家庭防盗报警系统设计

1 绪论

1.1 家庭报警器发展现状及其系统构成与分类 1.1 家庭防盗报警器的发展

从上世纪初， 报警系统就已经在北美稍具雏形。 在北美， 报警呼救箱放置在街头 巷尾，在呼救时发出声响提示，以寻求附近的帮助；同时，这种呼救箱直接连接 到附近的警局， 使得稍远一些的也能够收到呼救信息。 随后， 由于通信技术的发 展，提供远程通信服务的电报公司加入到这个行业中， 从而使得报警信息可以通达到 更远的地方； 不过，这种电报方式毕竟难以普及， 所以稍后出现的电话理所当然地成 为报警通讯的主要手段。 而此后自动拨号系统的出现以及电话普及到千家万户， 更使 得通过电话线报警的方式得到了前所未有的发展。

从以上过程来看， 报警行业的发展是以工业技术发展为基础的， 只有具备良好的 通信手段， 才能够把各地的报警信息汇聚到相应的权威部门， 然后由权威部门负责分 配有限的警力来帮助到所有的社会个体。

国外智能监控防盗技术发展已处于一个较高水平阶段， 从具有代表性的北美发展 过程，可以清楚的看出世界智能监控防盗技术的发展概况。 其具有以下特点， 值得我 们借鉴。

目前，对北美的安防产业来说， 最成功的经营模式就是联网报警服务模式， 联网 报警将整个北美的安防产业从横向到纵向进行整合串并， 形成了一个集中许多高科技 手段和产业化管理水准的一体化综合性产业。 比如世界排名第一， 北美最大的安防跨 国公司一美国棋诺亚公司， 它在世纪年始搞简单的防盗报警， 其当时的业务范围 和技术水平跟中国现在很多安防企业是相当的。到 70 年代，它对其产业的整体发展 方向做了很大的调整， 变为联网报警服务商， 建立了首家网管中心， 尤其是在年代引 用了大量的网管技术、 系统集成技术和电子技术， 现己成为十分先进的联网报警服务 平台，它在美国、加拿大、英国、、等多个国家和地区都有分公司，北美的 客户数己超过 600万， 2003年防盗报警收入总产值达 105 亿美元。

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1979 年在石家庄市召开了“全国刑事技术预防专业工作会议” ，会议提出 要大

力开展安全技术防范工作， 技防作为业务的组成部分就这样正式提出来。 其 实我国的技防工作早在 60 年代就开始了，那时候由于形势所迫，博物馆，银行都自 发采用各式各样的防范手段，这是我国技术防范工作的初级阶段。

当时主要采用的手段是声控报警。 罪犯撬玻璃的声音， 砸展柜的声音传到了值班 室。值班人员判断出罪犯在行窃，及时报告了领导和 有关部门，组织保卫人员和警 力将罪犯包围后将其擒获。

82 年和第一研究所，根据当时的防盗报警技术的发展为故宫很多 展厅安装

了主动红外、被动红外、微波、超声波、声控等防盗探测器，形成了多种探 测手段的防盗报警系统，防盗报警技术提高到一个新水平。

84 年以后安防事业在中国进入了普及与提高阶段，而且发展迅速。相继各个博 物馆、银

行、商场、超市、居民小区都陆续建立了安全防范系统。

进入 90 年代，人们注意到周界防范的重要性，要利用周边的围墙，铁栅栏等屏 障建立周界防范， 如果没有条件形成大周界也要建立建筑物的墙体、 窗户、门外和建 筑物之外。在防护区和禁区内采用 3 种以上不同探测原理的探测器构筑多道防线， 与 此同时防遮挡功能的探测器也问世了，促进了入侵探测器技术的发展。

目前，全国的安全技术基本上和国际接上了轨。 在现代计算机技术、自动控制技 术和现代通信技术的支持下， 安防系统也是一个很完善的计算机控制系统， 防盗报警 系统，电视监控系统，声音系统，门禁系统和巡更系统统一由一台计算机进行管理， 标志我国的安防事业进入一个新阶段。

1.1.2 防盗报警系统的构成

防盗报警系统是用物理方法或电子技术， 自动探测发生在布防监测区域内的侵入 行为，产生报警信号， 并提示值班人员发生报警的区域部位， 显示可能采取对策的系 统。防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就 能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点， 使于迅速采取应急措施。 防 盗报警系统与出入口控制系统、 闭路电视监控系统、 访客对讲系统和电子巡更系统等 一起构成了安全防范系统。

防盗报警系统通常由探测器（又称防盗报警器） 、传输通道和报警控制器三部分 构成。如图所示。 报警探测器是由传感器和信号处理组成的， 用来探测入侵者入侵行 第 2 页 （共

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为的，由电子和机械部件组成的装置， 是防盗报警系统的关键， 而传感器又是报警探 测器的

核心元件。采用不同原理的传感器件，可以构成不同种类、不同用途、达到不 同探测目的的报警探测装置。

图 1-1 防盗报警系统构成图

1.1.3 防盗报警器的分类

（1）报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、 微波报警探测器、 被动 式红外

/ 微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测 器、激光报警探

测器、 磁控开关报警探测器、 开关报警探测器、 视频运动检测报警器、 声音探测器等许多种类。

（2）报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。

（3）报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、 面控报警探测器和空间防范报警探测器。

（4）防盗探测器是否采用电源分类可分为无源和有源两种。

（5）从防盗探测器与报警主机（后端处理器）的连接方式可分有线与无线。 除了以上区分以外，还有其他方式的划分。在实际应用中，根据使用情况不同， 合理选择不同防范类型的报警探测器， 才能满足不同的安全防范要求。 报警探测器作 为传感探测装置， 用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。 在各种各样的智能建 筑和普通建筑物中需要安全防范的场所很多。 这些场所根据实际情况也有各种各样的 安全防范目的和要求。 因此，就需要各种各样的报警探测器， 以满足不同的安全防范 要求。

