基于STC89C52單片機(jī)的宿舍智能防火報警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

近年來，隨著各高校規(guī)模的擴(kuò)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(qiáng)、電路設(shè)計(jì)可靠，有利于高校的平安校園建設(shè)。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

宿舍智能防火系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)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(jī)、GSM移動通信模塊、實(shí)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(jì)是將單片機(jī)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(jī)依照GSM短信通信模塊的通信協(xié)議與之進(jìn)行通信，進(jìn)行短信息的收發(fā)。STC89C52單片機(jī)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(jī)，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(jìn)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(jìn)行采集，并對從各個探測器采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)發(fā)中斷請求。主控單片機(jī)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(jìn)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(jì)

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(diǎn)，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?cái)?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(jī)GSM網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，利用手機(jī)短信來實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)際上是將手機(jī)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(jì)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(jī)

本系統(tǒng)選用臺灣宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)是與INTEL MCS-51系列單片機(jī)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(jì)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(jī)，程序燒寫非常方便，故本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)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(jì)

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(jī)，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(qiáng)，工程安裝困難，因此，本設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)的外部中斷0接口。單片機(jī)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(jì)

在本設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行標(biāo)定，以鏡面冷凝式濕度計(jì)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(qiáng)的抗干擾能力、免外圍電路及全互換等特點(diǎn)，不僅節(jié)省了單片機(jī)的I/O口資源，簡化了單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)，還提高了測量精度，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)對SHT10啟動傳輸后，單片機(jī)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(jìn)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(jī)處理，單片機(jī)對處理數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)字顯示并作相應(yīng)的控制。

圖4 SHT10和單片機(jī)連接電路圖

可燃?xì)怏w探測器的設(shè)計(jì)

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(jì)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(diǎn)間的電阻很大，阻值大約有幾十KΩ，流過RP4的電流很小，K點(diǎn)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(diǎn)間的電阻迅速下降，K點(diǎn)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(jì)

實(shí)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(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)行同步通信，與單片機(jī)的接口電路如圖6所示。

圖6 DS1302與單片機(jī)接口電路圖

人機(jī)交互電路設(shè)計(jì)

液晶顯示電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。

鍵盤電路設(shè)計(jì)

鍵盤電路是人機(jī)對話的重要組成部分，它主要實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳輸命令等功能。鍵盤是利用機(jī)械金屬點(diǎn)的結(jié)合和斷開來實(shí)現(xiàn)信息的輸入。一個鍵盤實(shí)際上就是一個開關(guān)，單片機(jī)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(jì)中采用非編碼鍵盤控制。鍵盤常用的模式有矩陣鍵盤和獨(dú)立鍵盤兩種方式，本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立鍵盤形式，獨(dú)立按鍵的各鍵相互對立，互不影響，軟件識別簡單。

單片機(jī)與短信模塊串口通信設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分是單片機(jī)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(shí)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(jì)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(yàn)位和停止位組成。

STC89C52單片機(jī)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(jī)的串口僅占用了單片機(jī)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(jī)的串口內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

作為智能防火系統(tǒng)核心的主控單片機(jī)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(jī)。

當(dāng)系統(tǒng)上電或者復(fù)位時，單片機(jī)開始運(yùn)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(jī)相應(yīng)中斷后進(jìn)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(jìn)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(jì)基于STC89C52單片機(jī)，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(jì)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(shí)現(xiàn)的流程圖。該系統(tǒng)具有智能化、自動化特點(diǎn)，對于大學(xué)生宿舍的安全建設(shè)具有重要意義。