宿舍防火防盗报警（51单片机）系统的研制

　　摘要：鉴于学生宿舍时常被盗或发生火灾, 而不能及时被人发现, 基于51单片机的宿舍防火防盗系统可及时发现灾情并立即报警等优点。该系统以STC89C51单片机和传感器为主要元件, 同时利用烟雾传感器和温度传感器的数据实现火灾声光报警、自动排烟换气、温度检测报警以及人体监测报警功能。烟雾检测和温度检测都是通过传感器收集数据然后再与预设阈值对照从而判定是否发生火灾;利用人体红外模块实现人员是否进入, 从而达到防火防盗且保护学生财产安全的目的。与传统的报警系统相比, 该系统具有及时报警且低成本的特点。

　　关键词：STC89C51单片机; 传感器; 烟雾报警器; 报警系统;

　　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;

　　随着社会的发展, 现如今学宿舍有着越来越多的电器, 当学生不在宿舍时, 安全是值得注意的一个问题, 其中火灾和盗窃事件占很大的比例。宿舍防火防盗报警系统就是针对学生人身及财产安全问题, 可实时检测学生宿舍的情况变化, 当有危险时及时发出警报, 避免不必要的事件发生[1-2]。

　　该报警系统通过人体红外传感器检测[3]是否有人进入, 通过烟雾传感器检测烟雾、温度传感器检测温度的变化, 这些状况的改变只要超过预设的阈值就会引起蜂鸣器报警[4], 进行提示预警, 同时, 若烟雾传感器达到或超过预设阈值, 风扇将转动进行排烟处理。每当发现火灾或者盗窃事件发生的时候便会报警, 在一定程度上将减少一定的经济损失。

　　1、系统整体结构设计

　　该报警系统的设计包括硬件和软件设计, 硬件设计是各种电路和参数设计, 软件设计是报警主程序和报警子程序的设计, 系统流程图如图1所示。

图1 系统流程图

　　该报警系统的总体结构由STC89C51单片机[5]、AD数据采集、各类报警的部分以及烟雾等检测部分组成。总体设计框图如图2所示:系统通电后, 用户可通过设置按键设置各个模块的报警阈值 (红外模块直接按布防按键布防即可) , 设置完成后各个模块的传感器进入数据采集阶段并将收集到的各类数据通过采集电路送到单片机, 然后显示器实时显示这些出来, 此数据若大于预设阈值则报警电路报警提示 (红外模块只有布防下有人进入才会报警) 。

　　1.1、主要器件选型

　　1.1.1、单片机选型

　　Intel公司最先推出了51系列的单片机, 它包含两个系列:8031和8051。它最开始是SCM阶段, 进而发展到了SOC阶段。8051单片机的优点很多, 性能强大, 反应速度飞快, 可靠性强。该报警系统选取了8051单片机作为控制器。

　　1.1.2、烟雾传感器选型

　　烟雾传感器[6]负责烟雾的浓度从模拟信号转化为电信号, 这些电信号依照电压的大小可以确定当前环境的烟雾浓度大小, 达到检测、监测和报警功能。它决定收集到的烟密度的敏感性和可靠性。该系统选择MQ-2烟雾传感器, MQ-2传感器是一个清洁空气低导电性金属氧化物氧化锡 (Sn O2) , 是一种N型半导体气体传感器, 具有灵敏度高、响应和恢复时间短, 抗干扰强, 信号输出稳定, 寿命长, 工作时间久等优点。其内部结构如图3所示。

图2 总体设计框图

图3 烟雾传感器及其结构图

　　1.1.3、人体红外传感器选型

　　人体红外[7]是基于红外技术, 高灵敏度、高可靠性、低功耗、低电压操作模式。广泛应用于各种自动感应电气设备。该系统选DYP-ME003作为人体感应模块。

　　1.1.4、温度传感器选型

　　温度传感器 (Temperature Transducer) 即可感知温度并且可以转换成可输出的可用信号。该系统选择的是DSl8B20温度传感器。其内部结构框图如4所示, 图5是测温原理图。

