基于STC89C52單片機的宿舍智能防火報警系統(tǒng)設(shè)計
近年來,隨著各高校規(guī)模的擴大,在校生的人數(shù)不斷增長,學(xué)生宿舍的不安定因素也越來越多,如何有效地對宿舍進行監(jiān)控已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。本系統(tǒng)正是在此基礎(chǔ)上設(shè)計的一種智能防火報警裝置。該系統(tǒng)是一種遠(yuǎn)程智能短信報警系統(tǒng),可對學(xué)生宿舍內(nèi)的火災(zāi)等不安全因素進行監(jiān)控,如有警情可及時短信報警。系統(tǒng)自動化程度高、適用性強、電路設(shè)計可靠,有利于高校的平安校園建設(shè)。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201705/358760.htm系統(tǒng)的總體設(shè)計
宿舍智能防火系統(tǒng)以STC89C52單片機和GSM短信模塊為核心,如圖1所示,系統(tǒng)總體構(gòu)成包括主控STC89C52單片機、GSM移動通信模塊、實時時鐘電路、防火信息采集與處理模塊、溫度濕度檢測模塊和鍵盤顯示模塊等。該系統(tǒng)的設(shè)計是將單片機控制、電子探測和通信技術(shù)相結(jié)合,從而形成一個可靠的智能防火報警系統(tǒng)。
圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖
GSM短信息模塊主要提供無線短信和數(shù)據(jù)傳輸功能。STC89C52單片機依照GSM短信通信模塊的通信協(xié)議與之進行通信,進行短信息的收發(fā)。STC89C52單片機電路接收并解釋短信息指令,控制連接在系統(tǒng)上的各功能子模塊。通過STC89C52單片機,可監(jiān)測室內(nèi)溫度、濕度以及室內(nèi)有毒氣體和煙霧,在異常時按照預(yù)設(shè)的號碼進行短消息報警。
在學(xué)生宿舍需要防范的部位安裝前端警情采集和控制模塊。此防火報警系統(tǒng)在通常情況下處于撤防狀態(tài),而當(dāng)學(xué)生離開宿舍時,把系統(tǒng)置于布防工作模式,安裝在不同位置的溫濕度傳感器、無線氣體傳感器等不斷地進行采集,并對從各個探測器采集來的數(shù)據(jù)進行處理。一旦宿舍發(fā)生火災(zāi)等緊急情況時,與之相對應(yīng)的防火報警探測器無線發(fā)射電路啟動發(fā)射,無線接收模塊在接收到無線信號后向主控單片機發(fā)中斷請求。主控單片機響應(yīng)中斷后,讀出發(fā)來報警信號的傳感器編碼并確定是哪個傳感器發(fā)現(xiàn)了異常,并由GSM短信模塊向預(yù)先設(shè)置好的報警號碼進行短信報警,報警號碼可以是宿舍管理員,也可以是公安或武警消防部門,短信內(nèi)容可以顯示出報警的內(nèi)容、具體地址及聯(lián)系人等信息。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
GSM短信模塊的簡介與選擇
GSM(Global System for Mobile Communication)系統(tǒng)是目前基于時分多址技術(shù)的移動通訊體制中比較成熟、完善、應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng),GSM的短信息系統(tǒng)具有快捷方便、廉價的特點,為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了一種新的技術(shù)手段。利用GSM短消息功能可以做成傳輸各種檢測、監(jiān)控數(shù)據(jù)信號和控制命令的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),能廣泛用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、個人通信終端等。手機GSM網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟,利用手機短信來實現(xiàn)報警、傳輸數(shù)據(jù)是一個非常不錯的選擇。
