
STC15F2K60S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,采用第八代加密技术,加密性超强,指令代码完全面兼容8051,但速度快8-12倍,内部集成高精度R/C时钟, 5MHz~35MHz宽范围可设置,可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路(内部已集成高可靠复位电路,8级可选复位门槛电压)。8路高速10位A/D转换(30万次/秒),内置2K字节大容量SRAM,2组高速异步串行通信端口。
主控芯片电路原理图如下图所示: 

 

2、辅助芯片的选择
辅助芯片选择了STC89C52RC这款芯片,因为传统的单片机速度较慢,所以作为辅助芯片来使用时足够的。主要负责控制声光报警,红外接收和TC35的通信。
STC89C52RC芯片主要参数:
STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
主要特性如下:
(1)工作电压:5.5V~3.3V(5V单片机)/3.8V~2.0V(3V单片机)。
(2)工作频率范围:0~40MHz,相当于普通8051的0~80MHz,实际工作频率可达48MHz。
(3)用户应用程序空间为8K字节。
(4)片上集成512字节RAM。
(5)通用I/O口(32个)复位后为:P1/P2/P3是准双向口/弱上拉,P0口是漏极开路输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻,作为I/O口用时,需加上拉电阻。
辅助芯片电路原理图如下图所示: 

 

2、温度传感器
温度传感器采用DS18b20数字温度传感器,可以提供9-12位的数字量指器件的温度,信息经过单向接口送入DS18b20或从DS18b20送出,因此从处理器到DS18b20仅需连接一条线。读写和完成温度变换所需的电源可以由数据本身提供,而不需要外部电源。因为每一个DS18b20有一个唯一的系列号,因此多个DS18b20可以并联在同一条单线总线上实现多点测温,这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件。独特的单线接口,只需一个接口即可与单片机通信;多点能力使分布式温度检测应用得以简化;不需要外部元件;可用数据线供电;不需备份电源;测量范围从-55℃-+125℃,增量值为0.5℃。
温度传感器原理图如下图: 

 

3、烟雾传感器
MQ系列传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体。金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时,氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面,半导体表面的电子会被转移到吸附氧上,氧原子就变成了负氧离子,同时在半导体表面空间形成一个正的空间电荷层导致表面势垒升高。从而阻碍电子波动。在敏感材料内部,自由电子必须穿过金属氧化物半导体微晶粒结合部位(晶界)才能形成电流。MQ-2可用于家庭和工厂的气体泄漏检测装置,适宜于液化气、丁完、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。
烟雾传感器原理图如下图: 

 



关键词: 基于     STC15F60S2     智能     安防系统     设计         

专家
2013-01-22 11:35:24     打赏
2楼

4、煤气传感器
MQ-5气体传感器对液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度,对乙醇、烟雾几乎不响应。主要应用于家庭或工业上对液化气、天然气、煤气的检测装置优良的抗乙醇、烟雾干扰能力。
煤气传感器原理图如下图: 

 

5、A/D转换模块
STC15系列单片机的ADC是逐次比较型ADC,逐次比较型ADC是由一个比较器和D/A转换器组成,通过逐次比较逻辑,从最高位(MSB)开始,顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较,经过多次比较,使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高,功耗低等优点。基准电压与单片机电压相同,典型值为+5V,此时允许输入模拟电压0-5v。
本设计中采用查询式方法来采集数据,P1_0用作煤气浓度数据的采集,P1_4用作烟雾浓度数据的采集,P1_5用作光线亮度的数据采集。考虑到转换速度和实用性,采用了8位A/D转换器,转换结果寄存器配置为ADCJ=0,采用8位A/D转换器,显示的数据结果:(ADC_RES[7:0])=256*Vin/Vcc。
6、复位电路
复位电路的基本功能是:系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤销复位信号。为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。单片机在启动时都需要复位,以使CPU及系统各部件处于初始状态,并从初态开始工作。当系统处于正常工作状态时,且振荡器稳定后,如果REST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上,则CPU就可以响应并将系统复位。
7、显示电路
设计中显示器选用的是LCD1602液晶显示器。LCD1602为字符型液晶显示器,分为带背光和不带背光的两种,引脚说明如下:1脚,VSS,电源地;2脚,VDD,电源正极,接+5V;3脚,VL,液晶显示偏压,接正电源时对比度较弱,接地时对比度最高;4脚,RS,数据/命令选择,高电平时选择数据寄存器,低电平时选择指令寄存器;5脚。R/W,读./写选择,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作,当RS和R/W共为低电平时可以写入指令或显示地址,当RS为低电平R/W为高电平时可以读信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据;6脚,E,使能信号,当E端由高电平跳变为低电平时,液晶快执行命令;7-14引脚,D0-D7,8位双向数据线;15脚,BLA,背光源正极;16脚,BLK,背光源负极。
LCD1602显示模块原理图如下图: 