1.1.4 防盗报警器的发展前景与趋势

随着社会的发展， 农村城镇化和人员流动性增大， 社会治安状况更趋复杂， 因此 作为社会的基本单元“安全防范问题就显得尤为重要” 。传统的机械式（防盗网、防 第 3 页 （共

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盗窗）家居防卫在实际使用中暴露出一些明显的问题，如： （1）影响楼房美观，市容 整洁；（2）影响火灾救援通道；（ 3）给犯罪分子提供了便利的翻越条件； （ 4）时间久 了会有高空坠物的危险； （5）压抑人性自由。

所以作为新一代的智能安全防盗报警器系统就应运而生， 并日益受到广泛的重视 和运用。 另外，为了进一步规范住宅小区智能化建设， 建设部特别制定了智能小区的 等级标准，按照其要求智能小区中必须具有安全防范、 信息管理、 物业管理和信息网 络等系统。因此，小区安全防范系统建设已逐渐纳入许多小区建设的必备项目中。

数字化、 无线化、集成化是防盗报警系统的技术发展趋势。 不难发现防盗报警的 技术发展趋势：

（1）更稳定 / 可靠：如探测器需可抗 RFI/EMI、防雷电等，以适应恶劣气候； （2）更多样的功能：如探测器可调频、防遮挡、防喷盖、防破坏等； （3）更精美、小巧的外观：以符合品味日益提高的室内装潢需求； （4）更智能化的设计：方便地设 / 撤防，人性化的操作界面； （5）更强大的联网功能；

（6）更方便的扩展性。 上述发展趋势，都建立在数字化、无线化、集成化的三大核心技术基础上。

1.2 设计要求与研究内容

1.2.1 设计要求

现时社会治安问题严峻，各种入室抢窃、偷盗事件时有发生，治安问题更加突出。 为了防护自己， 越来越多的家庭采用智能防盗报警产品。 防盗报警系统是利用探测器 装置对建筑物内外重要地点和区域进行布防， 探测。当探测器探测到非法入侵， 报警 器工作状态变为报警状态， 产生报警声。 本论文的目的就是设计出一种符合上述要求 的防盗拨号报警系统。本文所研制的报警器的功能要求如下 :

（ 1） 应用场合：家庭防盗报警，可实现非法入侵报警；

（ 2） 采用热释电红外传感器，一旦发现有人入室行窃，应发出声、光报警， 并能显示出出事地点；

（ 3） 预留相应接口，以适应家用电器联网的需求； （4） 220V AC供电； （ 5） 成本控制在适合家用。

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1.2.2 研究内容

课题需要研究的内容主要有以下几个方面：

1. 根据系统功能要求并且考虑产品的性价比， 进行系统的整体方案设计。 该方案 采用

模块化设计方法，以方便系统的调试和用户的使用。

2. 系统硬件设计。包括芯片的选型、 所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设计。

主要内容有单片机的选择、主机电路的设计、传感器的选择、报警电路的设计。 下面分 3章从系统涉及的相关技术、 系统的硬件设计、 系统的软件设计对本课题 做详细的介绍。

2 总体方案设计

现在市场上有各种各样的报警器， 通过对它们进行分析比较， 根据产品的功能要 求和产品的性价比，决定采取由单片机为主要技术进行总体方案设计。

2.1 系统的功能要求

根据实际要求，本毕业设计课题技术要求： （1）应用场合：家庭防盗报警；

（2）采用热释电红外传感器，一旦发现有人入室行窃，应发出声、光报警，并 能显示出出事地点；

（3）预留相应接口，以适应家用电器联网的需求； （4）220V AC供电； （5）成本应控制在适合家用。

2.2 总体设计方案 智能住宅安防报警系统开发设计方案是参照国内外相关技术的发展

状况， 根据我 国住宅建设的实际情况， 为满足新时期居民的居住要求， 并充分考虑其经济性和可靠 性。

系统组成框图如图 2.1 所示，根据系统拟达到的总体功能， 将其划分为以下功能 模块：电源电路，热释电红外传感器电路、警铃电路、数码管显示电路、 电路等。

TC35 通信

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LED 蜂鸣器 电源

A T 8 9 S 5 2

后备电源 用户手机

RS232 串口

通信

单片机

T C 3 5 红外传感器

模块 SIM 卡

GSM

网络 短消息服 务中心

图 2.1 系统组成框图

GSM

网络

红外探测器安装在用户家里需要防范的部位，例如门窗、厨房，卧室等，当系统 开机时，一旦有人入侵， 与之相应的报警探测器立即向用户端自动报警主机发出报警 信号，接到警情事件后，自动报警主机立即进行确认，确认无误后，进行处理，同时 显示入侵的地点，并做出相应的提醒。

2.3 系统相关技术

本系统主要有电源电路，热释电红外传感器电路、警铃电路、数码管显示电路、

TC35 通信电路等部分组成。下面我们将简要介绍单片机技术，传感器技术和

术等。

GSM技

2.3.1 单片机技术

1.单片机的特点

所谓单片机就是一块芯片上集成了 CPU、ROM、RAM、定时/ 计数器和多种 I/O 接口电 路等而具有一定规模的微型计算机。 单片机与通用微型计算机相比较， 它在硬件结构、 指令设置上均有其独到之处，主要特点如下：

