家庭安防巡逻定位系统的设计硬件部分设计.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流家庭安防巡逻定位系统的设计硬件部分设计.精品文档.家庭安防巡逻定位系统的设计（硬件部分）摘 要随着各国经济和科技现代化的持续发展，对于安全问题来说，是一个国家长治久安的主要的保证，更是我们普通百姓安居乐业的基础保障。国民经济的快速增长更是离不开对安全的重视，并且稳定是发展的重要的前提要素，是构建和谐社会的重要的基础。稳定是来源于安全，没有了安全就更不必谈稳定和发展了。2012年我国的国内生产总值已经跃居世界第二，大部分家庭也已经进入小康社会，居民收入财产增加，但是社会不稳定因素还存在。人们对于保障人身财产安全有了迫切的需求，安防的需求越来越多，并且也越来越高。家庭安防巡逻定位系统在这种环境下应运而生，解放了劳动力，使得安防管理向着科学化，无人化，自动化的趋势发展。本文提出了一种基于RFID无线射频技术和STC12C5A60S2高速低功耗单片机的智能家庭安防巡逻定位系统的设计。该系统使用STC12C5A60S2高速低功耗单片机作为主控核心处理器，用L298N电机驱动模块驱动小车两个直流减速电机，用四路红外循迹模块进行循迹，并且用DHT11温湿度传感器对房间内部、厨房以及卫生间等的温度、湿度进行采集取样，用MQ-2烟雾气体传感器对室内烟雾进行报警，用光电开关对房屋的大门开关状态进行监测，并通过RFID模块对房间进行定位，各种传感器将每个房间的信息参数采集反馈给单片机，单片机将对数据进行处理，并将处理后的数据通过GSM模块发送到屋主的手机上，即可通知到屋主。该系统运行可靠，成本较低，硬件电路仅需若干传感器和单片机即可实现。该系统实现了采集端与客户端之间的通信，能把采集到的信息发送给客户端，客户能第一时间获取房间的实时状态，实现了家庭环境实时监控，帮助在外的屋主能够了解家中的安全状况。关键词：STC12C5A60S2，RFID，GSM，安防，定位The Design of Home Security System With Patrol and Positioning（Hardware Design）AbstractWith the continuous development of national scientific and technological modernization, for security,is the main guarantee a stability of the state, it is the basis of ordinary people to live and work.Rapid economic growth is inseparable from the emphasis on security,stability is an important prerequisite for development,is an important foundation for building a harmonious society.Stable from safety,no security, not to talk about stability and development.In 2012,China's GDP has ranked second in the world,most families have already entered a moderately prosperous society,increase revenue property of residents,but social instability are still exist.For the protection of personal and property safety of the people have urgent needs, security needs of more and more and more and more.Home security patrol positioning system came into being in this environment,the