基于STC89C52單片機的宿舍智能防火報警系統設計

引言

近年來(lái)，隨著(zhù)各高校規模的擴大，在校生的人數不斷增長(cháng)，學(xué)生宿舍的不安定因素也越來(lái)越多，如何有效地對宿舍進(jìn)行監控已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。本系統正是在此基礎上設計的一種智能防火報警裝置。該系統是一種遠程智能短信報警系統，可對學(xué)生宿舍內的火災等不安全因素進(jìn)行監控，如有警情可及時(shí)短信報警。系統自動(dòng)化程度高、適用性強、電路設計可靠，有利于高校的平安校園建設。

系統的總體設計

宿舍智能防火系統以STC89C52單片機和GSM短信模塊為核心，如圖1所示，系統總體構成包括主控STC89C52單片機、GSM移動(dòng)通信模塊、實(shí)時(shí)時(shí)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(pán)顯示模塊等。該系統的設計是將單片機控制、電子探測和通信技術(shù)相結合，從而形成一個(gè)可靠的智能防火報警系統。

圖1 系統總體構成框圖

GSM短信息模塊主要提供無(wú)線(xiàn)短信和數據傳輸功能。STC89C52單片機依照GSM短信通信模塊的通信協(xié)議與之進(jìn)行通信，進(jìn)行短信息的收發(fā)。STC89C52單片機電路接收并解釋短信息指令，控制連接在系統上的各功能子模塊。通過(guò)STC89C52單片機，可監測室內溫度、濕度以及室內有毒氣體和煙霧，在異常時(shí)按照預設的號碼進(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。此防火報警系統在通常情況下處于撤防狀態(tài)，而當學(xué)生離開(kāi)宿舍時(shí)，把系統置于布防工作模式，安裝在不同位置的溫濕度傳感器、無(wú)線(xiàn)氣體傳感器等不斷地進(jìn)行采集，并對從各個(gè)探測器采集來(lái)的數據進(jìn)行處理。一旦宿舍發(fā)生火災等緊急情況時(shí)，與之相對應的防火報警探測器無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路啟動(dòng)發(fā)射，無(wú)線(xiàn)接收模塊在接收到無(wú)線(xiàn)信號后向主控單片機發(fā)中斷請求。主控單片機響應中斷后，讀出發(fā)來(lái)報警信號的傳感器編碼并確定是哪個(gè)傳感器發(fā)現了異常，并由GSM短信模塊向預先設置好的報警號碼進(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(mén)，短信內容可以顯示出報警的內容、具體地址及聯(lián)系人等信息。

系統硬件設計

GSM短信模塊的簡(jiǎn)介與選擇

GSM(Global System for Mobile Communication)系統是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通訊體制中比較成熟、完善、應用最廣泛的一種系統，GSM的短信息系統具有快捷方便、廉價(jià)的特點(diǎn)，為遠程監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、監控數據信號和控制命令的數據通信系統，能廣泛用于遠程監控、個(gè)人通信終端等。手機GSM網(wǎng)絡(luò )現在已經(jīng)非常成熟，利用手機短信來(lái)實(shí)現報警、傳輸數據是一個(gè)非常不錯的選擇。

經(jīng)過(guò)綜合比較，系統采用內嵌TCP/IP協(xié)議棧的GPRS模塊SIM300，該模塊可以實(shí)現數據傳輸的透明性，在應用時(shí)用戶(hù)只需要通過(guò)AT指令來(lái)完成相應參數的設置，從而實(shí)現網(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，可廣泛應用于遠程抄表、遙控遙測、安全監控等以及其他移動(dòng)數據通信系統。移動(dòng)通信模塊實(shí)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的接口電路設計中選用浙江晶控電子有限公司開(kāi)發(fā)的JB35G開(kāi)發(fā)板，它可為SIM300移動(dòng)通信模塊提供一套比較完整的電路。

