一种基于单片机的家用智能防火防盗报警器的设计

一种基于单片机的家用智能防火防盗报警器的设计

技术领域

本发明专利涉及电子设计技术领域，尤其涉及一种基于单片机的家用智能防火防 盗报警器的设计。

背景技术

报警设备对于保护人们的生命和财产安全至关重要。目前防盗报警产品在我国的 普及率只有20%，与欧美等发达国家高达70%的普及率相比，我国防盗报警产品市场的发展 才刚刚起步，尤其在家庭安防报警系统方面的认可度和普及率更低。随着人们安全防范意 识的提高，会有更多的人选用家庭安防报警产品，可以预见家庭安防报警系统将会有非常 广阔的发展空间。现有的家庭安防报警系统按使用场所可以分为联网型和单户型两大类。 联网型家庭安防报警系统由多个小型报警系统经过联网组成社区型的安防报警中心，报警 中心一般使用报警接收机、计算机系统和打印机设备等。当报警事件发生时，报警点的数据 显示在电子地图的相应位置，同时计算机系统可以调出报警点的配置和现场各种数据资 料，供警情处理人员快速判断和处理。联网型家庭安防报警系统主要应用于新建小区，而且 需要用户普遍接受该系统。

随着现代电子技术、计算机技术、通信技术、传感技术和制造业技术等的迅速发 展，有关家庭安防报警方面的产品也愈来愈丰富。近年来国内外已有如博世、霍尼韦尔、艾 礼富科立信、联腾、宏泰等多家品牌公司开发研制出了一系列的家庭安防报警产品，它们可 以通过有线或无线的方式完成一些报警和求助等功能，并且进行了比较成功的应用。例如 上海联腾公司的报警主机LT-B2102/ZX1具有电话语音远程报警功能，包括支持通过公用电 话网或GSM（手机网络）远程报警、支持连续拨打5组预置的电话号码并进行语音报警；可通 过本地电话机进行报警电话号码的预置；还具有电话远程控制功能,即通过公用电话网或 GSM（手机网络）远程控制，例如可通过电话对报警主机进行远程布防（根据提示输入密码）， 打开强光灯，打开警笛报警以及对报警信号进行远程警情确认等。

可以预见，智能住宅智能小将成为21世纪建筑业的发展主流特别是在我国随着人 们生活水平的日益提高评价住宅小区的重要指标。住宅小区是否智能化，安防系统是否完 备、可靠将成为评价住宅小区的重要指标。

发明专利内容

本发明专利涉及一种基于单片机的家用智能防火防盗报警器的设计，本发明设计了一 种基于公用电话网、多传感器综合应用的新型家庭防火防盗智能报警系统，该系统以烟雾 传感器、温度传感器、远红外线传感器、微波传感器和CO传感器为检测元件，以89C51单片机 为控制核心，组成一种自动防火防盗报警系统，它可以通过多种方式进行报警，并借助电话 等现代化通讯手段进行信息传递，本系统各个部分能与单片机主机相互联系，以使系统能 对防盗报警系统进行集中管理和控制。

附图说明

图1：家庭防火防盗报警系统功能框图。

图2：复合型火灾探测器原理示意图。

图3：光电感烟探测器原理图。

图4：双鉴探测器原理示意图。

图5：自动拨号报警电路图。

图6：语音报警电路框图。

图7：显示电路图。

图8：系统软件主程序流程图。

图9：检测报警模块程序流程图。

图10：拨号模块程序流程图。

图11：语音子程序流程图。

图12：语音模块程序流程图。

图13：按键模块程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明专利，并不用于限定本发明专利。

本发明专利涉及一种基于单片机的家用智能防火防盗报警器的设计，本发明设计 了一种基于公用电话网、多传感器综合应用的新型家庭防火防盗智能报警系统，该系统以 烟雾传感器、温度传感器、远红外线传感器、微波传感器和CO传感器为检测元件，以89C51单 片机为控制核心，组成一种自动防火防盗报警系统，它可以通过多种方式进行报警，并借助 电话等现代化通讯手段进行信息传递，本系统各个部分能与单片机主机相互联系，以使系 统能对防盗报警系统进行集中管理和控制。

进一步的，本发明是一种新型的电子安全报警系统，该系统的设计是将电子探测、 智能控制和电话通讯技术相结合，从而形成一个两级联网通讯的防盗、防火报警系统。智能 防火防盗报警系统的硬件主要由7大部分组成：传感器检测电路部分，主控单元电路， DTMF 拨号电路，语音报警电路，键盘接口电路及显示电路，忙音、回铃音检测电路。系统硬件结构 如图1所示。