图4 DSl8B20的内部结构图

图5 DS18B20测温原理框图

　　1.2、系统模块设计

　　该系统主要有四个功能模块, 如图6所示。

图6 系统功能模块图

　　该系统包含烟雾监测报警模块, 温度监测报警模块, 红外监测报警模块以及紧急事件报警模块。烟雾监测报警模块检测当前宿舍环境的烟雾浓度且把检测出来的数值与烟雾传感器报警阈值进行比较看是否达到报警值从而判断是否需要报警;温度监测报警模块检测宿舍环境的当前温度并把检测出来的数值与温度传感器报警阈值进行比较看是否达到报警值从而判断是否需要报警;红外监测报警模块检测宿舍是否有人进入从而判定是否要报警;紧急事件报警模块是遇到突发事件时, 采取紧急报警措施以保护人身财产安全。

　　1.2.1、烟雾检测报警模块

　　烟雾传感器检测到宿舍环境烟浓度并把烟雾浓度值和烟雾报警器传感器检测到比较, 比较结果有两种, 一种是数值比预设阈值大, 另一种则是小于预设阈值。当前环境烟雾浓度大于预设阈值时, 烟雾传感器把模拟信号传送给单片机, 单片机进行处理转换后再把信号传送给蜂鸣器从而引起蜂鸣器报警同时风扇转动进行排烟换气, 另一种则是当前烟雾浓度小于预设阈值, 则传感器继续处于检测状态。其检测流程如图7所示。

图7 烟雾监测流程图

　　1.2.2、温度检测报警模块

　　温度传感器检测宿舍环境的当前温度并把检测出来的数值与温度传感器报警阈值进行比较, 比较结果有两种, 一种是检测结果大于预设阈值, 另一种则是小于预设阈值。当前环境温度大于预设阈值时, 温度传感器把模拟信号经过转换传送给单片机, 单片机进行处理转换, 然后再把信号传送给蜂鸣器从而引起蜂鸣器报警, 另一种则是当前温度小于预设阈值, 则传感器继续检测。其检测流程如图8所示。

图8 温度监测流程

　　1.2.3、红外监测报警模块

　　人体红外感应传感器检测宿舍是否有人进入, 其分为两种状态, 一种是布防状态, 另一种则非布防状态。在布防状态下, 若传感器检测到有人进来, 则红外传感器经过处理把信号送到给单片机, 单片机进行处理转换然后再把信号传送给蜂鸣器引起报警。在非布防状态下, 红外模块则处于休眠节电状态。其检测流程如图9所示。

图9 体红外监测流程

　　1.2.4、紧急事件报警模块

　　紧急事件报警模块的功能是:当用户遇到紧急突发事件时直接通过按紧急报警键进行手动报警, 其工作流程如图10所示。

　　2、系统硬件设计

　　2.1、主控制模块的设计

　　单片机最小系统是由单片机、复位电路、时钟电路三部分组成。复位电路是通过判断初始的单片机工作状态完成启动状态;当单片机系统在运行中, 受到外部环境干扰时, 可以通过复位键, 让内部程序重新启动。一般情况下, 有上电自动复位和手动按键复位两种方式, 该系统采用外部手动按键复位方式, 通过连接上拉电阻升高输出电平来实现复位。单片机主控电路如图11所示。

图10 紧急状况报警流程

图11 单片机主控电路

　　2.2、烟雾检测AD采集电路设计

　　该系统选择MQ2烟雾传感器传感器, ADC0832数字模拟转换可得到各种电压等级的烟雾浓度。电路如图12所示。

图12 烟雾浓度采集电路

　　2.3、显示模块设计

　　该系统采用LCD1602液晶显示, 可直观地展示相关数据, 同时也方便用户操作, 其显示电路如图13所示。

图13 LCD1602液晶显示

　　2.4、声音报警电路设计

　　该电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P3.6端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警如图14所示。

图14 声音报警电路图

　　2.5、电源模块设计

　　经过多次测试, 该系统采用5V锂电池为其供电, 锂电池具有体积小且可以重复利用的特点, 同时它的供电也比较稳定。电源接口电路如图15所示, 其中P1为电池接口, SW1为电源开关。

图15 电源接口电路

　　2.6、温度传感器电路设计

　　DSl8B20温度传感器包括一个便捷的内存和非易失性电可擦EEPRAM, 是用来存储TH、TL值, 数据写入内存, 然后通过检查EEPRAM。当DSl8B20点击注册工作温度分辨率将转换为相应的数值精度低5位总是1, TM是一个测试模式设置DSl8B20工作模式或测试模式。

