基于Internet联网的一种报警主机硬件电路设计

本文主要介绍了基于Internet联网的一种报警主机硬件电路设计，系统主要介绍了系统的详细设计过程，系统主要包括Atmega128外围电路，ENC28J60以太网接口电路，键盘/显示接口部分，电源部分，主机通信的串口部分，调试和下载接口，多路红外探测器信号输入接口部分，声光报警部分。本系统运行稳定，具有一定的实用价值。

随着科技安防系统产品日益普及化，要求安装防盗安全报警系统来保障生命财产安全的呼声越来越高，如何筹建或改造现有联网报警系统，将会影响到整个安防报警系统中心今后十年运作的有效性和反应速度。近年来随着市场经济的不断发展，城市社区环境美化、文明程度要求的不断提高传统的建筑围墙和防盗栅栏等简单防护设施既破坏社区的整体形象，也不能完全有效的阻止犯罪分子的破门而入，同时紧锁的铁门和护栏在发生火灾、地震等紧急情况时，使人难以逃生。因此城市安全防范的现代化、智能化，居民财产的防盗防劫已成为政府和居民关注的问题。

其总体目标是：通过采用现代信息传输技术、网络技术和信息系统集成技术，进行精密设计、优化集成、精心建设，提高住宅高新技术的含量和居住环境水平，以适应21 世纪现代居住生活的要求! 同时中国安居工程需要大力发展安全文明智能化小区建设。严峻的社会治安形势，需要建立并完善文明安全小区防盗报警网络系统体系。特别是在当前每个家庭经济承受能力有限的情况下，建设满足防范功能及可靠性需求的安全文明小区防范防盗报警网络系统。

主机报警系统正是应这种市场需求而研发，以其低成本、易操作性和方便的构架方式，建立一个立体化、多层次、全方位、科学的24小时安全防范及服务网络系统，为居民提供更为安全、舒适、便捷的生活环境。

主机报警系统是利用全自动防盗电子设备，在无人值守的地方，通过电子红外探测技术及各类磁控开关判断非法入侵行为或各种燃气泄露，通过控制箱喇叭和警灯现场报警，同时将警情通过Internet传输到报警中心。本课题将完成Internet联网安防报警系统的报警主机电路设计，是完成整个系统功能的基础。

1.2 国内外发展现状

目前，报警联网主机系统主要有两种方式电话线联网和总线制联网。但是根据业内人士对未来发展趋势的分析，随着全球数字化、网络化技术和产品的普及和推广，基于Internet联网的报警技术将会成为未来预警系统的主要发展趋势。

现在国际上最先进的智能报警主机已经作为一款集防盗、防抢、防火、防燃气泄漏、家电控制为一体的高科技的数字化产品面向全球开始出售，为人类的提高生活质量方面做出着不可或缺的贡献。最新的技术产品已经采用双CPU数字控制、语音控制平台，极大的提高了人性化操作；采用安全的专用编码，杜绝录入其它乱码，保证系统安全稳定；方便快捷的历史事件及防区状态查询，记忆存储100条历史事件，以图文形式显示防区状态，直观方便；也可利用无线接口功能独立地控制一个或者多个家电的控制器，并能够远程控制家电，在报警的同时启动无线家电控制器，使其系统不仅具有防盗报警等基本功能，还可以轻松升级为智能家居控制中心系统。

我国的安防技术得到迅速的发展和提升。就目前而言我国的安防产品多数是基于PSTN和GSM传输的，基于Internet的安防产品还处在初级阶段，市场销售最好的还是基于PSTN的视屏摄像监控产品，随着技术的发展安防技术的总体趋势是按照智能化（数字化）、网络化（集成化）、个性化（人性化）、移动化（无线化）的方向发展，由于我国安防系统技术起步晚，使我国在报警主机技术发展方面与国际最新技术相比较为滞慢，实现具体的防盗、防灾报警方面与国际没有差异，仅在智能系统方面略微落后。

为了适应信息化时代的要求，在家居方面，世界上一些科研机构将智能大厦的概念和模式引进住宅小区，从而使人类的居住条件和环境得到质的完善!智能化小区是综合运用计算机、信息、通信、控制等科学技术，以智能控制系统、安防系统、小区物业管理系统和社区综合服务为依托，用高科技手段构建小区高速互联网络信息服务平台，为小区住户提供安全、环保、高效、舒适、方便的生活空间！

