基于单片机的火灾防盗监控系统的设计与仿真(编辑修改稿)

基于单片机的火灾防盗监控系统的设计与仿真(编辑修改稿)内容摘要：

灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。 (3)感光型火灾报警系统 物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。 感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。 根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光 辐射敏感的红外报警系统。 (4)复合型火灾报警系统 如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。 目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。 火灾探测器原理 火灾发生时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光，探测器对这些都很敏感。 当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。 火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类： (1)感烟探测器。 一种是离子感烟探测器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。 在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。 一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号。 还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元 第 8 页 共 61 页 件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于 是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。 还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，他的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。 近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。 这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。 (2)感温探测器。 一种是运用金属热胀冷缩的特性。 正常的情况下，探测器的电路断开，当温度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。 一种是利用某些金属易熔 的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它的熔点（ 70～ 90℃ ）时，金属熔化，借助弹簧的作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。 这两种探测器都属定温型，即当外界温度超过某一限值时就会报警；还有一类是差温型，升温的速度超过特定值时，便会感应报警。 如将两者结合起来，便成为差定温组合式。 (3)光辐射探测器。 一种是红外光辐射探测器。 物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。 另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光， 使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路报警 [8]。 火灾报警器是重要的安全设备，一切重要的场所，如大型物资仓库、隧道、大型船舶、高层建筑都应该安装。 它还可以与自动灭火设备一起组成自动报警、自动灭火的 ―自动消防队 ‖。 防盗系统整体设计 本次家用防盗报警系统是一种新型的电子安全报警系统，该系统的设计以AT89C51 为核心，将传感器检测技术、智能控制和无线电技术相结合，从而形成一个防盗报警系统。 系统总体构成主要包括防盗检测、断电保护及报警电路设计、密码控制电路（键盘输入及显示）、无线 电控制四个模块 [9]。 具体原理框图如图。 第 9 页 共 61 页 图 防盗系统整体设计框图 防盗系统主要功能模块设计 (1)门磁探测技术 其本质就是一个门磁开关，由永磁体和门磁主体两大部分组成。 当两部分靠得近时，处于报警守候状态，当拉开一定距离后，便触发报警系统。 (2)数字芯片编 /译码技术 编码芯片采用专用集成芯片 VD5026，译码处理器则采用与之配套生产的集成芯片 VD5027，它们都是 CMOS 大规模数字集成电路。 它们组合应用起来就可构成一个发射、 —接收的数字编译码系统。 (3)无线发射接收技术 无 线发射电路部分主要运用高频功率放大器的原理制成，以 LC 谐振网络作为负载构成谐振功率放大器。 无线接收电路由超再生接收、放大、整形、译码电路组成，经过一系列处理，可以产生直接驱动报警电路的电信号。 (4)智能报警技术 在报警电路部分， 555 芯片构成多谐振荡器来驱动声光报警，使报警功能更趋智能化，随时准确把握防盗情况 [10]。 E2PROM存储电路 门磁传感器探测 编码 解码 信号接收 信号发射 AT89C51 单 片 机 的 控 制 信 号 产 生 键盘输入及显示 电 机 驱 动 LED 指示灯 现场报警 第 10 页 共 61 页 3 系统硬件设计 主要器件选型 核心处理器单片机的选择 单片机是一块硅片上集成了微处理器 (CPU)、存储器 (RAM、 ROM、 EPROM)和各种输入、输出接口 (定时器／计数器、并行 I／ O、串行口、 A／ D 转换器及脉冲调制器 PWM 等 )的微控制芯片。 在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。 它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。 在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况进行相应的处理。 并且也要考虑选择低 价实用的机型，并为研制同一系列低功耗产品做准备 [11]。 根据多方面的比较，本设计选用 ATMEL 公司的 AT89S52 单片机作为控制器。 AT89S52 是一个低功耗、高性能的 CMOS 8 位单片机，片内 含 8k Bytes(Insystem programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准 MCS51指令系统及 80C51 引脚结构。 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的计算机 AT89S52 可为许 多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 Flash存储空间，支持最大 64K外部存储扩展。 