摘要
在当代社会信息化浪潮翻涌卷席下，现代科技的发展巨轮不断向前滚动，人们的日常生活与工作学习也越来越离不开信息科技。大大小小的科技产品中所体现的功能型、娱乐型和家居性都各有不同。而近现代，随着人们精神需求增加，生活质量也在逐步提高，甚至对此有更高要求。人们对于自家的安全性有更高的安全意识，家庭安全体现在哪，就人身和财产安全来说，防盗、防火、智能安防自然必不可少。如何将这些需求结合在一起并实现相对应的功能布防在一个系统上还可以进行网络连接，这是我所思考的。于是，联系此次课题我想我需要设计一种建立在网络基础上的可以帮助住户真正做到防火防盗和进行合理监控、管理和控制的智能家居系统。使人们享受便捷的生活服务，增强生活体验感和舒适度。
关键词：信息科技；智能安防；家居系统
1引言
近年来，人们的物质生活水平伴随着科学技术的井喷和社会的鼎新进步而逐渐提升。正因为计算机、通信技术和云上技术的成熟，人们的工作生活方式与固有概念已然发生了深刻的转变。为了提高生活的质量，人们对居家生活的便捷、舒适、安全等性能都产生了更高的要求。而传统家居已然被时代的浪花卷入海底，其板滞、落后逐渐为年轻人所唾弃。这也让广大厂商放弃停步不前，向物联网进发。智能家居将家居控制、环境检测、安全告警、网络通信等模块集合起来，为用户提供更舒适安全的居家体验，其智能化也为广大年轻人所追捧。
2方案选择
2.1单片机的选择
方案一：使用DSP，它是一种微处理器，可以利用数字信号进行信息的处理。其优势包括，对元件的容量尺度不敏感，容易达到积分效果，受到外界干扰因素较小，可以实现处理器的通用，处理器系数易调节以达到自适应的效果，可以更好的适用于低频信号。缺点是价格不合理，缺少可用的无源设备。
方案二：中央处理器采用单片机。近年来，单片机以其高可依赖性、低电压、低功耗、适中性能与价格等优点得到了迅猛的发展和普及。单片机的算术运算功能相对较强，软件应用灵活低耦，功能实现轻量明了，内部集成计数器与计时器，体积小，功耗低，计数技术成熟。最后提出了第二种方案，以STC12C5A60S2为中央控制单元。
2.2防盗探测器的选择
方案一：热释电红外传感器。一般来说，物体的绝对温度为0℃情况下依然能产生热辐射，此时热光谱明显集中在红外区域，由此可见，自然界中的所有物体都在热光谱上成像。当物质呈现不同的物理化学性质和不同的温度，红外辐射的波长和距离会有所差异；温度越高，红外辐射越强。人的体温是恒定的，大约在36℃~37℃区间浮动,红外辐射相对稳定。可以通过把滤光片粘贴在硅片表面，将一部分波过滤，只允许波长7到10μM的波通过。从而获得了具有良好检测性能的红外传感器。它具有制作成本低、设计简单、电路简单等优点，得到了广泛的应用。缺点是检测错误率比较高，比较适合本设计的应用。
方案二：超声波传感器。超声波穿透强，人耳不可测得，强方向性和透射过程衰减小，反射能力强作为检测报警的检测源。但是超声波是通过空气传播的，因此房间的空气流通情况和温度湿度等条件都会影响其探测灵敏度。且超声波的驱动电压较高，很多时候需要脉冲变压器进行升压。由于其对坏境要求高和高昂的造价，并不选择它用于本设计。
方案比较及选择：对比以上二种防盗传感器的应用效果和特性，可以清晰明确的看出红外热释电传感器和震动传感器的优点有：自己无任何类型发生辐射、本身其损耗小、体积小隐蔽性能好。在价格上也是适中，经济承担小，使用寿命长。且本身具有非常高的抗干扰能力，例如抗灯光和电磁波干扰。准确灵敏捕捉外来物信息，有效的降低了报警系统的误报率。在正确的安装高度下，探测目标也一般集中在人身上，不出现对小动物报警状况。因此，本课题的设计中采用红外热释电传感器作为防盗监控系统核心采集信息器，以震动传感器为辅助探测信息的采集器。两者在同一工作条件下，分别发挥其不可缺少的作用。红外热释电传感器不排除一定的误报率，而发生不必要的意外。所以起辅助作用的震动传感器就不可或缺了。可对前者进行查缺补漏，做到真正的万无一失，确保家居防盗监控报警系统的完整性可实施性和安全性。
2.3烟雾传感器的选择
方案一：接触式燃烧传感器。其缺陷尤为明显，探头电阻慢、烟雾中毒问题难以避免。因此，为了保证传感器的精度，有必要对传感器进行频繁的标定。一般情况下，传感器应在连续多次使用后重新校准。问题是，这种断断续续的检查无形中增加了人力资源的工作量，也增加了探测器的维护成本。
