王騰飛

(大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，山西 大同 037000)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的大幅度提高，家庭住宅的隱患也與日俱增，尤其在火災(zāi)、失竊等方面，給居民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重的危害和損失。近幾年，我國(guó)每年家庭住宅發(fā)生火災(zāi)的比例更是達(dá)到了40%以上，國(guó)外許多家庭住宅都安裝有智能防火防盜裝置，而我國(guó)的大多數(shù)家庭卻沒(méi)有安裝防火防盜設(shè)備[1,2]。為此利用現(xiàn)代的電子技術(shù)開(kāi)發(fā)一套面向家庭住宅的全新的防火防盜裝置，勢(shì)在必行。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由STC12C5A60S2單片機(jī)控制電路、熱釋電式紅外防盜監(jiān)測(cè)電路、氣敏式氣體泄漏監(jiān)測(cè)電路、火災(zāi)監(jiān)測(cè)電路、按鍵顯示與聲光報(bào)警電路及手機(jī)通信電路組成。其主要工作原理為：?jiǎn)纹瑱C(jī)自動(dòng)巡檢火災(zāi)、氣體泄漏及防盜監(jiān)測(cè)電路，外界一旦發(fā)生有火情(氣體泄漏)及盜情時(shí)，能實(shí)時(shí)地把報(bào)警信息發(fā)送到通過(guò)GPRS與之聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)上并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)住宅火災(zāi)等安全隱患的在線實(shí)時(shí)報(bào)警。

2 住宅報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路及單片機(jī)控制電路

電源電路及單片機(jī)其控制電路如圖1所示，對(duì)于無(wú)線報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)，考慮到干電池供電輸出電量(電壓和電流)持久和使用方便等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用4節(jié)1.5V的干電池或充電電池來(lái)給系統(tǒng)供電，當(dāng)按下自鎖開(kāi)關(guān)S1時(shí)，LED被點(diǎn)亮，起到系統(tǒng)工作指示燈的作用。考慮到無(wú)線報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有模擬電壓信號(hào)的輸出，需要進(jìn)行相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換后才能將信號(hào)送到單片機(jī)中，因此本設(shè)計(jì)選取STC12C5A60S2單片機(jī)，它有8個(gè)轉(zhuǎn)換通道(P1.0～P1.7)，為了克服因電池組供電引起的通道電壓漂移而造成的讀數(shù)不準(zhǔn)的問(wèn)題，需要給其中的一個(gè)通道提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓(選取P1.2口)，CP、C10為鉭電容，用來(lái)增強(qiáng)電路的濾波效果和抑制自激效應(yīng)的發(fā)生，保證AMS1117-3.3能夠輸出穩(wěn)定的3.3V。

圖1 電源電路及單片機(jī)控制電路

STC12C5A60S2單片機(jī)具有“掉電模式”的性能，在無(wú)外部事件的觸發(fā)時(shí)處于低功耗狀態(tài)而節(jié)省系統(tǒng)供電電源的能量輸出，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可通過(guò)按下按鈕S2來(lái)讓系統(tǒng)復(fù)位。

2.2 熱釋電式紅外防盜監(jiān)測(cè)電路

熱釋電式紅外傳感器對(duì)溫度的變化極其敏感，一旦有人進(jìn)入到它的監(jiān)測(cè)范圍，就會(huì)自動(dòng)感應(yīng)到環(huán)境溫度的變化，就會(huì)輸出高電平的數(shù)字信號(hào)，否則會(huì)一直保持低電平信號(hào)[3]。

本設(shè)計(jì)選用D203S熱釋電式紅外傳感器，它本身帶菲涅爾透鏡，能使感應(yīng)距離達(dá)到5 m，感應(yīng)角度達(dá)到120°錐角，完全能夠滿足住宅防盜的需要。為了增大監(jiān)測(cè)范圍，設(shè)計(jì)使用兩個(gè)D203D，可使監(jiān)測(cè)角度達(dá)到240°，如果要減小監(jiān)測(cè)角度時(shí)，可以用黑色膠帶遮住菲涅爾透鏡的部分鏡頭。D203S熱釋電式紅外防盜監(jiān)測(cè)電路如圖2所示，D203S熱釋電式傳感器的輸出電平經(jīng)74LS14非門(mén)變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)，單片機(jī)一旦監(jiān)測(cè)到P2.0口或P2.1口有低電平信號(hào)時(shí)，說(shuō)明有盜賊進(jìn)入。

