基于STC89C52單片機的智能火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計

于驕洋，王文鑫， 唐雪瑩

（北京工業(yè)大學(xué)，北京，100124）

0 引言

火災(zāi)事故往往是因為人們的消防安全常識薄弱或存在誤區(qū)從而導(dǎo)致悲劇發(fā)生[1]。嚴峻的事實讓人們逐漸認識到建立良好火災(zāi)報警機制的重要性，并隨科技的進步對火災(zāi)報警系統(tǒng)有了更加多樣化、智能化的需求。

本設(shè)計基于STC89C52單片機，在傳統(tǒng)火災(zāi)報警器的簡單聲光報警的功能基礎(chǔ)上，增加了液晶顯示以及通過液晶和按鍵調(diào)整報警閾值的功能，為報警系統(tǒng)在不同環(huán)境中的使用增加可變通性，方便用戶的使用；同時，電話報警的功能解決了當火災(zāi)發(fā)生時用戶不在家無法得知災(zāi)情的問題，并相較于短信報警的提醒更加引人注意；傳感器的運用以及通過編程實現(xiàn)的延時報警可以更加準確、及時地進行報警。系統(tǒng)使用方便、價格低廉，適用于各種無煙環(huán)境，可有效地減少由火災(zāi)引起的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。本系統(tǒng)以STC8952單片機為核心，采用5V鋰電池供電，配合內(nèi)部振蕩器和外部手動復(fù)位電路構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，涵蓋按鍵電路、溫度檢測電路、煙霧檢測電路、液晶顯示電路、聲光報警電路以及電話報警電路六個功能電路，配合軟件編程可實現(xiàn)所需功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)的工作機制為：煙霧與溫度檢測電路通過傳感器不間斷地實時監(jiān)測所處環(huán)境的煙霧濃度和溫度，并將二者通過LCD液晶顯示器呈現(xiàn)給用戶；在報警系統(tǒng)開始工作后，可根據(jù)需要通過按鍵電路中的設(shè)置鍵與加、減按鍵結(jié)合液晶顯示隨時調(diào)整煙霧濃度或溫度的報警限。當按下布防鍵后，系統(tǒng)進入布防狀態(tài)：若監(jiān)測的煙霧濃度或溫度超過所設(shè)置的報警限，系統(tǒng)確認為非誤報的危險后進行聲光報警，并通過GSM模塊對用戶進行電話報警。

2 系統(tǒng)主要模塊的設(shè)計

2.1 煙霧檢測電路

本系統(tǒng)選擇MQ-2氣體傳感器收集煙霧濃度模擬信號，再利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832將其轉(zhuǎn)換為可被單片機解讀的數(shù)字信號，電路原理圖如圖2所示。

圖2 煙霧檢測電路

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫 (SnO2)，工作的適宜溫度為200℃～300℃，當傳感器所處環(huán)境中存在煙霧時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧濃度的增加而增大，而輸出電阻隨電導(dǎo)率的增大而降低，從而使輸出的模擬量越大[2]。

ADC8032是一種串行A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器，接口線路簡單，被廣泛地應(yīng)用于中低速測控系統(tǒng)中[3]。其DI與DO引腳分別代表數(shù)據(jù)信號輸入與輸出，二者在通信時并非同時有效，可并聯(lián)到一根數(shù)據(jù)線上與單片機的I/O口連接。

2.2 溫度檢測電路

傳統(tǒng)的測溫方法主要依靠一些熱敏電子元器件進行溫度采集，比如熱敏電阻等，這類方法存在精度低、速度慢、需額外增加轉(zhuǎn)換器件和電路的缺點[4]。而本設(shè)計采用的DS18B20溫度傳感器具有測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點。

如圖3所示，在使用時需將DS18B20的數(shù)據(jù)引腳與單片機的一個I/O口連接，二者可以通過1-Wire協(xié)議進行通信，使單片機能夠通過傳感器將外界溫度讀出。