(1) 单片机中的存储器 ROM和 RAM是严格分工的。 ROM为程序存储器，只存放程

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序、常数及数据表格。而 RAM则为数据存储器，用作工作区及存放变量。这样的结构 主要是考虑到单片机用于控制系统中， 有较大的程序存储空间， 把已调试好的程序固 化在 ROM中，而把少量的随机数据存放在 RAM中，这样，小容量数据存储器能以高速 RAM形式集成在单片机内，以加快单片机的执行速度。但单片机上

储器用，而不是当作高速数据缓冲存储器( Cache)用。

RAM是作为数据存

(2) 采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要，单片机的逻辑控制能力要优 于同等级的 CPU，特别是单片机具有很强的位处理能力。单片机的运行速度也较高。

(3) 单片机的 I/O 引脚通常是多功能的。由于单片机机芯上引脚有限，为了解决 实际引脚

和需要的信号线数的矛盾， 采用了引脚功能复用的方法， 引脚处于何种功能， 可由指令来设置或由机器状态来区分。

(4) 系列齐全， 功能扩展性强。 单片机具有内部掩膜 ROM、内部 EPROM和外接 ROM

等形式，并可方便的扩展外部的 RAM、 ROM及 I/O 接口，与许多通用的微机接口芯片 兼容，对应用系统的设计和生产带来极大的方便。

(5) 单片机的功能是通用的。单片机虽然主要是作控制器用，但是功能上还是通 用的，可以

像一般微处理器那样广泛地应用在各个方面。

2. 单片机的应用

单片机在控制应用领域中，有如下几方面的优点：

(1) 体积小、成本低、运用灵活、易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控 制设备和仪

器，做到机电仪一体化；

(2) 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳 的性能价格

比；

(3) 抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这 是其他机种

无法比拟的；

(4) 可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统得效率和可靠性大为提

单片机的应用范围十分广泛，下面仅列举一些典型的应用领域。

(1) 工业控制：数控机床，温度控制，可编程顺序控制，电机控制，工业机器人， 智能传感

器。离散与连续过程控制；

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(2) 仪器仪表：智能仪器，医疗器械，液体和气体色谱仪，数字示波器； (3) 电讯技术：调制解调器，声像处理，数字滤波，智能线路运行控制； (4) 办公自动化和计算机外部设备：图形终端机，传真机，复印机，绘图仪，磁

盘/ 磁带机，智能终端机；

(5) 导航与控制：导弹控制，鱼雷制导，智能武器装置，航天导航系统；

(6) 汽车与节能：点火控制，变速控制，防滑车控制，排气控制，最佳燃料控制， 计费器，

交通控制；

(7) 商用产品：自动售货机，电子收款机，电子秤，银行计统机； (8) 家用电器：微波炉，电视机，录像机，音响设备，游戏机。 3. ATS52的特点

ATS52作为普通 51 单片机已与广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使 用，且功

能强大，因此本系统采用 ATS52单片机作为主控制芯片。

ATS52的功能特性描述： ATS52是一种低功耗、高性能 CMOS8位微控制器， 具

有 8K在系统可编程 Flash 存储器。 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制 造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可 编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上， 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash ， 使得 ATS52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 ATS52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash ，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 两个数据指针，三个 16 位定时器 / 计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行 口，片内晶振及时钟电路。另外，

ATS52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持两种软 件可选择节电模式。空闲模式下， CPU停

止工作，允许 RAM、定时器 / 计数器、串口、 中断继续工作。掉电保护方式下， RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作 停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

下面我们介绍一下 ATS52的引脚， ATS52引脚排列如图 2.2 所示，各引脚的 功能如下： 引脚结构

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图 2.2 ATS52 引脚排列图

VCC：供电电压。 GND：接地。

PO口： PO口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL门电流。当 P1 口的

管脚第一次写 l 时，被定义为高阻输入。 PO能够用于外部程序数据存储器，它 可以被定义为数据 /地址的第八位。在FLASH编程时，PO口作为原码输入口， 当FLASH 进行校验时，

PO输出原码，此时 PO外部必须被拉高。

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P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 1/O口，P1口缓冲器能接收输 出 4TTL门电流。 P1口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1口被外部下 拉为低电

平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。

P2口： P2口为一个内部上拉电阻的 8位双向 1/O 口，P2口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL门电流，当 P2口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为

输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘 故。P2口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2口输出 地址的高八位。在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据 存储器进行读写时， P2口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH编程和校验 时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口： P3口管脚是 8个带内部上拉电阻的双向 1/O口，可接收输出 4个 TTL门 电

流。当 P3口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由 于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流 （ILL） 这是由于上拉的缘故。

P3 口也可作为 ATS52的一些特殊功能口，如下为管脚的备选功能： P3.0 RXD（串行输入口 ） P3.1 TXD（ 串行输出口 ） P3.2 /INTO（ 外部中断 0） P3.3 /INT1（ 外部中断 1） P3.4 TO（ 记时器 0外部输入 ） P3.5 T1（ 记时器 1外部输入 ） P3.6 /WR（ 外部数据存储器写选通 ） P3.7 /RD（ 外部数据存储器读选通 ）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST脚两个机器周期的高电平时 间。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 2.3.2 热释电红外传感器技术

现在有关家庭防盗的传感器非常多， 有人体热释电传感器、 门磁传感器、 振动位 移传感

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器、 红外线反射开关无线探头、 门把手人体接近感应传感器、 雷达波人体检测 无线探头等等。 本系统考虑到不仅要满足可靠探测的需要， 而且还需经济实用和安装 操作简便， 所以选用了人体热释电红外传感器完成防盗监测。 当盗贼企图从门窗进入 室内时，人体热释电传感器能检测到人体移动的红外信号。

