電子設(shè)計(jì)大賽論文宿舍智能防火報(bào)警系統(tǒng)

1、 2010年山東省大學(xué)生“高教社&xilinx杯”電子設(shè)計(jì)競賽編號：f題宿舍智能防盜防火報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告參賽學(xué)校：山東科技大學(xué)濟(jì)南校區(qū) 作 者：王先燕 董洪凱 張?jiān)茘徶笇?dǎo)教師： 蒲海濤 2010年9月20日 摘要 本文介紹了宿舍智能防盜防火報(bào)警系統(tǒng)。智能化防盜防火報(bào)警系統(tǒng)集防盜防火功能于一體，能自動(dòng)監(jiān)視宿舍內(nèi)的安全情況，有異常情況發(fā)生時(shí)能立即發(fā)出報(bào)警信息。傳感器采用熱釋電人體紅外傳感器、煙霧傳感器與溫度傳感器，分別對盜情和火情進(jìn)行檢測。系統(tǒng)通過密碼來識別主人身份，系統(tǒng)開啟后只有輸入正確的密碼才能關(guān)閉系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用stc12c5a60s2單片機(jī)為主控制器，集成了熱釋電人體紅外傳感器、煙

2、霧傳感器、無線收發(fā)器，報(bào)警模塊，人機(jī)交互界面模塊等硬件電路。人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)了通過按鍵解除報(bào)警和異地檢測，具有良好的人機(jī)交互性。經(jīng)測試，完成了題目所要求的各項(xiàng)指標(biāo)且運(yùn)行可靠。關(guān)鍵詞：智能防火防盜報(bào)警系統(tǒng) 自動(dòng) 密碼 stc12c5a60s2 人機(jī)交互 abstractthis article introduced in the dormitory intelligent fireproof and theft-proof alarm system. the intelligent fireproof and theft-proof alarm system set fireproof and

3、theft-proof function in a box and automatic detection the safe of the dormitory. while it had abnormal condition took place. it would send out warning information. the sensor uses the infrared human body detect sensor and the smoke sensor and temperature sensor to rob the sentiment and the stat

4、e separately carries on the examination. through this system to identify the owner as password, the system opened only after entering the correct password to shut down the system. this system uses the stc12c5a60s2 scm as main controller. the system integrated the infrared human body detect sens

5、or, the smoke sensor, transceivers sensor, golden alarm, human-computer interface hardware circuits. the human-computer interface by the button for the alarm and detection place, have good man-machine interactivity. tested and finished the subject required the various indices and reliable operation.

6、keywords: intelligent fireproof and theft-proof alarm system , automatic， correct password，stc12c5a60s2，human-computer interface目錄一、 前言.?二、 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì).?2.1設(shè)計(jì)思路.?2.2方案論證比較與選擇.? 2.2.1主控制器模塊.? 2.2.2 顯示模塊.? 2.2.3 通信模塊.? 2.2.4 時(shí)鐘模塊.?2.3系統(tǒng)總體方案三、 理論分析.?3.1 熱釋電紅外線傳感器的工作原理.?3.2溫度傳感器ds18b20 的工作原理.?四、 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn).?4.1

7、主控控制器電路.?4.2 按鍵模塊.?3.3 顯示電路.?五、 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn).?5.1 軟件組成.?5.2 主程序流程.? 5.2.1防盜報(bào)警模塊流程圖.? 5.2.2 煙霧及高溫報(bào)警模塊流程圖.?六、 系統(tǒng)測試與分析結(jié)果.?6.1防盜報(bào)警.?6.2 防火報(bào)警.? 6.2.1 煙霧報(bào)警.? 6.2.2 高溫報(bào)警.?七、 總結(jié).?一、 前言改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使得很多學(xué)生有機(jī)會(huì)接受教育。然而校園人數(shù)的激增也給校園治安帶來很大壓力。校園失盜、失火事件時(shí)有發(fā)生，宿舍尤為嚴(yán)重。但因校園管理人員人數(shù)有限，使此類事件不能很好的被及時(shí)制止。為此，很多學(xué)校引進(jìn)了智能防火防盜報(bào)警系統(tǒng)。本文所要介

