摘要：鑒于學(xué)生宿舍時(shí)常被盜或發(fā)生火災, 而不能及時(shí)被人發(fā)現, 基于51單片機的宿舍防火防盜系統可及時(shí)發(fā)現災情并立即報警等優(yōu)點(diǎn)。該系統以STC89C51單片機和傳感器為主要元件, 同時(shí)利用煙霧傳感器和溫度傳感器的數據實(shí)現火災聲光報警、自動(dòng)排煙換氣、溫度檢測報警以及人體監測報警功能。煙霧檢測和溫度檢測都是通過(guò)傳感器收集數據然后再與預設閾值對照從而判定是否發(fā)生火災;利用人體紅外模塊實(shí)現人員是否進(jìn)入, 從而達到防火防盜且保護學(xué)生財產(chǎn)安全的目的。與傳統的報警系統相比, 該系統具有及時(shí)報警且低成本的特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：STC89C51單片機; 傳感器; 煙霧報警器; 報警系統;

　　Abstract：In view of the larceny or fire of students' dormitory, which cannot be discovered in time, the system based on 51 single chip microcomputer, can find immediately the situation and give out an alarm.The system takes STC89 C51 microcontroller and sensor as major components, which use the data of smoke sensor and temperature sensor to achieve sound-light alarm, automatically ejecting smoke, temperature detection alarm and the human body detection alarm. The sensors collect data from some detection and temperature detection, and then determine whether there is a fire by comparing with the preset threshold values. The human body infrared module can achieve whether people come into, and protect students property safety of the fire alarm. Compared with the traditional alarm system, the system has the characteristics of the alarm in time and low cost.

　　Keyword：STC89C51 MCU; sensor; smoke detector; alarm system;

　　隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展, 現如今學(xué)宿舍有著(zhù)越來(lái)越多的電器, 當學(xué)生不在宿舍時(shí), 安全是值得注意的一個(gè)問(wèn)題, 其中火災和盜竊事件占很大的比例。宿舍防火防盜報警系統就是針對學(xué)生人身及財產(chǎn)安全問(wèn)題, 可實(shí)時(shí)檢測學(xué)生宿舍的情況變化, 當有危險時(shí)及時(shí)發(fā)出警報, 避免不必要的事件發(fā)生[1-2]。

　　該報警系統通過(guò)人體紅外傳感器檢測[3]是否有人進(jìn)入, 通過(guò)煙霧傳感器檢測煙霧、溫度傳感器檢測溫度的變化, 這些狀況的改變只要超過(guò)預設的閾值就會(huì )引起蜂鳴器報警[4], 進(jìn)行提示預警, 同時(shí), 若煙霧傳感器達到或超過(guò)預設閾值, 風(fēng)扇將轉動(dòng)進(jìn)行排煙處理。每當發(fā)現火災或者盜竊事件發(fā)生的時(shí)候便會(huì )報警, 在一定程度上將減少一定的經(jīng)濟損失。

　　1、系統整體結構設計

　　該報警系統的設計包括硬件和軟件設計, 硬件設計是各種電路和參數設計, 軟件設計是報警主程序和報警子程序的設計, 系統流程圖如圖1所示。

圖1 系統流程圖

　　該報警系統的總體結構由STC89C51單片機[5]、AD數據采集、各類(lèi)報警的部分以及煙霧等檢測部分組成。總體設計框圖如圖2所示:系統通電后, 用戶(hù)可通過(guò)設置按鍵設置各個(gè)模塊的報警閾值 (紅外模塊直接按布防按鍵布防即可) , 設置完成后各個(gè)模塊的傳感器進(jìn)入數據采集階段并將收集到的各類(lèi)數據通過(guò)采集電路送到單片機, 然后顯示器實(shí)時(shí)顯示這些出來(lái), 此數據若大于預設閾值則報警電路報警提示 (紅外模塊只有布防下有人進(jìn)入才會(huì )報警) 。

　　1.1、主要器件選型

　　1.1.1、單片機選型

　　Intel公司最先推出了51系列的單片機, 它包含兩個(gè)系列:8031和8051。它最開(kāi)始是SCM階段, 進(jìn)而發(fā)展到了SOC階段。8051單片機的優(yōu)點(diǎn)很多, 性能強大, 反應速度飛快, 可靠性強。該報警系統選取了8051單片機作為控制器。