热释电红外传感器是一种新型的利用红外辐射热效应的原理进行工作的探测器， 其原理是利用热释电晶体材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应。 晶体受 辐射照射时， 由于温度的改变使自发极化强度发生变化， 结果在垂直于自发极化方向 两个外表面之间出现感应电压， 利用这个感应电压的变化可以测量光辐射的能量。 因 为热释电传感器的电信号正比于传感器温度随时间的变化率， 不像其他热传感器需要 有个热平衡的过程， 所以其响应速度比其他热传感器快很多。 而且它的光谱响应范围 宽，在室温下工作无需致冷， 使用方便， 因此本课题中的红外传感器选用的就是热释 电传感器 [7 ～8]。

1. 热释电效应

由于热释电晶体自然存在时， 内部会产生固有的自发电极化， 通常情况下这类晶 体并体并不显出外电场， 因为对导体来说， 这种自极化的自由电荷分布将与内电矩相 抵消；对绝缘体来说， 极化引起的表面电荷会吸引杂散电荷趋附到晶体表面从而使得 二者中和掉。 当晶体的温度发生变化时， 晶体的自发极化强度也随之改变， 在与极化 强度方向垂直的晶体表面就会产生热释电电荷， 如果晶体的温度变化足够快， 内部的 或外界的电荷来不及补偿中和热释电电荷， 这时会显出电场。 这种晶体随温度变化而 产生电荷的现象就是热释电效应 [9 ～10] 。

2. 热释电红外传感器结构及工作原理

热释电红外传感器系统主要有光学系统、热释电红外探测头、信号滤波和放大、 信号处理电路等几部分组成。其组成框图如下图所示：

图 2.3 热释电红外传感器系统组成框图

红外热释电处理芯片 BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、 延迟时间

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定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路， 具有较高性能 的传感信号处理能力， 它配以热释电红外传感器和少量外围元器件构成被动式热释电 红外开关， 能自动快速开启报警装置。 由于红外热释电传感器只对不断快速变化的红 外信号才敏感， 而自然界的红外信号一般都是缓慢变化或者是不变的， 因此探头部分 需要一个能对红外辐射进行调制的装置， 本课题所使用的菲涅尔透镜。 由于菲涅尔透 镜采用了特殊的光学透镜组合， 因此能在探测器前方产生一个交变的场区， 即产生了 一个交替变化的“盲区”和“有效区” 。这样，外部目标的红外辐射通过菲涅尔透镜 照射到敏感单元上的将会是交变的红外辐射， 当这个交变的红外信号照射到探测器晶 体上面， 晶体的温度会发生变化， 从而引起自发极化强度的变化， 晶体表面的束缚电 荷因此也会发生变化，这样就产生了一个随红外辐射变化的电信号 [10 ～12] 。

红外热释电传感器的正确安装应满足下列条件： （ 1）红外线热释电传感器应离地面 2.0-2.2 米。

（2）红外线热释电传感器远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。 （3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、 家具、 大型盆景或其他隔离物。

（4） 红外线热释电传感器不要直对窗口， 否则窗外的热气流扰动和人员走动会引 起误

报， 有条件的最好把窗帘拉上。 红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动 的地方。

2.3.3 GSM 模块

目前，在国内已经开始使用的 GSM模块有 Flacon的 A2D系列， Wavecom的 WM02 系列，西门子的 TC35系列模块，这些模块的功能、用法差别不大。其中 TC35系列模 块性价比很高， 并且已经有国内的无线电设备入网证。 西门子的 TC35模块是西门子 推出的无线模块，功能丰富，设计紧凑，大大缩小了用户产

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品的体积。TC35与GSM2 /2+兼容、双频(GSM900/GSMl800、) RS232数据口、符合ETSI 标准 GSM0707和 GSM070，5 且易于升级为 GPRS模块。该模块集射频电路和基带于一 体，向用户提供标准的 AT 命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、 安全的传输，方便用户的应用开发及设计。因此本此课题研究选用西门子的 块。

它主要是由射频天线、内部 F1ash、GSM基带处理器、匹配电源和一个 40 脚的 Zip 插座组成。其中 GSM基带处理器是核心部件，它的作用相当于一个协议处理器， 用来处理外部系统通过串口发送过来的 AT 指令。射频电路部分主要实现信号的调制 与解调，实现外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换， 匹配电源为处理器以 及射频部分提供所需的电源， 插座是提供给用户的应用接口主要有音频接口、 数据接 口、 SIM卡接口、电源及其控制接口。

TC35模

TC35工作频段为双频 GSM900MH和z GSMl800MHz(phase2 /2+) ：支持数据、语

音、 短消息和传真。TC35的数据输入 /输出接口实际上是一个串行异步收发器， 符合 ITU-T

RS232接口标准。它有固定的参数： 8 位数据位和 l 位停止位，无校验位，波特率在 300bps～115kbps 之间可选，硬件握手信号用 RTSO/CTS，O软件流量控制用 XON/XOF，F CMOS电平，支持标准的 AT命令集。

GSM模块提供的命令接口符合 GSM07.05和 GSM07.07规范。 GSM07.07中定义的 AT Command接口提供了一种移动台 (MS) 与数据终端设备 (DTE)之间的通用接口， GSM07.05

对短消息作了详细的规定。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够 通过串口发送指示消息，数据终端设备可以向短消息模块发送各种命令 3

报警器硬件设计

ATS52，检测

我设计红外防盗报警系统是由控制器、人体热释电红外传感器、 TC35 通信模块、警铃电路及数码管显示部分组成。控制器采用单片机

部分采用红外感应芯片 BISS0001，显示部分采用数码管显示和警铃电路设计。 概况起来可分信号采集端，数据处理显示，警铃电路三部分。本文从硬件和软 件两方面介绍了红外防盗报警系统，对硬件原理图和程序图作了简洁的描述。

