基于STC89C52的實驗室安全防護系統設計

鄧然，劉杲明

（哈爾濱華德學院，黑龍江哈爾濱，150025）

1 系統組成及工作原理

基于單片機的實驗室安全防護系統可以解決實驗室的防火、防煙、防盜等問題，確保實驗人員的人身安全，以及保護實驗器材。檢測模塊包括煙霧傳感器，溫濕度傳感器和熱釋電紅外傳感器，可以對實驗室的溫濕度和煙霧濃度等進行檢測；控制模塊采用STC89C52單片機作為主控平臺，控制整個系統的運行；輸出模塊包括LCD顯示屏，手機等，通過LCD顯示屏可以實時看到當前的溫濕度，煙霧濃度等數據，當數值超出閾值時，GSM模塊會將數據發送到手機端，同時蜂鳴器會發出警報，繼電器控制電源斷電，消防燈亮起。從而保證實驗室的安全。

2 系統硬件設計

本次設計利用物聯網中的單片機技術和傳感器技術來設計總體架構，基于單片機的實驗室安全防護系統可以解決實驗室的防火、防煙、防盜等問題，確保實驗人員的人身安全，以及保護實驗器材。

2.1 主控模塊設計

本系統設計的實驗室安全防護系統采用的主控模塊是STC89C52，能夠使主控模塊正常工作的最小單元是單片機的最小系統，構成最小系統主要有三部分。分別是時鐘電路、復位電路和系統電源。時鐘電路的作用就是為系統提供時鐘或者說是工作節拍，STC89C52時鐘系統包括內部時鐘和外部時鐘兩種。復位電路可以保證系統在死機的狀態下恢復初始狀態，最簡單的復位電路由電容串聯電阻構成。系統電源的作用就是為系統正常工作提供能量的電路。

2.2 溫濕度傳感器模塊電路

DHT11溫濕度傳感器采集的數值是非常準確的，DHT11的工作模式采用的是雙線串行通信，DHT11由于其體積小，功耗低，使用簡單等優點，被廣泛應用，在采集信號的過程中，以主控芯片發送的信號作為起始，傳感器開始采集數據，并反饋給主控芯片。DHT11包含4個引腳，分別是VDD、GND、DATA和NC引腳，VDD和GND分別接電源和地，DATA引腳負責和STC89C52單片機的P02口連接進行溫濕度數據的傳輸，NC引腳由廠家預留，一般不用，懸空處理。

2.3 煙霧檢測模塊電路

MQ-2煙霧傳感器可采集多種氣體的濃度，如液化氣、酒精、氫氣和煙霧等，因此廣泛的應用于火災安防的領域之中。MQ-2煙霧傳感器的外部引腳有6個，引腳分布情況為ABHHBA，使用時需要兩個A連接在一起，兩個B連接在一起，兩個H分別接電源的正極和負極，MQ-2的正常工作電壓為5V，由于MQ-2采集的信號是模擬信號，所以MQ-2傳感器的信號輸出端不能直接和單片機相連，本系統采用的是ADC0832模數轉換器對模擬信號進行轉化，并將得到的數字信號在傳送給主控芯片。

2.4 顯示電路設計

顯示電路采用的是LCD1602液晶顯示，本系統中，顯示電路可用于實時顯示實驗室的溫度、濕度、煙霧濃度等信息，LCD1602顯示屏具有功耗低，性價比高，顯示效果良好等特點。LCD1602液晶顯示屏共有16個引腳，VCC和VSS分別用于接電源的正負極，EN是LCD1602液晶顯示屏的使能端，VL引腳用于調整液晶顯示屏的對比度，RS引腳為寄存器選擇引腳可用于選擇數據寄存器和程序寄存器，R/W為數據讀寫選擇引腳，通過控制R/W引腳可實現讀寫功能，D0-D7為8根雙向數據線，和單片機的P0.0和P0.7相連。

2.5 報警電路設計

當按鍵設置好煙霧濃度、溫濕度的上限值或者是開啟防盜模式，人體紅外感應到有人后或者煙霧參數超過閾值后，單片機就會發出報警。本系統的報警功能包含兩部分，分別是聲音報警，短信報警。聲音報警電路采用的是蜂鳴器，在正常供電的情況下，蜂鳴器就可以發出報警的響動。本系統中的報警電路由三部分構成，分別是電阻，PNP型三極管和蜂鳴器，PNP型三級管的作用是為了放大單片機所提供的電平信號，以保證蜂鳴器能夠正常工作。

2.6 通信模塊電路設計

本設計采用的通信模塊為SIM800，此模塊主要用于語音或者數據通訊，具有體積小，價格便宜，發送短信時間快等特點。被廣泛的運用在通信設置中。該模塊有24個引腳，為用戶提供了一個全功能串口和調試口，一個通用輸入輸出口和一個SIM卡接口。電路中接二極管是為了防止發送短時后會產生一個較大的反向電流，擊穿芯片。電解電容為1000UF為發送短信提供足夠的條件。

3 軟件系統設計

軟件設計是從軟件的需求出發，從而形成軟件的具體設計方案的過程，本系統主要通過各個傳感器對數據的采集，來實現實驗室的安全防護。軟件設計主要包括系統的整體設計和各個傳感器工作流程的設計。

3.1 軟件主程序設計

首先各個硬件開始初始化，先進行GSM模塊的初始化，然后初始化各傳感器，之后各個模塊開始工作，進入到數據采集階段，各個傳感器采集相關參數，單片機對采集的數據進行處理，完成后續的顯示和報警工作。如果產生異常，由單片機發出命令，利用GSM模塊發送短信。

3.2 煙霧濃度檢測程序設計

當煙霧傳感器采集到當前的數據后，會將當前的煙霧濃度信息通過轉換顯示在LCD顯示屏上，通過設置煙霧濃度的報警上限，來進行煙霧濃度的閾值檢測報警，當煙霧濃度超過上限時，風扇就會轉動，開啟蜂鳴器然后進行報警，繼電器開始工作，控制所連接的設備開關進行開啟，GSM發送短信給管理員。

3.3 人體檢測程序設計

主函數執行后，檢測防盜模式是否開啟，首先通過按鍵設定是否開啟防盜模式，然后檢測是否有人，人體紅外感應模塊是否發出有效信號，熱釋電紅外傳感器檢測的有人闖入時，進行聲光報警，蜂鳴器響起，LED指示燈亮起，同時SIM800發送報警短信到對應的手機上，提示實驗室管理人員和教師等有人闖入。

3.4 溫濕度檢測程序設計

開啟開關電源后，溫濕度傳感器開始工作，首先將溫濕度傳感器放置在空氣中，然后進入溫濕度監測子程序中，溫濕度傳感器將空氣中的溫濕度轉換成電信號進行輸出，單片機接收到數據后進行計算，之后顯示在LCD1602液晶顯示器上。DHT11數字溫濕度測溫模塊首先初始化，然后讀取DHT11數字溫濕度測溫模塊序列號，之后進行溫度轉換，隨后復位DHT11數字溫度測溫模塊，若無中斷，則讀取數據，若有中斷，則繼續回歸到復位操作。

4 結論

本次系統能夠實時檢測實驗室內的溫度、濕度、煙霧濃度和有無人闖入等信息，當實驗室發生異常時，還可以通過GSM模塊向實驗室管理人員或教師等發送短信，通知相關人員及時采取保護措施，具有功能完善，操作簡單，報警及時等特點。此外，本設計還存在著一些不足之處，需要進一步改進。例如：在進行報警后，只能通過繼電器來控制開關和消防燈的開啟，無法做到智能的安全防護，還需要管理員來進行防護。