圖2 紅外防盜監(jiān)測(cè)電路

2.3 氣敏式氣體泄露監(jiān)測(cè)電路及火災(zāi)監(jiān)測(cè)電路

氣敏式傳感器不僅對(duì)天然氣及煤氣等許多可燃性氣體敏感，而且工作穩(wěn)定性高，為此本設(shè)計(jì)選用MQ-5氣敏式傳感器，當(dāng)發(fā)生氣體泄露時(shí)，其電阻值會(huì)隨著濃度的增大而減小，傳感器會(huì)輸出與濃度對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)(或低電平信號(hào))，因此可以通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器的電壓信號(hào)確定氣體是否發(fā)生泄露[4]。

MQ-5氣敏式氣體泄露監(jiān)測(cè)電路如圖3所示。MQ-5的AO口輸出模擬電壓信號(hào)，在無(wú)氣體泄漏時(shí)的模擬輸出電壓為0.1～0.3V，有氣體泄漏時(shí)為1.2～4.3V左右，為此本設(shè)計(jì)選取發(fā)生氣體泄漏時(shí)的默認(rèn)電壓報(bào)警閾值為1V，當(dāng)單片機(jī)監(jiān)測(cè)到AO口輸出的電壓超過(guò)1V時(shí)，就會(huì)發(fā)出氣體泄漏聲光報(bào)警信號(hào)。

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，會(huì)伴隨有大量高溫和有毒的氣體煙霧分子，為此本設(shè)計(jì)選取LM35線性溫度傳感器來(lái)檢測(cè)火災(zāi)，LM35溫度傳感器OUT的口能輸出與攝氏溫度(℃)成正比例的模擬電壓信號(hào)，兩者的轉(zhuǎn)換公式為：VOUT=10mV/℃×T℃，其監(jiān)測(cè)電路如圖3所示，設(shè)計(jì)選取發(fā)生火災(zāi)時(shí)的默認(rèn)溫度報(bào)警閾值為45℃，(VOUT為0.45V)，當(dāng)單片機(jī)監(jiān)測(cè)到OUT口輸出的電壓超過(guò)4.5V時(shí)，就會(huì)發(fā)出火災(zāi)聲光報(bào)警信號(hào)。

圖3 氣體監(jiān)測(cè)電路及火災(zāi)監(jiān)測(cè)電路

2.4 按鍵顯示與聲光報(bào)警電路

NOKIA5110能顯示4行漢字或字符，在單片機(jī)無(wú)響應(yīng)時(shí)能處于“掉電模式”狀態(tài)，一旦單片機(jī)發(fā)出響應(yīng)，會(huì)立刻被喚醒，正常工作所需電流僅為200μA，因此本設(shè)計(jì)選取NOKIA5110顯示屏[5]。用戶可以通過(guò)按鍵設(shè)定報(bào)警閾值和用來(lái)發(fā)送短信的手機(jī)號(hào)碼，并能顯示到NOKIA5110顯示屏上，按鍵設(shè)定與報(bào)警點(diǎn)的信息具體見(jiàn)表1。

按鍵顯示與聲光報(bào)警電路如圖4所示。只要單片機(jī)監(jiān)測(cè)到P1.0～P1.1、P2.0～P2.1端口有低電平信號(hào)時(shí)，便會(huì)控制聲光報(bào)警電路發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

表1 按鍵設(shè)定與報(bào)警點(diǎn)信息表

圖4 按鍵顯示與聲光報(bào)警電路

2.5 單片機(jī)與手機(jī)通信電路

本設(shè)計(jì)采用GPRS-DTU-726串行雙向通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)之間的通信，該模塊自帶12V的電源適配器和插口，無(wú)需進(jìn)行電源電路的設(shè)計(jì)。其工作原理為：當(dāng)單片機(jī)接收到的報(bào)警數(shù)據(jù)通過(guò)MAX232轉(zhuǎn)換芯片發(fā)送到DTU上，DTU再將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS發(fā)送到手機(jī)端。在使用DTU時(shí)，要將SIM卡插入到DTU的插槽內(nèi)，在DTU配置軟件上選擇“串口外接設(shè)備通過(guò)DTU發(fā)送信息”模式，進(jìn)行相應(yīng)的IP地址等參數(shù)的設(shè)置，便可方便地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)之間的通信，其硬件電路如圖5所示。

圖5 單片機(jī)與手機(jī)通信電路

3 住宅報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖

本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 住宅報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主程序流程圖

3.2 子程序流程圖

本系統(tǒng)的子程序包括按鍵掃描子程序、NOKIQ5110顯示子程序及A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序等，鑒于篇幅原因，這里不再作介紹。

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文采用熱釋電式紅外傳感器、氣敏式傳感器、溫度傳感器以及GPRS報(bào)警通信等，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的安全可靠型，設(shè)計(jì)了一套家庭住宅的實(shí)時(shí)防火防盜無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，在性能上能夠滿足家庭住宅防火防盜的實(shí)際需要，對(duì)于研究和開(kāi)發(fā)智能家居產(chǎn)品具有一定的借鑒作用和價(jià)值。