方案二：半导体烟雾传感器。其主要材料为氧化物半导体陶瓷，以此单晶半导体元件作为敏感点。该传感器对烟雾识别能力高度敏感，响应速度快，体积小，使用方便，结构简单，这也是它得到广泛应用的缘由。半导体烟雾传感器的性能要求很大程度上更注重于其灵敏度、抗干扰强度和使用寿命。所以这里我选择mq-2烟雾传感器。
2.4显示方案的选择
方案一：LED数码管的价格极为合适。除了在显示数据的方面最为适合，包括与单片机连接的非静态扫描方式，需要占用单片机接口线数目也是极少的缺点也很明显，由于数码管的动态扫描依赖于74LS164移位寄存器进行移位，在芯片的电路调试中容易遇到无法解决的问题，这无疑加大了配置难度。
方案二：采用液晶显示，显示能力同样强大，可显示大量文字甚至简易图形。对于这种设计，一块1602液晶屏就足够了，而且价格比较合理。因此，此次设计计划使用LCD1602液晶屏作为显示部分。
3系统硬件设计
3.1整体方案设计
3.1.1系统概述
本系统最终采用单片机STC12C5A60S2作为设计的核心部分，仅需5伏特USB供电，加以电阻电容晶振等辅助零件构成的旁支电路，组合成单片机内最小系统。其他功能模块也以其为中心设计展开，满足功能需求。因为烟雾采集的传感器选择了MQ-2，但囿于输出信号为模拟信号，将数据模通过数转换芯片进行适配，转换成单片机可以接受的数字信号；热释电红外传感器选择了HC-SR52。传感器表面的电荷密度会根据不稳定强度的红外光影响从而产生热释电电流，阻抗能将电流信号转换成所需的电压信号；另外，单片机与传感器通过引脚连接，温度模块方面由DS18B20数字传感器采集；显示装置选用1602液晶屏，可实时在屏幕上显示我所预置的安全预设内容和数值；另外，声光报警由蜂鸣器和LED灯组成，实时监控烟雾、温度和红外是否有告警需要，无论哪个数值超出预设数值，报警模块都会启动；本作品提供了5个按键提供键入操作，用户可以根据实际情况修改预设阈值。物联网层面，ESP8266模块内部设有STA/AP模式，能够与无线路由、热点连接，可以轻松接入网关，实现万物互联。
3.1.2系统框图
图3.1系统框图
3.2 STC12C5A60S2单片机介绍
图3.1 STC12C5A60S2实物图
STC12C5A60S2单片机是我研究此课题时接触到的一个全新51单片机种类，甚至在学校实验室也未曾见过。在全然不了解的情况下对它进行资料查阅、网络视频观看和不断的试验才开始慢慢有些皮毛了解。因此这里将我所学并结合百度百科做出详细介绍：本系列单片机属于采用技术生产的单次时钟和单机周期的单片机。它的抗干扰能力相对来说更高，消耗电能更低却拥有很快的运行速度。在具备了这些优点条件下，它成为了新一代8051单片机且指令代码与传统的8051相同，都可以完全集成支持串口程序进行烧写，且对开发前置的机械要求不高，运行速度却可以高上八倍甚至是十二倍。它的内部集成MAX810可以用来复位电路。综合来说此次选择的STC12C5A60S2单片机完全契合此次课题的设计要求，完成效果质量也大大提升。
当然，STC12C5A60S2也是隶属8051系列，但它与普通的51系列单片机略有不同,在以下列举出：
①在它与普通51同为晶振的前提下，它的速度可达普通51的8到12倍，既保证了工作质量又具有工作效率。近年来也是大热的单片机之一。②存有8路10位的AD，可将模拟量转化为数字量的一种电路结构，当然也达了它的精度要求，所以对集成电路的处理能力是比较强的，为我们设计制造实物提供硬件基础。③也比普通的51要多俩按时设定器效果，缩短周期。并且自带有PWM功能，不但可以简略化设计的硬件电路，而且可以减少所需硬件成品。④有串行外设接口总线（SPI）接口，可以在软件控制下构成各种系统。⑤有EEPROM（带电可擦可编程只读存储器），方便在于不需从计算机中取出来，可以即插即用。⑥具有1K大小的内部可扩展的RAM（随机存储器），因为是内部扩展的，所以定义成idata仿真器通不过。⑦有看门狗（watchdog）定时器电路，避免外部磁场干扰导致程序指针错误，陷入死区，使整个系统陷入无效状态，造成无法的后果。所以看门狗在程序中断中拥有最高优先级，从根本上解决问题。⑧比普通的51多了一个串口，也就是说可以分配多个串口/并口进行终端连接，这就保证了扩大计算机外部设备数量的最方便、最简单的解决方案。⑨可对I/O口定义，有准双向口输出：输入输出双向（标准）、仅为输出（高阻）、推挽输出（输出大驱动电流）、开漏输出四种状态。⑩可以定义四种中断优先级，即设备中断和屏障中断。如果计算机意外发生故障，内部自动故障检测装置将开始工作。CPU启动相应的中断处理请求，处理特殊故障问题；当满足定时检测和时间控制的请求时，使用实时时钟中断。内部CPU可以发出启动时钟电路的命令来开始计时。当设定时间结束时，发出时钟中断请求，然后CPU开始处理中断请求。这种情况通常应用在一些主流的自动控制系统中。
