单片机控制宿舍智能防盗防火报警系统设计研究

当前，学生宿舍被盗以及发生火灾的事件普遍存在，极大地危胁到学生的人身安全及财产安全。如何有效地对宿舍进行实时监控，降低宿舍安全隐患是亟须探讨的一个问题。而宿舍智能防盗防火报警系统能够在宿舍被盗及发生火灾时及时报警，降低损失。基于此，笔者对其设计展开研究。
1 设计整体结构
本次报警系统的设计涵盖了软件和硬件两部分，其中对硬件主要进行各种参数的设计和电路设计，对软件的设计主要针对报警系统主程序和子程序开展。本次设计的流程图如图1 所示。
本次设计，结构组件包含了AD 数据采集、STC89C51型号单片机、报警控件、烟雾感应组件等。总体框图如图2所示。

 

图1 报警系统流程图

图2 本次设计总体框图

1.1 结构物件的选型
（1）控制器单片机部分。本次设计采用英特尔公司推出的51 系列，该系列包含了8051 和8031，近年来已经从SCM 阶段发展至SoC 阶段，其中8051 具备众多优点，例如性能强大，反应快，具备较强的可靠性，因此，本次设计选用8051 型号单片机。
（2）烟雾传感器组件。烟雾传感器在本次设计中主要负责利用烟雾的浓度将其从模拟信号进行电信号的转换，随后系统依据电信号电压的大小来判断环境烟雾浓度，从而达到系统的监测以及报警功能。本次设计采用的传感器为MQ2，MQ2 传感器隶属于N 型半导体气体传感器，其优点包含恢复迅速，灵敏度高，响应快速，输出稳定，使用寿命长，可执行高强度的工作等。
（3）人体红外传感器。本次设计采用DYPMT003 人体感应模块，这是一种基于红外技术，低功率耗能少、可靠性高灵敏高、低电压的操作系统，目前在国内外已经广泛应用于感应电气设备。
（4）温度传感器。本次设计选用DS18B20 温度传感器。温度传感器是一种可感知温度，同时将感知到的数据进行数据转换、输出的系统。
1.2 系统模块设计
本次报警系统包含四个模块组件，防盗防火报警系统功能模块示意图如图3 所示。

图3 防盗防火报警系统功能模块示意图
本次系统包含烟雾监测、温度监测、红外监测、紧急事件四大报警功能模块。
（1）烟雾监测模块功能设计。当烟雾传感器对宿舍进行监测期间，会对宿舍内的烟雾浓度进行监测，同时将浓度直通预先设置好的烟雾浓度阀值以进行对比，这种对比有两种结果：一种是大于阀值，另一种是小于阀值。当环境内的烟雾浓度大于阀值，烟雾传感器就会向单片机传送模拟信号，单片机对信号进行处理后向蜂鸣器发送信号，蜂鸣器根据信号指令开启报警功能，同时转动风扇，开启排烟换气功能；如果监测到的烟雾浓度小于阀值，那么传感器就会始终处于对宿舍烟雾浓度的监测状态。
（2）温度监测功能模块设计。由温度传感器来对宿舍环境的温度进行监测，同时将数据同温度传感器阀值进行比较，比较结果同样包含两种，即大于报警阀值或小于报警阀值。一旦宿舍内的烟雾浓度大于报警阀值，温度传感器就会向单片机传送模拟信号，单片机对信号处理转换后，向蜂鸣器发出信号，蜂鸣器接收指令开启报警功能；如果监测到的温度数据小于阀值，那么温度监测传感器就会始终处于监测状态。
（3）红外监测功能模块设计。本次设计中的红外监测功能模块负责监测宿舍是否有人进入，监测状态分为两种，一种是非布防，一种是布防。如果在布防的状态下监测到有人进入宿舍，红外传感器就会向单片机传输监测信号，单片机进行信号转换后向蜂鸣器发起指令，从而引发红外警报；在非布防状态下，红外监测功能处于休眠的状态，进而一定程度上节省电能。
（4）紧急事件功能模块设计。该模块负责当宿舍的人员遇到紧急突发事件时，手动点击报警键，开启报警功能。