8、紹的宿舍智能防盜防火報(bào)警系統(tǒng)，正是在智能住宅蓬勃發(fā)展的背景下，為了滿足用戶對安全的強(qiáng)烈要求而設(shè)計(jì)并開發(fā)的。系統(tǒng)的首要任務(wù)是根據(jù)宿舍的類型、使用功能及防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)等要求，為保障宿舍人身財(cái)產(chǎn)安全，通過運(yùn)用傳感器探測、無線數(shù)據(jù)傳輸，異地監(jiān)控等技術(shù)綜合形成智能報(bào)警系統(tǒng)，從而達(dá)到保障校園宿舍安全的目的。校園的安防系統(tǒng)和智能管理系統(tǒng)是現(xiàn)代化校園管理不可缺少的有機(jī)組成部分?？紤]設(shè)備成本與集中管理的需要，可將周界報(bào)警探測系統(tǒng)、宿舍聯(lián)網(wǎng)報(bào)警系統(tǒng)加以集成和綜合，構(gòu)成綜合防范體系。由此宿舍應(yīng)當(dāng)設(shè)置安全防范報(bào)警系統(tǒng)，對火災(zāi)、盜竊、入室搶劫等做到早發(fā)現(xiàn)、早報(bào)警，通過社會(huì)力量和科技手段來提高校園抵御各種意外情況的能力。二、

9、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)智能防盜防火報(bào)警系統(tǒng)是一種新型的電子安全報(bào)警系統(tǒng)，它的工作原理是：通過熱釋電人體紅外傳感器檢測人體紅外線，將紅外線信號轉(zhuǎn)換為高電平信號，通過單片機(jī)處理進(jìn)行計(jì)數(shù)、報(bào)警。通過煙霧傳感器檢測煙霧，將煙霧信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過單片機(jī)處理，進(jìn)行報(bào)警等功能。它是集多種功能于一體的的智能報(bào)警系統(tǒng)。2.1設(shè)計(jì)思路 該系統(tǒng)通過熱釋電人體紅外傳感器，煙霧傳感器與溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)微處理器處理，通過顯示模塊和報(bào)警系統(tǒng)模塊輸出，可以通過按鍵模塊進(jìn)行系統(tǒng)的開關(guān)控制，當(dāng)輸入正確密碼時(shí)，關(guān)閉系統(tǒng)。系統(tǒng)還可以通過時(shí)間模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。設(shè)計(jì)思路如圖1。 顯示模塊報(bào)警模塊按鍵模塊主控制器熱釋電人體紅外傳感器

10、煙霧傳感器無線通信模塊時(shí)鐘模塊溫度傳感器 圖1：系統(tǒng)模塊圖2.2 方案論證比較與選擇 2.2.1主控制器模塊 主控制器主要用于信號的接收和數(shù)據(jù)處理、控制報(bào)警系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止、顯示及在在異地監(jiān)控。是系統(tǒng)的核心部分。對于主控制器的選擇一般有以下方案。 方案一：采用普通mcs-51單片機(jī)作為總的控制元件。結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、易于開發(fā)、 通用型、有總線擴(kuò)展、不含有模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能,因此需增加一些外圍電路來實(shí)現(xiàn)一些功能,使電路復(fù)雜化,精確度不高，采樣速率偏低。方案二：采用stc12c5a60s2單片機(jī)為主控制器。stc12c5a60s2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1t)的單片機(jī)，是高速/低功耗

11、/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路,2路pwm,8路高速10位a/d轉(zhuǎn)換(250k/s),針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。 方案選擇：通過以上兩種方案的比較，方案二簡化了電路，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性。stc12c5a60s2單片機(jī)功能較多,它不僅囊括了普通單片機(jī)的所有功能，更增加了許多新的功能，如: a/d、d/a轉(zhuǎn)換等。綜合考慮，選擇方案二。 2.2.2 顯示模塊方案一：采用液晶lcd1602 顯示。lcd1602微功耗，尺寸小，超薄輕巧，顯示信息量大，字跡美觀，視覺舒適，而且容易控制。方案二: 采用數(shù)碼管sm41050