3.1 主机电路设计

报警器的主机采用 ATS52单片机来实现。单片机是将处理器 (CPU)、随机

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存取存储器 (RAM)、只读存储器 (ROM)、定时 / 计数器及输入输出接口电路等计算机主 要部件集成在一块集成电路芯片上的微型算机。

现在世界上已经有很多大公司能够生产单片机， 随着超大规模集成电路的迅猛发 展，单片机的功能也日渐强大， 运算速度日益提高，相继出现了 32位和 位单片机， 但根据实际系统的需要和产品的性价比，本文选用

ATMEL公司生产的 8 位单片机

ATS52，构成系统的主机。主机部分的电路原理图如图 3.1 所示，它由复位电路、 振荡电路

组成。

图 3.1 主机部分原理图

3.1.1 时钟电路

ATS52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1和 XTAL2 分别

是此放大器的输入端和输出端。 时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。 内部 方式的时钟电路如图 3.2 所示，在 XTAL1和 XTAL2引脚上外接定时元件， 内部振荡器 就产生自激振荡。 定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。 晶体振荡 频率可以在 1.2 ～12MHz之间选择，电容值在 5～ 30pF之间选择，电容值的大小可对 频率起微调的作用。

外部方式的时钟电路如图 3.3 所示， XTAL1接地， XTAL2接外部振荡器。对外部

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振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于 12MHz的方波信号

片内时钟发生器把振荡频率两分频， 产生一个两相时钟 P1和 P2，供单片机使用

图 3.2 内部方式时钟电路 图 3.3 外部方式时钟电

3.1.2 复位及复位电路 1. 复位操作

复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把 PC 初始化为 0000H，使单片机从 0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或 操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

除 PC 之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表 示。

寄存器 复位状态 寄存器 复位状态 3-1 所

PC ACC PSW SP DPTR P0-P3 IP IE 0000H 00H 00H 07H 0000H FFH ×× 000000B TCON TL0 TH0 TL1 TH1 SCON SBUF PCON 00H 00H 00H 00H 00H 00H 不定 0×000000B 0××× 0000B TMOD 00H 表 3-1 一些寄存器的复位状态 第 15 页 （共 32 页）

2. 复位信号及其产生

RST 引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续

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个振荡周期 (即二个机器周期 ) 以上。若使用颇率为 6MHz的晶振，则复位信号持续时 间应超过 4us 才能完成复位操作。

产生复位信号的电路逻辑如图 3.4 所示。

图 3.4 复位信号的电路逻辑图

整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号 (RST)送至施密 特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的 S5P2时刻对施密特触发器的输出进 行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。

复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图 3.5(a) 所 示。这佯，只要电源 Vcc 的上升时间不超过 1ms，就可以实现自动上电复位，即接通 电源就成了系统的复位初始化。

图 3.5(a) 上电复位 图 3.5(b) 按键电平复位 图 3.5(c) 按键脉冲复位

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。 其中，按键电平复位是通过使复位端

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经电阻与 Vcc 电源接通而实现的，其电路如图 3.5(b) 所示；而按键脉冲复位则是利 用 RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图 3.5(c) 所示 [14] 。 上述电路图中的电阻、电容参数适用于 6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续 时间大于 2 个机器周期。本系统中采用上电自动复位，其复位电路如图

3.5(a) 所示

3.2 热释电红外传感器

本系统采用的热释电传感器成品的引脚示意图如图 3.6 所示，引脚功能如下： 数字 1 脚：电源负极

数字 2 脚：信号输出，高电平有效， 4～6V和工作电压有关 数字 3 脚：电源正极 DC6～9V

W1：灵敏度调整

W2：输出延时调整 5 ～120 秒

图 3.6 热释电红外传感器的引脚示意图

它的技术参数如下：

1、工作电压： DC6～9V 2、电平输出：和电源电压相同

3、感应角度：水平： 90～140 度；垂直： 15～30 度 4、静态电流：小于 750μA 5、无信号输出： 0V 6、感应距离： 0.5 ～15 米

7、外形尺寸： 28mm×38mm高 25 毫米(最高点) 8、输出电平： 4～6V 与工作电压有关 9、工作时间：可调 5-120 秒范围

当探测器检测到异常的情况， 由 2 脚输出一个高电平， 发送到单片机上， 单片机 第 17

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做出报警处理。

3.3 TC35 短信息收发模块

GSM模 块选用德国西门子公司的 TC35 模块，通过标准 AT 指令控制。 GSM无 线通 信

模块 TC35具有语音、数据呼叫、短消息等许多功能， 本系统主要采用 GSM模 块 TC35 的短消息接收和发送功能。基于 ATS52与 GSM的短消息收发系统的组成框图如图 3.7 所示 。

计算机

MCU GSM 模块 Mobile 图 3.7 系统组成框图

该系统主要有两个通信模块 ATS52与 GSM通信模块 TC35 ，实现 MCU与 GSM模 块之间的有线数据传输； GSM与手机通信模块，实现 GSM 模块与手机之间的无线数 据传输。

本设计采用 PC机处理数据， 通过单片机转发给 TC35。GSM通信模块 TC35是利用 串口进行数据传输的，所以就可以使用

ATS52 的串口和它直接进行数据传输，

MAX232是完成电平转换的功能。设计电路框图如图 3.8 所示 。

TC35

PC ATS52 MAX232 图 3.8 系统设计框图

TC35 模块的正常运行需要相应的外围电路与其配合。 TC35共有 40 个引脚，通 过 ZIF

连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、 SIM卡电路、指示灯电路等连接。

TC35 主要由 GSM基带处理器、 GSM无 线模块、电源模块、闪存、 ZIF 连接器、

天线接口 6部分组成，共有40个引脚，通过一个 ZIF连接器引出。这40个引脚可以 划分为 5类，即电源、数据输入／输出、 SIM 卡、音频接口和控制。第 1～14 脚为 电源部分，其中 1 ～5 为电源电压输入端 Vbatt +，6～10 为电源地 GND，11、12 充

