基于51單片機(jī)的防火防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

崔孟豪，常新峰

（平頂山學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

隨著人們生活水平的飛速發(fā)展，居民住宅小區(qū)內(nèi)的防火防盜已成為一個(gè)重要的安全問題。目前具備天然氣泄露起火報(bào)警、門窗防盜等功能的設(shè)備普遍存在價(jià)格昂貴、功能單一等缺點(diǎn)。因此，本文以GSM通信技術(shù)為支撐設(shè)計(jì)一款基于51單片機(jī)的防火防盜系統(tǒng)，通過模塊間的配合來實(shí)現(xiàn)防火和防盜功能，使人們在享受生活的同時(shí)保障生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，選用STC89C52作為主控制器，采用DS18B20溫度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、熱釋電紅外傳感器和攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用LCD1602液晶顯示屏作為顯示器、蜂鳴器和LED燈進(jìn)行聲光報(bào)警、三極管和繼電器控制風(fēng)扇，通過SIM800使系統(tǒng)與用戶手機(jī)互聯(lián)。硬件選型完成后，根據(jù)電子電路設(shè)計(jì)圖，進(jìn)行硬件焊接，組成一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 溫度傳感器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用DS18B20溫度傳感器檢測室內(nèi)場所的溫度。DS18B20是一款數(shù)字溫度傳感器，可以直接傳輸給單片機(jī)；此外，DS18B20具有應(yīng)用方便、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。溫度傳感器模塊電路原理如圖2所示。此元器件有3根外部引腳，其中VCC引腳接電源，GND引腳接地，另一引腳則連接I/O總線；加10 kΩ電阻的目的是上拉限制高低電平。

圖2 溫度傳感器模塊電路原理

2.1.2 MQ-2煙霧傳感器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用MQ-2型煙霧傳感器進(jìn)行煙霧監(jiān)測。當(dāng)煙霧傳感器所處環(huán)境存在可燃?xì)怏w時(shí)，煙霧傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，使用ADC0832可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該煙霧傳感器氣體濃度相對應(yīng)的數(shù)字信號。根據(jù)采集電壓的變化，A/D會(huì)輸出不同的電壓。煙霧傳感器模塊電路原理如圖3所示。

圖3 MQ-2煙霧傳感器模塊電路原理

2.1.3 熱釋電人體紅外傳感器模塊

熱釋電人體紅外傳感器能接收到人體發(fā)出的紅外輻射，它由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成，能感應(yīng)37 ℃人體發(fā)出的紅外光。本設(shè)計(jì)在傳感器的前端安裝了菲涅爾透鏡，以此來提高其靈敏度，增加檢測距離及范圍，其電路原理如圖4所示。

圖4 人體紅外傳感器模塊電路原理

2.1.4 攝像頭模塊

本設(shè)計(jì)選用OV3640型號的攝像頭模塊，它具有成像清晰、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)攝像頭采集到視頻數(shù)據(jù)后，將視頻信號傳輸?shù)揭曨l編碼通道上進(jìn)行編碼壓縮處理，處理后的視頻數(shù)據(jù)保存在本地。當(dāng)紅外傳感器檢測到有人觸發(fā)報(bào)警后，用戶可直接在手機(jī)端查看攝像頭采集到的視頻。

2.2 通信模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的通信模塊為SIM800。此模塊具有體積小、價(jià)格便宜、發(fā)送短信時(shí)間快等特點(diǎn)。因SIM800給用戶發(fā)送報(bào)警短信后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的反向電流，所以在電路中連接一個(gè)二極管，防止反向電流擊穿芯片，造成損壞；設(shè)置1 mF電解電容為發(fā)送短信提供足夠的條件；通信方式采用的是串口通信，其電路原理如圖5所示。模塊支持RS 232和TTL接口控制，可以方便地使用電腦或者單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)GSM/GPRS功能。

圖5 通信模塊電路原理

引腳功能：T-RX連接單片機(jī)的TX引腳；T-TX連接單片機(jī)的RX引腳；GND連接單片機(jī)的GND引腳。TTL電平支持3.3 V/5 V系統(tǒng)，接口外部的輸入工作電壓為5～24 V，能保證給SIM800提供2 A電流，這里使用5 V、2 A電源進(jìn)行供電。

2.3 LCD1602顯示模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過LCD1602顯示屏顯示檢測到的溫度和煙霧濃度，LCD1602顯示屏與單片機(jī)的P口連接，并在中間連接一個(gè)10 kΩ電阻，其原理如圖6所示。

圖6 顯示模塊電路原理

LCD1602顯示屏的讀寫操作是通過控制指令程序來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃CD1602顯示屏?xí)r，引腳RS與引腳R/W均置為低電平并進(jìn)入寫入指令；然后引腳RS置為高電平，引腳R/W不變，寫入數(shù)據(jù)；最后將引腳R/W置為高電平進(jìn)行讀操作，并將數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上。