liberation of the labor force,making security management toward scientific, unmanned, automated trend.This design presents a microcontroller based on RFID technology and smart security patrol STC12C5A60S2 positioning system.The system uses STC12C5A60S2 MCU as the master core, driving the car with the motor drive module, carried by four infrared tracking tracking module, with DHT11 temperature and humidity sensor inside the room temperature and humidity for the collection, use smoke gas sensor for indoor smoke alarm with photoelectric switch housing door switch status monitoring, and through RFID module to locate the room, various sensors to collect information on the parameters for each room back to the microcontroller, the microcontroller processes the data sent via GSM module phone homeowner.The system is reliable, low cost, and can be realized by only a number of hardware circuit sensor and microcontroller. It establishes the communication between acquisition terminal and client, control three-way relay switch in accordance with the requirements of the client. The system achieves real-time monitoring and regulation of the greenhouse environment, to improve the best environment for the crops in order to achieve the purpose of high yield and quality.Key words: STC12C5A60S2, RFID, GSM, Security, Location目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 课题的背景11.2 课题的研究现状11.2.1 课题在国外的研究现状11.2.2课题在国内的研究现状21.3 课题研究的意义21.4 设计的主要任务2第2章 系统方案的提出42.1系统设计思想42.2系统方案概述42.3 系统方案框图42.4 系统模块化设计5第3章 硬件电路63.1 硬件电路概述63.2 STC12C5A60S2单片机63.2.1 STC12C5A60S2的简介63.2.2 STC12C5A60S2引脚说明73.2.3 STC12C5A60S2在本系统中的具体应用83.3 非接触式IC卡Mifare One卡93.3.1 Mifare One卡的结构93.3.2 Mifare One卡的功能93.4 RFID读写器103.4.1 MFRC522的特点103.4.2 读写器的结构103.4.3 读卡器的工作过程113.5 温湿度传感器DHT11123.5.1 DHT11的特点123.5.2 DHT11的典型应用123.5.3 