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电引脚，13对外输出电压 （外电路使用） ，14为 ACCU—TEMP接负温度系数的热敏电阻；

15、30、31和32脚为控制部分； 16～23 为数据输入／输出； 24～29 为SIM卡引脚； 33～40 为语音接口用来接电话手柄 [15] 。TC35 模块及其外围设计电路图见图 3.9 ：

图 3.9 TC35 模块及其外围设计电路

3.4 电平转换芯片 MAX232

MAX232产品是由德州仪器公司（ TI ）推出的一款兼容 RS232标准的芯片。该器 件包

含 2驱动器、 2 接收器和一个电压发生器电路提供 TIA/EIA-232-F 电平。

内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由

1、2、3、4、5、6 脚

和 4 只电容构成。功能是产生 +12v 和 -12v 两个电源，提供给 RS-232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道。 其中 13脚（ R1IN）、12 脚（R1OU）T、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。 8 脚（R2IN）、9 脚（R2OU）T、10 脚（ T2IN）、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS

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数据从 T1IN、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT送到电脑 DP9插头；DP9 插头的 RS-232数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS数据后从 R1OU、TR2OUT输出。 第三部分是供电。 15脚 DNG、 16脚 VCC（+5v）。

单片机与计算机串口通信电路串行端口的本质功能是作为

CPU 和串行设备间的

编码转换器。当数据从 CPU 经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。 在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。由于计算机串口输出电平是

15V，单片

机是 5V，所以单片机与 PC 机的通信需要进行电平转换。电平转换电路很简单 , 只要 在单片机和计算机串口之间接个电平转换 MAX23。2 串口通信电路如图 3.10 所示

图 3.10 串口通信电路

3.5 蜂鸣器电路

本系统的蜂鸣器报警电路如图 3.11 所示，蜂鸣器用一个三极管 0913 来驱动。单 片机引脚 P3.4 接0913的基极输入端。当 P3.4 输出高电平 1时，三极管导通，蜂鸣 器两端获得约

+5V 的电压而鸣叫；当 P3.4 输出低电平 0 时，三极管截止，蜂鸣器停 止发声。

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图 3.11 蜂鸣器电路

3.6 数码管显示电路

本系统的显示电路采用的是数码管显示电路， 数码管显示器由于其成本低， 配置 灵活，与单片机接口简单， 广泛应用于单片机应用系统中。 下面介绍其工作原理及与 单片机的接口电路。

3.6.1 数码管的工作原理

LED数码显示器是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的点

或线段发光， 将这些二极管排成一定图形， 控制不同组合的二极管导通， 就可以显示 出不同的字形。 单片机应用系统中常用的 LED显示器为七段显示器， 再加上有一个小 数点，因此也可把它称为八段显示器。 结构形式有共阴极和共阳极两种， 它的结构图

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如图 3.12 所示。共阴极是把所有发光二极管的阴极连起来，通常接地，通过控制每 一只发光二极管的阳极电平来使其发光或熄灭，阳极为高电平发光，为低电乎熄灭， 如图 3.12 （a）所示；共阳极是把所有发光二极管的阳极连起来，通常为高电平

（如

+5v） ，通过控制每一只发光二极管的阴极电平来使其发光或熄灭， 阴极为低电平发光， 为

高电平熄灭，如图 3.12 （b）。图 3.12（c）当中的 com端在应用时作为位选端， 8 只发光二极管被分成两组，所以有两个 com端，在使用时把它们并联起来。

在图中的电阻并非是数码管内部就有的电阻， 它们是需外接的限流电阻， 如果不 限流将造成发光二极管的烧毁。限流电阻的取值一般使流经发光二极管的电流在 10-20mA，由于高亮度数码管的使用，电流还可以取得小一些。

3.12（a） 共阴极 3.12（b） 共阳极 3.12（c） 封装图

为了在 LED显示器上显示某个字符， 必须在它的 8 位段选线上加上相应的电平组 合，即一个 8 位数据，这个数据就叫该字符的段选码。 通常用的段选码的编码规则如 下表所示。

dp g f e d c b a 忽略小数点的七段 LED显示器的段选码如表 3-2 所示。表中是不带小数点的字段 选码，读者很容易得到带小数点的字段选码。

表3-2 七段 LED显示器的段选码

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显示字 符 共阴极段选 码 共阳极段选 码 显示字符 共阴极段选 码 共阳极段选 码 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 7FH 6FH 77H C0H F9H A4H B0H 99H 92H 82H F8H 80H 90H 88H b c d E F P U Y T 8. 灭 7CH 39H 5EH 79H 71H 73H 3EH 6EH 31H FFH 00H 83H C6H A1H 86H 8EH 8CH C1H 91H CEH 00H FFH A 3.6.2 本系统的数码管显示电路

LED的显示方式分为静态显示和动态显示。在静态显示方式下，每一位显示器的 字段控

制线是的。 当显示某一字时， 该位的各字段线和字位线的电平不变， 也就 是各字段的亮灭状态不变。动态显示 是利用人眼的视觉暂留效应，分时显示不同的 数码管，动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管， 这种逐位点亮显示器的方式称 为位扫描。 静态显示方式下

LED显示器的电路连接方法是： 每位 LED的字位控制线门 共阴极点或共阳极点连在一起，

接地或接＋ 5V；其字段控制线（ a～ dP）分别接到一 个 8 位口。本系统中的数码管显示电路采用静态显示，如图

码管， a～g 通过分别接到单片机的 P0.1～P0.7 脚。

图 3.13 数码管显示电路

3.13 所示，为共阳极数

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4 系统软件设计

4.1 程序语言设计

计算机能理解和执行的语言称为计算机程序设计语言，它随计算机的诞生而诞 生，随计算机的发展而发展。程序设计语言有机器语言、汇编语言和高级语言之分， 究竟选用哪一类、 哪一种语言来编写程序， 这要根据计算机的具体应用场合和各类语 言的特点来决定