图3.2STC12C5A60S2管脚排列图
3.3烟雾传感器的介绍
烟雾传感器是一种可以实现电转换的特殊组件，它可以接收空气中的易燃气体并分析浓度，然后将数据转换为电信号，然后通过AD转换电路将模拟量转换为实际可见的信号。更改数字量，然后将其发送到微机，以完成数据处理，浓度处理和警报控制，由于烟雾信号记录是烟雾检测和警报的一部分，因此传感器是整个烟雾检测模块的开始，你会发现选择符合要求的传感器非常重要。
由于烟雾种类的多样性，烟雾传感器不能做到有针对性，所以如果需要我们探测所有的气体，需要我们开发出各种能检测不同性质气体的烟雾。表3-1简要列出了已研究和开发的各种类型的烟雾传感器以及可检测的气体类型。
3.3.1 MQ-2型烟雾传感器工作原理
导体烟雾传感器根据敏感机理可分为电阻型和非电阻型。半导体气体传感器又可分为两种即n、p两种类型。n型阻力随烟气浓度的增加而减小，p型则截然相反。半导体气敏传感器的分类如表3-2所示：
设计中采用的烟雾传感器主材料由二氧化锡制成，隶属N型半导体。其工作原理为:当传感器处于200到300°C温度区间，二氧化锡能够将空气中的氧气吸附上来，氧离子在空气中增多，由此导致半导体中的电子密度变小，于是二氧化锡电阻值明显增加。当与烟雾接触时，二氧化锡表面电导率发生变化。由此利用这一点就可以获得某种烟雾的浓度异常证明前置条件。
遇到可燃烟雾时，原来吸附的氧则会脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，氧脱附放出电子，二氧化锡半导体导带电子密度因此会明显增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动吸附空气中的氧离子，将电阻值升高到警报前置状态，其外观如3.6所示。
图3.6MQ-2型传感器的外观
3.3.2 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标
MQ-2型传感器的一般特点:
(a)它烷烃类烟雾高度敏感。
(b)具有良好的重复性和长期稳定性。
(c)具有良好的抗干扰能力，能准确不燃烟雾的干扰效果。
(d)电路电压范围宽，可在24V下工作，加热电压5±0.2伏。MQ-2型传感器的基本特性：
(a)灵敏度特性(b)初期稳定特性。(c)加热特性。
MQ-2型传感器的特性参数:
(a)回路电压：(Vc)5~24V(b)取样电阻：(RL)0.1~20K(c)加热电压：(VH)5±0.2V(d)加热功率：(P)约750mW
(e)灵敏度：以甲烷为例R0(air)/RS(0.1%CH4)＞5(f)响应时间：Tres＜10秒(g)恢复时间：Trec＜30秒
3.4 LCD1602液晶显示器介绍
图3.3LCD1602液晶显示器实物图
显示器件的重点要在于液晶体积、重量和功耗。LCD1602具有其功耗低、信息量大、无电磁辐射、使用寿命长等优点，在便携式电子产品中被广泛应用。它由LCD、HD44780和hd44100以及少量的电阻、电容和结构部件组成。它可以显示2行16个字符，英文字母、阿拉伯数字、常用符号等都可实现。当然也可通过特殊需求实现显示简单汉字功能。
我选用的1602是一款符合要求又便宜的液晶显示器。广泛应用于通信系统自动化、智能操作仪表和办公设备中。1602液晶显示器可分为有背光和无背光两种。有背光的比没有背光的厚，无论是否带背光，在应用上都没有区别。两者的大小差别如下所示：
图3-5液晶尺寸说明1602LCD
主要技术参数：
◆显示容量:16×2个字符
◆芯片工作电压:4.5—5.5V
◆工作电流:2.0mA(5.0V)
◆模块最佳工作电压:5.0V
◆字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm
3.4.1液晶引脚说明
LCD1602采用标准14或16脚接口，各引脚接口说明见下表：
3.4.2指令说明
通过指令编程可实现LCD1602Y液晶显示模块的读写操作、显示屏操作和光标操作，分别介绍如下：
（1）清屏指令
指令如表3-4所示：
（2）光标归位指令
（3）进入模式设置指令指令如表3-6所示
功能：当定入一位数据之后光标移动的方向将被设置，参数设定的情况如下：
