楼宇智能报警系统设计分析

　在我国，家庭安全防范报警系统已经成为智能小区中实现安全管理的基础，根据我国建设部的规定，主要包括电视监控、防盗报警、求救求助、煤气泄漏报警、消防报警等内容。住宅智能报警便是其中的一项内容，报警器应具有多个探测接口，可以接红外及微波、感烟、感温以及探测煤气泄漏等多种报警器，然后通过通讯网络将报警信息传送到相关的设备上，使灾情得到及时处理，保护人们的生命财产安全。
相对国外来讲，我国智能楼宇安防系统是有较大差距的。现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门，虽有一定的防盗作用，在灾害发生的情况下，使逃生更加困难。
1、系统总体方案设计
1.1 系统的设计要求
(1) 主机控制器能够接收终端发出的信号,根据接收的信号判断是否有警情，及相应的处理；
(2) 终端控制器能够通过传感器检测警情，而且灵敏度高；
(3) 终端能够判断是否有警情，并能通过无线模块把报警信号发射出去；
(4) 主板能够显示监测终端的数目及实时时间,并能够设置系统初始时间;
(5) 主板能够存储报警时间并可以查询报警时间及报警地址、类型；
(6) 断电后，短时间内系统实时时间能够正常运行，存储的报警时间能够正常存储。
(7) 可自动监视系统的正确运行和对特定故障给出声、光报警。
1.2 系统的工作原理
在通常无警情的情况下，终端会每隔一定的时间间隔向主机发送表示无报警信号的数据，以此作为主机界面显示选择的依据。此时的主机显示监测的终端数目以及无报警时的图标和实时时间。当温度传感器或热释电红外传感器检测到信号时，会把数据送给终端的单片机，终端单片机处理这些数据后再确定是否由无线发送模块发送报警信号。
当有警情时，终端发出带有终端地址及报警类型(火灾或入侵)的数据包，主机在接收到数据后提取出地址和报警类型，再在液晶上显示有报警的图标，同时把报警的时间，报警终端号以及报警类型都记录存储了，可以存储四次报警数据。
通过键盘设定系统初始时间时，设定完成以后按下确认键，系统就自动把设定的时间存储了起来同时在液晶屏上显示。
终端和主机上都有显示电源接通的红色指示灯和系统处于工作的绿色指示灯以及用于扩展其他功能的接口。与此同时，主机还预留有与上位机进行通信的接口线。
2、系统硬件电路设计与分析
2.1 单片机最小系统与接口设计
2.1.1 STC12LE5A16S2 单片机最小系统
STC12LE5A16S2 单片机的管脚图如图2-1 所示:

图 2-1 STC12LE5A16S2 单片机的管脚
(1) 复位电路：时钟频率低于12MHz 时，可以不用C11、R1 接1K 电阻到地；时钟频率高于12MHz 时，需使用第二复位功能脚。
(2) 晶振电路：如果外部时钟频率在33MHz 以上时，可以直接使用外部有源晶振；如果使用内部R/C振荡器时钟，XTAL1 呵XTAL2 脚浮空。如果外部时钟频率在27MHz 以上时，使用标称频率就是基本频率的晶体，或直接使用外部有源晶振，时钟从XTAL1 脚输入，XTAL2 脚必须浮空。
STC12LE5A16S2 单片机的复位电路和晶振电路具体如图2-2 所示：

图 2-2 STC12LE5A16S2 单片机的复位电路和晶振电路
2.1.2 STC89LE52RC 单片机最小系统
STC89LE52RC 单片机的管脚图如图2-3 所示:

图2-3 STC89LE52RC 单片机的管脚图
(1) 复位电路元器件的作用。10 微法电容C5和10K 欧姆电阻R5 组成RC 电路，作用上电复位；加上按键S1，就是按键电平复位电路。
(2) 复位电路工作原理。当单片机上电时，电容C5 充电，在10K 的电阻上出现高电平，使单片机复位，几毫秒(充电周期)后电容C5 充完电后，流经电阻R5 的电流为0，电压也为0，RES 引脚为低电平单片机正常工作。在工作期间，按下按键S1，电容C5 放电，松开S1 后，电容又经电阻充电，在RES引脚出现高电平，使单片机复位，几毫秒后单片机正常工作。
STC89LE52RC 单片机的复位电路和晶振电路具体如图2-4 所示：