 

8、实时时钟芯片
实时时钟芯片在本设计中采用了PCF8563这款芯片,PCF8563是低功耗的 CMOS实时时钟/日历芯片,它提供一个可编程时钟输出,一个中断输出和掉电检测器,所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递,最大总线速度为400Kbits/s, 每次读写数据后内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。
特性:低工作电流——典型值为0.25uA、大工作电压范——1.0 ~5.5V、内部集成的振荡器电容、片内电源复位功能 、I2C总线从地址读0A3H、 写0A2H 。
实时时钟芯片原理图如下: 

 

9、声光报警模块
报警电路用蜂鸣器和LED灯,采用直流电压供电。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。电磁式又分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器,本设计采用的无源蜂鸣器。光报警是为了方便聋哑人在听不到声音报警的情况下能够了解当前室内环境的设计,正常状况下,绿灯会亮,第一个红灯亮起说明有外部入侵,第二个红灯亮起说明有烟雾(火灾),第三个红灯亮起说明有煤气泄漏。
声光报警原理图如下图所示:

 

10、红外对射模块
红外对射模块采用了三极管驱动红外发射管与一体化接收头组成的发射接收电路。通过单片机控制三极管的基极来控制三极管发射极的导通与截止,从而控制发射管两端的电压来控制发射管是否发射红外线。一体化接收头在接收到红外线是会输出低电平,未收到红外线时会被单片机引脚的上拉电阻拉高。
红外发射原理图如下图: 

 

红外一体化接收头原理图如下图: 

 

11、电机驱动模块
电机驱动模块采用了ULN2303芯片,这款芯片可以控制7个I/O口,来控制输出口的高低电平。本设计采用了PWM的方式来控制步进电机和直流电机,采用外部供电,以免引起单片机供电不稳定导致单片机工作不正常。
原理图如下图: 

 

12、GSM模块
GSM模块采用了西门子TC35模块,采用4个大功率电容和1个大功率电感超级稳定配合工作。模块要求电压3.3V-5.5V,电源默认是宽电压7-24V输入,也可以切换到5-24V输入。
TC35支持标准的AT命令,发送短信和打电话都是采用AT指令来控制。本设计中发送中文短信赖告知用户家中的情况。中文短信发送包含4部分:短信模式设置,短信长度设置,短信代码转换,短信发送。

作品特色

先进性:
该作品主要以STC15F2K61S2芯片为主控芯片,与外围器件相互链接构成一个比较完整的安防监控系统。一般的安防系统只能通过现场报警来提醒在场的人员发生警情,而不能远程通知家人或者亲友。此作品的先进之处在于能够在现场发出警报的情况下并且能够通过发送短信远程通知亲友,家中有情况发生,而且能够明确的指出发生了什么事情。
实用性:
当家中有老人或者小孩的时候,而自己上班或者外出的时候,就可以随时监控家中的实时状态,以防家中发生不测。在发生情况以后可以立即知道发生了什么并采取适当的措施,以将危害减小到最小。如果接收到有外部入侵的短信的时候,便可以远程打电话给家人或者报警,使得财务损失减小到最少,在检测到入侵的时候可以发生声光报警,可以警告小偷和邻居,使之畏而退却。如果检测到煤气和烟雾的时候,可以自动启动换气扇,以交换室内的气体,使得室内人员不会因窒息而死亡,有更多的时间来逃离现场。
创新性:
安防系统与智能家居的结合,使得该系统更加完善。该系统可以通过感受外部的光线来调节窗帘的位置,使得室内的环境更加优雅。在光线较暗的环境下,可以自动打开灯具,并且能够按时开关灯具,可以自动调节也可以手工控制灯具的开关,具有很好的灵活性。

系统演示视频:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2583


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