进一步的，本发明的报警主机作为信息的检测与处理中心，负责对探测器发送的 报警信号的检测和分析以判断发生的警情种类以及需要进行的相应处理。报警主机可以完 成拨号报警，打开警笛、强光灯、蜂鸣器等的处理任务。

进一步的，本发明的探测器是用来探测各种可能发生的警情，并将发生的警情通 知报警主机，是防盗报警系统的关键部件之一。传感器是探测器的核心元件，采用不同原理 制作的传感器，可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的探测器。

进一步的，本发明的用户端自动报警器安装于居民住宅，用于对居民住宅各个不 同部位的不同类型探测智能化住宅防盗防火报警系统器（红外、微波、光电感烟、温度、一氧 化碳）进行监测与控制，并对从各个探测器采集来的数据进行处理。一旦有人非法入室、室 内起火、煤气泄漏等情况发生时，与之相对应的报警探测器立即将相应的报警信号（探测器 的编号）加密后传送给报警主机，报警主机对报警信号进行解码和判断，得出报警类型，确 认无误后，通过家中的电话线路自动拨号报警，并与中央控制器建立联系，将相关信息传送 至中央控制器中。

进一步的，本发明可以实现如下功能：89C51单片机对双音多频(DTMF)编、译码器 的控制，使住宅通过电话网实现与相关部门之间的数据交换， DTMF拨号电路与89C51单片 机通过电话网络完成住宅与外部的联络。当探测器检测到意外情况后，就发出报警电平信 号到主控制部分89C51单片机处，单片机通过接口电路对读取的电平进行处理，然后控制双 音多频拨号芯片向电话线路拨出电话号码，与此同时控制语音芯片拨出事先录制好的语音 信号到电话线路，实现语音报警，拨号完成接听回铃声后，模拟挂机，从而完成向区域控制 中心的单位保卫部门、110/119报警台电话机或用户发出呼叫信号，告知对方住宅被盗或有 火灾发生。报警系统在拨号报警的同时启动现场报警器，进行事件的现场光（LED）报警，并 启动语音电路，播放相应警情的语音提示音。系统不需要另外占用电话线路，当有报警信号 时，报警电话享有电话线路的优先权。本系统还配置有应急按键，当家庭出现紧急情况时可 通过报警主机键盘上的应急按键直接拨号报警。

进一步的，本发明的防火探测器是由温度探测、光电感烟探测和一氧化碳探测构 成的复合型火灾探测器。多传感器设计思想解决了传统防火探测器一直存在的误报率高的 问题，增强了火灾探测的可靠性。复合型火灾探测器原理如图2所示。由于单元探测技术所 采用的单一参数火灾探测器对火灾特征信号响应灵敏度的不均匀性，导致它对实际火灾的 探测能力受到了限制，尤其是用于对家庭住宅火情的准确探知更是尤为重要。因此，报警系 统中对火灾信号的检测采用多传感器/多判据的火灾探测技术，将探测器探测到的多元火 灾探测信息经单片机进行综合判断，在软件设计中加入了神经网络智能算法，仿真实现了 多元同步智能探测。实际上，响应各种不同类型的火灾，通常使用不同类型的火灾传感器， 它们有不同侧重的检测对象。光电感烟探测器不仅可探测一般火情，对阴燃火尤其有极好 的探测效果，主要用于火情早期各种燃烧的烟雾颗粒进行探测，这一点就弥补了感温探测 器对阴燃火不敏感，响应速度慢以及不能区分是火灾的热还是空调或烹饪蒸气的热等缺 点；但温度与光电感烟探测器都不能区分有些烟雾究竟是火灾的烟还是烹饪蒸汽或香烟的 烟雾，由此，在设计中增加了CO探测部分，可以探知早期火灾烟雾中的CO成分，这样就大大 降低了各种环境因素的干扰，提高了报警的可信度。神经网络算法处理己实现，本系统中只 取用其处理后的报警信号进行自动拨号报警处理。

进一步的，本发明的温度探测器使用数字温度传感器DS1820，它只有三个引脚，是 将温度传感器和信号调理电路集成在一块芯片中，节省了外围硬件，应用非常方便。DS1820 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。

进一步的，本发明整个电路主要分为红外线脉冲发射部分和接收部分，一旦发生 火灾，烟雾中的细微颗粒将对红外线脉冲发生漫反射，并变换成相应的电信号，该信号由运 放交流放大后经比较器送单片机处理并报警。电路原理如图3所示。红外发射电路中的555 电路用于产生频率可调的脉冲波形，使用555电路的一个主要优点是输出脉冲的占空比可 调，便于设计不同要求的驱动输出。比较器的反相端接电阻器和可调电阻器，这样就可以根 据探测器所需要的不同灵敏度来调节比较电位。