　　1.1.2、煙霧傳感器選型

　　煙霧傳感器[6]負責煙霧的濃度從模擬信號轉化為電信號, 這些電信號依照電壓的大小可以確定當前環(huán)境的煙霧濃度大小, 達到檢測、監測和報警功能。它決定收集到的煙密度的敏感性和可靠性。該系統選擇MQ-2煙霧傳感器, MQ-2傳感器是一個(gè)清潔空氣低導電性金屬氧化物氧化錫 (Sn O2) , 是一種N型半導體氣體傳感器, 具有靈敏度高、響應和恢復時(shí)間短, 抗干擾強, 信號輸出穩定, 壽命長(cháng), 工作時(shí)間久等優(yōu)點(diǎn)。其內部結構如圖3所示。

圖2 總體設計框圖

圖3 煙霧傳感器及其結構圖

　　1.1.3、人體紅外傳感器選型

　　人體紅外[7]是基于紅外技術(shù), 高靈敏度、高可靠性、低功耗、低電壓操作模式。廣泛應用于各種自動(dòng)感應電氣設備。該系統選DYP-ME003作為人體感應模塊。

　　1.1.4、溫度傳感器選型

　　溫度傳感器 (Temperature Transducer) 即可感知溫度并且可以轉換成可輸出的可用信號。該系統選擇的是DSl8B20溫度傳感器。其內部結構框圖如4所示, 圖5是測溫原理圖。

圖4 DSl8B20的內部結構圖

圖5 DS18B20測溫原理框圖

　　1.2、系統模塊設計

　　該系統主要有四個(gè)功能模塊, 如圖6所示。

圖6 系統功能模塊圖

　　該系統包含煙霧監測報警模塊, 溫度監測報警模塊, 紅外監測報警模塊以及緊急事件報警模塊。煙霧監測報警模塊檢測當前宿舍環(huán)境的煙霧濃度且把檢測出來(lái)的數值與煙霧傳感器報警閾值進(jìn)行比較看是否達到報警值從而判斷是否需要報警;溫度監測報警模塊檢測宿舍環(huán)境的當前溫度并把檢測出來(lái)的數值與溫度傳感器報警閾值進(jìn)行比較看是否達到報警值從而判斷是否需要報警;紅外監測報警模塊檢測宿舍是否有人進(jìn)入從而判定是否要報警;緊急事件報警模塊是遇到突發(fā)事件時(shí), 采取緊急報警措施以保護人身財產(chǎn)安全。

　　1.2.1、煙霧檢測報警模塊

　　煙霧傳感器檢測到宿舍環(huán)境煙濃度并把煙霧濃度值和煙霧報警器傳感器檢測到比較, 比較結果有兩種, 一種是數值比預設閾值大, 另一種則是小于預設閾值。當前環(huán)境煙霧濃度大于預設閾值時(shí), 煙霧傳感器把模擬信號傳送給單片機, 單片機進(jìn)行處理轉換后再把信號傳送給蜂鳴器從而引起蜂鳴器報警同時(shí)風(fēng)扇轉動(dòng)進(jìn)行排煙換氣, 另一種則是當前煙霧濃度小于預設閾值, 則傳感器繼續處于檢測狀態(tài)。其檢測流程如圖7所示。

圖7 煙霧監測流程圖

　　1.2.2、溫度檢測報警模塊

　　溫度傳感器檢測宿舍環(huán)境的當前溫度并把檢測出來(lái)的數值與溫度傳感器報警閾值進(jìn)行比較, 比較結果有兩種, 一種是檢測結果大于預設閾值, 另一種則是小于預設閾值。當前環(huán)境溫度大于預設閾值時(shí), 溫度傳感器把模擬信號經(jīng)過(guò)轉換傳送給單片機, 單片機進(jìn)行處理轉換, 然后再把信號傳送給蜂鳴器從而引起蜂鳴器報警, 另一種則是當前溫度小于預設閾值, 則傳感器繼續檢測。其檢測流程如圖8所示。