DHT11的工作过程133.6 气体传感器MQ-2133.6.1 MQ-2特点133.6.2 MQ-2典型应用电路143.7 GSM模块143.7.1 GSM模块简介143.7.2 TC35143.7.3 AT指令153.8 电机驱动模块153.8.1 L298N的特点153.8.2 L298N的控制直流电机163.9 多路循迹模块163.9.1 循迹原理163.10 多路循迹模块173.10.1 光电开关17第4章 系统调试184.1 硬件电路调试184.1.1 电路调试步骤184.1.2 调试数据记录194.2代码调试194.3 系统综合调试194.3.1 小车平台调试194.3.2 温湿度采集调试204.3.3 RFID定位调试204.3.4 烟雾和光电开关调试214.3.5 GSM模块调试21第5章 调试结果23第6章 系统设计的不足24结 论25参考文献26谢 辞27附 录1 系统实物图28第1章 绪论1.1 课题的背景现如今随着社会的不断发展，人们生活节奏加快，并且越来越忙碌，在家中的时间相对以前来说减少，家中无人的情况增多，现在类似入室抢劫，入室偷盗，家中失火的情况也越来越多。为了避免人们的人身安全和财产安全受到威胁和损失，安防系统受到人们越来越多的关注1。所以人们对其居住环境的安全状况的要求也在不断的提高，具体主要的表现在不单单是希望拥有温馨、舒适、宽敞明亮的住处，而且对于安全性和智能性等方面也提出了更多、更高的要求，正是因为人们对安防的要求不断提高，所以本系统设计基于对提高家庭环境的安全系数的设想，智能家庭住宅的安全防范系统也因此应运而生起来，并且在现代化的家庭安全中发挥了十分巨大的作用了2。传统的安防监控系统采用人工管理，专门负责人对小区进行管理，以及有线监控布线，布线复杂，不能实时反馈信息给屋主，这将需要额外的劳动力，监控效率底等缺陷，可能会造成不可挽回的损失，还增加了资源成本，而且人力资源也有巨大浪费，还很难达到预期的效果。现今，随着社会的各方面的快速发展，楼房扩增的速度也不断加快了，传统的安防监控系统肯定也已经不能满足当今人们的要求和需求，家庭安防巡逻系统需要能够在无人的条件下实现对家中环境进行高效科学的管理，这既需要系统能够自动监控家庭环境各种状态，也要求其能够实现与屋主之间的进行实时的通讯。现如今，智能的家庭安防系统实现了自动定位将传感器采集到的参数发送给微处理器进行处理，并且将数据发送到客服端中去。而制约我国安防产业国际竞争力提高的主要瓶颈之一是生产要素中的技术自主创新的薄弱。安防企业应当重视自主创新，掌握核心技术，加大技术研发成本，改变安防产业的增长方式。1.2 课题的研究现状1.2.1 课题在国外的研究现状在20世纪时，美国建成了世界上的第一座智能大厦。而在美国之后，欧洲、加拿大等经济比较发达的国家，也在其后先后提出了不同样式的智能家居安防设计的方案。在新加坡举办的国际展览会上，也展示了“未来之家”这一新的设计产品。并且新加坡也推出了自己独特的的家庭智能化系统，促进了安防产业的发展。在本次大会后，安防产业就在国外开始迅速蓬勃发展起来3。由于持续不断发展的科学技术，智能化也成为了一种势不可挡的历史趋势往前发展并且逐步壮大。对于全世界的安防行业来说，一直处于在领先的地位的是北美，并且不断的发展壮大。目前，在美国相对规模比较大的一些安防公司是以联网的报警作为统领整个安防行业的主线，并且不断地发展大量客户入网，实现规模效应进而发展壮大整个行业。大到政府、企业办公写字楼，小到别墅、公寓、仓库，甚至街头小店，这些几乎都与当地警局或安防公司联网。一旦发生了危险情况，警局或者安防公司就会在第一时间获取到警情，并采取相应的行动，真正做到了安防的规模化、一体化4,大部分的安防监测信息是通过无线网络进行传输的，所以无线网络在安防系统中也起到关键性的作用，无线网络也是一个重点。1.2.2课题在国内的研究现状在国内，我国的智能安防行业相对来说起步是比较晚的，但是不容置疑，我们的发展速度确实是十分迅猛的。随着近些年来人们热衷于高度自动化的热潮，安防报警系统也在向着集成化、智能化的方向发展了。在北京、东南沿海等地区智能报警系统已经发展了一定的规模。目前而言，建设部、公安部等部委，均要求智能家庭住宅小区都必须要配备安防系统作为基本的公共的配置设施。