　　2.7、ADC0832转换器模块

　　ADC0832是一种8位分辨率且具有两个通道的A/D转换芯片。由于它的体积小, 兼容性和性价比高, 所以已拥有很高的市场占有率。ADC0832与单片机的接口电路如图16所示。

图16 ADC0832与单片机的接口电路图

　　3、系统软件的设计

　　3.1、烟雾监测报警功能实现

　　该报警系统的烟雾报警功能实物如图17所示, 通过K5来设置报警烟雾浓度, K3、K4分别为减小与增大烟雾浓度值键。当烟雾浓度超过预设阈值 (预设阈值为YW:100PPM) 蜂鸣器报警, 发光二极管点亮同时风扇转动。

图17 烟雾检测报警

　　3.2、温度监测报警功能实现

　　该报警系统的温度检测报警功能实物如图18所示, 如图所示当温度超过预设阈值 (预设温度阈值为W:30℃) 蜂鸣器报警, 发光二极管点亮同时风扇转动。

图18 温度检测报警

　　3.3、红外监测报警功能实现

　　该报警系统的红外检测报警功能的实现如图19所示, 通过K3来设置布防, 通过K4来取消布防。在布防状态 (Hw显示为ON便是开启了布防状态) 下当红外传感器检测到有人进入时, 数值由零置一并且蜂鸣器报警, 发光二极管点亮。

图19 红外检测报警

　　3.4、紧急事件报警功能实现

　　该报警系统的紧急事件报警功能的实现如图20所示, 通过K2来触发报警, 通过K1来复位。直接按下紧急报警按键蜂鸣器报警发光二极管点亮同时风扇开始转动。

图20 紧急事件报警

　　4、系统的实现与测试

　　4.1、功能性测试

　　该系统的测试主要测试其以下四个功能:

　　烟雾监测报警功能:将点燃热纸片放在烟雾传感器附近观察其是否变化。当纸片靠近烟雾传感器时, LCD1602显示屏上的数字逐渐增大, 但未报警, 过一会可听到蜂鸣器报警同时看到指示灯闪烁, 风扇转动, 显示屏数字大于100ppm (预设报警阈值为100ppm) 。

　　温度监测报警功能:将打火机点着靠近DS18B20温度传感器, LCD1602显示屏上的数字逐渐增大, 当温度达到30℃时, 看到风扇转动, 灯光闪烁同时可听到蜂鸣器报警。

　　红外监测报警功能:当无人靠近红外模块时, 显示器、蜂鸣器无任何变化;当用手靠近人体红外模块时, 红外模块的数值从零变成一同时蜂鸣器报警。

　　紧急事件报警功能:开机上电后直接按紧急报警按键, 可听到蜂鸣器报警同时可看到指示灯闪烁, 风扇转动。

　　4.2、传感器干扰测试

　　用烟雾检测传感器检测烟雾时, 将打火机中的气体 (气体为丁烷 (C4H8) 分子) 释放出来, 同时排除烟雾发现其数字仍然在增大而且增大数字越来越快, 经过查阅资料发现该传感器也可检测有毒害气体, 所以也增加了其适用范围功能也更加强大。

　　在工作前, 将温度传感器和人体红外传感器套上塑料壳, 然后用热源靠近温度传感器发现其灵敏度有所下降;红外传感器的灵敏度也有所下降。所以在工作过程中, 不能将杂物等覆盖在传感器上以免影响其精度和灵敏。

　　4.3、测试结果

　　经过多次测试, 该系统达到了预期的目标, 实现了烟雾检测、温度采集以及红外和紧急报警的功能。

　　5、结束语

　　该报警系统使用单片机最小系统STC89C52为控制器, 实现了一个在宿舍内有效检测PM2.5浓度, 并且在超出警戒范围时进行报警, 同时还可检测室内的温度与湿度, 即实现了智能检测的多样化, 这将对人们在室内工作的环境具有重大的现实意义, 而且该系统实现的成本较低, 具有广泛推广的现实价值。

　　参考文献
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　　[4]段晓霞, 梁冬柳, 陈晓东, 等.基于单片机的煤气报警系统[J].自动化技术与应用, 2014, 33 (12) :81-83.
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