完善的报警系统可确保每一个用户的生命财产的安全。智能家居报警系统由家庭报警主机和各种前端探测器组成。前端探测器可分为烟感探测器、红外探头、紧急按钮等。若有人非法入侵便会触发相应的探测器，家庭报警主机会立即将报警信号传送至小区管理中心或用户指定的电话上，以便保安人员迅速处警，同时小区管理中心的报警主机将会纪录下这些信息，已备查阅。

此预警系统为用户提供基础的生命财产保障，可分为前端探测器、网络信号传输系统、控制中心控制系统等。而且，此预警系统具有很强的适应性及兼容性，各种功能利用智能系统网络传输部分以及系统前端家居智能控制器，在设置自己的控制器和管理软件基础上，便可完成各自的控制。

从安防角度来讲，此系统可实现家居安防的报警点的等级布防，并采用逻辑判断，避免系统误报警；可采用键盘对系统进行布防、撤防，一旦发生报警，系统自动确认报警信息、状态及位置，而且报警时能够自动强制占线。以下分类介绍此系统的应用功能特点：

报警及联动功能。通过安装各种传感器来实时监测其防区内的状态，一旦发生灾情或突发事件能够及时的向报警主机发出信号。

紧急求助功能，安装在室内的报警控制器具有紧急呼叫功能，小区管理中心可对住户的紧急求助信号做出回应和救助。

报警管理显示功能。住户离开家时，设防进入离家模式即防盗报警状态，为有效防止非法入侵，小区物业中心的管理系统可实时接收报警信号，自动显示报警住户号和报警类型，并自动进行系统信息存档。

预设报警功能。此系统可预设报警电话，如110、 119等进行不同的报警，并与小区实现联网。另外，可通过预设发警报到住户的手机或指定电话上。

4.1 单片机电路模块设计

Atmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，Atmega128 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。它工作于16 MHz 时性能高达16MIPS，只需两个时钟周期的硬件乘法器，非易失性的程序和数据存储器。其管脚图如下所示：

图4-1 Atmega128结构框图

AVR单片机与其他类型的单片机相比具有以下特点：

高速、低耗、保密：AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行；AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。有的器件最低1.8 V即可工作；

AVR单片机保密性能好，无法用电子显微镜看到。

I/O口功能强,具有A/D转换等电路：AVR单片机的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况，具有大电流(灌电流)10～40 mA,可直接驱动可控硅SSR或继电器，节省了外围驱动器件。；AVR单片机可重设启动复位,以提高单片机工作的可靠性。有看门狗定时器实行安全保护,可防止程序跑飞,提高了产品的抗干扰能力。

有功能强大的定时器/计数器及通讯接口：定时/计数器T/C有8位和16位,可用作比较器。计数器外部中断和PWM(也可用作D/A)用于控制输出，某些型号的AVR单片机有3～4个PWM，是作电机无级调速的理想器件。

其外围电路入下所示：

·振荡电路

图4-2 振荡电路设计

·系统复位电路

图4-3 系统复位电路

·单片机供电电路

图4-4 系统供电电路

4.2以太网接口部分

ENC28J60：具有两个用来表示连接、发送、接收、冲突和全/半双工作状态的可编程LED输出；25MHZ的时钟；工作电压的范围在3.14~3.45之间；采用28引脚的封装；

RTL8019AS：RTL8019AS是一种全双工即插即用的以太网控制器，它在一块芯片上集成了RTL8019内核和一个16KB的DRAM存储器。它兼容RTL8019控制软件和NE2000 8bit或16bit的传输，支持UTP,AUI,BNC和PNP自动检测模式，支持外接闪烁存储器读写操作，支持I/O口地址的完全解码，具有LED指示功能。RTL8019AS采用100脚PQFP封装。

综上，我决定采用ENC28J60芯片，因为其具有低引脚数，动手制作时相对简单，而且其工作电压低，决定了它的低功耗。其电路如下所示：

图4-5 ENC28J60电路

4.3键盘/显示接口部分

显示屏采用12864液晶显示屏：12864液晶显示屏是一款汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。它的工作电压在3-5V（内置升压电路，无需负压）。它与MCU的接口方式为8位并行或者3位串行。其电路如下所示：

图4-6 lcd电路

键盘采用4ⅹ4矩阵键盘：键盘是一组按键的集合，它是常用的单片机输入设备。键盘中的每个按键都是一个常开开关电路，当按键未被按下时，输入为高电平，当按键被按下时，输入为低电平。一组按键或者键盘都要通过I/O接口线查询按键的开关状态。根据键盘的结构不同我们采用的编码方法也不同，当我们每按下一个按键时，都转换成与累加器中的数值相对应的键值，以实现按键功能程序的散转。我所采用的键盘为4X4矩阵键盘，其各键由上到下，由左到右的键值依次为88H、84H、82H、81H、48H、44H、42H、41H、28H、24H、22H、21H、18H、14H、12H、11H。其电路如下所示：