尤其伴随我国经济、社会的不断发展，人们生活水平的不断提高，住宅小区是否具备智能化，安全化将成为评价住宅小区的重要的指标2。目前中国的安防企业和产业发展的主要特点是：一是发展速度快，营业收入高。二是行业的企业规模大，产业高度集中。三是企业重视科技创新。四是产品质量稳步提高。五是市场需求旺盛。智能安防的产品应用领域逐渐变广，人们收入也不断在提高，人们对安防产品的需求量也在不断地增加。智能化的家居、建筑等迅速兴起也势必会刺激安防产品的迅速发展壮大5。1.3 课题研究的意义本课题是根据目前安防系统的发展现状及其发展趋势，研究并设计了一个相对比较完整的安防系统，其中重点设计是基于STC12C5A60S2的单片机和RFID无线射频技术对位置定位的安防系统。本课题安防系统是依托智能小车为平台，又包括各种传感器模块、GSM模块、RFID定位模块、循迹模块、电机驱动模块等组成部分。本设计在程序设计中又引入了模块化的设计思想，从而使整个的系统整体更简洁、完善。本课题重点设计了温湿度采集部分、GSM发送短信模块部分和RFID无线射频定位的部分，其中利用RFID无线射频技术对房屋的定位的工作原理作了详细分析和设计。本设计的内容是属于软件和硬件电路的设计和应用方面的，实现过程包括了元器件的选择和特性的测试、电路原理的设计、编写程序及软件调试、以及系统的整体调试等等。住宅智能安防系统是我国未来智能住宅建筑的重点发展方向，需求量大，应用更是十分广泛，因此，开发功能和结构都趋于合理，并且包含多技术和高性价比功能的新型安防巡逻定位系统是具有十分重要的现实意义的。1.4 设计的主要任务设计的主要任务包括：（1）选用STC12C5A60S2单片机作为整个系统的主控芯片对数据进行快速处理。（2）选用合适的传感器，采集温度、湿度、烟雾以及门口开关状态。（3）使用RFID对房屋需要监测的每一个位置精确定位。（4）实现单片机与GSM模块之间的连接控制，工作过程中保证数据不丢失。（5）使用四路光电循迹模块对房屋巡逻路线精确循迹。（6）系统的布局合理、规范，体积小，成本低，可靠性强。第2章 系统方案的提出2.1系统设计思想本系统主要应用于寻常百姓家中、大型无人值守仓库等地方，对于住户而言，最为关心的一点就是家中是否安全，这也是从一开始家庭安防巡逻定位系统时的初衷。所以，如何有效精确监控家中各个方位的安全状况并且让用户知道成为了我们设计这个系统的唯一目的。我们需要这个系统能够准确的采集我们想要的环境参数，并且能够将采集到的信息反馈给住户，最重要的一点在于用户可以不在家中就能了解到各个方位的安全情况，即系统的使用不受到时间和空间的限制。经过总结，系统设计的重点包括以下几个方面：（1）信息采集准确确保能够准确的采集到指定地点的环境参数，并能将采集到的数据反馈给单片机进行处理。（2）实现远程监控系统监控信息不受时间和空间的限制，即便观察者身处外地也能够很方便的了解家中安全情况。（3）人机交互良好系统使用方便简单，用户仅需要通过对手机就能接收到所需要的安全信息。（4）提高可靠性在系统功能完善的基础上，尽可能的提高系统的可靠性，稳定性。2.2系统方案概述在本系统中，我们需要得到房屋内设定好位置的温度、湿度、烟雾等信息，还要检测门是否关上。所以需要采用各种相关的传感器来实现采集并传输信息的目的。本设计依托智能小车作为系统的平台，利用单片机STC12C5A60S2作为主控芯片对数字信号的敏感可控性，以及温湿度传感器DHT11和光电开关对环境变量的数字式采集传输，并利用RFID无线射频技术对地点进行了精确定位，再加上单片机对GSM模块的指令控制实现了对房屋内部的空气湿度、温度信息、烟雾信息以及大门的开关状态进行实时采集，并能够发送到客户手机上供远程查看监控。本设计的核心是STC12C5A60S2单片机，亮点在于利用RFID无线射频技术对位置进行精确定位，以及通过GSM模块实现远程的传输信息。2.3 系统方案框图本系统包括单片机、温湿度检测、RFID模块、GSM模块、电机驱动模块，四路循迹模块、光电开关、烟雾检测模块。