一）机器语言

机器表示计算机， 机器语言是用二进制表示的、 计算机能直接识别和执行的语言 它虽然能被计算机直接识别，但在书写、阅读、记忆上都很困难，用它编写程序具有 工作量大、易出错、不便查错和不便交流等缺点。因此，人们通常不用它来进行程序 设计。

二）汇编语言

为了解决机器语言存在的问题， 人们用英文字母代替机器码， 这些英文字母称为 助记符。汇编语言是用助记符、保留字和伪指令等组成的一种计算机语言，是 种用 来替代机器语言进行程序设计的语言， 是一种特别适用于编写实时控制程序的计算机 语言。采用汇编语言编程， 用户可以直接操作内部的寄存器， 能把数据的处理过程表 述得非常具体和翔实，可以在空间和时间上充分发掘计算机的潜力 采用汇编语言编 写的程序叫汇编语言源程序。 计算机不能直接识别和执行汇编语言源程序， 必须通过 “汇编程序”将它翻译成机器语言程序（即目标程序） 。汇编语言实际上是用符号来 表示机器的指令， 而指令和计算机的结构密切相关。 因此，汇编语言有两个方面的缺 点：一是对程序员计算机结构、 指令系统等技术知识的要求非常高， 二是编写出的程 序不能通用于其他类型的计算机， 即用某种型号机器的汇编语言写的程序， 只有该型 号的机器才能执行。

（三）高级语言

高级语言是一种于计算机的通用程序设计语言， 它基本上不依赖于计算机的 结构，程序员对计算机的结构不用作具体的了解， 就可以编写程序，而且编写的程序 通用性好。一个高级语言程序只要做些“移植”工作（有时也可以不做） ，就可以应 用在不同型号的计算

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机上。 此外，高级语言是一种接近入的自然语言和常用数学表达 式的计算机语言，语句功能强，编程效率高，易于掌握和交流。但是，计算机也不能 直接识别高级语言程序，也必须经过“翻译” （常称解释或编译）使之成为机器语言 程序，机器才能执行。 用高级语言编写程序的不足之处是， 高级语言翻译得到的机器 语言程序， 要比由完成同样任务的汇编程序得到的机器语言程序长得多， 由此而造成 程序执行时间长，所占存储空间大。目前，常用的高级语言种类较多，如

FORTRA﹑NPASCA﹑优势。

BASIC﹑语言等等，高级语言用于复杂的科学计算和数据处理有着明显 的

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L C 面向过程

图 4.1 三种语言程序处理过程示意图

单片机通常应用于家用电器、 仪器仪表、 工业过程自动化中， 处于这些应用场合 下，要求计算机执行程序速度快、实时性强，要有灵活的接口处理技术，但存储容量 小。根据这些要求， 显然应该优选汇编语言来进行程序设计。 虽然许多单片机开发系 统提供了高级语言， 但目前被广泛采用的仍是汇编语言。 本课题就采用的是汇编语言。

4.1.1 单片机汇编语言程序设计的基本步骤 单片机汇编语言程序设计的基本步骤如下：

(1) 设计任务的分析、确定思路或算法。 (2) 程序的总体设计并画出流程图。

(3) 编写源程序。可在编译软件下编程，要求简练、层次清楚、字节数少和执行 时间短

等。

(4) 源程序的汇编和调试。 (5) 编写程序说明文件。 4.1.2 汇编语言程序设计方法

(1) 汇编程序的基本结构总是简单程序、分支程序、循环程序、查表程序、子程 序、中断

程序等结构化的程序模块有机组成的。

(2) 划分功能模块进行设计。 (3) 自上而下逐渐求精。 4.1.3 Keil 简介 Keil uVision2

是德国 Keil 公司开发的一款关于 8051 系列 MCU的开发工具，它

支持汇编、 C语言及混合编程，是一种集成化的文件管理编译环境，可用来编译程序 源码、链接和重定位目标文件和库文件、创建 HEX 文件、调试目标程序等。 Keil uVision2 具有强大的仿真功能，可不接硬件电路直接进行用户程序仿真，也可利用 硬件仿真器（用 Monitor51 协议，需硬件支持） ，通过连接单片机硬件电路， 在仿真器 中载入项目程序后进行实时仿真调试。 在 keil uVision2 中编制程序：

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（1） 新建项目。启动 uVision2 ，选择 Project → New Project 菜单项，打开对话框， 输入

项目文件名并选择保存路径。 项目文件保存完后， 弹出 Select Device for TARGET ‘TARGET'1 对话框，是新建项目的 CPU元器件选择，选 ATS52。

（2） 在项目中添加源程序文件。在菜单中选择 File →New，新建源程序文件。输入源 程序，

然后把程序保存在项目所在的目录中， 为文件取一个名， 若是 C语言编写的程 序，扩展名为 .C，若是汇编语言编写的程序，扩展名为 .ASM。接下来，将该文件添加 到项目中，用鼠标在屏幕左边的 Source Group1 文件夹图标上右击弹出菜单，选择 Add File to Group ‘Source

Group1 '命令，弹出文件窗口，选择刚刚保存的文件， 按 ADD按钮，关闭文件窗口，程序文件

即可加到项目中。

（3） 项目的编译、链接。将光标指向项目窗口中的文件名，并右击，在快捷菜单中选 择 Build target 选项， uVision2 将自动完成对当前项目中所有源程序模块的编译、 链接，得

