基于51單片機(jī)的防火防盜報(bào)警器設(shè)計(jì)

陳新芬　朱海棠　王林艷　金琦淳

摘要：該文實(shí)現(xiàn)了一款基于51單片機(jī)的智能化防火防盜報(bào)警器設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，采用HC-SR501熱釋電紅外傳感器感知人員闖入信息，采用MQ-2煙霧傳感器配合DS18B20溫度傳感器感知環(huán)境煙霧及溫度信息。三個(gè)獨(dú)立功能按鍵，用于設(shè)置報(bào)警煙霧及溫度閾值以及是否開啟人員闖入布防。實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)信息由LCD1602液晶屏顯示。若發(fā)現(xiàn)燃?xì)庑孤⒒馂?zāi)險(xiǎn)情及盜賊闖入時(shí)，則啟動(dòng)蜂鳴器和對應(yīng)的LED燈進(jìn)行聲光報(bào)警。

關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī);紅外傳感器;煙霧傳感器;LCD1602

中圖分類號：TP 368.1;TP277? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）08-0093-03

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的家庭開始使用家庭安防報(bào)警系統(tǒng)。基于 STC89C52單片機(jī)的智能家用防火防盜報(bào)警器應(yīng)運(yùn)而生。該設(shè)計(jì)旨在為用戶提供一個(gè)操作便捷、實(shí)時(shí)智能的家用安防工具，能夠在發(fā)生燃?xì)庑孤⒒馂?zāi)險(xiǎn)情以及盜賊入室時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警從而減少損失，實(shí)現(xiàn)對家庭安全的智能化管理[1]。

1 設(shè)計(jì)功能描述

本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集火警的兩個(gè)重要標(biāo)志信息：環(huán)境溫度和煙霧濃度[2]，同時(shí)配備人體紅外入侵感知模塊，實(shí)時(shí)感知是否有人入侵。

設(shè)計(jì)利用獨(dú)立按鍵，可以實(shí)現(xiàn)三種工作模式的切換：正常工作模式，報(bào)警溫度閾值設(shè)定模式，以及報(bào)警煙霧濃度閾值設(shè)定模式。在正常工作模式下，通過獨(dú)立按鍵設(shè)置，實(shí)現(xiàn)布防子模式以及非布防子模式兩種工作模式的選擇。溫度報(bào)警閾值設(shè)定模式中，可以通過獨(dú)立按鍵設(shè)置報(bào)警閾值的大小。煙霧濃度閾值設(shè)定模式中，通過獨(dú)立按鍵動(dòng)作可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警煙霧濃度閾值的設(shè)定。

正常工作模式非布防情況下，當(dāng)環(huán)境溫度和煙霧濃度超過閾值時(shí)，對應(yīng)顏色的報(bào)警燈亮起，并啟動(dòng)報(bào)警器連續(xù)報(bào)警。如果環(huán)境煙霧和溫度回落到報(bào)警閾值范圍內(nèi)，則聲光報(bào)警自動(dòng)撤除。在正常工作模式布防情況下，除了實(shí)時(shí)感知環(huán)境溫度和煙霧，同時(shí)增加了人體紅外感知功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有人入侵時(shí)，對應(yīng)顏色報(bào)警燈亮起，并同時(shí)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。此時(shí)，無論人是否已經(jīng)離開，都必須按下撤銷布防按鍵，聲光報(bào)警才能停止。

正常工作模式區(qū)分布防模式以及非布防模式，優(yōu)點(diǎn)在于：非布防模式可以實(shí)現(xiàn)家庭日常燃?xì)庑孤┗馂?zāi)報(bào)警器功能，布防模式可以實(shí)現(xiàn)家里沒人時(shí)，系統(tǒng)兼用作家庭防盜報(bào)警器功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件電路圖

本系統(tǒng)由主控單片機(jī)芯片STC89C52，電源電路，按鍵電路，液晶LCD1602顯示器，蜂鳴器報(bào)警器，LED報(bào)警燈，溫度采集傳感器DS18B20，煙霧采集傳感器MQ-2，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832，人體熱釋電紅外傳感器HC-SR501，以及若干電阻、電容、三極管等部分組成，其中STC89C52單片機(jī)為本設(shè)計(jì)的控制核心[3]。原理圖如圖1所示。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)芯片（MCU）、晶振電路、復(fù)位電路、電源電路組成。電阻R7，電容C1，按鍵S0構(gòu)成復(fù)位電路，復(fù)位電路與單片機(jī)的9腳RST（Reset）復(fù)位引腳相連。當(dāng)單片機(jī)中程序運(yùn)行時(shí)，意外干擾而導(dǎo)致程序死機(jī)、程序跑飛等特殊情況，通過復(fù)位按鍵，使得單片機(jī)程序從頭開始運(yùn)行;晶振Y1，以及兩個(gè)30PF電容C3，C4構(gòu)成晶振電路，晶振電路為最小系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號，單片機(jī)內(nèi)部的工作以此時(shí)鐘信號為基準(zhǔn)[4]。