系统的整体框图如图2-1所示：图2-1 系统方案框图2.4 系统模块化设计系统整体是以单片机为核心的控制系统，传感器为采集端，利用GSM模块实现远程消息推送，根据系统的设计需求，分为了以下几个模块进行设计： （1）最小系统模块（2）RFID定位模块（3）温湿度采集模块（4）烟雾采集模块（5）GSM控制模块（6）电机驱动模块（7）多路循迹模块（8）光电开关模块第3章 硬件电路3.1 硬件电路概述本系统的硬件电路主要可以分为以下的六个部分，分别是：（1）核心控制部分STC12C5A60S2单片机：是整个系统的心脏部分，负责控制各个传感器，控制RFID读写器，利用RFID无线射频识别技术对房间内的位置进行定位，负责控制电机的转向，并接收传感器采集到的信息并处理，控制GSM模块的远程传输等工作。（2）传感器部分：是系统电路的关键组成部分，可以实现对家庭内部的温度、湿度以及烟雾的监控，还可以对大门开关状态进行检测。其中利用DHT11温湿度传感器模块是可以将采集到的温度和湿度信息直接转换成数字信号后，进而能反馈给单片机，且烟雾传感器采集到的数字信号也能发送给单片机，并用光电开关采集到的数字信号反馈给单片机来达到检测大门开关状态的目的。各个传感器的工作过程都是由单片机采用软件代码的方式来控制实现的。（3）RFID定位：利用RFID无线射频识别技术，通过使用MFRC522读卡器对非接触式IC卡M1卡进行读取信息，由于每一张M1卡都具有唯一的标识编号，继而根据不同的编号对应不同的位置这一原理，对我们所需要定位的地点进行精确的管理定位，工作过程是“寻卡，防冲突，选卡，读/写卡”操作，如果成功，则返回M1卡的卡号信息。（4）GSM模块：单片机接收各个传感器的信息，并将所收集到的传感器的信息处理后，利用GSM技术，将单片机与客户端手机之间进行通讯，并将在不同地点采集相应的信息发送给客户端，工作过程是由单片机发出的AT指令实现。（5）多路循迹模块：采用四个红外对管，分别置于小车的车头部分，并让四个红外对管分布在前轨道的两侧，根据四只光电开关接受到白线与黑线的不同情况做出判断，根据判断进而来控制小车转向来调整小车前进的方向。（6）电机驱动模块：模块采用了功率三极管作为功率放大器的输出，去控制两个直流减速电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，采用由达林顿管组成的H型桥式电路。并使用单片机去控制达林顿管，让达林顿管工作在占空比可调的开关状态下，并调整占空比，继而可以精确调整了直流减速电动机的转速。3.2 STC12C5A60S2单片机3.2.1 STC12C5A60S2的简介单片机即是一种嵌入式的微控制器，它将一个计算机系统集成到一块芯片上，集成度高，速度快。单片机的组成包括存储器、运算器、控制器、输入设备与输出设备，除了缺少外围设备，单片机就是相当于一个微型的计算机6。单片机具有体积小、功耗低、成本比较便宜、操作相对可靠、环境适应能力很强等优点，非常适合用于工业的控制领域和智能产品的领域。在本系统的设计中，是采用了宏晶公司的STC12C5A60S2这一款单片机来做为系统的核心的控制部分。STC12C5A60S2是一种单时钟/机器周期(1T)的单片机，与51系列微处理器兼容，但比普通8051处理速度快到8倍以上，具有高速、低功耗、超强抗干扰等的特点的新一代8051单片机。STC12C5A60S2的功能特性包括以下几点7：（1）兼容MCS-51指令系统（2）宽工作电压范围：3.5V-5.5V（3）工作频率范围：0-35MHz（4）片上集成1280字节RAM（5）片内集成2路PWM，8路10位AD（6）60K大容量可反复擦写(>10万次）Flash ROM（7）40个具有准双向，强推挽，高阻和开漏四种状态的可编程I/O口（8） 具有全双工异步串行口（UART）（9） 共4个16位定时器（10）单片机片内集成看门狗电路3.2.2 STC12C5A60S2引脚说明STC12C5A60S2的具体引脚如图3-1所示：图3-1 STC12C5A60S2引脚图各个引脚的对应功能为：（1）P0.0P0.7: 一组8位漏极开路型双向I/O口，能够用作地址/数据总线复用口。（2）P1.0P1.7：一组带有上拉电阻的 I/O 口，管脚复用成8路ADC输入通道。（3）P2.0P2.7：一组带有上拉电阻的 I/O 口，在代码编译或者校验时可接受高位地址或者控制信号。