12、顯示。數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）。方案選擇：數(shù)碼管消耗電力比液晶多一點(diǎn)，但是數(shù)碼管顯示更加清晰，亮度高，驅(qū)動(dòng)部份的軟件簡單。液晶極其省電，但是使用有溫度范圍限制，且因是反光式的，在外界光線很明亮的情況下很容易看不清楚。通過比較選擇方案二。 2.2.3 通信模塊方案一：有線通信:采用有線通信抗干擾能力強(qiáng)，由于它與控制對象直接相連，所以它的控制距離有限。由于它的這個(gè)局限性，這種技術(shù)一般只用于短距離控制。 方案二：無線通信：采用str-31型微功率無線收發(fā)模塊。上海桑博科技

13、有限公司開發(fā)、生產(chǎn)的str-31型微功率無線數(shù)傳輸模塊采用chipcon公司 高接收靈敏度無線集成芯片cc1020 rf芯片，和桑博公司其它無線模塊一樣，采用atmel 公司的微功耗，低噪音，高速8位單片機(jī)，也內(nèi)置多種高糾錯(cuò)信道編碼通信技術(shù)，用戶使用時(shí)，無需任何編碼，具有更高的抗干擾性強(qiáng)，通信穩(wěn)定的特點(diǎn)，可廣泛用于各種場合的短距離無線通信領(lǐng)域。方案選擇：通過以上兩種方案比較，無線通信擴(kuò)展性好, 在用戶組建好一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)之后，常常因?yàn)橄到y(tǒng)的需要增加新的設(shè)備。如果采用有線的方式，需要重新的布線。無線通信更加適合宿舍環(huán)境，故選擇方案二。 2.2.4 時(shí)鐘模塊 方案一：用軟件實(shí)現(xiàn)。直接用單片機(jī)的定時(shí)器

14、編程以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘。 方案二：用專用時(shí)鐘芯片ds1302。用專門的時(shí)鐘芯片ds1302實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的計(jì)時(shí)，再把時(shí)間數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，由單片機(jī)控制顯示。 方案選擇：用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘固然可以，但是程序運(yùn)行的每一步都需要時(shí)間，多一步或少一步程序都會(huì)影響計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度，用專用時(shí)鐘芯片ds1302則可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確記時(shí)。所以選二方案。2.3 系統(tǒng)總體方案 經(jīng)過上述的分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊采用的最終方案如下：（1）主控制器：stc12c5a60s2單片機(jī)。（2）顯示模塊：數(shù)碼管sm41050。（3）通信模塊：str-31型微功率無線收發(fā)模塊。（4）時(shí)鐘模塊：時(shí)鐘芯片ds1302。（5）傳感器：熱釋電人體紅外傳感器，煙霧

15、傳感器，溫度傳感器。（6）按鍵模塊：b3f按鍵三、理論分析 3.1 熱釋電紅外線傳感器的工作原理1) 熱釋電紅外線傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測元件。在每個(gè)探測器內(nèi)裝入一個(gè)或兩個(gè)探測元件，并將兩個(gè)探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路

16、相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出1020米范圍內(nèi)人的行動(dòng)。如圖3所示。其中(a)為內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，(b)為內(nèi)部電氣連接圖。 (a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （b）內(nèi)部電氣連接圖 圖32)菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而強(qiáng)其能量幅度。見圖4 圖4：菲涅爾透鏡示意圖 人體輻射的紅外線中心波長為910-um，而探測元件的波長靈敏度在0.220-um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設(shè)了一個(gè)裝

17、有濾光鏡片的窗口，這個(gè)濾光片可通過光的波長范圍為710-um，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。 一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號處理而報(bào)警。 3.2溫度傳感器ds18b20 的工作原理ds18b20特點(diǎn)：（1）單線結(jié)構(gòu)，只需一根信號線和cpu相連。（2）不需要外部元件，直接輸出串行數(shù)據(jù)。（3）可不需要外部電源，直接通過信號線供電，電源電壓范圍為3.3v5v。（4）測溫精度高，測溫范圍為：-55+125，在-