到 .HEX 目标文件。

4.2 报警系统的程序设计

自动报警器软件部分采用模块化设计， 分为主程序、 扫键程序等等。应用汇编语 言编程，使用 G6W型仿真器，在 Keil uVision2 环境里运行，最后用烧写器将程序写 入单片机。编程语言的软件设计采用 MCS-S1 汇编语言编写自动报警器中相关程序 （ 如 拨号、检测等 ） 。

4.2.1 主程序设计

主程序首先对单片机进行初始化， 然后进入扫键程序， 开始布防。 当检测到意外 情况（有人入侵）时，通过标志位进行警情判别，然后进入报警程序进行分类报警， 主程序的程序流程图见图 4.2 。主程序部分如下所示：

; 主程序

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判断 20H.0 位为 1 时执行判断 20H.1 位为 1 时执行返回主程序 MAIN

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START:

ACALL CLEAR MAIN:

LCALL KEYWORK JB 00H,FUN0 JB 01H,FUN1 AJMP MAIN

FUN0 FUN1 图 4.2 主程序流程图

图 4.3 扫键程序流程图

4.2.2 扫键程序设计

图 4.3 为扫键程序流程图。程序开始，首先置 P1 口为高电平，为输入状态。然 后循环依次检测 P1.0 ﹑P1.1 口，当某一管脚为高电平时，进行防抖测试，如确认为 报警信号，则置相应的标志位为 1，以便以后判别报警位置， 标志位为单片机内部 RAM 的 20H 单元的低三位

20H.0、 20H.1 ，返回主程序。

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扫键程序

KEYWORK: MOV P1,#0FFH JNB P1.0,KEY0 JNB P1.1,KEY1 RET

判断是否为支路 1 报警 判断是否为支路 2 报警

KEY0:

LCALL DL10ms ;

JB P1.0,OUT0 ; 若为抖动误报则跳出 SETB 00H ;20H.0 CLR 01H OUT0: RET

位置 1（说明为位置 1 报警） 延时 10ms消抖

KEY1:

LCALL DL10ms ;

延时 10ms消抖

JB P1.1,OUT1 ; 若为抖动误报则跳出 SETB 01H ;20H.1 CLR 00H OUT1: RET

位置 1（说明为位置 2 报警）

4.3 TC35 通信程序设计

家庭智能防盗报警系统检测使用 WINDOWS自 带的 “超级终端” 软件，为能实现 电脑与模块的直接通信，此处设置波特率为 9600 Hz，8位数据位， 1位停止位， 无 奇偶校验。该系统以微控制器 ATS52 单片机为监控模块。

4.3.1 发送“AT ”指令

当单片机检测到有外部中断时， 向用户发送报警短信息， 这里每次发送和接收的 指令需要有一定规格， 即短信内容必须符合时限规定的协议， 使得收发双方可解释该 指令，并处理指令提示的内容。

TC35 模块一般提供 2 种短信收发模式 ：TEXT 和 PDU(protocol data unit ) 模式。 PDU模式可采用 UNICODE编 码发送英文、汉字，但合成 PDU码比较复杂，而 TEXT模式

只能发送英文，但无需编码，本程序采用 TEXT 模式。

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当模块与电脑通信成功时， “超级终端”界面会显示“ ^SYSSTAR”T 字样，然后输 入“ AT”回车，可以看到返回信息： “OK”。

4.3.2 设置短信模式

短消息设置命令： AT+CMGF=回1 车，从终端画面 看到返回“ OK”，则说明修改成 功。

设置短信息的程序编写： send_str(\"AT+CMGF=1\"); // 短信格式为 TEXT

send_str(\"\\x0d\"); //\\x0d 回车 send_str(\"\\x0a\"); //\\x0a 换行 delay_1ms(10); send_str(\"AT+CMGS=\"); send_char('\"');

send_str(\"137xxxxxxxx\");

send_char('\"'); // 上面四句是短信发送的目标号码 send_str(\"\\x0d\"); //\\x0d 回车 send_str(\"\\x0a\"); //\\x0a 换行 delay_1ms(10);

send_str(\"alarm\\r\\n\"); // 文字内容，必须是英文 send_str(\"\\x1a\") ; // \\x1a ctrl-z delay_1ms(10); send_str(\"\\x0d\"); //\\x0d send_str(\"\\x0a\"); //\\x0a delay_1ms（10）;

delay_1ms（10）; alarm_flag=0;

}

回车 换行

4.3.3 系统的实现 1. 打电话功能的实现

设置命令为： ATD137xxxxxxxx ；回车（后面 11 位为 电话号码），此处注意电话 号码后面一定要加分号，然后才按回车键。

2. 短信息发送功能的实现 短信息的发送分为 2 步：

（1） 发送接收的手机号码，等待应答： “> ”， AT+CMGS=\"137xxxxxxxx回\" 车

（此 号码为目的地址）。TC35 回应： AT+CMGS“=137xxxxxxxx ”>

（2） 输入短信息的内容（只能是英文） ：alarm ，以 ctrl+z 的组合键结束，短信 息就

可以成功发送出去了，手机收到的正是 TC35 模块发送出来的内容： alarm 。 5

结论

本课题的设计工作经过几个月的不懈努力， 目前基本达到了预期的要求， 可得到 如下结

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论：

（1）系统功能较齐全，能对家庭中出现的盗窃事件及时发出报警信息，避免用 户生命财产受损失。

（2）系统通过单片机控制的数码显示器，显示出入侵地点，使用户能及时快速 做出应对措施。

（3）系统采用模块化的设计思想，功能更完善、灵活、可调，并预留了相应接 口，以适应家用电器联网的需求。

（4）系统硬件电路简单、安装方便、操作简单。

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（共