单片机课程设计报告
智能家居报警系统
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摘 要
智能家居是人们的一种居住环境，其以住宅为平台安装有智能家居系统，实现家庭生活更加安全，节能，智能，便利和舒适。
本小组设计的是基于STC89C52的智能家居报警系统，其主要模块包括单片机主控制系统、检测模块、密码锁模块、显示模块、报警模块等。
其主要通过人体热释红外感应获取室内人员信息，通过温度传感器获取室内温度，并发送信号到单片机，以输入密码的方式确定目标身份，并通过蜂鸣器、LED灯、语音报警、GSM短信报警的全方位方式联合来警示输错三次密码者或发生火灾。
本系统还可以不仅大大提高系统安全性及智能性，也方便用户的使用。相信在不久的将来，在物联网产业的不断推动下,智能家居将真正走进寻常百姓的家中，人们也将真正享受到智能家居的舒适生活。
【关键词】AT89C52单片机 检测 密码门禁 报警
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目 录
1.前言······························································3 2.方案选择与论证····················································3 2.1主控单元的选择··················································3 2.2温度传感器模块的选择············································3 2.3远红外检测模块的选择············································4 2.4密码键盘的选择··················································4 2.5显示模块的选择··················································5 3.总体电路设计······················································5 3.1 总体设计框图···················································5 3.2 总体电路图······················································6 4.单元电路设计·····················································6 4.1密码存储模块 ··················································7 4.2 检测模块························································7 4.2.1人体热释感应模块 ·············································7 4.2.2 温度探测模块··················································8 4.3 液晶显示模块 ··················································9 4.4 报警模块 ······················································10 4.4.1 蜂鸣器及LED报警·············································10 4.4.2 GSM报警·····················································11 4.4.3 语音报警·····················································11 5. 焊接与调试······················································13 5.1 电路焊接·······················································13 5.2 电路调试······················································14 6.收获与体会·······················································15 参考文献
附录：附录A：任务分配表 附录B：部分实物图 致谢
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1.前言
智能家居是现代社会最热门的话题之一，它的目标是通过网络等信息通信技术手段实现对家居电器等的智能控制，使其能够按照人们的设定工作运行，而不论距离的远近。正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。
短信服务（short Message Servicce, GSM）是 GSM（Global System for Mobile Communication） 系统中提供的一种 GSM 终端 （手机）之间， 通过服务中心(servicecenter)进行文本信息收发的应用服务，其中服务中心完成信息的存储和转发功能由于家庭环境设备功能各异，数据类型不同，必然需要使用不同的网络平台得以实现，物联网的技术集成融合，在此也得以体现。相信在不久的将来，在物联网产业的不断推动下,智能家居将真正走进寻常百姓的家中，人们也将真正享受到智能家居的舒适生活。