18、10+85范圍內(nèi)，精度為±o.5。（5）測溫分辨率高，當(dāng)選用12位轉(zhuǎn)換位數(shù)時(shí)，溫度分辨率可達(dá)00625。 (6)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換時(shí)間可通過簡單的編程來控制：9位精度的轉(zhuǎn)換時(shí)間為9375 ms：10位精度的轉(zhuǎn)換時(shí)間187.5ms：12位精度的轉(zhuǎn)換時(shí)間750ms。 (7)具有非易失性上、下限報(bào)警設(shè)定的功能，用戶可方便地通過編程修改上、下限的數(shù)值。 (8)可通過報(bào)警搜索命令識別哪片ds18820采集的溫度超越上、下限。ds18b20引腳及管腳功能介紹ds18b20的常用封裝有3腳、8腳等幾種形式，如圖5所示。各腳含義如下：  圖5ds1820 有三個(gè)主要數(shù)字部件：1）64

19、位激光rom，2）溫度傳感器，3）非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器th 和tl。器件用如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號線處于高電平期間把能量儲(chǔ)存在內(nèi)部電容里，在信號線處于高電平期間把能量儲(chǔ)存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。ds1820 也可用外部5v 電源供電。圖6 的方框圖示出了ds1820 的主要部件。 圖6 ：ds1820框圖ds1820 依靠一個(gè)單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立rom 操作協(xié)議，才能進(jìn)行存儲(chǔ)器和控制操作。因此，控制器必須首先提供下面5個(gè)rom 操作命令之一：1）讀rom，2）匹配rom，3）搜索ro

20、m，4）跳過rom，5）報(bào)警搜索。這些命令對每個(gè)器件的激光rom 部分進(jìn)行操作，在單線總線上掛有多個(gè)器件時(shí)，可以區(qū)分出單個(gè)器件，同時(shí)可以向總線控制器指明有多少器件或是什么型號的器件。成功執(zhí)行完一條rom操作序列后，即可進(jìn)行存儲(chǔ)器和控制操作，控制器可以提供6 條存儲(chǔ)器和控制操作指令中的任一條。一條控制操作命令指示ds1820 完成一次溫度測量。測量結(jié)果放在ds1820 的暫存器里，用一條讀暫存器內(nèi)容的存儲(chǔ)器操作命令可以把暫存器中數(shù)據(jù)讀出。溫度報(bào)警觸發(fā)器th 和tl 各由一個(gè)eeprom 字節(jié)構(gòu)成。如果沒有對ds1820 使用報(bào)警搜索命令，這些寄存器可以作為一般用途的用戶存儲(chǔ)器使用。可以用一條存儲(chǔ)

21、器操作命令對th 和tl 進(jìn)行寫入，對這些寄存器的讀出需要通過暫存器。所有數(shù)據(jù)都是以最低有效位在前的方式進(jìn)行讀寫。四、硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)4.1主控控制器電路最小系統(tǒng)板電路見圖7，主要包括精細(xì)穩(wěn)壓電源，復(fù)位，多機(jī)通信等子電路。 圖7：最小系統(tǒng)板4.2 按鍵模塊使用按鍵輸入密碼，對系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)控制。電路見圖8。 圖8：按鍵模塊 4.3 顯示電路 通過數(shù)碼管，顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以便通過無線通信進(jìn)行異地監(jiān)控。電路見圖9 圖9：顯示電路五、程序設(shè)計(jì)5.1 軟件組成本系統(tǒng)主要由傳感器檢測模塊、時(shí)間模塊、報(bào)警模塊、打印模塊、測溫模塊、鍵盤模塊等組成。程序代碼見附錄1 5.2 主程序流程 5.2.1防盜報(bào)警模塊流程圖： 5.2.2 煙霧及高溫報(bào)警模塊流程圖：開始初始化檢查功能標(biāo)記位溫度高于xx度？檢測到煙霧？報(bào)警六、系統(tǒng)測試與結(jié)果分析6.1防盜報(bào)警測試結(jié)果： 室內(nèi)設(shè)備有一人進(jìn)入有兩人進(jìn)入有一人出去有兩人出去無人顯示器加一加一減一減二0蜂鳴器報(bào)警報(bào)警不報(bào)警不報(bào)警報(bào)警結(jié)果分析：1）把智能防火防盜系統(tǒng)的熱釋電紅外傳感器安裝在教室