圖3 溫度檢測電路

2.3 液晶顯示電路

原理圖如圖4所示。其中引腳RS、RW、E為LCD1602的功能控制端，D0～D7為數(shù)據(jù)端。

圖4 液晶顯示電路

在系統(tǒng)對環(huán)境監(jiān)測時，液晶上會顯示當前環(huán)境的煙霧濃度及溫度大??；當煙霧濃度及溫度大小或其中之一超過報警閾值時，液晶上會同時或單獨顯示“smoke”、“temp”字樣用以提示用戶危險類型；當用戶對報警閾值進行修改時，液晶上也會顯示相應(yīng)信息方便用戶操作。

2.4 聲光報警電路

令單片機一個I/O端口連接一個電阻并與PNP型三極管基極串聯(lián)，集電極一端連接LED燈與蜂鳴器的并聯(lián)電路，發(fā)射極連接VCC，當I/O口輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，從而達到控制LED的亮滅與蜂鳴器報警的目的。

2.5 按鍵控制電路

本電路設(shè)計了四個按鍵，如圖6所示。

圖5 聲光報警電路

圖6 按鍵控制電路

當按下布防鍵后，系統(tǒng)開始進入對外可報警的布防狀態(tài)。而其余三項可以對報警的溫度，煙霧濃度進行調(diào)節(jié)，此功能通過1602液晶顯示屏顯示方便使用。當按下一次設(shè)置鍵后，LCD1602液晶會切換到溫度報警閾值設(shè)置的頁面，如圖7所示；再摁下一次設(shè)置鍵會切換到煙霧濃度報警閾值設(shè)置頁面，如圖8所示；按下第三次設(shè)置鍵，液晶會重新回到煙霧濃度、溫度實時監(jiān)測頁面；當液晶顯示閾值設(shè)置頁面時，使用加、減鍵可據(jù)環(huán)境需要調(diào)整閾值。

圖7 溫度報警閾值調(diào)節(jié)顯示

圖8 煙霧報警閾值調(diào)節(jié)顯示

2.6 GSM模塊電話報警電路

將帶有通信功能的GSM模塊SIM900A與單片機的P3.0與P3.1口連接實現(xiàn)二者的串口通信。P3.0與P3.1口的第二功能分別為串行口輸入和串行口輸出，通過這兩個端口，單片機與SIM900A可使用協(xié)議中的AT指令進行實時通信，在聲光報警的同時對用戶手機撥打電話進行報警，從而可以及時通知不在災(zāi)情附近的用戶盡快對災(zāi)情做出反應(yīng)以減少損失。

3 系統(tǒng)的主要軟件設(shè)計

3.1 總體邏輯設(shè)計

系統(tǒng)所配合的主程序邏輯框圖如圖9所示，利用C語言進行程序編寫，以Keil作為軟件編程工具。

圖9 系統(tǒng)程序框圖

系統(tǒng)實時循環(huán)檢測環(huán)境中的煙霧濃度及溫度，在布防鍵按下后，系統(tǒng)進入可報警狀態(tài)。若判斷為非誤報情況下煙霧濃度或溫度中有超出界定值的情況，則進行報警；在監(jiān)測環(huán)境的同時，系統(tǒng)會判斷是否有按鍵按下，從而進行報警界定值的修改；在按下復(fù)位鍵后，單片機會回到初始狀態(tài)，重新進行煙霧濃度與溫度檢測。

3.2 煙霧濃度與溫度的采集

設(shè)置以未觸發(fā)報警為條件的循環(huán)，將煙霧濃度采集函數(shù)與溫度采集函數(shù)放置在循環(huán)中。

MQ-2實時檢測環(huán)境中的煙霧濃度，其輸出引腳將收集到的模擬量傳送給ADC0832的模擬輸入通道CH0。煙霧開始收集時，令A(yù)DC0832的使能引腳CS為低電平，芯片被啟用。CLK接收時鐘信號，第一個下降沿前將DI置為高電平作為數(shù)據(jù)收集開始信號，第二、三個下降沿令DI分別為1、0，從而選擇CH0為模擬輸入通道，之后的8個時鐘信號里ADC0832會將收集到的模擬量轉(zhuǎn)化為8位二進制數(shù)據(jù)傳到DO口，將其轉(zhuǎn)化為適配的煙霧濃度值用變量承接即可。

