單片機控制宿舍智能防盜防火報警系統設計研究

當前，學(xué)生宿舍被盜以及發(fā)生火災的事件普遍存在，極大地危脅到學(xué)生的人身安全及財產(chǎn)安全。如何有效地對宿舍進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，降低宿舍安全隱患是亟須探討的一個(gè)問(wèn)題。而宿舍智能防盜防火報警系統能夠在宿舍被盜及發(fā)生火災時(shí)及時(shí)報警，降低損失?；诖?，筆者對其設計展開(kāi)研究。
1 設計整體結構
本次報警系統的設計涵蓋了軟件和硬件兩部分，其中對硬件主要進(jìn)行各種參數的設計和電路設計，對軟件的設計主要針對報警系統主程序和子程序開(kāi)展。本次設計的流程圖如圖1 所示。
本次設計，結構組件包含了AD 數據采集、STC89C51型號單片機、報警控件、煙霧感應組件等?？傮w框圖如圖2所示。

 

圖1 報警系統流程圖

圖2 本次設計總體框圖

1.1 結構物件的選型
（1）控制器單片機部分。本次設計采用英特爾公司推出的51 系列，該系列包含了8051 和8031，近年來(lái)已經(jīng)從SCM 階段發(fā)展至SoC 階段，其中8051 具備眾多優(yōu)點(diǎn)，例如性能強大，反應快，具備較強的可靠性，因此，本次設計選用8051 型號單片機。
（2）煙霧傳感器組件。煙霧傳感器在本次設計中主要負責利用煙霧的濃度將其從模擬信號進(jìn)行電信號的轉換，隨后系統依據電信號電壓的大小來(lái)判斷環(huán)境煙霧濃度，從而達到系統的監測以及報警功能。本次設計采用的傳感器為MQ2，MQ2 傳感器隸屬于N 型半導體氣體傳感器，其優(yōu)點(diǎn)包含恢復迅速，靈敏度高，響應快速，輸出穩定，使用壽命長(cháng)，可執行高強度的工作等。
（3）人體紅外傳感器。本次設計采用DYPMT003 人體感應模塊，這是一種基于紅外技術(shù)，低功率耗能少、可靠性高靈敏高、低電壓的操作系統，目前在國內外已經(jīng)廣泛應用于感應電氣設備。
（4）溫度傳感器。本次設計選用DS18B20 溫度傳感器。溫度傳感器是一種可感知溫度，同時(shí)將感知到的數據進(jìn)行數據轉換、輸出的系統。
1.2 系統模塊設計
本次報警系統包含四個(gè)模塊組件，防盜防火報警系統功能模塊示意圖如圖3 所示。

圖3 防盜防火報警系統功能模塊示意圖
本次系統包含煙霧監測、溫度監測、紅外監測、緊急事件四大報警功能模塊。
（1）煙霧監測模塊功能設計。當煙霧傳感器對宿舍進(jìn)行監測期間，會(huì )對宿舍內的煙霧濃度進(jìn)行監測，同時(shí)將濃度直通預先設置好的煙霧濃度閥值以進(jìn)行對比，這種對比有兩種結果：一種是大于閥值，另一種是小于閥值。當環(huán)境內的煙霧濃度大于閥值，煙霧傳感器就會(huì )向單片機傳送模擬信號，單片機對信號進(jìn)行處理后向蜂鳴器發(fā)送信號，蜂鳴器根據信號指令開(kāi)啟報警功能，同時(shí)轉動(dòng)風(fēng)扇，開(kāi)啟排煙換氣功能；如果監測到的煙霧濃度小于閥值，那么傳感器就會(huì )始終處于對宿舍煙霧濃度的監測狀態(tài)。
（2）溫度監測功能模塊設計。由溫度傳感器來(lái)對宿舍環(huán)境的溫度進(jìn)行監測，同時(shí)將數據同溫度傳感器閥值進(jìn)行比較，比較結果同樣包含兩種，即大于報警閥值或小于報警閥值。一旦宿舍內的煙霧濃度大于報警閥值，溫度傳感器就會(huì )向單片機傳送模擬信號，單片機對信號處理轉換后，向蜂鳴器發(fā)出信號，蜂鳴器接收指令開(kāi)啟報警功能；如果監測到的溫度數據小于閥值，那么溫度監測傳感器就會(huì )始終處于監測狀態(tài)。
（3）紅外監測功能模塊設計。本次設計中的紅外監測功能模塊負責監測宿舍是否有人進(jìn)入，監測狀態(tài)分為兩種，一種是非布防，一種是布防。如果在布防的狀態(tài)下監測到有人進(jìn)入宿舍，紅外傳感器就會(huì )向單片機傳輸監測信號，單片機進(jìn)行信號轉換后向蜂鳴器發(fā)起指令，從而引發(fā)紅外警報；在非布防狀態(tài)下，紅外監測功能處于休眠的狀態(tài)，進(jìn)而一定程度上節省電能。
（4）緊急事件功能模塊設計。該模塊負責當宿舍的人員遇到緊急突發(fā)事件時(shí)，手動(dòng)點(diǎn)擊報警鍵，開(kāi)啟報警功能。

