張秋菊　李麗芬　邵澤軍

摘 要： 傳統(tǒng)防火防盜報(bào)警系統(tǒng)穩(wěn)定性差，無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)控，為此設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用溫濕度傳感器、可燃?xì)怏w檢測器以及無線熱釋紅外檢測器監(jiān)測家庭安全狀態(tài)，出現(xiàn)火災(zāi)或偷盜等異常情況，實(shí)施聲光報(bào)警，向用戶發(fā)送報(bào)警短信，采用單片機(jī)對室內(nèi)電源插座開關(guān)、窗戶電燈開關(guān)實(shí)施管理，檢測室內(nèi)溫度、濕度以及煙霧狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常通過短信息報(bào)警。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行穩(wěn)定，成功完成防火、防盜檢測。

關(guān)鍵詞： 溫濕度測量； 防火防盜控制系統(tǒng)； 聲光報(bào)警； 系統(tǒng)功能檢測

中圖分類號： TN99?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）21?0087?04

Application of single?chip microcomputer in home fireproof and theftproof control system

ZHANG Qiuju， LI Lifen， SHAO Zejun

（Yanching Institute of Technology， Sanhe 065201， China）

Abstract： The traditional fireproof and theftproof control system has poor stability and can′t realize the accurate monitoring， therefore， a home fireproof and theftproof control system based on single chip microcomputer is designed. The temperature?humidity sensor， combustible gas detector and wireless pyroelectric infrared detector are used in the system to monitor the home security state. If the abnormal situations such as fire or theft appears， the system will give the sound?light alarm， and send the alarm message to users. The single chip microcomputer is used to manage the switches of indoor power socket， window and light， detect the indoor temperature， humidity and smoke； it will send the alarm by means of the short message while finding the abnormal condition. The experimental results show that the functions of the control system are stable， and the system can accomplish the fireproof and theftproof detection successfully.

Keywords： temperature and humidity measurement； fireproof and theftproof control system； sound?light alarm； system function detection

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展和人們生活水平的逐漸提升，人們對住宅的安全性和智能性的要求也不斷提高。傳統(tǒng)防火防盜報(bào)警系統(tǒng)存在線路被切斷以及惡意占線的問題[1]，并且需要耗費(fèi)較高的能量，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，并且無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)控。為此，設(shè)計(jì)單片機(jī)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)，對家庭住宅安全進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控。

1 單片機(jī)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單片機(jī)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)用圖1描述。家庭防火防盜控制系統(tǒng)的關(guān)鍵控制部件是STC89C52單片機(jī)，包含單片機(jī)主控模塊以及各功能子模塊[2]。采用SUM300模塊作為無線通信模塊，其外圍電路采用JB35G短信息模塊，系統(tǒng)向JB35G模塊反饋短信報(bào)警信號，單片機(jī)采用RS 232串行口與JB35G模塊交流信息。通過溫濕度測量、無線防火、防盜傳感器檢測室內(nèi)紅外信號以及火災(zāi)煙霧濃度等信息。單片機(jī)基于GSM短信模塊的通信協(xié)議同其交流信息[3]，完成短信息的收發(fā)。主控單片機(jī)電路對短信息指令進(jìn)行采集和解析，控制不同的功能子模塊。主控單片機(jī)對室內(nèi)電源插座開關(guān)、窗戶電燈開關(guān)實(shí)施管理，檢測室內(nèi)溫度、濕度以及煙霧狀態(tài)，存在異常時(shí)通過短信息報(bào)警。

正常狀態(tài)下控制系統(tǒng)處于撤防模式。用戶不在家里時(shí)，將控制系統(tǒng)設(shè)置成布防模式，通過無線熱釋紅外檢測器、可燃?xì)怏w檢測器、溫濕度傳感器檢測信號，如果警戒區(qū)域中有人入侵或出現(xiàn)火災(zāi)，防火防盜報(bào)警檢測器無線發(fā)射電路將發(fā)射信號，無線接收模塊采集無線信號并向單片機(jī)傳遞中斷申請[4]。單片機(jī)對中斷進(jìn)行響應(yīng)后，采集報(bào)警信號對應(yīng)的編碼器編碼，檢測出存在異常的傳感器，實(shí)施聲光報(bào)警，向用戶發(fā)送報(bào)警短信。

2 家庭防火防盜控制的硬件系統(tǒng)