（4）P3.0P3.7：一组带有上拉电阻的I/O 口，但其部分引脚的第二功能更常被使用到，如表3-1所示：表3-1 P3口引脚的第二功能引脚号引脚名称第二功能P3.0RXD串行输入P3.1TXD串行输出P3.2INT0外部中断0P3.3INT1外部中断1P3.4T0/INT定时器0外部输入P3.5T1/INT定时器1外部输入P3.6WR外部数据存储器允许写P3.7RD外部数据存储器允许读（5）RST：复位引脚，通过检测按键是否按下控制单片机的复位，RST引脚上连续出现两个机器周期或以上的高电平将使得单片机复位。（6）ALE：当访问外部的程序存储器时，地址锁存信号ALE可以锁存地址的低8位（7）SS：SPI同步串行并接口的从机选择信号，片选信号。（8）ECI/MOSI：ECI是PCA计数器的外部脉冲输入管脚。MOSI是SPI同步串行接口的主出从入。（9）MISO：SPI同步串行接口的主入从出。（10）XLAT1、XLAT2：分别为晶体振荡器的反相放大器以及其内部时钟发生器的输入端和输出端。3.2.3 STC12C5A60S2在本系统中的具体应用在本系统中，STC12C5A60S2的XLAT1、XLAT2引脚外接11.0592MHZ的晶振；P1_3和P1_4控制左右车轮速度，P1_5和P1_6控制左右车轮方向；P2_4到P2_7分配给四路光电循迹；P2_0、P2_2和P3_2分别作为温湿度、烟雾和大门开关状态检测；P3_0和P3_1分别和GSM模块的TXD、RXD相连用于串口通信，控制GSM模块的工作状态；P3_3-P3_7控制RFID无线射频RC522读卡器，将读取到的M1卡号发送给单片机。3.3 非接触式IC卡Mifare One卡3.3.1 Mifare One卡的结构MIFARE ONE(M1)卡是世界上目前来说使用的量最大、内存是最大、性能更最稳定、技术也是最成熟的一种非接触感应式智能IC卡8。卡的薄膜结构和内部结构如图3-2、3-3所示：图3-2 卡的薄膜结构图3-3 卡的内部结构3.3.2 Mifare One卡的功能射频读卡器MFRC522是通过天线进行发射激励信号，当M1卡进入到读写器的工作区域内时，就会被读写器的信号激励。在电磁波的信号激励下，内置在卡内的LC串联谐振电路就会产生共振，从而使原本没有电荷的电容内有了电荷。在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可以作为电源为其他电路提供工作电压，供卡内集成电路工作所需。（1）ATR模块：Answer To Request(“请求之应答”)当一张MIFARE ONE卡处在读写器的天线工作范围之内时，程序员控制读写器向卡发出Request all(或Request std)命令后，卡的ATR将启动，将卡片的卡类型号传送给读写器，建立卡与读写器的第一步通信联络。若不进行这一步操作，读卡器是无法继续下面的工作的。 （2）AntiCollision模块：防(卡片)冲突功能 当多张MIFARE ONE卡同时处在读写器的天线工作范围之内时，MIFARE ONE卡的AntiCollision模块的防冲突功能就会被启动，开始工作。读写器会先与每张卡进行通信，读取每张卡的序列号。由于每张MIFARE ONE卡的卡号是全球惟一的，因此可以利用AntiCollision防重叠功能和卡上的防重叠功能模块，进而来选定其中的一张卡。被选中的卡将被激活，可与读写器进行通信。而其他未被选中的卡一直处于等待，时刻准备着和读写器进行通信。防重叠功能启动工作时，读写器将得到M1卡的卡号。卡号就存储在卡内的块0中，总共是有5个字节，4个字节是有效的，即卡号，另一个字节为卡号的校验字节 。（3）Select Application 模块：卡片的选择当IC卡和读写器完成了上述两个步骤，读写器要对卡进行读/写操作，则需要对卡进行“选择”的操作，才能使卡被选中。被选中的卡将卡上的存储在块0中的卡容量的大小发送给读写器。当读写器收到这一字节后，就可以对卡进行下一步操作。即读卡器读取M1卡的卡号，返回给单片机，因为M1卡卡号具有唯一性，所以作为地点的识别。3.4 RFID读写器3.4.1 MFRC522的特点MFRC522是Philips公司的一款针对智能仪表领域最新推出的非接触式低功耗读写基站芯片，它具有低电压、低功耗、低成本等特点。