2.方案选择与论证
2.1主控单元的选择
方案一：选用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。FPGA作为新一代的可编程器件使得其应用较为灵活，功能从简单到复杂都可以实现，但是在该系统中，若使用FPGA则会提高系统的成本，同时由于增加的FPGA,也会给电路的维修工作带来不可必要的麻烦。
方案二：选用STC公司生产的STC89C52单片机。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
综合考虑后，选用功能相对简单而且能满足要求的单片机，即方案二。
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2.2温度传感器模块的选择
方案一：测温电路。可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。存在的主要缺点是：互换性差，同一型号的产品特性参数有较大差别；稳定性差较差；非线性严重，且不能在高温下使用。且设计需要用到A/D转换电路，电路比较复杂。
方案二：使用温度传感器。可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。电路连接简单，同种产品性能相差不大，性能稳定，可以方便的替换坏掉的传感器。而且价格不高。
综合考虑，采用方案二来设计实现。 2.3远红外检测模块的选择
红外发射接收有两种方式，可以采用主动和被动方式。主动方式需要红外接收源和相应的接收、检测设备，红外线的发、收光路，或对准，或依靠反射方式进行。为了加大监控距离，要求发射功率较大，接收灵敏度较高。主动方式最大的缺点是把运动着的生物体和运动着的非生物体区分开来，只要将红外线束或红外光路遮挡，就会触发误报。如果有物体坠落遮挡，都会导致误报。
被动式红外传感技术是利用红外敏感元件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大、处理，对被监控的对象实施监控。它能可靠地将运动着的生物体（人）和飘落的物体加以区别。同时，它还具有监控范围大、隐蔽性好、抗干扰能力强和误报率低等特点。
综合考虑后本设计采用被动式红外传感器作防盗传感器。 2.4 密码键盘的选择
方案一：独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。
方案二：矩阵式键盘（也称行列式键盘）适用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交点上。一个3×3的行列结构可以构成一个
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有9个按键的键盘。同理，一个4×4的行列结构可以构成一个16键的键盘，很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口。由于矩阵键盘中行列线为多键共用，各按键均影响该键所在行列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来做适当的处理，才能确定闭合键的位置。
为了节省I/O口，我决定方案二，矩阵式键盘，使用4×4的。 2.5显示模块的选择
方案1：采用利用发光二极管的特性组合而成的数字显示器件，通过驱动电路驱动相应的段码，控制相应的二极管的状态显示相应的数字，其中静态显示方式只能显示单个数字，而动态显示方式因其扫描时间会占用大量的系统资源。
方案2：液晶模块，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。采用1602液晶模块，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。而且其显示的字符在下一条指令为到来之前不会改变，能够维持显示的字符并且占用的系统资源也少。
综合比较上述两种方案，应采用1602液晶组成本设计的显示模块。
3.总体电路设计
3.1 总体设计框图
图1 智能家居设计框图
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3.2 总体电路图
本小组所设计的智能家居报警系统， 由密码锁模块、人体热释感应模块、温度探测器模块、LCD显示模块、语音报警模块、GSM模块和外围功能电路等功能模块组成，电路图如图所示,
图2 智能家居电路原理图
图3 智能家居PCB图
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4.单元电路设计
4.1 密码存储模块
AT24C02支持I2C总线数据传送协议,I2C总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据发送或接收的模式通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上。
密码存储模块如下图4所示。
图4 密码存储模块
4.2 检测模块
4.2.1人体热释感应模块
