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智能防盜防火報(bào)警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與軟硬件設(shè)計(jì)及功能測(cè)試

當(dāng)前，學(xué)生宿舍被盜以及發(fā)生火災(zāi)的事件普遍存在，極大地危脅到學(xué)生的人身安全及財(cái)產(chǎn)安全。如何有效地對(duì)宿舍進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低宿舍安全隱患是亟須探討的一個(gè)問題。而宿舍智能防盜防火報(bào)警系統(tǒng)能夠在宿舍被盜及發(fā)生火災(zāi)時(shí)及時(shí)報(bào)警，降低損失�；诖�，筆者對(duì)其設(shè)計(jì)展開研究。
一、設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)
本次報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涵蓋了軟件和硬件兩部分，其中對(duì)硬件主要進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，對(duì)軟件的設(shè)計(jì)主要針對(duì)報(bào)警系統(tǒng)主程序和子程序開展。本次設(shè)計(jì)的流程圖如圖1 所示。
本次設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)組件包含了AD 數(shù)據(jù)采集、STC89C51型號(hào)單片機(jī)、報(bào)警控件、煙霧感應(yīng)組件等�？傮w框圖如圖2所示。

圖1 報(bào)警系統(tǒng)流程圖

圖2 本次設(shè)計(jì)總體框圖
1.結(jié)構(gòu)物件的選型
1）控制器單片機(jī)部分。本次設(shè)計(jì)采用英特爾公司推出的51 系列，該系列包含了8051 和8031，近年來已經(jīng)從SCM 階段發(fā)展至SoC 階段，其中8051 具備眾多優(yōu)點(diǎn)，例如性能強(qiáng)大，反應(yīng)快，具備較強(qiáng)的可靠性，因此，本次設(shè)計(jì)選用8051 型號(hào)單片機(jī)。
2）煙霧傳感器組件。煙霧傳感器在本次設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)利用煙霧的濃度將其從模擬信號(hào)進(jìn)行電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，隨后系統(tǒng)依據(jù)電信號(hào)電壓的大小來判斷環(huán)境煙霧濃度，從而達(dá)到系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)以及報(bào)警功能。本次設(shè)計(jì)采用的傳感器為MQ2，MQ2 傳感器隸屬于N 型半導(dǎo)體氣體傳感器，其優(yōu)點(diǎn)包含恢復(fù)迅速，靈敏度高，響應(yīng)快速，輸出穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，可執(zhí)行高強(qiáng)度的工作等。
3）人體紅外傳感器。本次設(shè)計(jì)采用DYPMT003 人體感應(yīng)模塊，這是一種基于紅外技術(shù)，低功率耗能少、可靠性高靈敏高、低電壓的操作系統(tǒng)，目前在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于感應(yīng)電氣設(shè)備。
4）溫度傳感器。本次設(shè)計(jì)選用DS18B20 溫度傳感器。溫度傳感器是一種可感知溫度，同時(shí)將感知到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、輸出的系統(tǒng)。
2.系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
本次報(bào)警系統(tǒng)包含四個(gè)模塊組件，防盜防火報(bào)警系統(tǒng)功能模塊示意圖如圖3 所示。