根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在 033M 之间。 片内资源有 4组 I/O控制端口、 3个定时器、 8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。 可以在 4V到 压范围内正常工作 [12]。 不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。 根据本次设计的具体情况，采用双列直插 DIP40 封装。 AT89S52 引脚图 所示。 第 11 页 共 61 页 图 DIP40 封装 AT89S52 引脚图 在智能防盗系统中，核心仍 然是单片机。 主要负责控制键盘，显示，无线通信，电机驱动以及声光报警模块协调工作。 本系统选用 AT89C51 作为主控芯片。 AT89C51是一种带 4K字节 FLASH存储器（ FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机，由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的AT89C51是一种高效微控制器 [13]。 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89S52是 AT89C51升级版，它们都是 8051的内核， 52是 51的增强型， S52比 C51,定时器多一个 T2， RAM 多 128B， ROM 多 4K，中断多 2 个，多一个看门狗 ,在掉电、数据指针等方面还有一些改进， S52 的最高外接晶振可以达到33MHz， C51 大概只有 24MHz。 另外 S52 比 C51 还增加了 ISP 功能，就是在线可编程功能，这可是很有用的功能哦，首先是省去购买编程器的钱，另外，对于买不起仿真器或希望能板上调试（就是插在成品电路板上调试）的人来说十分有价值，你可以随时更新插在电路板上的单片机的程序，十 分方便。 当然 S51 也具备这一功能， C51 和 C52 都不具备 [14]。 在本文中它们两个系统是相互独立存在的，互相之间没有进行通信。 气体传感器的选择 气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。 探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制 第 12 页 共 61 页 冷处理仪表显示部分。 根据测量对象与测量环境、灵敏度、响应特性、线性范围我选用 TGS202 气体传感器作为本火灾探测的气体传感器，火灾中气体烟雾主要是 CO2 和 CO， TGS202 气 体传感器能探测 CO2 ， CO，甲烷，煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。 如上图所示，当 TGS202 探测到 CO2 或 CO 时，传感器的内阻变小， VA 迅速上升。 选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如 CO 浓度达到 ﹪）时， VA 端获得适当的电压（设为 3V）。 图 为 TGS202 检测电路。 图 TGS202 检测电路 温度传感器的选择 DS18B20 数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有 LTM8877，LTM8874等等。 主要根据应用场合的不同而改变其外观。 封装后的 DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。 耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和 控制领域。 DS18B20 采用一线通信接口。 因为一线通信接口，必须在先完成 ROM 设定，否则记忆和控制功能将无法使用。 主要首先提供以下功能命令之一： （ 1）读 ROM； （ 2） ROM 匹配； （ 3）搜索 ROM； （ 4）跳过 ROM； （ 5）报警检查。 第 13 页 共 61 页 若指令成功地使 DS18B20完成温度测量，数据存储在 DS18B20的存储器。 一个控制功能指挥指示 DS18B20 的演出测温。 测量结果将被放置在 DS18B20 内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。 温度报 警触发器 TH和 TL都有一字节 EEPROM 的数据。 如果 DS18B20 不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。 在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。 写 TH,TL 指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。 通过缓存器读寄存器。 所有数据的读，写都是从最低位开始。 DS18B20 封装如图 所示： 图 DS18B20 封装图 无线通信模块芯片的选择 本文选用 nrf24L01 作为门控系统的无线通信模块， nrf24L01 是由 NORDIC 生产的工作在 — 的 ISM 频段的单片无线收发器芯片。 无线收发器包括：频率发生器、增强型 ―SchockBurst‖模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。 输出功率频道选择和协议的设置可以通过 SPI 接口进行设置。 几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工 作。 极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为 0dBm 时电流消耗为 ，接收模式时为 ，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。 NRF24L01 主要有以下一系列优点： 小体积， QFN20 4x4mm 封装 宽电压工作范围， ~，输入 引脚 可承受 5V电压输入 (1)工作温度范围， 40℃ ～ +80℃ (2)工作频率范围， ～ (3)发射功率可选择为 0dBm、 6dBm、 12dBm 和 18dBm 第 14 页 共 61 页 (4)数据传输速率 支持 1Mbps、 2Mbps[2] (5)低功耗设计，接收时工作电流 ， 0dBm 功率发射时 ，掉电模式时仅为 900nA (6)126 个通讯通道， 6 个数据通道，满足多点通讯和调频需要 (7)增强 型 ―ShockBurst‖工作模式，硬件的 CRC 校验和 点对多点的地址控制 (8)数据包每次可传输 1～ 32Byte 的数据 (9)4 线 SPI通讯端口，通讯速率最高可达 8Mbps，适合与各种 MCU连接， 编程 简单 (10)可通过 软件 设置工作频率、通讯地址、 传输速率 和数据包长度 (11)MCU 可通过 IRQ 引脚快判断是否完。