热释电红外传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，可以将其转化为与人体运动速度，距离，方向等有关的低频电信号。由于传感器的电压响应度与入射光辐射变化的频率成反比，因此，当恒定的红外辐射照射在探测器上时，探测器没有电信号输出，所以恒定的红外辐射不能被检测到；而物体移动速度越快，同样的入射功率下，输出电压就会越小，只有达到报警阈值电平时，探测器才会有电压信号输出。根据该特性，选择热释电红外探测器适用于盗情信号的检测。
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图5 人体热释感应模块
4.2.2 温度探测模块
温度探测器使用数字温度传感器DS18B20，5V直流电压供电。
DS18B20的测温原理是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，把温度信号直接转换为串行数字信号，通过内部计数器对受温度影响的振荡器周期的计数可实现温度测量。探测器中DS18B20采用寄生电源供电方式，保证在有效的DS18B20时钟周期内能提供足够的电流，图10中采用一个MOSFET管和MCU的I/0口来完成对DS18B20的总线上拉，然后通过另一I/0对DS18B20进行控制并取得温度值。
图6 温度探测模块
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4.3液晶显示模块
液晶显示屏的引脚图如图7所示。
图7 液晶显示屏引脚图
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用。目前液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。其中LCD1602液晶显示模块是常用的选择，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。其外围电路如图8所示。
图8 液晶显示模块
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4.4报警模块
4.4.1 蜂鸣器及LED报警
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，应用于电子产品中作发声器件。采用无源蜂鸣器实现，只要编写相应的程序即可实现发出不同频率的声音。蜂鸣器所使用的报警频率为单片机内部提供，不需外部提供时钟频率。因此，减少外围设备元件。而普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点。因此在报警机制中选择二极管与蜂鸣器相结合的电路，当检测出有异常情况的时候，对P2.3引脚输出方波，使得蜂鸣器发出哔哔哔声，二极管闪烁发光，达到声光报警的效果。
图9 蜂鸣器及LED报警
4.4.2 GSM报警
本次采用TC35型号的GSM短信模块，将单片机的RXD 和TXD引出来与GSM模块相连接。
GSM手机终端通信功能报警，采用GSM的短信功能,可以使某些控制达到“零距离\"。由于短信息的费用低廉,可以取代传统的无线遥控。模块有AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k,4.8k,9.6k的非透明模式。此外,该模块还具有电话簿功能、多方通话,漫游检测功能,常用工
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作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。 4.4.3 语音报警
ISD1420语音芯片是由美国ISD(Information Storage Device)公司开发的高保真、不怕断电、录放一体化的单片固态语音集成电路。其片内设有时钟振荡器、128K字节E2PROM(电可编程可擦除只读存贮器)、低噪前置放大器、自动增益控制电路、反混叠滤波器、平滑滤波器、模拟转发器、差动功率放大器等高品质语音录放系统所需的全部基本功能电路。 ISD1420引脚排列如图10所示。
图10 ISD1420引脚排列
ISD1420具有多种工作模式，其地址输入端具有双重功能。它可以根据地址中的A6、A7的电平状态决定A0—A7的功能。如果A6、A7有一个低电平，A0—A7输入全解释为地址位，即作为起始地址用，此时地址线仅作为输入端，在操作过程中不能输出内部地址信息。根据PLAYE、PLAYL或REC的下降沿信号，地址输入被锁定。如果A6、A7同为高电平时，它们即为模式位。操作模式可以方便的与微控制器一起使用，也可通过硬件连线得到所需系统操作。
地址0是ISD1420存储空间的起始端，所有初始操作都是从0地址开始，后面的操作可根据模拟模式的不同，而从不同的地址开始工作。当电路中的录、放音转换将进入省电状态时，地址计数器复位为0。当PLAYE、PLAYL或REC12
变为低电平，同时A6、A7为高电平时，执行地址线所对应的操作模式。这种操作模式一直执行到下一个低电平控制输入信号出现为止。其外围电路如图11所示。
图11 语音模块电路原理图
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图12 语音模块PCB图
5. 焊接与调试
5.1 电路焊接
由于我们小组的成员之前都不是很懂技术，基本是从零开始学习的，所以在初期设计阶段，花费大量时间学习软件操作。然后在制作过程中出现一些问题：
