單片機控制宿舍智能防盜防火報警系統(tǒng)設(shè)計研究

當前，學生宿舍被盜以及發(fā)生火災的事件普遍存在，極大地危脅到學生的人身安全及財產(chǎn)安全。如何有效地對宿舍進行實時監(jiān)控，降低宿舍安全隱患是亟須探討的一個問題。而宿舍智能防盜防火報警系統(tǒng)能夠在宿舍被盜及發(fā)生火災時及時報警，降低損失?；诖?，筆者對其設(shè)計展開研究。
1 設(shè)計整體結(jié)構(gòu)
本次報警系統(tǒng)的設(shè)計涵蓋了軟件和硬件兩部分，其中對硬件主要進行各種參數(shù)的設(shè)計和電路設(shè)計，對軟件的設(shè)計主要針對報警系統(tǒng)主程序和子程序開展。本次設(shè)計的流程圖如圖1 所示。
本次設(shè)計，結(jié)構(gòu)組件包含了AD 數(shù)據(jù)采集、STC89C51型號單片機、報警控件、煙霧感應組件等。總體框圖如圖2所示。

 

圖1 報警系統(tǒng)流程圖

圖2 本次設(shè)計總體框圖

1.1 結(jié)構(gòu)物件的選型
（1）控制器單片機部分。本次設(shè)計采用英特爾公司推出的51 系列，該系列包含了8051 和8031，近年來已經(jīng)從SCM 階段發(fā)展至SoC 階段，其中8051 具備眾多優(yōu)點，例如性能強大，反應快，具備較強的可靠性，因此，本次設(shè)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(shè)計中主要負責利用煙霧的濃度將其從模擬信號進行電信號的轉(zhuǎn)換，隨后系統(tǒng)依據(jù)電信號電壓的大小來判斷環(huán)境煙霧濃度，從而達到系統(tǒng)的監(jiān)測以及報警功能。本次設(shè)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)點包含恢復迅速，靈敏度高，響應快速，輸出穩(wěn)定，使用壽命長，可執(zhí)行高強度的工作等。
（3）人體紅外傳感器。本次設(shè)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(tǒng)，目前在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應用于感應電氣設(shè)備。
（4）溫度傳感器。本次設(shè)計選用DS18B20 溫度傳感器。溫度傳感器是一種可感知溫度，同時將感知到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、輸出的系統(tǒng)。
1.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計
本次報警系統(tǒng)包含四個模塊組件，防盜防火報警系統(tǒng)功能模塊示意圖如圖3 所示。

圖3 防盜防火報警系統(tǒng)功能模塊示意圖
本次系統(tǒng)包含煙霧監(jiān)測、溫度監(jiān)測、紅外監(jiān)測、緊急事件四大報警功能模塊。
（1）煙霧監(jiān)測模塊功能設(shè)計。當煙霧傳感器對宿舍進行監(jiān)測期間，會對宿舍內(nèi)的煙霧濃度進行監(jiān)測，同時將濃度直通預先設(shè)置好的煙霧濃度閥值以進行對比，這種對比有兩種結(jié)果：一種是大于閥值，另一種是小于閥值。當環(huán)境內(nèi)的煙霧濃度大于閥值，煙霧傳感器就會向單片機傳送模擬信號，單片機對信號進行處理后向蜂鳴器發(fā)送信號，蜂鳴器根據(jù)信號指令開啟報警功能，同時轉(zhuǎn)動風扇，開啟排煙換氣功能；如果監(jiān)測到的煙霧濃度小于閥值，那么傳感器就會始終處于對宿舍煙霧濃度的監(jiān)測狀態(tài)。
（2）溫度監(jiān)測功能模塊設(shè)計。由溫度傳感器來對宿舍環(huán)境的溫度進行監(jiān)測，同時將數(shù)據(jù)同溫度傳感器閥值進行比較，比較結(jié)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(nèi)的煙霧濃度大于報警閥值，溫度傳感器就會向單片機傳送模擬信號，單片機對信號處理轉(zhuǎn)換后，向蜂鳴器發(fā)出信號，蜂鳴器接收指令開啟報警功能；如果監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)小于閥值，那么溫度監(jiān)測傳感器就會始終處于監(jiān)測狀態(tài)。
（3）紅外監(jiān)測功能模塊設(shè)計。本次設(shè)計中的紅外監(jiān)測功能模塊負責監(jiān)測宿舍是否有人進入，監(jiān)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(jiān)測到有人進入宿舍，紅外傳感器就會向單片機傳輸監(jiān)測信號，單片機進行信號轉(zhuǎn)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(jiān)測功能處于休眠的狀態(tài)，進而一定程度上節(jié)省電能。
（4）緊急事件功能模塊設(shè)計。該模塊負責當宿舍的人員遇到緊急突發(fā)事件時，手動點擊報警鍵，開啟報警功能。