图4-7 矩阵键盘

键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。键盘分两大类：编码键盘和非编码键盘。

编码键盘：由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一个选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘易于使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重之情况，采用8279可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。

非编码键盘：只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等均靠软件完成，故硬件较为简单，但占用CPU较多时间。有：独立式按键结构、矩阵式按键结构。

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图3.2所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直

接用端口线则只能多出一键(9键)。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

图4-8 矩阵键盘示意图

矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。确定矩阵式键盘上何键被按下我们介绍一种“行扫描法”。

行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，判断键盘中有无键按下将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

4.4电源部分

给单片机系统供电的电源，在单片机应用中是十分重要的。这是因为单片机不仅要求电压、电流，还有上电复位的要求，所以电源不仅要提供稳定的电压、充足的电流，而且要求电源的电压建立时间。因此在设计单片机系统的备用供电电源(干电池)模块时，一定要使其电压建立时间100ms-300ms之间。同时也应尽可能的延长电池的一次工作时间和使用寿命。减小供电电压是降低电源消耗最简单最有效的一种方法。第二种办法是对电源进行有效的管理，即在系统处于主要电源供电时备用电源不工作，并尽可能对备用电源进行充电等，这样都会降低备用电源的损耗和延长备用电源的使用寿命。其protel电路原理图如下所示：

图4-9 直流稳压电源模块（protel）

4.5主机通信的串口部分

串行通信的传送方式通常有三种: 单向( 单工) 、半双向( 半双工)和全双向( 全双工) 。图3.5分别列出了三种传送方式的图示。

图4-10 三种传送方式比较

单工通信: 也称单向通信, 即只能有一个方向的通信, 而没有反向的交互。

半双工通信: 也称双向交替通信, 即通信的双方都可以发送信息, 但不能同时发送或同时接收, 这种通信往往是一方发送另一方接收。

全双工通信: 也称双向同时通信, 即通信的双方都可以发送和接收信息。

图4-11 串口电路模块

MAX232 芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的IC 芯片, 适用于各种EIA- 232C 和V.28/V.24 的通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器, 可以把输入的+5V 电源电压变换成为RS232C 输出电平所需的+10V 和- 10V 电压。所以, 采用此芯片接口的串行通信系统只需要单一的+5V 电源就可以了, 加之其价格适中, 硬件接口简单, 所以被广泛采用。

4.6用于调试和下载接口部分

对于下载部分，一般我们采用的JTGA下载方式进行，具体不做介绍了，其电路原理图如下所示：

图4-12 JTAG电路

4.7多路红外探测器信号输入接口部分

不同种类的物体发射出的红外光波段是有其特定波段的，该波段的红外光处在可见光波段之外。因此人们可以利用这种特定波段的红外光来实现对物体目标的探测与跟踪。将不可见的红外辐射光探测出并将其转换为可测量的信号的技术就是红外探测技术。从目前应用的情况来看，红外探测有如下几个优点：环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力；隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰；由于是*目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低；探测器的光谱响应从短波扩展到长波；探测器从单元发展到多元、从多元发展到焦平面；发展了种类繁多的探测器和系统；从单波段探测向多波段探测发展；从制冷型探测器发展到室温探测器；由于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的研究和应用，尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。红外探测器是将不可见的红外辐射能转变成其它易于测量的能量形式的能量转化器，作为红外整机系统的核心关键部件，红外探测器的研究始终是红外物理与技术发展的中心。

热探测器热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。分别利用上述不同性能可制成多种热探测器：

　　(1) 液态的水银温度计及气动的高莱池（Golay cell）：利用了材料的热胀冷缩效应。

　　(2) 热电偶和热电堆：利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。

　　(3) 石英共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。

　　(4)测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实，将是21世纪最引人注目的一类探测器；

　　(5) 热释电探测器：有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，由此能测量红外辐射的功率。

4.8 报警电路模块设计

报警电路如下图所示，采用蜂鸣器和三极管实现，一般来讲，蜂鸣器有两种，一种是自己起振，另一钟是需要振荡电路的。本课题设计采用的蜂鸣器是自起振的，而三极管可以起到提高功率的作用。

图4-13 报警电路

4系统总体电路如下所示：

图4-14 系统总体电路

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