高校學生宿舍防火報警系統建設

（南京化工職業技術學院，江蘇 南京 210048）

1.系統方案

1.1 系統總體方案

本系統主要由電源模塊，控制器模塊，鍵盤模塊，外部存儲模塊,無線傳輸模塊，聲光報警模塊，顯示模塊，人體檢測模塊，煙霧檢測模塊，貴重物品檢測模塊等構成。系統的結構框圖如圖1所示。

1.2 主要模塊方案論證與比較

1.2.1 控制器模塊

方案一：采用ATMEL公司的AT89C51作為控制核心。51單片機價格便宜，應用廣泛，但運算速度較低，內部資源較少，功能單一，且自身功耗相對較高，難以滿足系統要求。

方案二：采用16 位低功耗單片機MSP430 作為控制核心。它具有豐富的I/O 口與外部中斷，運算速度快，為16 位機，而且功耗很低。

因為MSP430的功耗比51的低且其I/O 口多，運算速度快，所以我們選擇方案二。

1.2.2 電源模塊

方案一：采用開關直流穩壓電源。開關電源功率大，效率高，但是紋波大，價格相對較高。

方案二：采用線性直流穩壓電源。線性穩壓電源制作簡單，輸出穩定，性價比較高。

因為線性直流穩壓電源比開關電源成本低，輸出穩定，所以我們選擇方案二。

1.2.3 鍵盤模塊

方案一：采用獨立式按鍵。此類鍵盤采用獨立鍵盤掃描方式，電路設計簡單，編程相對容易，但對單片機資源占用較多，不利于系統整體功能的實現。

方案二：采用4*4矩陣式鍵盤輸入。矩陣鍵盤為行列掃描方式，在按鍵較多時可以大大節省I/O接口，控制方便，有利于實現系統的功能要求。

因為4*4矩陣式鍵盤比獨立式按鍵節省單片機I/O接口，所以我們選擇了方案二。

1.2.4 顯示模塊

方案一：采用LED數碼管顯示。數碼管顯示具有亮度高，顏色鮮艷，易于觀察，可實時動態顯示，采用CH451 驅動可以大量減少占用的I/O口。但缺點是只能顯示有限的數字和符號，即顯示信息量小，顯示內容單一。

方案二：采用128X64點陣LCD液晶顯示。LCD液晶可輕松實現字母、漢字、圖像等的顯示，控制簡單，可以實現人性化、動態化的顯示，使顯示內容更加豐富，人機交互更加容易。

鑒于LCD強大的顯示功能，我們選擇了方案二。

1.2.5 外部存儲模塊

采用可電擦除可編程只讀存儲器AT24C02。AT24C02接線簡單，修改數據靈活，且斷電后數據不會丟失，故得到了廣泛的應用。

1.2.6 無線傳輸模塊

方案一:采用PT2262/2272 編解碼芯片。PT2262/2272 傳輸距離近，信號傳輸速度慢，數據編碼方式單一。

方案二：采用nRF905 無線收發器。nRF905 無線收發芯片具有功耗低、控制簡單、可自動處理字頭和CRC校驗等優點，其片內硬件可自動完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI 接口與微控制器通信，配置非常方便。

因為nRF905 無線收發器傳輸速度快，傳輸距離遠，所以我們選用方案二。

1.2.7 貴重物品檢測模塊

方案一：采用聲磁防盜系統。聲磁系統的特性是防盜檢測率高、幾乎零誤報、不受金屬錫箔紙屏蔽、抗干擾性好、保護的出口寬(單套系統最寬可保護4米)。且只需在貴重物品上貼張標簽即可，簡單方便可行。

方案二：GPS追蹤器。把主機設備放在宿舍里，把從機固定在貴重物品上，當主從距離超過一定距離時, 主從設備均會報警，且主機會把這一信息立即發送到手機卡里。雖然功能夠實現，但成本太高。

方案二成本高，對比來說，方案一優于方案二，所以我們選擇方案一。

1.2.8 聲光報警模塊

為區分人體與煙霧檢測和提示鎖門兩項報警功能，本設計分為兩種報警方式。當檢測到人和煙霧時采用蜂鳴器和LED進行聲光報警，當檢測到宿舍無人時采用語音報警。

1.2.9 煙霧檢測模塊

方案一：采用離子式煙霧傳感器HIS-07。該離子式煙霧傳感器需要用1014NM 以上阻抗的儀表或IC 集成電路（Mc14467/14468/145018）檢測輸出電壓，普通的儀表會造成檢測結果的不準確，這樣使得成本增高。

方案二：采用自制煙霧傳感器。用兩對紅外對管，一個運算放大器和幾個電阻即可，電路簡單，成本低。

雖然方案一與方案二都能實現設計要求，但方案一成本高，所以我們選用方案二。

1.2.10 人體檢測模塊

方案一： 采用集成運算放大器處理熱釋電的輸出信號。電路設計簡單，容易實現，但檢測距離達不到5米。

方案二：采用熱釋電專用處理芯片BISS0001 處理輸出信號。它的檢測距離能達到5米以上，且工作穩定。

由于題目要求檢測距離需達到5米以上，而方案二滿足要求，所以我們選擇方案二。

2.程序設計

通過人體檢測模塊和煙霧檢測模塊產生的上升沿電平來觸發單片機的外部中斷，從而達到感應人體和檢測煙霧的功能。通過矩陣鍵盤掃描實現數據的輸入。宿舍與宿舍之間采用異步通信模式實現數據傳輸，宿舍和監控中心采用無線通信模式進行數據傳輸。其他模塊均采用單片機普通的輸入和輸出功能。

3.系統測試與結果分析

3.1 測試儀器

測試儀器包括數字萬用表、MSP430開發板、秒表、直流穩壓電源、雙通道數字示波器等。

3.2 測試項目

測試項目主要包括以下內容：熱釋電紅外傳感器觸發時間（靈敏度）測試、熱釋電紅外傳感器檢測范圍測試、煙霧傳感器靈敏度測試。

3.3 測試數據及測試結果分析

3.3.1 熱釋電紅外傳感器觸發時間（靈敏度）測試

通過調節BISS0001的RR2 和RC2的值來確定最佳靈敏度。測試數據如表1所示。

表1 熱釋電傳感器靈敏度測試數據

經過反復測試最終選定RR2和RC2乘積為500時為最佳選擇，所以我們選用RR2=5.1KΩ，RC2=0.1μF。

3.3.2 熱釋電紅外傳感器檢測范圍測試

熱釋電紅外傳感器檢測范圍主要是在傳感器加菲涅爾透鏡的基礎上進行測試，通過調節BISS0001第12管腳負反饋電阻來實現。測試數據如表2所示。

表2 熱釋電檢測范圍測試數據

由題目要求檢測距離在5m以上因此選擇10KΩ可調電阻。

3.3.3 煙霧傳感器靈敏度測試

煙霧傳感器靈敏度測試主要是先確定在煙霧濃度為1000ppm的前提下，通過調節紅外發射管的限流電阻來實現。測試數據如表3所示。

根據測試數據，最終確定限流電阻在4.7KΩ左右為最佳。

表3 煙霧傳感器靈敏度測試數據

[1]邱關源.電路[M].北京:高等教育出版社,1999

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[3]童詩白,華成英.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2006

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