进一步的，本发明的CO气体探测器是采用MGS1100一氧化碳传感器作为CO敏感元 件，对CO响应的选择性好，并具有灵敏度高，稳定性好等特点。在信号采集的同时加以温度 补偿，最后利用MCU单片机进行实时控制和特性修正。防火探测器电路由上述三种传感器组 成，克服了环境因素的干扰。单片机进行处理时可采用多循环检测，在达到了规定检测次 数，并且每次均检测到了烟雾信号和CO气体信号，测量温度也超出报警温度上限时，MCU发 出火灾报警信号，否则认为没有火灾发生。

进一步的，本发明的防盗探测器是由红外与微波探测器组成的双鉴探测器。较之 以往的微波或红外单信号探测器，其误报率明显下降，原理示意如图4所示。双鉴探测器工 作时将探测到的红外和微波两种信号经过与非门处理后送单片机，即只有同时检测到两个 探测器输出端口为高电平信号时，自动报警器才会响应盗情报警信号，否则不报警。实验发 现，在红外探测器中，通过菲涅尔透镜的分割方式的改变可以降低由于小宠物引起的误报， 从而弥补了微波探测器监视面积较大的弱点：但红外探测器对环境温度的变化比较敏感， 而微波探测器所检测的只是活动的目标，所以对于如果只是温度变化引起的干扰并不会被 自动报警器响应。通过这样双重的检测就进一步减小了外界干扰，降低了报警信号误报的 发生率，下面详细介绍本系统中红外与微波探测器电路的设计原理、特点以及实际的工作 过程。

进一步的，热释电红外线防盗探测器中的检测元件是BISS0001，该器件是CMOS数 模混合专用集成电路，多用为红外专用芯片，它具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多 种传感器匹配，进行信号预处理。另外它还具有双向鉴幅器，可有效抑制干扰，其内部设有 延迟时间定时器和封锁时间定时器。

进一步的，微波防盗探测器是由MOS场效应管C3355、电阻和电容组成的高频振荡 电路，电路产生微波信号后经过人或物体反射和原信号产生频移，微小的频移信号经过放 大处理后输出报警信号。报警范围实测为7~8m，可有效地进行实时探测。防盗探测器电路是 由以上两种类型探测器组成，在单片机内部进行信号处理时，将探测到的红外和微波两种 信号进行“与”运算，即只有同时检测到两个传感器端口信号时，主机才会发出盗情报警信 号，否则不于报警。

进一步的，MCU微处理器对双音多频编、译码器的控制，使住宅通过电话网实现与 相关部门之间的数据交换；微处理器对各传感器的信号检测和控制。MCU通过对接口电路的 读取，并向单位保卫科、110/119报警台单位电话机或个人传呼机发出呼叫信号，告之对方 住宅被盗，其结构如图1所示。本系统与电话机并联，只在报警期间占用电话线路，报警结束 后系统与电话线路脱离，不影响电话机的正常使用。当探测器检测到意外情况后就发出报 警电平信号到主机控制部分。主机控制部分对该电平信号进行处理，然后控制双音多频拨 号芯片向电话线路拨出双音多频信号(电话号码)，与此同时控制语音芯片拨出事先录制好 的语音信号到电话线路，实现语音报警，拨号完成后，模拟挂机。

进一步的，自动拨号报警电路如图5所示，系统使用MK8870型DTMF拨号专用芯片， 该芯片原本是行列式按键输入芯片，即4条行线及4条列线组成16个按键，实践证明该芯片 不但具有行列式键盘输入功能，而且与51系列单片机具有良好的接口性能。如图3－4所示， 系统利用89C51完成对拨号芯片的控制，其中R8， C5为复位元件，完成上电复位， JT1使用 6MHz晶体。这里用P1口的8根线完成对拨号芯片的控制。电路中电话号码的拨出采用双音多 频拨号方式。电话号码的拨出是利用控制MK8870型DTMF拨号专用芯片的键盘行列输入端R1 ~R4和C1~C4来实现的。首先要使相应的行线和列线接通一段时间,然后再断开一段时间,这 样芯片便将双音多频信号送到电话交换机网络,实现电话拨号。

