智能防盜防火報警系統設計

張江亞，李煥娜

（1河北科技學院 河北 保定 071000）（2保定理工學院 河北 保定 071000）

1 引言

如今在人們的日常生活中，天然氣已經廣泛使用，但當天然氣由于安裝不當或沒有完全燃燒時會有爆炸和火災的危險。同時居家生活的另一個危險就是入室盜竊，盜竊是一種普遍發生的財產犯罪。因此，一種能應用于居家生活的智能防火防盜報警系統就顯得十分必要[1]。

2 背景與研究意義

社會在不斷進步，隨著人們的生活水平不斷提高，天然氣逐漸成為人們日常生活的必需品，天然氣的使用也存在一定的危險和隱患。入室盜竊也是威脅居家安全的一個重要因素。因此防火防盜報警設備開始被越來越多的人關注。本文主要進行居家防火防盜系統的設計，實現居家安全。

3 防火防盜報警系統硬件分析與設計

3.1 總體設計

防火防盜報警系統是具有監測環境溫度、煙霧濃度以及是否有人靠近，并兼備報警功能的設備。該系統主要由單片機控制器、報警模塊、傳感器單元和LCD1602顯示模塊以及電源模塊等部分構成。

3.2 STC89C52單片機工作原理

STC89C52系列的單片機具有超強的抗干擾性能、高速、低功耗等優點，這也是其受到廣泛適應的原因，該單片機的使用也使得產品更加輕便、更加小型化、功耗更低[2]。STC89C52內部的功能區分為：4個8位的并行端口、高速的A/D轉換、雙數據指針、單片機專用的復位電路、EEPROM數據存儲器、電子看門狗、1280字節的SRAM、高速閃存以及內置的ISP、定時器T0和T1[3]。本系統的時鐘電路和復位電路參照51單片機的通用電路。

3.3 溫度檢測傳感器模塊設計

本設計對環境要求低，因此選用普通型DS18B20。DS18B20溫度傳感器精度較高，不需要外接元件即可工作，它可以測量的溫度為-55～125 ℃，精確度為±0.5 ℃[4]。該傳感器可以用3～5.5 V的電源供電，在主動溫度轉換時僅消耗1 mA。DS18B20的最大優點之一是多個DS18B20可以一起工作，只需要把他們連在同一條總線上。由于每個DS18B20在工廠中都有一個唯一的64位串行代碼，因此更容易將它們區分開來。

傳感器采用單線通信方式工作。它只需要連接到微控制器的數據管腳和一個上拉電阻，其他兩個管腳用于供電。當總線不使用時，上拉電阻用于保持線路處于高狀態[5]。傳感器測得的溫度值將存儲在傳感器內部的2字節寄存器中。通過發送一個數據序列，使用單線方法可以讀取這些數據。有兩種類型的命令被發送來讀取值，一種是ROM命令，另一種是function命令。每個ROM存儲器的地址值和順序在數據表中給出。

3.4 煙霧濃度檢測傳感器模塊設計

MQ-2氣體傳感器可以檢測或測量液化石油氣、酒精、丙烷、氫氣、一氧化碳甚至甲烷等氣體[6]。這個傳感器的模塊版本帶有一個數字引腳，使得MQ-2氣體傳感器即使在沒有微控制器的情況下也能工作，若只想檢測一種特定的氣體時，它是較好的選擇。當涉及測量ppm氣體時，模擬引腳必須使用，模擬引腳也用TTL驅動，工作電壓為5 V，因此可以與最常見的微控制器一起使用[7]。

MQ-2的使用非常簡單，可以使用模擬引腳來達到同樣的效果。使用微控制器讀取模擬值（0～5 V），該值將與傳感器檢測到的氣體濃度成正比。要想準確測量氣體濃度就要求硬件電路中存在模數轉換模塊，以實現電信號到數字信號的轉換。本設計中使用PCF8591模數轉換芯片，該芯片價格低，且轉換速度快，可很好滿足設計要求。

3.5 人機交互模塊設計

人機交互部分包括了顯示和按鍵兩大部分。顯示部分將主控單片機處理的數據通過顯示模塊顯示出來，以便使用者了解該系統的工作狀態與當前數據[8]。按鍵部分的功能是對該系統進行參數的設置，以保證使用人員可在現場對系統進行調試。

（1）作為人機交互的顯示模塊包括發光管、數碼管、液晶顯示器。本設計顯示采用字符型液晶顯示器，即LCD1602模塊。LCD1602是一種顯示器，它能用于顯示各種字符，如符號、數字、字母。

（2）可作為使用者設置參數、現場調整數據的按鍵模塊。

3.6 電源模塊設計

本系統選擇外部供電和USB供電并用的方式，這種方式可以使得系統安裝使用更加方便，直接通過5 V適配器就可以提供穩定的工作電源，同時也提供了備選方案，給不同用戶提供了不同的選擇。

4 系統軟件程序設計

4.1 控制程序總體設計

本設計包括溫度采集、氣體濃度采集、人體紅外監測、LCD顯示、案件復位程序以及報警程序。

4.2 DS18B20程序設計

DS18B20有兩種類型的存儲器，一個是SRAM，另一個是EEPROM[9]。SRAM是一種易失性存儲器，它只有在一定條件下才有數據，EEPROM存儲數據穩定且EEPROM 也有高低報警觸發，方便設置報警溫度上下限。

部分程序如下：Init_DS18B20(void)

4.3 MQ-2程序設計

該部分的設計重點在模數轉換程序，該程序通過對PCF8591進行讀寫數據，完成電信號到數字信號的轉變，數據均顯示在液晶顯示屏上。部分程序如下：

4.4 液晶顯示程序設計

5 系統調試與仿真

系統軟件調試中出現以下問題。

（1）向LCD1602發送清除命令時，LCD1602無法成功擦除屏幕。解決方法：參見LCD1602用戶手冊，清除屏幕的命令與程序中實際編寫的命令完全相同，但是顯示屏可以顯示內容，表明程序已正確發送命令，但并沒有清屏。添加40 ms的延遲時間后，將其下載回程序中，發現執行了屏幕清除命令。LCD1602屏幕清除需要1.64 ms的運行時間，而最終程序使用4 ms的延遲時間。

（2）按鈕無法正常工作，按下時無響應。解決方法：通過矩陣鍵盤的示意圖分析和微動開關的實際使用，使用了微動開關的4個引腳，其中兩對引腳在內部連接，對應于兩個有用的引腳，另外兩個引腳連接到這兩個引腳。再次焊接矩陣鍵盤后，單片機即可正常獲取按鈕信息。

6 結語

本文設計完成了基于單片機的防火防盜報警系統，可以實時監測室內溫度和天然氣濃度，當數值超出設定安全值后，會立刻發出警報；當有人進入室內，就會使得紅外傳感器接收到信號，迅速發出警報，提示有人入侵。簡單來說，在此次的系統設計中，采用的均是最為穩定且最簡單的軟硬件，也使得附加的人機交互系統更加簡單、更容易調試。