圖3 防盜防火報(bào)警系統(tǒng)功能模塊示意圖
本次系統(tǒng)包含煙霧監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、紅外監(jiān)測(cè)、緊急事件四大報(bào)警功能模塊。
1）煙霧監(jiān)測(cè)模塊功能設(shè)計(jì)。當(dāng)煙霧傳感器對(duì)宿舍進(jìn)行監(jiān)測(cè)期間，會(huì)對(duì)宿舍內(nèi)的煙霧濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)將濃度直通預(yù)先設(shè)置好的煙霧濃度閥值以進(jìn)行對(duì)比，這種對(duì)比有兩種結(jié)果：一種是大于閥值，另一種是小于閥值。當(dāng)環(huán)境內(nèi)的煙霧濃度大于閥值，煙霧傳感器就會(huì)向單片機(jī)傳送模擬信號(hào)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后向蜂鳴器發(fā)送信號(hào)，蜂鳴器根據(jù)信號(hào)指令開啟報(bào)警功能，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇，開啟排煙換氣功能；如果監(jiān)測(cè)到的煙霧濃度小于閥值，那么傳感器就會(huì)始終處于對(duì)宿舍煙霧濃度的監(jiān)測(cè)狀態(tài)。
2）溫度監(jiān)測(cè)功能模塊設(shè)計(jì)。由溫度傳感器來對(duì)宿舍環(huán)境的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)將數(shù)據(jù)同溫度傳感器閥值進(jìn)行比較，比較結(jié)果同樣包含兩種，即大于報(bào)警閥值或小于報(bào)警閥值。一旦宿舍內(nèi)的煙霧濃度大于報(bào)警閥值，溫度傳感器就會(huì)向單片機(jī)傳送模擬信號(hào)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)處理轉(zhuǎn)換后，向蜂鳴器發(fā)出信號(hào)，蜂鳴器接收指令開啟報(bào)警功能；如果監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)小于閥值，那么溫度監(jiān)測(cè)傳感器就會(huì)始終處于監(jiān)測(cè)狀態(tài)。
3）紅外監(jiān)測(cè)功能模塊設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)中的紅外監(jiān)測(cè)功能模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)宿舍是否有人進(jìn)入，監(jiān)測(cè)狀態(tài)分為兩種，一種是非布防，一種是布防。如果在布防的狀態(tài)下監(jiān)測(cè)到有人進(jìn)入宿舍，紅外傳感器就會(huì)向單片機(jī)傳輸監(jiān)測(cè)信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后向蜂鳴器發(fā)起指令，從而引發(fā)紅外警報(bào)；在非布防狀態(tài)下，紅外監(jiān)測(cè)功能處于休眠的狀態(tài)，進(jìn)而一定程度上節(jié)省電能。
4）緊急事件功能模塊設(shè)計(jì)。該模塊負(fù)責(zé)當(dāng)宿舍的人員遇到緊急突發(fā)事件時(shí)，手動(dòng)點(diǎn)擊報(bào)警鍵，開啟報(bào)警功能。

圖4 單片機(jī)主控電路示意圖
二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件部分
1.主控制模塊
本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)主控電路示意圖如圖4 所示。針對(duì)智能防盜防火報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最小系統(tǒng)包括單片機(jī)時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。
其中復(fù)位電路負(fù)責(zé)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始工作狀態(tài)的判斷，從而完成自身的啟動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行過程中，受到來自外部環(huán)境的干擾，可以利用復(fù)位鍵，讓內(nèi)部程序進(jìn)行重新啟動(dòng)。包括兩種方式，一種是手動(dòng)，一種是自動(dòng)復(fù)位，本次設(shè)計(jì)的防盜防火智能報(bào)警系統(tǒng)，采用手動(dòng)按鍵復(fù)位的形式，其復(fù)位原理是利用連接上拉電阻，將輸出電瓶升高，從而完成復(fù)位。
2.煙霧AD 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)采用MQ2 煙霧傳感器，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換采用ADC0832，系統(tǒng)可以利用ADC0832 的轉(zhuǎn)換，得出各種煙霧濃度的電壓等級(jí)。
3.顯示模塊設(shè)計(jì)
本次防盜防火報(bào)警系統(tǒng)顯示方面采用LCD1602 液晶顯示屏，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的直觀展示，用戶操作便捷易懂。
4.聲音報(bào)警電路
本次防盜防火報(bào)警系統(tǒng)聲音報(bào)警電路的實(shí)現(xiàn)及實(shí)現(xiàn)原理為利用三極管基極串聯(lián)電阻，與單片機(jī)的端口進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器是否報(bào)警的控制。
5.電源模塊
本次設(shè)計(jì)采用5V 鋰電池作為供電電源，鋰電池具備如下優(yōu)勢(shì)：體積小，可重復(fù)利用，供電穩(wěn)定。
6.溫度傳感器模塊電路設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)采用DS18B20 溫度傳感器，該型號(hào)充電器設(shè)有非易失性電EEPRAM 以及一個(gè)便捷內(nèi)存，便捷內(nèi)存負(fù)責(zé)TH、TL 值的寫入，存儲(chǔ)，隨后對(duì)EEPRAM 進(jìn)行檢查，當(dāng)DS18B20 轉(zhuǎn)換出的數(shù)值精度的值始終等于1，只有TM 來決定DS18B2 處于測(cè)試模式或是工作模式。
7.轉(zhuǎn)換器模塊設(shè)計(jì)
本次防盜防火報(bào)警系統(tǒng)采用ADC0832 轉(zhuǎn)換器，這是一種八位分辨率，并且設(shè)有兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換芯片，具備著體積小、性價(jià)比高、金融性強(qiáng)的特點(diǎn)。單片機(jī)與轉(zhuǎn)換器接口電路示意圖如圖5 所示。