2.4 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)報(bào)警電路分為兩部分，分別是聲光報(bào)警和短信報(bào)警。聲光報(bào)警模塊電路原理如圖7所示。設(shè)置煙霧濃度和溫度報(bào)警閾值，單片機(jī)開始循環(huán)監(jiān)測，并把監(jiān)測到的數(shù)值與閾值進(jìn)行比較。觸發(fā)報(bào)警條件，單片機(jī)向報(bào)警模塊發(fā)送命令，蜂鳴器置為低電平開始工作，LED燈亮起，同時(shí)向SIM800模塊發(fā)送AT指令，向用戶發(fā)送報(bào)警短信。

圖7 聲光報(bào)警模塊電路原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示與通信傳輸三部分。

3.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)初始化完成后傳感器開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過按鍵設(shè)置溫度和煙霧濃度的報(bào)警閾值以及防盜模式的開關(guān)，將溫度、紅外濃度與利用ADC0832進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后的煙霧濃度數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)分析處理，溫度或煙霧濃度達(dá)到報(bào)警條件后開啟風(fēng)扇、報(bào)警并發(fā)送報(bào)警短信，防盜開啟模式下有人經(jīng)過時(shí)報(bào)警并發(fā)送報(bào)警短信。數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程

3.2 數(shù)據(jù)顯示

LCD1602顯示屏接通電源后，顯示屏首先進(jìn)行初始化，此時(shí)屏幕上的數(shù)值將被清零，單片機(jī)通過程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入操作；然后LCD1602顯示屏將數(shù)據(jù)顯示在指定位置，檢測到結(jié)束字符時(shí)，將結(jié)束數(shù)據(jù)寫入。數(shù)據(jù)顯示流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)顯示流程

3.3 通信傳輸

本設(shè)計(jì)可通過手機(jī)端進(jìn)行設(shè)備防盜模式的開啟和關(guān)閉，還可以顯示檢測數(shù)據(jù)。手機(jī)控制設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的命令，對于用戶發(fā)送的文字模式命令需要轉(zhuǎn)換為Unicode碼，將轉(zhuǎn)換過的命令暫存在GSM模塊的AT命令緩存區(qū)，然后發(fā)送到GSM核心模塊后執(zhí)行相應(yīng)功能。程序流程如圖10所示。

圖10 通信傳輸流程

系統(tǒng)中使用的AT指令見表1所列。

表1 系統(tǒng)中使用的AT指令表

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)的功能測試主要測試數(shù)據(jù)采集和通信功能兩個(gè)方面。

4.1.1 數(shù)據(jù)采集功能測試

首先進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集測試，將裝著熱水的熱水袋緩慢靠近DS18B20溫度傳感器，可以看到顯示屏上的溫度值慢慢增加；然后進(jìn)行煙霧數(shù)據(jù)采集測試，利用打火機(jī)的氣體進(jìn)行煙霧采集的測試，打火機(jī)打火后吹滅火焰，并放在煙霧傳感器附近，可以觀察到顯示屏上的煙霧值緩慢增加；再進(jìn)行紅外數(shù)據(jù)采集的測試，打開防盜模式，當(dāng)無人靠近紅外傳感器時(shí)顯示屏與聲光報(bào)警模塊沒有變化，當(dāng)有人靠近時(shí)顯示屏上顯示“Somebody”字樣；最后進(jìn)行視頻采集測試，給系統(tǒng)通電，開啟防盜模式，有人從攝像頭前方走過，觸發(fā)報(bào)警，手機(jī)接收到報(bào)警短信，這時(shí)可以在手機(jī)上看到攝像頭采集到的視頻。

4.1.2 通信功能測試

設(shè)備打開時(shí)防盜模式默認(rèn)關(guān)閉，首先使用手機(jī)給設(shè)備中的通信模塊發(fā)送短信“開啟防盜”，等待1 s，然后繼續(xù)發(fā)送指令“關(guān)閉防盜”；再等待1 s，發(fā)送短信“獲取數(shù)據(jù)”，至此所有功能測試完成。

4.2 測試結(jié)果及分析

經(jīng)過測試，該系統(tǒng)各個(gè)功能均能正常工作，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、煙霧、人體紅外、攝像頭的采集和通信功能，其中系統(tǒng)測試整體效果如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)測試效果

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款基于51單片機(jī)的防火防盜系統(tǒng)。系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，整體造價(jià)較低；采用DS18B20溫度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、熱釋電紅外傳感器和攝像頭進(jìn)行室內(nèi)數(shù)據(jù)采集，并通過SIM800實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶手機(jī)通信。經(jīng)測試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，易于市場推廣。