圖4 單片機主控電路示意圖
2 系統設計硬件部分
2.1 主控制模塊
本次設計中單片機主控電路示意圖如圖4 所示。針對智能防盜防火報警系統的設計，小系統包括單片機時(shí)鐘電路和復位電路。
其中復位電路負責對單片機進(jìn)行初始工作狀態(tài)的判斷，從而完成自身的啟動(dòng)狀態(tài)，當單片機運行過(guò)程中，受到來(lái)自外部環(huán)境的干擾，可以利用復位鍵，讓內部程序進(jìn)行重新啟動(dòng)。包括兩種方式，一種是手動(dòng)，一種是自動(dòng)復位，本次設計的防盜防火智能報警系統，采用手動(dòng)按鍵復位的形式，其復位原理是利用連接上拉電阻，將輸出電瓶升高，從而完成復位。
2.2 煙霧AD 數據采集電路設計
本次設計采用MQ2 煙霧傳感器，數字模擬轉換采用ADC0832，系統可以利用ADC0832 的轉換，得出各種煙霧濃度的電壓等級。
2.3 顯示模塊設計
本次防盜防火報警系統顯示方面采用LCD1602 液晶顯示屏，能夠實(shí)現對相關(guān)數據的直觀(guān)展示，用戶(hù)操作便捷易懂。
2.4 聲音報警電路
本次防盜防火報警系統聲音報警電路的實(shí)現及實(shí)現原理為利用三極管基極串聯(lián)電阻，與單片機的端口進(jìn)行連接，從而實(shí)現對蜂鳴器是否報警的控制。
2.5 電源模塊
本次設計采用5V 鋰電池作為供電電源，鋰電池具備如下優(yōu)勢：體積小，可重復利用，供電穩定。
2.6 溫度傳感器模塊電路設計
本次設計采用DS18B20 溫度傳感器，該型號充電器設有非易失性電EEPRAM 以及一個(gè)便捷內存，便捷內存負責TH、TL 值的寫(xiě)入，存儲，隨后對EEPRAM 進(jìn)行檢查，當DS18B20 轉換出的數值精度的值始終等于1，只有TM 來(lái)決定DS18B2 處于測試模式或是工作模式。
2.7 轉換器模塊設計
本次防盜防火報警系統采用ADC0832 轉換器，這是一種八位分辨率，并且設有兩個(gè)通道的轉換芯片，具備著(zhù)體積小、性?xún)r(jià)比高、金融性強的特點(diǎn)。單片機與轉換器接口電路示意圖如圖5 所示。

圖5 單片機與轉換器接口電路示意圖
3 系統設計軟件部分
3.1 煙霧監測功能部分
本次設計的煙霧監測功能，煙霧濃度通過(guò)K5 設置，K4負責設置煙霧濃度增大，K3 負責設置煙霧濃度降低，當煙霧傳感器監測到實(shí)際溫度超出預警閥值，蜂鳴器就會(huì )報警，點(diǎn)亮發(fā)光，二極管同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇開(kāi)啟排煙功能。
3.2 溫度監測功能部分
本次設計溫度閥值為W30℃，一旦系統監測的溫度高于閥值，蜂鳴器就會(huì )發(fā)出報警，同時(shí)點(diǎn)亮發(fā)光，二極管進(jìn)行閃爍，開(kāi)啟風(fēng)扇轉動(dòng)，實(shí)現降溫。
3.3 紅外監測公共部分
紅外監測部分利用K3 進(jìn)行布防設置，取消布防利用K4 實(shí)現，在系統布防狀態(tài)下（HW=ON），一旦監測到有人進(jìn)入數值就會(huì )迅速地從0 變成1。同時(shí)單片機指令蜂鳴器進(jìn)行報警，點(diǎn)亮發(fā)光二極管。
3.4 緊急事件報警部分
對緊急事件報警部分的軟件設計，利用K2 來(lái)進(jìn)行報警觸發(fā)，使用K1 進(jìn)行復位，當人員按下緊急報警，按鈕蜂鳴器就會(huì )發(fā)出報警，同時(shí)點(diǎn)亮發(fā)光二極管并開(kāi)啟風(fēng)扇轉動(dòng)功能。
4 防盜防火報警系統功能測試
4.1 系統功能性測試
對本次設計的防盜防火報警系統進(jìn)行四個(gè)方位的功能測試，在進(jìn)行煙霧監測報警功能測試期間，采取將紙片點(diǎn)燃放在傳感器附近進(jìn)行觀(guān)察的方式。當將點(diǎn)燃的紙片靠近傳感器，顯示屏上的煙霧濃度數字逐漸增大，等到煙霧濃度超過(guò)閥值就會(huì )聽(tīng)見(jiàn)報警器蜂鳴，同時(shí)二極管被點(diǎn)亮閃爍，風(fēng)扇啟動(dòng)轉動(dòng)，顯示屏數據顯示煙霧濃度大于100ppm。
4.2 傳感器干擾測試
對煙霧傳感器進(jìn)行測試期間，測試員采用釋放打火機氣體，隨著(zhù)氣體釋放，越來(lái)越多，顯示屏上的數字越來(lái)越大，即證明該傳感器也可以測試有毒氣體的濃度。對紅外傳感器的測試，測試人員先將塑料殼套在紅外傳感器上，隨后使用熱源靠近溫度傳感器，發(fā)現紅外傳感器和溫度傳感器的靈敏度都有所下降，此測試證明在實(shí)際應用期間，應該避免將雜物靠近傳感器，從而保持傳感器的靈敏度和度。
4.3 防盜防火報警系統測試結果
經(jīng)過(guò)實(shí)驗人員多次對本次設計的測試，其結果表示本次設計達到了預期要求，實(shí)現了對宿舍煙霧溫度紅外和緊急報警的四大功能。
5 結 論
在學(xué)校內發(fā)生的宿舍失竊事故、火災等事件都會(huì )對學(xué)生的生命、財產(chǎn)安全造成嚴重的威脅，所以基于以上背景，作者設計了一種專(zhuān)門(mén)應用于學(xué)生宿舍的智能防盜防火報警系統，從而通過(guò)系統實(shí)現對學(xué)生宿舍的有效監測。