它也是工作在13.56MHz的非接触式通信读卡IC系列中的成员。本读卡器采用了较为先进的调制和解调技术，完全集成了高频（13.56MHz）下所有类型的被动非接触式通信方式以及协议。MFRC522完全符合ISO1443A所有的协议层，最高传输速度可达424kbps，并且具有三种灵活高速的串行接口方式：SPI模式、UART模式、I2C模式7。3.4.2 读写器的结构读写器是基于MFRC522的，其主要的组成是由微处理器、MFRC522、天线以及外围的连接电路等。读写器要通过天线来发射电波来形成了电磁场，并且通过电磁场来对M1卡进行识别，天线所形成的电磁场范围，也就是射频识别的有效区域。因此，要提高读写器的读写距离，所以设计的天线应能在尽量大的范围内产生所需要的电磁场8。读卡器具体结构如图3-4所示：图3-4 基于MFRC522读写器的结构框图3.4.3 读卡器的工作过程MFRC522在系统中的接法如图3-5所示：图3-5 MFRC522读写器的电路图根据读写器的的要求，单片机控制MFRC522完成读卡需经过以下几个步骤：（1）寻卡：寻找卡，将卡放在天线的作用范围内，若有卡在天线作用的范围内则读取卡的类型。（2）防冲突：天线的作用范围内在同一个时间内可能会有不只一张卡存在，即有多张的M1卡向读卡器发回了卡号应答，这时就发生了冲突。但由于每张M1卡的卡号都是惟一的，MCM接收到卡号的信息至少有一位既是0又是1，MCM找到第一个冲突位将其置1，然后再接着查第二个，依次排除后，最后将不再有冲突的卡即为被选中的卡。（3）返回卡号：将读取到的卡号返回给单片机处理、识别、精确定位。3.5 温湿度传感器DHT113.5.1 DHT11的特点DHT11是一款数字式温湿度传感器，其是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器10。DHT11其内含了一个电阻式的感湿元件和NTC测温元件。DHT11在测量的过程中同时也会进行精确的校准校验，校准系数就存储在OTP内存中。DHT11采用单总线式的串行接口，操作方便，信号传输距离长，可用于一些环境较为苛刻的场合。本系统使用DHT11对房间、厨房、卫生间等地方的温度和湿度进行采集。DHT11的优点包括：（1）成本和功耗低，可实现简单快捷的系统集成。（2）响应速度较快，工作相对稳定，抗干扰能力比较强。（3）数字信号输出，减少用户信号处理的负担，精确校准，测量结果的可靠性高。（4）单总线结构，工作时不需要连接额外的电器元件，可以节省I/O口的资源。（5）测量的湿度范围从20%RH90%RH，测湿精度为±5%RH，测量精度十分高。（6）测量的温范围从0-50，测温精度为±1。3.5.2 DHT11的典型应用DHT11采用了单总线式的结构，系统中的数据交换和控制都是通过这一根单总线完成的，设备通过漏极刻录或者三态端口连至总线上11，当设备不发生数据时总线可以被释放给其他的设备使用，单总线要求要上拉一个5.1k的电阻使得总线闲置时的状态处于高电平，否则不能正常的工作。DHT11的典型应用如图3-6所示：图3-6 DHT11的典型应用图3.5.3 DHT11的工作过程DHT11传感器是通过单总线协议和上位机进行数据通信，它需要严格的读写协议来确保数据的完整性12，具体的工作步骤如下：（1）DHT11上电稳定后测试环境中的湿度数据并记录，此时DATA数据线有上拉电阻拉高并一直保持高电平，此引脚处于时刻检测外部信号的状态中。（2）单片机的I/O口输出不小于18ms的低电平后拉高，等待DHT11发送响应信号。（3）DHT11的DATA引脚检测到低电平后输出不小于80us的低电平信号作为应答信号，而后在输出不小于80us的低电平信号通知单片机接收数据。（4）单片机从DHT11处接收数据，2628us长的高电平表示接收到“0”，2970us长的高电平表示接收到了“1”。（5）DHT11输出全部40位数据后，DATA引脚由上拉电阻变为高电平，等待下一次外部信号的到来。3.6 气体传感器MQ-23.6.1 MQ-2特点MQ-2是一种气体传感器，它所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡，其工作原理正是利用了二氧化锡这一特性。