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        基于51單片機(jī)的防火防盜報警器設(shè)計

        2022-06-03 12:48:35陳新芬朱海棠王林艷金琦淳
        電腦知識與技術(shù) 2022年8期

        陳新芬 朱海棠 王林艷 金琦淳

        摘要:該文實現(xiàn)了一款基于51單片機(jī)的智能化防火防盜報警器設(shè)計。該設(shè)計以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。三個獨立功能按鍵,用于設(shè)置報警煙霧及溫度閾值以及是否開啟人員闖入布防。實時系統(tǒng)狀態(tài)信息由LCD1602液晶屏顯示。若發(fā)現(xiàn)燃?xì)庑孤?、火?zāi)險情及盜賊闖入時,則啟動蜂鳴器和對應(yīng)的LED燈進(jìn)行聲光報警。

        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

        隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,越來越多的家庭開始使用家庭安防報警系統(tǒng)?;?STC89C52單片機(jī)的智能家用防火防盜報警器應(yīng)運而生。該設(shè)計旨在為用戶提供一個操作便捷、實時智能的家用安防工具,能夠在發(fā)生燃?xì)庑孤⒒馂?zāi)險情以及盜賊入室時,及時啟動報警從而減少損失,實現(xiàn)對家庭安全的智能化管理[1]。

        1 設(shè)計功能描述

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

        設(shè)計利用獨立按鍵,可以實現(xiàn)三種工作模式的切換:正常工作模式,報警溫度閾值設(shè)定模式,以及報警煙霧濃度閾值設(shè)定模式。在正常工作模式下,通過獨立按鍵設(shè)置,實現(xiàn)布防子模式以及非布防子模式兩種工作模式的選擇。溫度報警閾值設(shè)定模式中,可以通過獨立按鍵設(shè)置報警閾值的大小。煙霧濃度閾值設(shè)定模式中,通過獨立按鍵動作可以實現(xiàn)報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,對應(yīng)顏色的報警燈亮起,并啟動報警器連續(xù)報警。如果環(huán)境煙霧和溫度回落到報警閾值范圍內(nèi),則聲光報警自動撤除。在正常工作模式布防情況下,除了實時感知環(huán)境溫度和煙霧,同時增加了人體紅外感知功能,當(dāng)發(fā)現(xiàn)有人入侵時,對應(yīng)顏色報警燈亮起,并同時啟動蜂鳴器報警。此時,無論人是否已經(jīng)離開,都必須按下撤銷布防按鍵,聲光報警才能停止。

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

        2 硬件設(shè)計

        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,蜂鳴器報警器,LED報警燈,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)中程序運行時,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)程序從頭開始運行;晶振Y1,以及兩個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)時鐘信號,單片機(jī)內(nèi)部的工作以此時鐘信號為基準(zhǔn)[4]。

        2.3 煙霧檢測電路設(shè)計

        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,是一個多種氣體探測器。MQ-2的探測范圍極其廣泛。它的優(yōu)點:靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單,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)于一個可變電阻。當(dāng)煙霧濃度增加時,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,情況正好相反[7]。軟件設(shè)計中,當(dāng)反映煙霧濃度的電壓值超過設(shè)定報警閾值時,啟動煙霧報警。

        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

        本設(shè)計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)送時是漏極開路輸出,即輸出0時通過三極管下拉為低電平,而輸出1時,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校驗碼,抗干擾糾錯能力強(qiáng)。

        2)溫度范圍-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃時精度為±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℃,可實現(xiàn)高精度測溫。

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

        2.5 紅外傳感電路設(shè)計

        本設(shè)計選擇集成熱釋電紅外傳感器HC-SR501實現(xiàn)人員活動信息采集。設(shè)計中利用+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)到人員活動信息。當(dāng)檢測到人進(jìn)入感應(yīng)范圍時,輸出高電平,人離開則自動延時關(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)人員活動信息[8]。

        2.6 液晶顯示電路設(shè)計

        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)動主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動電路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液晶顯示器顯示報警溫度閾值,報警煙霧濃度閾值以及人體紅外布防狀態(tài)。同時,實時顯示當(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口實現(xiàn)與液晶模塊數(shù)據(jù)傳輸。

        2.7 按鍵電路設(shè)計

        本設(shè)計利用三個獨立按鍵S1,S2,S3構(gòu)成按鍵電路,S1設(shè)置按鍵實現(xiàn)工作模式選擇,連續(xù)按下S1,系統(tǒng)輪流在報警溫度閾值設(shè)定,報警煙霧閾值設(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按鍵減實現(xiàn)閾值增減。在正常監(jiān)控模式中,按下S2鍵,系統(tǒng)實現(xiàn)布防,此時啟用人體紅外模塊感知人員活動信息。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

        在主程序中通過While(1)無限循環(huán)來不斷查詢獨立按鍵動作。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,報警器處于正常監(jiān)控模式,在此模式中,通過獨立按鍵S2,實現(xiàn)人體紅外布防,通過S3按鍵,撤銷人體紅外布防。利用定時器T0中斷,產(chǎn)生1秒定時,每隔1秒,對環(huán)境溫度值進(jìn)行采樣刷新一次。設(shè)計中的一大特色在于,在實現(xiàn)人體紅外布防過程中,利用定時器延時作用,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,利用T0定時器延時等待設(shè)置人員離開現(xiàn)場一小段時間后,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)報警溫度為50℃,預(yù)設(shè)煙霧濃度值為100ppm,此時實際感知環(huán)境溫度為51.5℃,對應(yīng)溫度報警燈亮,蜂鳴器報警。在仿真系統(tǒng)中,用滑動變阻器滑動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)實際環(huán)境煙霧濃度為100ppm時,對應(yīng)煙霧報警燈亮,在布防狀態(tài)下,屏幕顯示“F”字樣,此時,按下紅外熱釋電仿真按鈕模擬有人員闖入,則闖入報警燈點亮,并報警。

        5 誤差比對

        在實物調(diào)試運行環(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,最后完成實物焊接與調(diào)試,最后的成品能實現(xiàn)各項設(shè)計功能,實物運行與實際物理量值之間有一點誤差。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)計需要改進(jìn)的方面在于通信,可以考慮增加一個wifi通信模塊,配套手機(jī)操作界面,實現(xiàn)設(shè)備報警與智能手機(jī)通信。當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)盜竊報警時,相關(guān)人員可以從手機(jī)端第一時間知曉,及時處理火警、盜竊情況。

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        【通聯(lián)編輯:梁書】

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