圖8 溫度監測流程

　　1.2.3、紅外監測報警模塊

　　人體紅外感應傳感器檢測宿舍是否有人進(jìn)入, 其分為兩種狀態(tài), 一種是布防狀態(tài), 另一種則非布防狀態(tài)。在布防狀態(tài)下, 若傳感器檢測到有人進(jìn)來(lái), 則紅外傳感器經(jīng)過(guò)處理把信號送到給單片機, 單片機進(jìn)行處理轉換然后再把信號傳送給蜂鳴器引起報警。在非布防狀態(tài)下, 紅外模塊則處于休眠節電狀態(tài)。其檢測流程如圖9所示。

圖9 體紅外監測流程

　　1.2.4、緊急事件報警模塊

　　緊急事件報警模塊的功能是:當用戶(hù)遇到緊急突發(fā)事件時(shí)直接通過(guò)按緊急報警鍵進(jìn)行手動(dòng)報警, 其工作流程如圖10所示。

　　2、系統硬件設計

　　2.1、主控制模塊的設計

　　單片機最小系統是由單片機、復位電路、時(shí)鐘電路三部分組成。復位電路是通過(guò)判斷初始的單片機工作狀態(tài)完成啟動(dòng)狀態(tài);當單片機系統在運行中, 受到外部環(huán)境干擾時(shí), 可以通過(guò)復位鍵, 讓內部程序重新啟動(dòng)。一般情況下, 有上電自動(dòng)復位和手動(dòng)按鍵復位兩種方式, 該系統采用外部手動(dòng)按鍵復位方式, 通過(guò)連接上拉電阻升高輸出電平來(lái)實(shí)現復位。單片機主控電路如圖11所示。

圖10 緊急狀況報警流程

圖11 單片機主控電路

　　2.2、煙霧檢測AD采集電路設計

　　該系統選擇MQ2煙霧傳感器傳感器, ADC0832數字模擬轉換可得到各種電壓等級的煙霧濃度。電路如圖12所示。

圖12 煙霧濃度采集電路

　　2.3、顯示模塊設計

　　該系統采用LCD1602液晶顯示, 可直觀(guān)地展示相關(guān)數據, 同時(shí)也方便用戶(hù)操作, 其顯示電路如圖13所示。

圖13 LCD1602液晶顯示

　　2.4、聲音報警電路設計

　　該電路通過(guò)三極管基極串連一個(gè)電阻與單片機P3.6端口連接從而達到控制蜂鳴器是否報警如圖14所示。

圖14 聲音報警電路圖

　　2.5、電源模塊設計

　　經(jīng)過(guò)多次測試, 該系統采用5V鋰電池為其供電, 鋰電池具有體積小且可以重復利用的特點(diǎn), 同時(shí)它的供電也比較穩定。電源接口電路如圖15所示, 其中P1為電池接口, SW1為電源開(kāi)關(guān)。

圖15 電源接口電路

　　2.6、溫度傳感器電路設計

　　DSl8B20溫度傳感器包括一個(gè)便捷的內存和非易失性電可擦EEPRAM, 是用來(lái)存儲TH、TL值, 數據寫(xiě)入內存, 然后通過(guò)檢查EEPRAM。當DSl8B20點(diǎn)擊注冊工作溫度分辨率將轉換為相應的數值精度低5位總是1, TM是一個(gè)測試模式設置DSl8B20工作模式或測試模式。

　　2.7、ADC0832轉換器模塊

　　ADC0832是一種8位分辨率且具有兩個(gè)通道的A/D轉換芯片。由于它的體積小, 兼容性和性?xún)r(jià)比高, 所以已擁有很高的市場(chǎng)占有率。ADC0832與單片機的接口電路如圖16所示。

圖16 ADC0832與單片機的接口電路圖

　　3、系統軟件的設計

　　3.1、煙霧監測報警功能實(shí)現

　　該報警系統的煙霧報警功能實(shí)物如圖17所示, 通過(guò)K5來(lái)設置報警煙霧濃度, K3、K4分別為減小與增大煙霧濃度值鍵。當煙霧濃度超過(guò)預設閾值 (預設閾值為YW:100PPM) 蜂鳴器報警, 發(fā)光二極管點(diǎn)亮同時(shí)風(fēng)扇轉動(dòng)。