2.3 煙霧檢測電路設(shè)計(jì)

火災(zāi)監(jiān)控單元采用MQ-2型煙霧傳感器感知煙霧濃度[5]。MQ-2型煙霧傳感器可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測，是一個(gè)多種氣體探測器。MQ-2的探測范圍極其廣泛。它的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動(dòng)電路簡單，具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性。

MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體[6]。檢測方式主要為高低溫循環(huán)檢測，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧濃度增加而增大，在檢測電路中相當(dāng)于一個(gè)可變電阻。當(dāng)煙霧濃度增加時(shí)，MQ-2阻值變小，4，6引腳輸出的模擬量電壓值升高，該電壓值送入到ADC0832進(jìn)行數(shù)字量轉(zhuǎn)換，對應(yīng)得到的數(shù)字量電壓值也升高。當(dāng)環(huán)境煙霧濃度降低時(shí)，情況正好相反[7]。軟件設(shè)計(jì)中，當(dāng)反映煙霧濃度的電壓值超過設(shè)定報(bào)警閾值時(shí)，啟動(dòng)煙霧報(bào)警。

MQ-2，R1，R3，C2，組成煙霧采集電路，將感知的環(huán)境煙霧模擬量電壓信號送入ADC0832實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量煙霧信號送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)值判斷和處理。

2.4 溫度檢測電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中對溫度的測量使用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20單總線集成數(shù)字溫度傳感器芯片，該芯片可直接與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量通信。利用外接+5V直流穩(wěn)壓電源對芯片供電，數(shù)字信號輸入/輸出端DQ通過外接上拉電阻R2與單片機(jī)P1.0口連接。DS18B20在發(fā)送時(shí)是漏極開路輸出，即輸出0時(shí)通過三極管下拉為低電平，而輸出1時(shí)，則為高阻狀態(tài)，因此需要外接上拉電阻將其拉為高電平。

DS18B20傳感器的主要特征如下：

1）全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出，單總線結(jié)構(gòu)與CPU通信，傳送CRC校驗(yàn)碼，抗干擾糾錯(cuò)能力強(qiáng)。

2）溫度范圍-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃時(shí)精度為±0.5℃

3）可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫。

4）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。

2.5 紅外傳感電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇集成熱釋電紅外傳感器HC-SR501實(shí)現(xiàn)人員活動(dòng)信息采集。設(shè)計(jì)中利用+5V直流穩(wěn)壓電源對芯片供電，熱釋電人體紅外傳感器能夠在<100度錐角范圍內(nèi)，5-7米距離范圍，感應(yīng)到人員活動(dòng)信息。當(dāng)檢測到人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，輸出高電平，人離開則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。傳感器高、低電平輸出直接送入到單片機(jī)P2.3引腳。本設(shè)計(jì)中，為了增加感應(yīng)角度范圍，采用菲涅爾圓形透鏡，使得探頭四面都能靈敏感應(yīng)人員活動(dòng)信息[8]。

2.6 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

LCD1602液晶顯示器是廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊。它是由字符型液晶顯示屏（LCD）、控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成。該顯示屏的優(yōu)點(diǎn)是耗電量低、體積小、輻射低。

系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示器顯示報(bào)警溫度閾值，報(bào)警煙霧濃度閾值以及人體紅外布防狀態(tài)。同時(shí)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境溫度，煙霧濃度，以及是否有人入侵。

液晶模塊的“指令/數(shù)據(jù)”端口控制線RS與單片機(jī)P2.7引腳相連，片選使能端EN接單片機(jī)的P2.6引腳。本設(shè)計(jì)中只用到液晶的寫操作，“讀/寫”控制線R/W引腳直接接地。液晶的D0-D7數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的P0并口連接，單片機(jī)控制P0口實(shí)現(xiàn)與液晶模塊數(shù)據(jù)傳輸。