（4）显示开关设置指令
功能：它可以控制显示器开关，光标开关，以及光标是否需要闪烁。参数设置如下：
（5）设定显示屏或光标移动方向指令指令如表3-7所示
功能：移动光标或整个显示屏。参数设置如下：
（6）功能设定指令指令如表3-9所示
功能：将设置数据总线中的位数和显示的行数。参数设置如下：
（7）设定CGRAM地址指令指令如表3-10所示
功能：将设置下次存储的CGRAM地址。
（8）设定DDRAM地址指令指令如表3-11所示
4单元电路的设计
4.1最小系统电路
图4.1单片机最小系统
单片机的最小系统由晶体振荡器电路、复位电路和电源电路三部分组成，由上图4.1可示。
4.2烟雾检测模块电路
图4.2烟雾检测模块电路图
烟雾检测模块的电路连接图如上图所示，由于mq-2这种传感器只能收集烟雾模拟量，所以我们必须要通过ADC0832芯片将输出结果转换成数字量，再传送给单片机接收然后再进行处理数字量最后显示在液晶屏上。这里简单介绍下此芯片它是NS公司生产的一种具有串行接口的8位A/D转换器。通过三线接口与单片机相连。特点是低功耗、高性能、高价格，但适用于体型小、易于携带的智能电子仪器中。
4.3空气质量检测模块电路
图4.3MQ-135连接图
本设计采用mq-135空气质量传感器，它对于某气体敏感的主要成分是SnO2，因为一般条件下，空气中成分比较稳定也比较干净不会有什么杂质类的。二这种传感器特殊在它处于这种空气条件下时导电率是比较低的。我们知道，发生火灾时，有些物体燃烧会有气体分子溢出，然后环境被污染，空气中也会存在杂质气体，这样它的导电率相对增加，且随着空气中杂质不断增多也会不断变高。在我们这种设计的简略电路中，这种导电率的变化完全合适作为一种信号即将这种变化率作为气体浓度变化率转化为相应输出信号。这种空气质量传感器又恰好对氨气、硫化物和苯蒸气敏感，因此它再合适不过此电路的监视烟尘空气质量等的理想选择了。再一个，它的制造成本低，售卖价格也低。是一种适合各种应用的低成本传感器。
4.4 DS18B20（温度）传感器模块电路
图4.3DS18B20模块连接图
4.5热释电红外传感模块电路
图4.5HC-SR501连接图
本课题选用的是HC-SR501，Hc-sr501是属于自动控制模块系统且自带红外感应技术的传感器。
4.6液晶显示模块电路
图4.6液晶模块连接图
4.7按键输入模块电路
本设计中使用到的按键数量有5个按键，分别是“切换键”“减量键”、“加量键”、“归位键”和“布防模式键”。故采用了较为简单的独立键盘的方式，按键的连接图如下：
图4.7按键电路
4.8报警模块电路
4.8.1蜂鸣器报警模块电路
蜂鸣器电路如图4.8所示。
图4.8蜂鸣器电路
4.8.2 LED报警模块电路
对于LED报警电路如图4.9所示
图4.9LED灯电路
常工作。
结束语
通过这次毕业设计，我深刻认识到学好专业知识的重要性，理解了理论联系实际的意义，检验了大学四年的学习成绩。虽然在这个设计中，知识的运用和衔接还不够熟练。但我会继续努力，在今后的工作和学习中不断提高。今后，我将继续深化自己的理论基础和实践能力，在今后的工作和学习中取得更大的进步。
在本次设计过程中由于时间仓促和本身实力不足，有很多地方难免不能顾全。但在以后的无论是学习还是工作，我都会以最严格的方式要求自己力求做到完美。回头再看看我的课题设计，不仅功能方面可以扩展。若可以加上其他功能例如：自动灭火设备、反馈信息通知给用户等，都可以提高本设计的用途广度。
参考文献
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致谢
从开题报告到论文结束，我所获取的每一份储存在脑海的知识，每阶段的进步、连接的每块实物和敲打的每个字符程序都是导师用汗水和心血浇灌出来的。导师严于律己、宽容待人的崇高风范以及毫不吝啬的将自己的高深学科知识奉献给我们。从我尊敬的导师那里，我不仅学到了扎实而广泛的专业知识，而且更明白了很多待人接物和为人处世的道理。在今后的学习和工作中，我会牢记老师的教导和鼓励，努力取得更好的成绩。还有谢谢我的各位同学和室友，如果没有他们的帮助，我不可能取得这么快的进步。正是因为有大家的共同钻研，团结互助才使得我的毕业工作如此的顺利完成。
最后，非常感谢在百忙之中抽空来评阅我的论文和参加此次答辩的各位专家与教授们。
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