2.1 短信模塊

系統(tǒng)采用JB35G短信息模塊，如圖2所示，其是一種GSM短信息模塊，體積小，廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)控的移動數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中。JB35G短信息模塊為GSM短信息模塊提供完整的電路，集成SIM300芯片和其外圍電路、天線以及RS 232接口等器件，并且包含TCP/IP協(xié)議，能夠完成TCP、UDP傳遞，能夠在PC機(jī)中采用串口實(shí)現(xiàn)短信息的通信規(guī)范解析以及調(diào)制。endprint

2.2 STC89C52單片機(jī)

單片機(jī)是一塊硅片中集成單片機(jī)CPU、數(shù)據(jù)存儲器以及不同輸入、輸出接口的微控制芯片。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用高性能的8位STC89C52單片機(jī)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，能夠看出，其包含40個(gè)引腳，將8 KB的可編程閃存當(dāng)成程序存儲器；32條I/O引腳，完成數(shù)字以及脈沖的輸入和輸出；3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器以及6個(gè)中斷源。

2.3 防火檢測器

設(shè)計(jì)的防火檢測器包括可燃?xì)怏w檢測器以及溫濕度檢測器。其中，可燃?xì)怏w檢測器用于檢測火災(zāi)初期形成的煙霧濃度，溫濕度檢測器用于檢測火災(zāi)溫度的異常，對火情進(jìn)行分析，傳遞出火災(zāi)報(bào)警信號。

2.3.1 溫濕度測量電路設(shè)計(jì)

采用高度集成的溫濕度傳感器SHT10芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中包含濕度傳感器和溫度傳感器。采用兩線制的串行接口增強(qiáng)抗噪性能并降低能耗[5]。SHT10傳感器通過總線完成通信，串行時(shí)鐘輸入線SCK可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)同SHT10間的同步通信。SHT10通過兩個(gè)傳感器形成相對濕度以及溫度信號，并對信號實(shí)施放大操作[6]。采用A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號的模數(shù)變換以及校準(zhǔn)，通過二線串行接口向單片機(jī)反饋濕度和溫度數(shù)據(jù)，單片機(jī)對接收的數(shù)據(jù)實(shí)施相關(guān)操作。

SHT10同單片機(jī)連接電路如圖5所示。串行數(shù)據(jù)DATA三態(tài)引腳可實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)輸入以及內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出，其中的數(shù)據(jù)是溫濕度數(shù)字值以及控制命令。當(dāng)SCK時(shí)鐘處于高電平時(shí)，單片機(jī)同SHT10完成數(shù)據(jù)通信。為確保信號間通信的順利進(jìn)行，單片機(jī)將數(shù)據(jù)線降低，將引腳設(shè)置成高阻態(tài)。

2.3.2 可燃?xì)怏w檢測器

采用高敏感度的QM?N10半導(dǎo)體氣敏傳感器檢測室內(nèi)的可燃?xì)怏w，其依據(jù)氣體在半導(dǎo)體面的氧化一還原反應(yīng)造成敏感元件阻值波動而制造的，按照氣敏電阻器的阻值波動，獲取可燃?xì)怏w的情況，電路如圖6所示。

若QM?N10氣敏半導(dǎo)體傳感器處于潔凈空氣中，則A，K兩點(diǎn)間存在較高的電阻，通過[RP4]的電流較低，K點(diǎn)是低電平，三級管不導(dǎo)通輸出低電平；若接觸到有毒氣體，A，K兩點(diǎn)間的電阻大幅度降低，K點(diǎn)電位提升，三級管導(dǎo)通輸出高電平。

2.4 防盜檢測器

系統(tǒng)采用的防盜檢測器是無線發(fā)射熱釋紅外線檢測器，通過接收移動人體輻射出的特定波長的紅外線，將其變化成同人體運(yùn)動效率、距離以及方向相關(guān)的低頻電信號。傳感器的電壓響應(yīng)度同入射光輻射波動頻率間存在負(fù)相關(guān)性，因此檢測器無法檢測到固定的紅外輻射照射。人體進(jìn)入監(jiān)控范圍后，人體溫度導(dǎo)致環(huán)境溫度輻射場出現(xiàn)波動，采用菲涅爾透鏡熱釋電紅外探頭檢測人體溫度同背景溫度的差異信號，在負(fù)載電阻中形成電信號。電信號同敏感元件的溫度波動效率相關(guān)[7]。通過后級對比器和狀態(tài)管理器形成輸出信號。熱釋電紅外檢測器由熱釋電紅外傳感器RE200B、紅外傳感信號處理器以及菲涅爾透鏡構(gòu)成。

