智能防盗防火报警系统设计

张江亚，李焕娜

（1河北科技学院 河北 保定 071000）（2保定理工学院 河北 保定 071000）

1 引言

如今在人们的日常生活中，天然气已经广泛使用，但当天然气由于安装不当或没有完全燃烧时会有爆炸和火灾的危险。同时居家生活的另一个危险就是入室盗窃，盗窃是一种普遍发生的财产犯罪。因此，一种能应用于居家生活的智能防火防盗报警系统就显得十分必要[1]。

2 背景与研究意义

社会在不断进步，随着人们的生活水平不断提高，天然气逐渐成为人们日常生活的必需品，天然气的使用也存在一定的危险和隐患。入室盗窃也是威胁居家安全的一个重要因素。因此防火防盗报警设备开始被越来越多的人关注。本文主要进行居家防火防盗系统的设计，实现居家安全。

3 防火防盗报警系统硬件分析与设计

3.1 总体设计

防火防盗报警系统是具有监测环境温度、烟雾浓度以及是否有人靠近，并兼备报警功能的设备。该系统主要由单片机控制器、报警模块、传感器单元和LCD1602显示模块以及电源模块等部分构成。

3.2 STC89C52单片机工作原理

STC89C52系列的单片机具有超强的抗干扰性能、高速、低功耗等优点，这也是其受到广泛适应的原因，该单片机的使用也使得产品更加轻便、更加小型化、功耗更低[2]。STC89C52内部的功能区分为：4个8位的并行端口、高速的A/D转换、双数据指针、单片机专用的复位电路、EEPROM数据存储器、电子看门狗、1280字节的SRAM、高速闪存以及内置的ISP、定时器T0和T1[3]。本系统的时钟电路和复位电路参照51单片机的通用电路。

3.3 温度检测传感器模块设计

本设计对环境要求低，因此选用普通型DS18B20。DS18B20温度传感器精度较高，不需要外接元件即可工作，它可以测量的温度为-55～125 ℃，精确度为±0.5 ℃[4]。该传感器可以用3～5.5 V的电源供电，在主动温度转换时仅消耗1 mA。DS18B20的最大优点之一是多个DS18B20可以一起工作，只需要把他们连在同一条总线上。由于每个DS18B20在工厂中都有一个唯一的64位串行代码，因此更容易将它们区分开来。

传感器采用单线通信方式工作。它只需要连接到微控制器的数据管脚和一个上拉电阻，其他两个管脚用于供电。当总线不使用时，上拉电阻用于保持线路处于高状态[5]。传感器测得的温度值将存储在传感器内部的2字节寄存器中。通过发送一个数据序列，使用单线方法可以读取这些数据。有两种类型的命令被发送来读取值，一种是ROM命令，另一种是function命令。每个ROM存储器的地址值和顺序在数据表中给出。

3.4 烟雾浓度检测传感器模块设计

MQ-2气体传感器可以检测或测量液化石油气、酒精、丙烷、氢气、一氧化碳甚至甲烷等气体[6]。这个传感器的模块版本带有一个数字引脚，使得MQ-2气体传感器即使在没有微控制器的情况下也能工作，若只想检测一种特定的气体时，它是较好的选择。当涉及测量ppm气体时，模拟引脚必须使用，模拟引脚也用TTL驱动，工作电压为5 V，因此可以与最常见的微控制器一起使用[7]。

MQ-2的使用非常简单，可以使用模拟引脚来达到同样的效果。使用微控制器读取模拟值（0～5 V），该值将与传感器检测到的气体浓度成正比。要想准确测量气体浓度就要求硬件电路中存在模数转换模块，以实现电信号到数字信号的转换。本设计中使用PCF8591模数转换芯片，该芯片价格低，且转换速度快，可很好满足设计要求。

3.5 人机交互模块设计

人机交互部分包括了显示和按键两大部分。显示部分将主控单片机处理的数据通过显示模块显示出来，以便使用者了解该系统的工作状态与当前数据[8]。按键部分的功能是对该系统进行参数的设置，以保证使用人员可在现场对系统进行调试。

（1）作为人机交互的显示模块包括发光管、数码管、液晶显示器。本设计显示采用字符型液晶显示器，即LCD1602模块。LCD1602是一种显示器，它能用于显示各种字符，如符号、数字、字母。

（2）可作为使用者设置参数、现场调整数据的按键模块。

3.6 电源模块设计

本系统选择外部供电和USB供电并用的方式，这种方式可以使得系统安装使用更加方便，直接通过5 V适配器就可以提供稳定的工作电源，同时也提供了备选方案，给不同用户提供了不同的选择。

4 系统软件程序设计

4.1 控制程序总体设计

本设计包括温度采集、气体浓度采集、人体红外监测、LCD显示、案件复位程序以及报警程序。

4.2 DS18B20程序设计

DS18B20有两种类型的存储器，一个是SRAM，另一个是EEPROM[9]。SRAM是一种易失性存储器，它只有在一定条件下才有数据，EEPROM存储数据稳定且EEPROM 也有高低报警触发，方便设置报警温度上下限。

部分程序如下：Init_DS18B20(void)

4.3 MQ-2程序设计

该部分的设计重点在模数转换程序，该程序通过对PCF8591进行读写数据，完成电信号到数字信号的转变，数据均显示在液晶显示屏上。部分程序如下：

4.4 液晶显示程序设计

5 系统调试与仿真

系统软件调试中出现以下问题。

（1）向LCD1602发送清除命令时，LCD1602无法成功擦除屏幕。解决方法：参见LCD1602用户手册，清除屏幕的命令与程序中实际编写的命令完全相同，但是显示屏可以显示内容，表明程序已正确发送命令，但并没有清屏。添加40 ms的延迟时间后，将其下载回程序中，发现执行了屏幕清除命令。LCD1602屏幕清除需要1.64 ms的运行时间，而最终程序使用4 ms的延迟时间。

（2）按钮无法正常工作，按下时无响应。解决方法：通过矩阵键盘的示意图分析和微动开关的实际使用，使用了微动开关的4个引脚，其中两对引脚在内部连接，对应于两个有用的引脚，另外两个引脚连接到这两个引脚。再次焊接矩阵键盘后，单片机即可正常获取按钮信息。

6 结语

本文设计完成了基于单片机的防火防盗报警系统，可以实时监测室内温度和天然气浓度，当数值超出设定安全值后，会立刻发出警报；当有人进入室内，就会使得红外传感器接收到信号，迅速发出警报，提示有人入侵。简单来说，在此次的系统设计中，采用的均是最为稳定且最简单的软硬件，也使得附加的人机交互系统更加简单、更容易调试。