当可燃气体、烟雾等出现在传感器所处环境中时，MQ-2传感器的电导率也会随空气中可燃气体或者烟雾的浓度的增加而增大。使用简单的电路就可以实现将电导率的变化转换为与该气体、烟雾的浓度相对应的输出的电信号，继而判断环境中的气体、烟雾等浓度。其具有探测范围十分广泛、灵敏度较高、响应恢复十分快、优异的稳定性、以及驱动电路相对简单等这些特点。3.6.2 MQ-2典型应用电路以下是MQ-2的典型应用电路图，如图3-7所示：图3-7 MQ-2典型应用电路图3.7 GSM模块3.7.1 GSM模块简介GSM是当今世界上主要的蜂窝系统其中之一，其也是当前应用最为广泛的移动电话标准。GSM是基于窄带的TDMA制式，其允许在一个射频的同时再进行八组的通话13。在80年代，GSM从欧洲开始兴起，在1991年正式投入了使用。截止到1997年底已在100多个国家进行了运营，并且亚洲和欧洲地区是拥有统一的标准，到2001年止，全世界162个国家都已经建设了四百多个的GSM通信网络14。GSM模块是手机中的核心模块，它将GSM射频芯片、存储器、基带处理芯片和功放器件等模块集中在一小块电路板上，具有独立的操作系统，并且能够提供标准接口。GSM模块可以进行语音通话，发送接收短信，GPRS数据传输功能，即只要基于GSM网络的基本通信功能都能够实现，加上显示屏、按键和电池的GSM模块即是一部可以正常工作的手机。GSM网络中设备与远程监控点状态如图3-8所示：图3-8 GSM网络图3.7.2 TC35GSM模块的核心是TC35，目前，国内使用的GSM模块有很多，这些模块的功能、用法大同小异。本设计使用的是西门子TC35系列的TC35，工作在EGSM900和EGSM1800双频段15。设计紧凑，体积小。单片机可以通过发送AT指令来控制其工作，为语音、短信和数据提供了快速并且安全可靠的传输。TC-35的主要组成部分包括供电模块（ASIC），闪存，天线接口和ZIF连接器，主要用来处理GSM终端内的语言信号和数据，并且TC-35可以涵盖蜂窝射频设备中所有的模拟和数字功能。TC-35的管脚连接如图3-9所示：图3-9 TC-35的管脚连接图3.7.3 AT指令单片机对GSM模块的控制是通过AT指令实现的，本系统设计用到的AT指令有以下几条：（1）AT：握手指令，是进行所有操作前的第一步，握手成功后才可以进行其他的操作。（2）AT+CMGF=n，n=0为PDU模式；n=1为文本模式。（3）AT+CSCA，设置运营商（联通、移动、电信）短信中心号码。（4）AT+CMGS，设置目标手机号码，即用户的手机号码。3.8 电机驱动模块3.8.1 L298N的特点L298N芯片是一种高电压、大电流的电机驱动芯片。该芯片采用了15脚封装。主要特点是：工作电压高，且最高可达到46V。输出电流较大，瞬间的峰值电流可以达到3A，持续的工作的电流是2A。额定功率25W。内部含有两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可驱动直流电动机和步进电动机等等。使用了标准的逻辑电平信号进行控制。并且具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。可以外接检测电阻，将变化的信号量反馈给控制电路单元。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或者是四相步进电机，当然也可以驱动两台直流减速电机16。电机驱动的原理图如图3-10所示：图3-10 电机驱动原理图3.8.2 L298N的控制直流电机直流电机控制设置表，如表 3-1 所示：表 3-1 直流电机控制设置表电机旋转方式IN1IN2IN3IN4 M1 正转高低/ 反转低高/ 停止低低/ M2 正转/高低 反转/低高 停止/低低3.9 多路循迹模块3.9.1 循迹原理循迹是指安防巡逻小车在白色的地板上按照着事先规定路线的黑线进行行走。对于反射系数，黑线和白色的地板对光线的发射程度是不同的。所以小车是可以根据光电传感器接收到的反射光的强弱不同，进而来判断行进的道路。单片机是通过对每个红外接收管采集到的输出端电压的状态，就能够判断到轨道目前的位置，进而能够控制小车的转向，使小车能够一直正常的沿着轨道行走。使用的这