2.5 單片機(jī)與短信模塊串口通信

STC89C52單片機(jī)與JB35G短信息模塊的通信是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其可采用短信息控制系統(tǒng)，向外報(bào)警通信[8]。JB35G移動通信模塊采用異步通信方式，其中各數(shù)據(jù)通過相同的幀格式傳輸。STC89C52單片機(jī)包含運(yùn)行在異步通信環(huán)境下的全雙開串行口，該串口占用單片機(jī)P3.0以及P3.1，分別對應(yīng)接收端RXD以及發(fā)送端TXD。STC89C52串口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

單片機(jī)串口包括接收、發(fā)送緩存器SBUF，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送以及采集，發(fā)送緩存器是只寫模式，接收緩存器是只讀模式。STC89C52串行口控制寄存器SCON用于調(diào)控串行口的運(yùn)行模式以及波特率。定時(shí)器T1是串行口的波特率發(fā)生器。JB35G移動通信模塊通過RS 232串口同單片機(jī)進(jìn)行通信。JB35G移動通信模塊串口同單片機(jī)的邏輯電平存在差異，應(yīng)將單片機(jī)的信號電平變換成RS 232電平，或者采用電平變換芯片MAX232對兩種電平進(jìn)行逆變換。

3 家庭防火防盜控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序

基于單片機(jī)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)中的主控單元單片機(jī)可采集不同監(jiān)控子功能模塊反饋的信息，采用串口以及GSM通信模塊向用戶手機(jī)傳遞短信息，并采用GSM通信模塊對信息實(shí)施解析，按照信息內(nèi)容處理相關(guān)的控制執(zhí)行子功能模塊。系統(tǒng)開始工作時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行主程序，其流程圖如圖8所示。主程序?qū)Ω鞑考M(jìn)行初始化設(shè)置；再實(shí)施讀溫濕度、讀時(shí)鐘以及鍵盤檢索等子程序，在液晶屏中呈現(xiàn)結(jié)果；系統(tǒng)等待中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷后執(zhí)行不同的中斷服務(wù)子程序。不同的防火防盜監(jiān)控模塊基于外部中斷請求中斷，采用串口中斷完成短信息的傳遞和采集。

3.2 外部中斷子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)報(bào)警主機(jī)的無線接收模塊采集無線傳感器反饋的報(bào)警信號時(shí)，采用外部中斷向單片機(jī)請求中斷，單片機(jī)中斷后進(jìn)入外部中斷子程序，流程圖如圖9所示。按照用戶需求，系統(tǒng)存在布防以及撤防兩種模式。單片機(jī)檢測布防按鍵的開關(guān)狀態(tài)，分析系統(tǒng)的運(yùn)行模式。若布防開關(guān)閉合，則控制系統(tǒng)處于布防模式，系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置后，將室內(nèi)溫濕度以及時(shí)鐘信息呈現(xiàn)在液晶屏上，再等待中斷申請。若發(fā)現(xiàn)外部中斷，則單片機(jī)對中斷實(shí)施響應(yīng)，采集數(shù)據(jù)碼，判斷產(chǎn)生警報(bào)的傳感器，傳遞出聲音信號進(jìn)行報(bào)警，向戶主反饋短信息。當(dāng)布防接口開啟，系統(tǒng)處于撤防模式，系統(tǒng)將室內(nèi)溫度以及時(shí)鐘呈現(xiàn)在液晶屏中，單片機(jī)響應(yīng)報(bào)警中斷后，直接跳出中斷。

4 系統(tǒng)的性能測試

4.1 短信息發(fā)送檢測

實(shí)驗(yàn)將下載編譯好的hex文件下載到本文設(shè)計(jì)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)中的STC89C52單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)輸出的調(diào)試信息如圖10所示。能夠看出，短信發(fā)送成功，說明本文系統(tǒng)檢測成功。

4.2 傳感器檢測

實(shí)驗(yàn)用手遮住菲涅爾透鏡模擬防盜效果，采用可燃紙煙和QM?N10氣敏半導(dǎo)體傳感器模擬防火效果，實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯觯疚南到y(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了防火、防盜檢測。

4.3 室內(nèi)進(jìn)出人員檢測

通過無線發(fā)射熱釋紅外線檢測器對室內(nèi)進(jìn)出人員進(jìn)行檢測，具體的檢測結(jié)果見表1。

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，在控制系統(tǒng)中兩個(gè)無線發(fā)射熱釋紅外線檢測器位置較近的情況下，檢測結(jié)果不正常。人和傳感器的距離高于85 cm的情況下，檢測結(jié)果不正常。因此能夠得到，兩個(gè)傳感器距離為4.5 cm左右，夾角在40°左右，能夠獲取最佳的檢測結(jié)果。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)檢測可以看出該系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行穩(wěn)定，取得了令人滿意的效果。

注：本文通訊作者為李麗芬。

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