經(jīng)過綜合比較,系統(tǒng)采用內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的GPRS模塊SIM300,該模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该餍?,在?yīng)用時用戶只需要通過AT指令來完成相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置,從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。SIM300是SIMCOM公司生產(chǎn)的GSM/GPRS模塊。該模塊體積相對比較小巧,可廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表、遙控遙測、安全監(jiān)控等以及其他移動數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。移動通信模塊實際上是將手機的基頻、中頻、射頻整合到一塊,然后用鋁合金封裝,模塊里面包含物理層軟件和2、3層的通訊協(xié)議軟件。模塊必須配合相應(yīng)的外圍電路才可工作,如SIM卡連接電路、供電電路、RS232串口連接電路等。在SIM300的接口電路設(shè)計中選用浙江晶控電子有限公司開發(fā)的JB35G開發(fā)板,它可為SIM300移動通信模塊提供一套比較完整的電路。
STC89C52單片機
本系統(tǒng)選用臺灣宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52單片機。STC89C52單片機是與INTEL MCS-51系列單片機完全兼容的一種高性能低功耗的8位微控制器,它采用CMOS工藝制造,具有40個引腳,片內(nèi)帶8KB的可編程的閃存作程序存儲器;片內(nèi)帶256字節(jié)RAM;提供32條I/O引腳,大部分引腳都可作數(shù)字和脈沖輸入或輸出;3個16位定時計數(shù)器,6個中斷源,其中直接提供外部中斷處理可使用P3.2(INT0)或P3.3(INT1);1個全雙工可編程標(biāo)準(zhǔn)串行口,其引腳為P3.0(RXD)和P3.1(TXD);時鐘頻率可達(dá)0~24MHz;具有睡眠狀態(tài),指令系統(tǒng)與8031指令系統(tǒng)完全兼容。用STC提供的STC-ISP.exe工具可以將程序代碼下載入單片機,程序燒寫非常方便,故本系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為主控核心。
圖2 315MHz無線發(fā)射模塊原理圖
無線傳輸模塊設(shè)計
傳統(tǒng)的安全防范工程是采用有線的方式連接報警探頭和防火報警主機,這種方式可靠性高,但受傳輸距離、布線、可變性等多種因素的制約,局限性很強,工程安裝困難,因此,本設(shè)計選用一種工作頻率為315MHz的無線傳輸模塊,它采用聲表諧振器穩(wěn)頻,頻率穩(wěn)定度極高。它與臺灣普城公司生產(chǎn)的通用編解碼芯片PT2262/PT2272配套使用,很方便實現(xiàn)無線收發(fā)的功能。該無線模塊具有較寬的工作電壓范圍3V~12V,當(dāng)發(fā)射電壓為3V時,空曠地傳輸距離約20米~50米,發(fā)射功率較小;當(dāng)電壓5V時約100米~200米;當(dāng)電壓9V時約300米~500米;當(dāng)發(fā)射電壓為12V時,為最佳工作電壓,具有較好的發(fā)射效果,發(fā)射電流約60毫安,空曠地傳輸距離700米~800米,發(fā)射功率約500毫瓦。
PT2226/PT2272是一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編解碼芯片。PT2262用于無線發(fā)射電路。PT2262輸出的編碼信號通過發(fā)射模塊發(fā)射出去,并由主機這邊的接收模塊接收后傳送給PT2272。當(dāng)兩者地址匹配后,PT2272執(zhí)行解碼,置Vt腳為高電平,數(shù)據(jù)位輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。圖2所示為無線發(fā)射模塊,圖中R315A為聲表面諧振器,諧振頻率為315MHz,發(fā)射模塊所發(fā)射的射頻信號的頻率為315MHz。把傳感器的輸出連接到編碼啟動端上,當(dāng)傳感器檢測到異常時,輸出低電平,編碼啟動端有效,編碼集成PT2262開始工作,它根據(jù)數(shù)據(jù)輸入端D0~D3的電平進行編碼,編碼信號由:地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字。該編碼信號經(jīng)無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊進行調(diào)制后經(jīng)天線發(fā)射到周圍的空間。