圖17 煙霧檢測報警

　　3.2、溫度監測報警功能實(shí)現

　　該報警系統的溫度檢測報警功能實(shí)物如圖18所示, 如圖所示當溫度超過(guò)預設閾值 (預設溫度閾值為W:30℃) 蜂鳴器報警, 發(fā)光二極管點(diǎn)亮同時(shí)風(fēng)扇轉動(dòng)。

圖18 溫度檢測報警

　　3.3、紅外監測報警功能實(shí)現

　　該報警系統的紅外檢測報警功能的實(shí)現如圖19所示, 通過(guò)K3來(lái)設置布防, 通過(guò)K4來(lái)取消布防。在布防狀態(tài) (Hw顯示為ON便是開(kāi)啟了布防狀態(tài)) 下當紅外傳感器檢測到有人進(jìn)入時(shí), 數值由零置一并且蜂鳴器報警, 發(fā)光二極管點(diǎn)亮。

圖19 紅外檢測報警

　　3.4、緊急事件報警功能實(shí)現

　　該報警系統的緊急事件報警功能的實(shí)現如圖20所示, 通過(guò)K2來(lái)觸發(fā)報警, 通過(guò)K1來(lái)復位。直接按下緊急報警按鍵蜂鳴器報警發(fā)光二極管點(diǎn)亮同時(shí)風(fēng)扇開(kāi)始轉動(dòng)。

圖20 緊急事件報警

　　4、系統的實(shí)現與測試

　　4.1、功能性測試

　　該系統的測試主要測試其以下四個(gè)功能:

　　煙霧監測報警功能:將點(diǎn)燃熱紙片放在煙霧傳感器附近觀(guān)察其是否變化。當紙片靠近煙霧傳感器時(shí), LCD1602顯示屏上的數字逐漸增大, 但未報警, 過(guò)一會(huì )可聽(tīng)到蜂鳴器報警同時(shí)看到指示燈閃爍, 風(fēng)扇轉動(dòng), 顯示屏數字大于100ppm (預設報警閾值為100ppm) 。

　　溫度監測報警功能:將打火機點(diǎn)著(zhù)靠近DS18B20溫度傳感器, LCD1602顯示屏上的數字逐漸增大, 當溫度達到30℃時(shí), 看到風(fēng)扇轉動(dòng), 燈光閃爍同時(shí)可聽(tīng)到蜂鳴器報警。

　　紅外監測報警功能:當無(wú)人靠近紅外模塊時(shí), 顯示器、蜂鳴器無(wú)任何變化;當用手靠近人體紅外模塊時(shí), 紅外模塊的數值從零變成一同時(shí)蜂鳴器報警。

　　緊急事件報警功能:開(kāi)機上電后直接按緊急報警按鍵, 可聽(tīng)到蜂鳴器報警同時(shí)可看到指示燈閃爍, 風(fēng)扇轉動(dòng)。

　　4.2、傳感器干擾測試

　　用煙霧檢測傳感器檢測煙霧時(shí), 將打火機中的氣體 (氣體為丁烷 (C4H8) 分子) 釋放出來(lái), 同時(shí)排除煙霧發(fā)現其數字仍然在增大而且增大數字越來(lái)越快, 經(jīng)過(guò)查閱資料發(fā)現該傳感器也可檢測有毒害氣體, 所以也增加了其適用范圍功能也更加強大。

　　在工作前, 將溫度傳感器和人體紅外傳感器套上塑料殼, 然后用熱源靠近溫度傳感器發(fā)現其靈敏度有所下降;紅外傳感器的靈敏度也有所下降。所以在工作過(guò)程中, 不能將雜物等覆蓋在傳感器上以免影響其精度和靈敏。

　　4.3、測試結果

　　經(jīng)過(guò)多次測試, 該系統達到了預期的目標, 實(shí)現了煙霧檢測、溫度采集以及紅外和緊急報警的功能。

　　5、結束語(yǔ)

　　該報警系統使用單片機最小系統STC89C52為控制器, 實(shí)現了一個(gè)在宿舍內有效檢測PM2.5濃度, 并且在超出警戒范圍時(shí)進(jìn)行報警, 同時(shí)還可檢測室內的溫度與濕度, 即實(shí)現了智能檢測的多樣化, 這將對人們在室內工作的環(huán)境具有重大的現實(shí)意義, 而且該系統實(shí)現的成本較低, 具有廣泛推廣的現實(shí)價(jià)值。

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