图4 单片机主控电路示意图
2 系统设计硬件部分
2.1 主控制模块
本次设计中单片机主控电路示意图如图4 所示。针对智能防盗防火报警系统的设计，小系统包括单片机时钟电路和复位电路。
其中复位电路负责对单片机进行初始工作状态的判断，从而完成自身的启动状态，当单片机运行过程中，受到来自外部环境的干扰，可以利用复位键，让内部程序进行重新启动。包括两种方式，一种是手动，一种是自动复位，本次设计的防盗防火智能报警系统，采用手动按键复位的形式，其复位原理是利用连接上拉电阻，将输出电瓶升高，从而完成复位。
2.2 烟雾AD 数据采集电路设计
本次设计采用MQ2 烟雾传感器，数字模拟转换采用ADC0832，系统可以利用ADC0832 的转换，得出各种烟雾浓度的电压等级。
2.3 显示模块设计
本次防盗防火报警系统显示方面采用LCD1602 液晶显示屏，能够实现对相关数据的直观展示，用户操作便捷易懂。
2.4 声音报警电路
本次防盗防火报警系统声音报警电路的实现及实现原理为利用三极管基极串联电阻，与单片机的端口进行连接，从而实现对蜂鸣器是否报警的控制。
2.5 电源模块
本次设计采用5V 锂电池作为供电电源，锂电池具备如下优势：体积小，可重复利用，供电稳定。
2.6 温度传感器模块电路设计
本次设计采用DS18B20 温度传感器，该型号充电器设有非易失性电EEPRAM 以及一个便捷内存，便捷内存负责TH、TL 值的写入，存储，随后对EEPRAM 进行检查，当DS18B20 转换出的数值精度的值始终等于1，只有TM 来决定DS18B2 处于测试模式或是工作模式。
2.7 转换器模块设计
本次防盗防火报警系统采用ADC0832 转换器，这是一种八位分辨率，并且设有两个通道的转换芯片，具备着体积小、性价比高、金融性强的特点。单片机与转换器接口电路示意图如图5 所示。

图5 单片机与转换器接口电路示意图
3 系统设计软件部分
3.1 烟雾监测功能部分
本次设计的烟雾监测功能，烟雾浓度通过K5 设置，K4负责设置烟雾浓度增大，K3 负责设置烟雾浓度降低，当烟雾传感器监测到实际温度超出预警阀值，蜂鸣器就会报警，点亮发光，二极管同时启动风扇开启排烟功能。
3.2 温度监测功能部分
本次设计温度阀值为W30℃，一旦系统监测的温度高于阀值，蜂鸣器就会发出报警，同时点亮发光，二极管进行闪烁，开启风扇转动，实现降温。
3.3 红外监测公共部分
红外监测部分利用K3 进行布防设置，取消布防利用K4 实现，在系统布防状态下（HW=ON），一旦监测到有人进入数值就会迅速地从0 变成1。同时单片机指令蜂鸣器进行报警，点亮发光二极管。
3.4 紧急事件报警部分
对紧急事件报警部分的软件设计，利用K2 来进行报警触发，使用K1 进行复位，当人员按下紧急报警，按钮蜂鸣器就会发出报警，同时点亮发光二极管并开启风扇转动功能。
4 防盗防火报警系统功能测试
4.1 系统功能性测试
对本次设计的防盗防火报警系统进行四个方位的功能测试，在进行烟雾监测报警功能测试期间，采取将纸片点燃放在传感器附近进行观察的方式。当将点燃的纸片靠近传感器，显示屏上的烟雾浓度数字逐渐增大，等到烟雾浓度超过阀值就会听见报警器蜂鸣，同时二极管被点亮闪烁，风扇启动转动，显示屏数据显示烟雾浓度大于100ppm。
4.2 传感器干扰测试
对烟雾传感器进行测试期间，测试员采用释放打火机气体，随着气体释放，越来越多，显示屏上的数字越来越大，即证明该传感器也可以测试有毒气体的浓度。对红外传感器的测试，测试人员先将塑料壳套在红外传感器上，随后使用热源靠近温度传感器，发现红外传感器和温度传感器的灵敏度都有所下降，此测试证明在实际应用期间，应该避免将杂物靠近传感器，从而保持传感器的灵敏度和度。
4.3 防盗防火报警系统测试结果
经过实验人员多次对本次设计的测试，其结果表示本次设计达到了预期要求，实现了对宿舍烟雾温度红外和紧急报警的四大功能。
5 结 论
在学校内发生的宿舍失窃事故、火灾等事件都会对学生的生命、财产安全造成严重的威胁，所以基于以上背景，作者设计了一种专门应用于学生宿舍的智能防盗防火报警系统，从而通过系统实现对学生宿舍的有效监测。