圖4 單片機主控電路示意圖
2 系統(tǒng)設(shè)計硬件部分
2.1 主控制模塊
本次設(shè)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(tǒng)的設(shè)計，小系統(tǒng)包括單片機時鐘電路和復位電路。
其中復位電路負責對單片機進行初始工作狀態(tài)的判斷，從而完成自身的啟動狀態(tài)，當單片機運行過程中，受到來自外部環(huán)境的干擾，可以利用復位鍵，讓內(nèi)部程序進行重新啟動。包括兩種方式，一種是手動，一種是自動復位，本次設(shè)計的防盜防火智能報警系統(tǒng)，采用手動按鍵復位的形式，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(shù)據(jù)采集電路設(shè)計
本次設(shè)計采用MQ2 煙霧傳感器，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換采用ADC0832，系統(tǒng)可以利用ADC0832 的轉(zhuǎn)換，得出各種煙霧濃度的電壓等級。
2.3 顯示模塊設(shè)計
本次防盜防火報警系統(tǒng)顯示方面采用LCD1602 液晶顯示屏，能夠?qū)崿F(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)的直觀展示，用戶操作便捷易懂。
2.4 聲音報警電路
本次防盜防火報警系統(tǒng)聲音報警電路的實現(xiàn)及實現(xiàn)原理為利用三極管基極串聯(lián)電阻，與單片機的端口進行連接，從而實現(xiàn)對蜂鳴器是否報警的控制。
2.5 電源模塊
本次設(shè)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(wěn)定。
2.6 溫度傳感器模塊電路設(shè)計
本次設(shè)計采用DS18B20 溫度傳感器，該型號充電器設(shè)有非易失性電EEPRAM 以及一個便捷內(nèi)存，便捷內(nèi)存負責TH、TL 值的寫入，存儲，隨后對EEPRAM 進行檢查，當DS18B20 轉(zhuǎn)換出的數(shù)值精度的值始終等于1，只有TM 來決定DS18B2 處于測試模式或是工作模式。
2.7 轉(zhuǎn)換器模塊設(shè)計
本次防盜防火報警系統(tǒng)采用ADC0832 轉(zhuǎn)換器，這是一種八位分辨率，并且設(shè)有兩個通道的轉(zhuǎn)換芯片，具備著體積小、性價比高、金融性強的特點。單片機與轉(zhuǎn)換器接口電路示意圖如圖5 所示。

圖5 單片機與轉(zhuǎn)換器接口電路示意圖
3 系統(tǒng)設(shè)計軟件部分
3.1 煙霧監(jiān)測功能部分
本次設(shè)計的煙霧監(jiān)測功能，煙霧濃度通過K5 設(shè)置，K4負責設(shè)置煙霧濃度增大，K3 負責設(shè)置煙霧濃度降低，當煙霧傳感器監(jiān)測到實際溫度超出預警閥值，蜂鳴器就會報警，點亮發(fā)光，二極管同時啟動風扇開啟排煙功能。
3.2 溫度監(jiān)測功能部分
本次設(shè)計溫度閥值為W30℃，一旦系統(tǒng)監(jiān)測的溫度高于閥值，蜂鳴器就會發(fā)出報警，同時點亮發(fā)光，二極管進行閃爍，開啟風扇轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)降溫。
3.3 紅外監(jiān)測公共部分
紅外監(jiān)測部分利用K3 進行布防設(shè)置，取消布防利用K4 實現(xiàn)，在系統(tǒng)布防狀態(tài)下（HW=ON），一旦監(jiān)測到有人進入數(shù)值就會迅速地從0 變成1。同時單片機指令蜂鳴器進行報警，點亮發(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(shè)計，利用K2 來進行報警觸發(fā)，使用K1 進行復位，當人員按下緊急報警，按鈕蜂鳴器就會發(fā)出報警，同時點亮發(fā)光二極管并開啟風扇轉(zhuǎn)動功能。
4 防盜防火報警系統(tǒng)功能測試
4.1 系統(tǒng)功能性測試
對本次設(shè)計的防盜防火報警系統(tǒng)進行四個方位的功能測試，在進行煙霧監(jiān)測報警功能測試期間，采取將紙片點燃放在傳感器附近進行觀察的方式。當將點燃的紙片靠近傳感器，顯示屏上的煙霧濃度數(shù)字逐漸增大，等到煙霧濃度超過閥值就會聽見報警器蜂鳴，同時二極管被點亮閃爍，風扇啟動轉(zhuǎn)動，顯示屏數(shù)據(jù)顯示煙霧濃度大于100ppm。
4.2 傳感器干擾測試
對煙霧傳感器進行測試期間，測試員采用釋放打火機氣體，隨著氣體釋放，越來越多，顯示屏上的數(shù)字越來越大，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(xiàn)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(tǒng)測試結(jié)果
經(jīng)過實驗人員多次對本次設(shè)計的測試，其結(jié)果表示本次設(shè)計達到了預期要求，實現(xiàn)了對宿舍煙霧溫度紅外和緊急報警的四大功能。
5 結(jié) 論
在學校內(nèi)發(fā)生的宿舍失竊事故、火災等事件都會對學生的生命、財產(chǎn)安全造成嚴重的威脅，所以基于以上背景，作者設(shè)計了一種專門應用于學生宿舍的智能防盜防火報警系統(tǒng)，從而通過系統(tǒng)實現(xiàn)對學生宿舍的有效監(jiān)測。