图 2-4 STC89LE52RC 单片机的复位电路和晶振电路
(3) 晶振电路。晶振结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。STC89LE52RC 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器(简称晶振)和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容C12 和C14 典型值通常选择为30pf 左右。本设计选用了33pf。如图3-4 所示。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHz～12MHz 之间。
故本设计选用了11.0592MHz 晶振。
2.2 电源电路模块
此电路是报警器的电源部分，它向报警器提供所需的+9V、+5V、+3.3V 电压，下面将按图的顺序介绍各个器件的功能及作用。如下图2-5 所示:

图 2-5 电源电路
2.2.1 电源接口JP1、JP2
JP1 为+12V 电源输入插座，为整个报警器的输入电源；
JP2 是+12V 的电源开关插针，目的是为了保护后面的电路，以免前面的电源接错了烧坏后面的电路，同时也是各电源的开关。
2.2.2 稳压电路U1、U2、U3 及外围电路
U1 是LM7809 芯片，输出+9V 是红外检测传感器热释电的电源。
U2 是HT7550 稳压芯片，输出+5V 为温度传感器DS18B20 供电;U3 是HT7533 稳压芯片,输出+3.3V为单片机及其部分外围电路和无线模块供电。
滤波电容 C12、C13、C14、C15：电容滤波属电压滤波，是直接储存脉动电压来平滑输出电压，47 微法、22 微法和104 电容是分别为了滤除电流中的低频信号、高频信号，使直流电平滑，减小输入电压的脉动程度，满足稳压电路的需要，大电容与小电容相差大约两个数量级，以增加滤除信号的范围。
2.3 温度传感器模块
DS1820 数字温度计的特性：
独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通信
简单的多点分布应用
无需外部器件
可通过数据线供电
零待机功耗
测温范围-55℃～+125℃，以0.5℃递增。
温度仪 9 位数字量读出
温度数字量转换时间 200ms(典型值)
用户可定义的非易失性温度报警设置
报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件
应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统

图 2-6 DS18B20 引脚图
因为每个 DS18B20 都有一个独特的片序列号，所以多只DS18B20 可以同时连在一根总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。
器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量,在信号线处于高电平期间把能量存储在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源(电容)充电。也可以用外部5V 电源供电。
DS1820 依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立ROM 操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制器必须首先提供下面5个ROM 操作命令之一：读ROM、匹配ROM、搜索ROM、跳过ROM、报警搜索。这些命令对每个器件的激光ROM 部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成功完成一条ROM 操作序列后，即可进行存储器和控制操作。一条控制操作命令指示DS1820 完成一次温度测量。测量结果放在DS1820 的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。温度报警触发器TH 和TL 各由一个EEPROM 字节构成。如果没有对DS1820 使用报警搜索命令，这些寄存器可以做为一般用途的用户寄存器使用。可以用一条存储器操作命令对TH 和TL进行写入，对这些寄存器的读出需要通过存暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。
DS1820 内部对计算的结果可提供0.5℃的分辨力。温度以16bit 带符号位扩展的二进制补码形式读出。表2-1 给出了温度值和输出数据的关系。

表 2-1 温度值和输出数据的关系
最高有效(符号)位被复制充满寄存器中两字节温度寄存器的高MSB 位，由这种“符号位扩展”产生出了表1 的16bit 温度读数。
2.4 热释电红外传感器模块
热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达104 兆欧，故引入的Ｎ沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。
制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20 μｍ。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。
热释电红外报警器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件：
（1）报警器应离地面2.0～2.2 米。
（2）报警器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较敏感的地方。
（3）报警器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。
（4）报警器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的话最好把窗帘拉上。另外，报警器也不要安装在有强气流活动的地方。
2.5 串口通讯器件MAX485 电路模块
由于单片机串口输出 TTL 电平，要想实现主从多机通讯，必须将其转换成常用的串行通信总线标准接口电平，如RS-485 或RS-232。其中RS-232 数据传输速率慢、传输距离短（不超过30 米），抗干扰能力差。因此只适用于短距离或带调制解调器的通讯场合；RS—485 标准接口为差分驱动结构，它通过传输线驱动器把逻辑电平转换为电位差，完成信号的传递，具有传输速率快、传输距离长（可传1200 米）、抗干扰能力强等优点，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负荷设备，所以该系统使用RS—485 总线进行传输，采用MAX485 驱动器件进行电平转换。
MAX485 是用于RS-485 与RS-422 通信的低功耗收发器，具有一个驱动器和一个接收器，是半双工收发器。它的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps 的传输速率。这些收发器在驱动器禁用的空载或满载状态下，吸取的电源电流在120(A 至500(A 之间。工作在5V 单电源下。驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。驱动器使能与接收器使能控制引脚，被被禁用时，驱动器或接受器输出为高阻态。接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。
MAX485 将上位PC 机的数据向单片机的RX0传送，并将单片机的TX0 发出的数据传送给PC 机。
工作电路如图2-7：