DS18B20的測量范圍為-55℃～+125℃，在它的寄存器中，溫度存儲值以補碼的格式存儲，低字節(jié)的最低位變化1，代表溫度變化0.0625℃，因此只要將測到的數(shù)值乘以0.0625并參考符號位即可得到真實溫度。

3.3 液晶顯示

RS=0，RW=0，E=高脈沖時，液晶處于寫指令模式，指導(dǎo)1206的功能配置，系統(tǒng)開始運行時，令液晶處于此模式，向D0～D7寫入1206指令碼，即可完成液晶的初始化配置。

令RS=0，RW=1，E=1時，液晶處于讀狀態(tài)模式，循環(huán)讀取存于D0～D7的狀態(tài)字，判斷最高位是否為0，若是則代表液晶處于“不忙”狀態(tài)，此時才可以使LCD1602進行讀或?qū)懖僮鳌?/p>

煙霧濃度與溫度收集完畢時，先將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串，令RS=1，RW=0，E=高脈沖，此時液晶處于寫數(shù)據(jù)狀態(tài)，確定顯示位置的初始地址，設(shè)置循環(huán)使數(shù)據(jù)引腳循環(huán)接收字符串數(shù)據(jù)，直到接收到結(jié)束符，完成內(nèi)容在LCD1602液晶上的顯示。

3.4 報警閾值改變

此功能的實現(xiàn)較為簡單，只需定義煙霧濃度、溫度兩個報警閾值變量，若單片機檢測到設(shè)置鍵按下相應(yīng)次數(shù)，同時檢測到有加或減鍵按下，將相應(yīng)閾值變量加1或減1并送到LCD1602液晶顯示即可達到目的。

3.5 延時報警

對于降低誤報的概率，編程時采用延時報警的方法。在發(fā)現(xiàn)煙霧濃度或溫度有超出界定值的情況后，系統(tǒng)不會立即進行報警，而是延時一小段時間后繼續(xù)檢測煙霧濃度與溫度，若再次檢測的值仍然高于界定值，則判斷數(shù)值非誤報，進行報警。延時報警可以大大降低系統(tǒng)的誤報概率，使系統(tǒng)更加高效、準確。

3.6 按鍵消抖

按鍵消抖用定時器0中斷， 每2ms進入中斷，把掃描的按鍵的狀態(tài)儲存起來，再利用中斷進行8次的掃描，看這八次是否都一致，如果8次狀態(tài)都一致，則可以說明處于穩(wěn)定狀態(tài)，這樣就可以確定按鍵狀態(tài)了。利用這種方法可以避免延時消抖占用單片機的時間，轉(zhuǎn)化成按鍵狀態(tài)的判定而不是按鍵過程的判定，而8×2=16ms是小于一次按鍵完成的時間的，所以利用按鍵消抖可以更好地控制按鍵。

3.7 電話報警

啟用單片機UART串口通信功能，在系統(tǒng)初始化時，向串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF中發(fā)送判斷SIM是否存在及SIM卡是否注冊網(wǎng)絡(luò)的指令，在串口中斷中實時接收SIM900A返回指令，若SIM卡已準備好，將設(shè)置的標志位變量置1。在發(fā)現(xiàn)警情后，在SBUF中寫入打電話的AT指令，即可對指定用戶撥打電話報警。

4 結(jié)論

經(jīng)測試，智能火災(zāi)報警系統(tǒng)各電路正常運行，可實現(xiàn)上述所需功能。

圖10 系統(tǒng)正在進行報警

本系統(tǒng)以STC89C52單片機為基礎(chǔ)，涵蓋多種實用功能，操作方便，成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)在各種有火災(zāi)隱患的無煙環(huán)境下對火災(zāi)的報警作用，為人們帶來更多的便利。