进一步的，本发明采用了语音芯片APR9600构成语音电路，该电路主要由语音电 路、译码器和电子开关组成。语音报警电路如图6所示。语音电路APR9600采用模拟存储技 术，噪音低，不怕断电，可以反复录放。语音信息可以分8段存放，分别用8个按键控制，按下 哪个键就可以录放哪一段而不影响其它段。本系统中的语音信息分为2大类:预警信息和报 警信息，其中预警又分为温度偏高预警和烟雾过大预警，报警分为火警和盗警。使用时，用 户可以通过简单的按键操作，随时录制和播放任意一段。当出现预警或报警时，单片机通过 P2. 2~P2. 4控制电子开关实现按键操作，启动相应的录音段，放出相应的语音预、报警信 息，并且可以根据需要循环播放，播放次数由用户自行设置。除以上电路外，系统还对忙音、 回铃声检测电路进行了硬件设计。忙音、回铃声检测电路主要是为实现可靠报警而设计。在 电话号码拨出后，必须判断对方是否摘机，只有在确认对方已经摘机的情况下，才能发语音 信息。系统采用忙音和回铃声的检测来判断对方是否摘机。该部分电路主要由4x4键盘、液 晶显示器及其控制电路组成。当用户通过键盘输入报警电话号码等数字信息时，该电路产 生键盘中断信号，通过INTI输入端向单片机申请中断，在键盘处理程序中实现相应数字信 息的显示、修改和存储。本模块中，显示电路用LCD液晶显示屏TS12232D显示，由TS12232D构 成的显示电路如图7所示。

进一步的，智能防火防盗系统有两种报警类型，即火灾报警和非法侵入报警。系统 采用传感器电路检测人体的侵入和火灾的发生，一旦出现火灾，传感器检测电路发出信号， 向单片机申请中断。单片机响应中断后，启动自动拨号电路，根据报警类型的不同拨打不同 的电话号码，发送不同的报警信息。电话信号语音检测(忙音/回铃声/接通)、系统设置、模 拟摘机、DTMF信号收发等工作。软件流程图，如图8所示。

进一步的，检测报警模块流程图如9所示，MK8870在自动拨号应用里应将工作方式 设置为突发方式在此种情况下双音频信号持续和暂停时间为5lms，符合自动拨号要求。在 将MK8870设置为突发模式的时候，需要进行如下步骤:写控制寄存器A、写控制寄存器B、写 发送数据寄存器、等待中断或读状态寄存器。拨号子程序流程图见图10所示。首先将MK8870 设置为突发方式，然后判断是否为盗情，即7EH是否被置位，如果没有，则跳转到拨管理中心 电话号码部分；如果被置位，则拨打用户电话号码，最后，该程序返回。

进一步的，语音子程序流程如图11所示。单片机P2.1口由高电平变为低电平，触动 APR9600的放音脚，放音开始，因为APR9600最长录音时间为20秒，所以，延时23秒后，单片机 尸2.1脚由低电平变为高电平，放音结束，然后进入下一次放音状态，直至三次放音结束，清 除警情标志位7EH后，程序返回。

进一步的，按键模块程序流程如图12所示。按键处理程序如下：

（1）进入按键处理程序后，根据用户按键的键值，进入相应的设置操作程序；

（2）电话号码设置：主机液晶屏和语音提示 “电话号码设置”，扫描用户输入的数字并 存储号码，同时显示“输入的电话号码”在液晶屏上面，如果用户长时间没有按键，结束本次 操作，返回错误；

（3）录音设置：主机液晶屏和语音提示 “录音”，录音指示灯亮，开启录音并且开始计 时，计时时间显示在液晶屏上。计时到10秒（ISD1110），结束录音，录音指示灯熄灭，然后延 时一小段时间，再播放一遍刚才的录音，“嘟—嘟—”，返回正确；

（4）放音设置：主机液晶屏和语音提示 “放音”，开启放音并且开始计时，计时时间显示 在液晶屏上。计时到10秒（ISD1110），结束放音，“嘟—嘟—”，返回正确；

（5）报警声音设置：主机液晶屏和语音提示 “报警声音设置”，扫描键盘，如果用户输入 数据超时，返回错误，否则将用户设置的报警声音参数设置为当前的报警声音参数。存储设 置的参数，“嘟—嘟—”，返回正确；

（6）应急操作（应急按键按下）：显示“应急报警”，报警指示灯亮；然后进入拨号程序。

进一步的，显示模块程序流程如图13所示。显示模块程序设计如下：

（1）使用字模提取软件提取字模，字的大小为16×16，一个字符32个字节的数据；

（2）将字模数据加入显示数据数组中；

（3）构建一个一维数组，该数组包含了字符的字模数据第一个字节在显示数据数组中 的位置；

（4）构建一个二维数组，该数组第一维数据为要显示的字符串的首位置，第二维数据为 要显示的字符串的字符个数；

（5）在程序中通过二维数组的第二维数据确定要显示的字符串的字符个数，通过二维 数组的第一维数据作为下标查出要显示的字符数据第一个字节的位置，调用液晶屏驱动 程序即可显示出相应的内容。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本 发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利 的保护范围之内。