圖5 單片機(jī)與轉(zhuǎn)換器接口電路示意圖
三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件部分
1.煙霧監(jiān)測(cè)功能部分
本次設(shè)計(jì)的煙霧監(jiān)測(cè)功能，煙霧濃度通過K5 設(shè)置，K4負(fù)責(zé)設(shè)置煙霧濃度增大，K3 負(fù)責(zé)設(shè)置煙霧濃度降低，當(dāng)煙霧傳感器監(jiān)測(cè)到實(shí)際溫度超出預(yù)警閥值，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警，點(diǎn)亮發(fā)光，二極管同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇開啟排煙功能。
2.溫度監(jiān)測(cè)功能部分
本次設(shè)計(jì)溫度閥值為W30℃，一旦系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的溫度高于閥值，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)點(diǎn)亮發(fā)光，二極管進(jìn)行閃爍，開啟風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)降溫。
3.紅外監(jiān)測(cè)公共部分
紅外監(jiān)測(cè)部分利用K3 進(jìn)行布防設(shè)置，取消布防利用K4 實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)布防狀態(tài)下（HW=ON），一旦監(jiān)測(cè)到有人進(jìn)入數(shù)值就會(huì)迅速地從0 變成1。同時(shí)單片機(jī)指令蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，點(diǎn)亮發(fā)光二極管。
4.緊急事件報(bào)警部分
對(duì)緊急事件報(bào)警部分的軟件設(shè)計(jì)，利用K2 來進(jìn)行報(bào)警觸發(fā)，使用K1 進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)人員按下緊急報(bào)警，按鈕蜂鳴器就會(huì)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)點(diǎn)亮發(fā)光二極管并開啟風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)功能。
四、防盜防火報(bào)警系統(tǒng)功能測(cè)試
1.系統(tǒng)功能性測(cè)試
對(duì)本次設(shè)計(jì)的防盜防火報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行四個(gè)方位的功能測(cè)試，在進(jìn)行煙霧監(jiān)測(cè)報(bào)警功能測(cè)試期間，采取將紙片點(diǎn)燃放在傳感器附近進(jìn)行觀察的方式。當(dāng)將點(diǎn)燃的紙片靠近傳感器，顯示屏上的煙霧濃度數(shù)字逐漸增大，等到煙霧濃度超過閥值就會(huì)聽見報(bào)警器蜂鳴，同時(shí)二極管被點(diǎn)亮閃爍，風(fēng)扇啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，顯示屏數(shù)據(jù)顯示煙霧濃度大于100ppm。
2.傳感器干擾測(cè)試
對(duì)煙霧傳感器進(jìn)行測(cè)試期間，測(cè)試員采用釋放打火機(jī)氣體，隨著氣體釋放，越來越多，顯示屏上的數(shù)字越來越大，即證明該傳感器也可以測(cè)試有毒氣體的濃度。對(duì)紅外傳感器的測(cè)試，測(cè)試人員先將塑料殼套在紅外傳感器上，隨后使用熱源靠近溫度傳感器，發(fā)現(xiàn)紅外傳感器和溫度傳感器的靈敏度都有所下降，此測(cè)試證明在實(shí)際應(yīng)用期間，應(yīng)該避免將雜物靠近傳感器，從而保持傳感器的靈敏度和精確度。
3.防盜防火報(bào)警系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)人員多次對(duì)本次設(shè)計(jì)的測(cè)試，其結(jié)果表示本次設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)宿舍煙霧溫度紅外和緊急報(bào)警的四大功能。
五、結(jié)論
在學(xué)校內(nèi)發(fā)生的宿舍失竊事故、火災(zāi)等事件都會(huì)對(duì)學(xué)生的生命、財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅，所以基于以上背景，作者設(shè)計(jì)了一種專門應(yīng)用于學(xué)生宿舍的智能防盜防火報(bào)警系統(tǒng)，從而通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生宿舍的有效監(jiān)測(cè)。

智能防盜防火報(bào)警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與軟硬件設(shè)計(jì)及功能測(cè)試

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