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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：