1 为了焊接的方便，将线调的很粗结果导致线与线之间的间隙较小，比较容易造成腐蚀不完全而引起的短路，经过后期调整，使得线的宽度与线与线之间的间隙保持一个平衡；
2 在布线的时候我们遵循的原则合理的布线原则以防止干扰防止降低板子的性能，布线要紧凑，格局要合理清晰，所有的线都不能太细因为太细有可能在腐蚀的时候把碳粉下面的线路也腐蚀掉。在设置焊盘的时候低估了焊盘的大小，结果导致钻孔的时候会把铜片给钻烂了；
3 为了使得PCB板的大小做到比较小，在元器件的排列上下了一点功夫，但是由于元器件与元器件过于紧凑，导致元器件与元器件存在空间上的挤压现象。比如液晶显示器把复位按钮给覆盖住，液晶显示器的边框对外围电路的滑动
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变阻器有一定挤压。
4在腐蚀覆铜板的时候因为我们的板子比较小我们只倒了适量的比较少的盐酸和双氧水，为后面做板的同学节省材料。
5 在热转印的时候，我们适当地调高了热转印机子的温度使碳粉覆盖在覆铜板上面的效果更好，来回过了40遍以上的次数。发现有些碳粉没有覆盖上去的时候，我们用油性笔把线路补充完整。
另外，我们在制作PCB电路板的时候，有些芯片的型号在Altium Designer 里面找不到原理图和封装，我们查找和观看Altium Designer的教学视频来学习如何制作元器件的原理图和封装并存放在库里面，我们学会利用元器件的data sheet 和画板软件来画出合适的PCB板，那么我们以后就不用依赖网上面的封装，因为我们学会了自己制作。
而在布线方面，我们没有采取自动布线，而是我们手动地布线，发现手动布线非常灵活，通过与万用板来对比，我们体会到制作PCB版的优越和灵活性。
板制作好后，我们便可以进行焊接了。我们在焊接电路板的时候，最好要对着自己的原理图以及PCB图来进行焊接。在焊接的过程中，我们要注意电容的极性，插座的方向等问题，还有就是焊锡的时候不要弄到短路，注意不要虚焊等问题。 5.2 电路调试
我们按照电路图制作和焊接完电路板以后就开始电路板的调试，下载完程序后，系统没有正常工作，灯也没有亮。以下是我们在调试过程中遇到的几个问题和解决方法。
1 接上电源后，液晶屏亮，但怎么调都不能正确显示。于是，我们就用万用表逐一检查电路。后来，发现液晶屏的D3脚存在虚焊的现象，经过补焊之后，液晶屏显示正常。
2 蜂鸣器声音不够大。经查阅资料才知道，无源蜂鸣器需要不断给予方波脉冲才能发出一定大小的声音，后来更换元器件选择了有源元器件。
3 串口电路不正常，GSM没办法正常进行通信。对电路仔细检查之后，确定是该模块电路在腐蚀过程中存在一定的短路和断路，为了节省时间，小组成员决定对该电路进行重新焊接，最后正常工作。
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6.收获与体会
为了本次课程设计，我们小组的所有成员都一直尽心尽力，每个人都很认真对待，合作的比较愉快。突然觉得，认真去做一件事，结果不一定会成功，但一定会有意外收获，我觉得，在这个过程中，收获了友谊，也学习到很多书本以外的东西，譬如动手实践能力、还有耐心等等。
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参 考 文 献
[1] 单片原理与应用开发技术. 王卫星.中国水利水电出版社.2009. [2] 电子技术基础（模拟部分）.康华光.高等教育出版社.2008. [3] 电子技术基础（数字部分）.康华光.高等教育出版社.2008.
[4] 杜成仁.智能家居的发展趋势[J].智能建筑与城市信息，2011，7：92~93. [5]刘艳玲.采用MAX232实现 MCS-51 单片机与 PC 机的通信[J].天津理工学院学报，1999，15（2）：57～61.
[6]何利民.MCS-51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
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附 录
附录A 任务分配表
姓名
任务分工
1.画原理图和PCB
2.完成GSM短信通知模块的编程 3.撰写完整的说明书 4.调试 1.完成单片机主要模块、键盘接口 及显示电路的编程
2.负责一定部分的说明书 3.调试
完成时间 ××
××
×× ××
××
1.制版钻孔
2.完成报警灯及蜂鸣器、语音报警 模块的编程 ××
3.焊接电路 4.主要调试者
1.完成温度探测器、远红外防盗探 测模块的编程
××
2.焊接电路 3.调试
××
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附录B 部分实物图
单片机主要模块电路
语音模块电路
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串口电路
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致 谢
本次课程设计是在我们小组的指导老师×××老师的引导下完成的。×老师对学生特别体恤，也对学生认真负责，在他身上，我们可以感受到一个工程技术师的严谨和务实，这些也使我们获益匪浅，希望借此机会向姜老师表示我们最衷心的感谢！
本次课程设计过程中，感谢我们小组的成员，感谢身边的朋友、同学给我们小组提的宝贵意见建议。在这里请接受我诚挚的谢意！
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