2.7 按鍵電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用三個(gè)獨(dú)立按鍵S1，S2，S3構(gòu)成按鍵電路，S1設(shè)置按鍵實(shí)現(xiàn)工作模式選擇，連續(xù)按下S1，系統(tǒng)輪流在報(bào)警溫度閾值設(shè)定，報(bào)警煙霧閾值設(shè)定，以及正常監(jiān)控模式三種工作模式之間切換[9]。在閾值設(shè)定模式中，S2按鍵加，S3按鍵減實(shí)現(xiàn)閾值增減。在正常監(jiān)控模式中，按下S2鍵，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)布防，此時(shí)啟用人體紅外模塊感知人員活動(dòng)信息。在正常監(jiān)控模式中，按下S3鍵，系統(tǒng)撤銷布防，人體紅外信息不予處理。

3 軟件設(shè)計(jì)

在主程序中通過While（1）無限循環(huán)來不斷查詢獨(dú)立按鍵動(dòng)作。利用S1設(shè)置鍵，控制工作模式變量mode的值依次在0-2之間切換，當(dāng)mode=0時(shí)，報(bào)警器處于正常監(jiān)控模式，在此模式中，通過獨(dú)立按鍵S2，實(shí)現(xiàn)人體紅外布防，通過S3按鍵，撤銷人體紅外布防。利用定時(shí)器T0中斷，產(chǎn)生1秒定時(shí)，每隔1秒，對環(huán)境溫度值進(jìn)行采樣刷新一次。設(shè)計(jì)中的一大特色在于，在實(shí)現(xiàn)人體紅外布防過程中，利用定時(shí)器延時(shí)作用，很好地區(qū)分了設(shè)置人員的紅外線和一般盜賊的紅外線。在正常監(jiān)控模式下，當(dāng)按下S2布防按鍵時(shí)，利用T0定時(shí)器延時(shí)等待設(shè)置人員離開現(xiàn)場一小段時(shí)間后，系統(tǒng)開啟紅外布防。

4 仿真調(diào)試

利用Proteus仿真軟件，繪制本設(shè)計(jì)硬件電路。利用keil 編程，編譯生成目標(biāo)代碼后，輸入仿真系統(tǒng)單片機(jī)芯片中。當(dāng)前狀態(tài)預(yù)設(shè)報(bào)警溫度為50℃，預(yù)設(shè)煙霧濃度值為100ppm，此時(shí)實(shí)際感知環(huán)境溫度為51.5℃，對應(yīng)溫度報(bào)警燈亮，蜂鳴器報(bào)警。在仿真系統(tǒng)中，用滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)得到模擬電壓信號值代替MQ-2煙霧傳感器感知的環(huán)境煙霧模擬量電壓信號，將此電壓信號送入ADC0832轉(zhuǎn)換芯片，得到對應(yīng)數(shù)字量煙霧值[10]。當(dāng)實(shí)際環(huán)境煙霧濃度為100ppm時(shí)，對應(yīng)煙霧報(bào)警燈亮，在布防狀態(tài)下，屏幕顯示“F”字樣，此時(shí)，按下紅外熱釋電仿真按鈕模擬有人員闖入，則闖入報(bào)警燈點(diǎn)亮，并報(bào)警。

5 誤差比對

在實(shí)物調(diào)試運(yùn)行環(huán)節(jié)，就系統(tǒng)顯示溫度，煙霧濃度與當(dāng)前環(huán)境實(shí)際溫度，煙霧濃度值進(jìn)行了狀態(tài)比對，誤差如表所示。產(chǎn)生誤差原因基本有幾個(gè)方面：1、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的固有誤差;2、MQ-2煙霧傳感器與DS18B20溫度傳感器的精度不高;3、線路在傳輸過程中存在的線路損耗。

6 問題與小結(jié)

本設(shè)計(jì)完成了原理圖繪制，軟件程序編寫，仿真聯(lián)合調(diào)試，最后完成實(shí)物焊接與調(diào)試，最后的成品能實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能，實(shí)物運(yùn)行與實(shí)際物理量值之間有一點(diǎn)誤差。該設(shè)備用于一般家庭防火防盜情況下，誤差值在允許范圍內(nèi)。

該設(shè)計(jì)需要改進(jìn)的方面在于通信，可以考慮增加一個(gè)wifi通信模塊，配套手機(jī)操作界面，實(shí)現(xiàn)設(shè)備報(bào)警與智能手機(jī)通信。當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)盜竊報(bào)警時(shí)，相關(guān)人員可以從手機(jī)端第一時(shí)間知曉，及時(shí)處理火警、盜竊情況。

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【通聯(lián)編輯：梁書】