無線接收模塊如圖3所示,模塊為超再生接收電路。平時無線接收模塊沒有接收到315MHz信號時,輸出的只是雜亂的信號,解碼集成芯片PT2272-M4輸出端D0~D3均為低電平。當(dāng)無線接收模塊接收到空間的315MHz信號時,經(jīng)放大、變頻、濾波等處理后輸出控制信號,送到解碼芯片PT2272-M4的第十四腳進行解碼,發(fā)射部分PT2262的地址與PT2272-M4的地址端的電平狀態(tài)一致時,PT2272-M4的數(shù)據(jù)端管腳D0~D3輸出與PT2262數(shù)據(jù)端對應(yīng)的電平,解碼有效端口Vt也輸出高電平經(jīng)過一個非門轉(zhuǎn)換送給單片機的外部中斷0接口。單片機在接到外部中斷請求后,執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序,讀出數(shù)據(jù)碼,確定是那個傳感器發(fā)來的報警信號,發(fā)送對應(yīng)的報警短信給用戶。
圖3 315MHz無線接收模塊原理圖
溫濕度測量電路設(shè)計
在本設(shè)計中,溫濕度的檢測選用瑞士SENSIRION公司生產(chǎn)的SHT10。SHT1x系列產(chǎn)品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片,提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件,并在同一芯片上,與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標(biāo)定,以鏡面冷凝式濕度計為參照。校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲在內(nèi)存中,在校正的過程中使用。兩線制的串行接口,使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單,微小的體積、極低的功耗、較強的抗干擾能力、免外圍電路及全互換等特點,不僅節(jié)省了單片機的I/O口資源,簡化了單片機的程序設(shè)計,還提高了測量精度,減少了系統(tǒng)設(shè)計成本。SHT10濕度測量范圍為0~100%RH,濕度測量精度為±4.5%RH,溫度測量范圍為-40~123.8℃,溫度測量精度為±0.4℃。
SHT10傳感器采用二總線進行通信,串行時鐘輸入線SCK用于微處理器與SHT10之間的通訊同步。圖4所示為SHT10和單片機連接電路,串行數(shù)據(jù)DATA三態(tài)引腳用于外部數(shù)據(jù)的輸入和內(nèi)部數(shù)據(jù)的輸出,這里的數(shù)據(jù)包括溫濕度數(shù)字值及控制命令。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài),并僅在SCK時鐘上升沿有效。在SCK時鐘高電平時,微控制器可以和SHT10進行數(shù)據(jù)傳輸,在數(shù)據(jù)傳輸期間,數(shù)據(jù)線必須保持穩(wěn)定。為了避免信號沖突,微控制器僅將數(shù)據(jù)線拉低,在需要輸出高電平的時候,微控制器將引腳置為高阻態(tài),由外部的上拉電阻將信號拉至高電平。其基本工作原理是單片機對SHT10啟動傳輸后,單片機向SHT10發(fā)出命令。SHT10利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度的信號然后經(jīng)過放大,分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯,最后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至單片機處理,單片機對處理數(shù)據(jù)后進行數(shù)字顯示并作相應(yīng)的控制。
圖4 SHT10和單片機連接電路圖
可燃?xì)怏w探測器的設(shè)計
本系統(tǒng)采用具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的QM-N10半導(dǎo)體氣敏傳感器探測可燃?xì)怏w,它是一種采用陶瓷半導(dǎo)體工藝的燒結(jié)型器件。半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化—還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值發(fā)生變化而制成的,氣敏電阻器的阻值隨著吸附氣體的數(shù)量和種類而改變,也就是說非電量氣體的氧化—還原反應(yīng)過程導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化。據(jù)此特性,人們可以從阻值的變化情況得知吸附氣體的情況。