STC89C52單片機

本系統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(gè)引腳，片內帶8KB的可編程的閃存作程序存儲器；片內帶256字節RAM；提供32條I/O引腳，大部分引腳都可作數字和脈沖輸入或輸出；3個(gè)16位定時(shí)計數器，6個(gè)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(gè)全雙工可編程標準串行口，其引腳為P3.0(RXD)和P3.1(TXD)；時(shí)鐘頻率可達0~24MHz；具有睡眠狀態(tài)，指令系統與8031指令系統完全兼容。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(xiě)非常方便，故本系統采用STC89C52單片機作為主控核心。

圖2 315MHz無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊原理圖

無(wú)線(xiàn)傳輸模塊設計

傳統的安全防范工程是采用有線(xiàn)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(xiàn)、可變性等多種因素的制約，局限性很強，工程安裝困難，因此，本設計選用一種工作頻率為315MHz的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，它采用聲表諧振器穩頻，頻率穩定度極高。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)現無(wú)線(xiàn)收發(fā)的功能。該無(wú)線(xiàn)模塊具有較寬的工作電壓范圍3V~12V，當發(fā)射電壓為3V時(shí)，空曠地傳輸距離約20米~50米，發(fā)射功率較??；當電壓5V時(shí)約100米~200米；當電壓9V時(shí)約300米~500米；當發(fā)射電壓為12V時(shí)，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(jià)位通用編解碼芯片。PT2262用于無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路。PT2262輸出的編碼信號通過(guò)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。當兩者地址匹配后，PT2272執行解碼，置Vt腳為高電平，數據位輸出相應的數據。圖2所示為無(wú)線(xiàn)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(dòng)端上，當傳感器檢測到異常時(shí)，輸出低電平，編碼啟動(dòng)端有效，編碼集成PT2262開(kāi)始工作，它根據數據輸入端D0~D3的電平進(jìn)行編碼，編碼信號由：地址碼、數據碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字。該編碼信號經(jīng)無(wú)線(xiàn)數據發(fā)射模塊進(jìn)行調制后經(jīng)天線(xiàn)發(fā)射到周?chē)目臻g。

無(wú)線(xiàn)接收模塊如圖3所示，模塊為超再生接收電路。平時(shí)無(wú)線(xiàn)接收模塊沒(méi)有接收到315MHz信號時(shí)，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。當無(wú)線(xiàn)接收模塊接收到空間的315MHz信號時(shí)，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(shí)，PT2272-M4的數據端管腳D0~D3輸出與PT2262數據端對應的電平，解碼有效端口Vt也輸出高電平經(jīng)過(guò)一個(gè)非門(mén)轉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，執行外部中斷服務(wù)子程序，讀出數據碼，確定是那個(gè)傳感器發(fā)來(lái)的報警信號，發(fā)送對應的報警短信給用戶(hù)。

圖3 315MHz無(wú)線(xiàn)接收模塊原理圖

溫濕度測量電路設計

在本設計中，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，提供全標定的數字輸出。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)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轉換器以及串行接口電路實(shí)現無(wú)縫連接。每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標定，以鏡面冷凝式濕度計為參照。校準系數以程序形式存儲在內存中，在校正的過(guò)程中使用。兩線(xiàn)制的串行接口，使外圍系統集成變得快速而簡(jiǎn)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(diǎn)，不僅節省了單片機的I/O口資源，簡(jiǎn)化了單片機的程序設計，還提高了測量精度，減少了系統設計成本。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(xiàn)進(jìn)行通信，串行時(shí)鐘輸入線(xiàn)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，串行數據DATA三態(tài)引腳用于外部數據的輸入和內部數據的輸出，這里的數據包括溫濕度數字值及控制命令。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，微控制器可以和SHT10進(jìn)行數據傳輸，在數據傳輸期間，數據線(xiàn)必須保持穩定。為了避免信號沖突，微控制器僅將數據線(xiàn)拉低，在需要輸出高電平的時(shí)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(dòng)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(guò)放大，分別送至A/D轉換器進(jìn)行模/數轉換、校準和糾錯，最后通過(guò)二線(xiàn)串行接口將相對濕度及溫度的數據送至單片機處理，單片機對處理數據后進(jìn)行數字顯示并作相應的控制。