图2-7 工作电路
MAX485 电路模块如图2-8：

图 2-8 MAX485 电路模块
2.6 串口MAX232 电路模块
MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5V 单电源供电。
MAX232 电路模块如图2-9:

图2-9 MAX232 电路模块
2.7 电源指示灯电路模块
红色发光二极管 D2 为电源指示灯，用来指示系统是否上电；绿色发光二极管D1 为运行指示灯，用来指示系统是否在工作。
330 欧姆的电阻R12、R13 为限流电阻，以保护发光二极管不致烧坏。如下图2-10:

图 2-10 电源指示灯电路模块
2.8 液晶显示电路模块
DM12232 汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形。。

表 2-2 串口接口管脚信号介绍
DM12232 电路如图2-11 所示:

图 2-11 DM12232 电路
3、系统软件设计与分析
3.1 液晶12232F 初始化程序设计
本设计为节省 IO 资源，液晶12232F 采用串口接口形式，只有3 根线与单片机相连，其他的接线就是电源线，背光控制等。
串口控制时序如下图 3-1 所示:在与液晶进行数据或命令的传递过程中，液晶的片选脚CS 必须保持为高电平，这在具体程序中可以用一个IO 口来对它进行控制；同时使用一个IO 口来对串行时钟信号SCLK 进行模拟；数据在SID 引脚上输入输出。串行数据传送共分三个字节完成：第一字节是串口控制字节；格式为11111ABC。A 为数据传送方向控制，H表示数据从LCD 到MCU，L 表示数据从MCU到LCD；B 为数据类型选择，H 表示数据是显示数据，L 表示数据是控制指令；C 固定为0。第二字节：(并行)8 位数据的高4 位，格式DDDD0000。第三字
节：(并行)数据的低4 位，格式0000DDDD。

图 3-1 串口控制时序
液晶 12232F 初始化程序流程图如图3-2 所示:

图 3-2 12232F 初始化程序流程图
3.2 无线模块CC1100E 程序设计
3.2.1 CC1100E 发送程序设计
通信协议定义
在介绍发送程序之前我们先来定义通信协议。通信以数据包的形式向外发送。我们把数据包定义为6 个字节的长度。
CC1100E 发送程序流程图
如图 3-3 所示:

图 3-3 CC1100E 发送程序流程图
3.2.2 CC1100E 接收程序流程图
如图 3-4 所示:

图3-4 CC1100E 接收程序流程图
4、抗干扰设计
探测器报警信号要通过无线传输的方式送到主机端，工作环境复杂，易受到各种干扰的侵犯，主要有电磁干扰辐射、供电系统干扰以及印制电路板内各种元器件的相互干扰。所以在设计上应采取必要的措施避免和减小各种不良因素对系统的影响和损害，从而提高系统的稳定性和可靠性。
抗干扰措施：
(1) 无线模块采用现成的，使无线传输能够可靠稳定的工作。
(2) 设计印制电路板时，合理布线，力求将系统中各元件之间、电路之间可能产生的不利影响限制在最低程度。
(3) 接地线尽量加宽以减少接地电阻。
(4) 元件排列及信号走线尽量有序、简洁，避免相邻电路相互影响。
(5) 在电源输入端跨接一个47uF 和一个0.1uF 电容并联，在集成芯片电路电源的引脚上并接0.1uF 去耦电容。
(6) 尽量采用高性能的稳压芯片。
(7) 为防止系统出现误报警，对于热释电红外传感器的输出信号，采取判断—在一定时间内计数—判断的方法；对于机械开关的抖动而引起的干扰，采用了软件延时的办法来避免在抖动期间采样。