其電路設(shè)計如圖5所示,當(dāng)QM-N10氣敏半導(dǎo)體傳感器在潔凈空氣中時,A、K兩點間的電阻很大,阻值大約有幾十KΩ,流過RP4的電流很小,K點為低電位,三級管不導(dǎo)通輸出為低電平。當(dāng)接觸到含有有毒氣體的空氣時,A、K兩點間的電阻迅速下降,K點電位升高,三級管導(dǎo)通輸出為高電平。
圖5 QM-N10氣敏傳感器電路圖
時鐘電路設(shè)計
實時時鐘為系統(tǒng)提供時鐘和日歷的功能。本系統(tǒng)中采用Dallas公司生產(chǎn)的DS1302,該芯片是一種高性能、低功耗、附加31字節(jié)靜態(tài)RAM的時鐘芯片,可通過簡單的串行總線與單片機進行通訊。采用雙電源供電,可設(shè)置備用電源充電方式,芯片為8引腳小型DIP封裝。DS1302采用三線接口與單片機進行同步通信,與單片機的接口電路如圖6所示。
圖6 DS1302與單片機接口電路圖
人機交互電路設(shè)計
液晶顯示電路設(shè)計
在本設(shè)計中液晶模塊主要顯示報警系統(tǒng)的工作狀況,如室內(nèi)溫濕度狀況、實時時鐘顯示等。顯示電路使用帶中文字庫的LCD12864,它可以顯示8×4行16×16點陣的漢字,也可完成圖形顯示。
鍵盤電路設(shè)計
鍵盤電路是人機對話的重要組成部分,它主要實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳輸命令等功能。鍵盤是利用機械金屬點的結(jié)合和斷開來實現(xiàn)信息的輸入。一個鍵盤實際上就是一個開關(guān),單片機根據(jù)I/O線的高低電平來判斷一個按鍵的開關(guān)狀態(tài)。微處理器所采用的鍵盤有兩種:全編碼鍵盤和非編碼鍵盤。本設(shè)計中采用非編碼鍵盤控制。鍵盤常用的模式有矩陣鍵盤和獨立鍵盤兩種方式,本設(shè)計采用獨立鍵盤形式,獨立按鍵的各鍵相互對立,互不影響,軟件識別簡單。
單片機與短信模塊串口通信設(shè)計
本設(shè)計的重點部分是單片機與JB35G短信模塊的通信,它承擔(dān)著向外報警通信功能。通常有串行通信和并行通信兩種方法。串行通信是指數(shù)據(jù)字節(jié)是一位一位串行的傳送,通過串行接口實現(xiàn)。根據(jù)信息的傳送方向,串行通信可以分為單工、半雙工和全雙工三種。串行通信按通訊方式可分為同步通訊和異步通訊。JB35G移動通信模塊的通信方式為異步通訊,所以本設(shè)計也要采用異步通訊方式,異步串行通訊規(guī)定了字符數(shù)據(jù)的傳遞格式,即每個數(shù)據(jù)以相同的幀格式傳遞,每一幀信息由起始位,數(shù)據(jù)位,奇偶校驗位和停止位組成。
STC89C52單片機有一個工作在異步通訊方式下的全雙工串行口。全雙工的串行通訊只需要一根輸出線和一根輸入線。STC89C52單片機的串口僅占用了單片機的P3.0(10腳)和P3.1(11腳),分別為接收端RXD和發(fā)送端TXD。當(dāng)非串口方式工作時,這兩根口線還可以作為一般的I/O口線使用。STC89C52的串口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7 STC89C52單片機的串口內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)軟件設(shè)計
作為智能防火系統(tǒng)核心的主控單片機主要完成接收各監(jiān)控子功能模塊發(fā)送來的信息,并通過串口與GSM通信模塊發(fā)送相應(yīng)的短信息到用戶的手機。
當(dāng)系統(tǒng)上電或者復(fù)位時,單片機開始運行主程序,其流程圖如圖8所示。主程序首先完成I/O口、液晶顯示、串口、定時器、時鐘、開放外部中斷及串口中斷等初始化設(shè)置,然后執(zhí)行讀溫濕度、讀時鐘和鍵盤掃描子程序并在液晶屏上顯示。之后系統(tǒng)開始等待中斷,在單片機相應(yīng)中斷后進入各自的中斷服務(wù)子程序。各個防火監(jiān)控模塊通過外部中斷0申請中斷,發(fā)送接收短消息通過串口中斷進行。
圖8 系統(tǒng)主程序流程圖
結(jié)束語
宿舍智能防火報警系統(tǒng)為宿舍安防提供了一條可行途徑。鑒于宿舍防火的基本需求,本設(shè)計基于STC89C52單片機,采用成熟可靠的GSM移動網(wǎng)絡(luò),同時利用多傳感器檢測,設(shè)計了智能報警系統(tǒng)。本文介紹了系統(tǒng)的總體構(gòu)成,關(guān)鍵模塊的連接方式以及軟件實現(xiàn)的流程圖。該系統(tǒng)具有智能化、自動化特點,對于大學(xué)生宿舍的安全建設(shè)具有重要意義。
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