基于STC89C52单片机的宿舍智能防火报警系统设计

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    引言
    近年来，随着各高校规模的扩大，在校生的人数不断增长，学生宿舍的不安定因素也越来越多，如何有效地对宿舍进行监控已经成为一个亟待解决的问题。本系统正是在此基础上设计的一种智能防火报警装置。该系统是一种远程智能短信报警系统，可对学生宿舍内的火灾等不安全因素进行监控，如有警情可及时短信报警。系统自动化程度高、适用性强、电路设计可靠，有利于高校的平安校园建设。
    系统的总体设计
    宿舍智能防火系统以STC89C52单片机和GSM短信模块为核心，如图1所示，系统总体构成包括主控STC89C52单片机、GSM移动通信模块、实时时钟电路、防火信息采集与处理模块、温度湿度检测模块和键盘显示模块等。该系统的设计是将单片机控制、电子探测和通信技术相结合，从而形成一个可靠的智能防火报警系统。
   
     
    图1 系统总体构成框图
    GSM短信息模块主要提供无线短信和数据传输功能。STC89C52单片机依照GSM短信通信模块的通信协议与之进行通信，进行短信息的收发。STC89C52单片机电路接收并解释短信息指令，控制连接在系统上的各功能子模块。通过STC89C52单片机，可监测室内温度、湿度以及室内有毒气体和烟雾，在异常时按照预设的号码进行短消息报警。
    在学生宿舍需要防范的部位安装前端警情采集和控制模块。此防火报警系统在通常情况下处于撤防状态，而当学生离开宿舍时，把系统置于布防工作模式，安装在不同位置的温湿度传感器、无线气体传感器等不断地进行采集，并对从各个探测器采集来的数据进行处理。一旦宿舍发生火灾等紧急情况时，与之相对应的防火报警探测器无线发射电路启动发射，无线接收模块在接收到无线信号后向主控单片机发中断请求。主控单片机响应中断后，读出发来报警信号的传感器编码并确定是哪个传感器发现了异常，并由GSM短信模块向预先设置好的报警号码进行短信报警，报警号码可以是宿舍管理员，也可以是公安或武警消防部门，短信内容可以显示出报警的内容、具体地址及联系人等信息。
    系统硬件设计
    GSM短信模块的简介与选择
    GSM(Global System for Mobile Communication)系统是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统，GSM的短信息系统具有快捷方便、廉价的特点，为远程监控提供了一种新的技术手段。利用GSM短消息功能可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，能广泛用于远程监控、个人通信终端等。手机GSM网络现在已经非常成熟，利用手机短信来实现报警、传输数据是一个非常不错的选择。
    经过综合比较，系统采用内嵌TCP/IP协议栈的GPRS模块SIM300，该模块可以实现数据传输的透明性，在应用时用户只需要通过AT指令来完成相应参数的设置，从而实现网络的互联互通。SIM300是SIMCOM公司生产的GSM/GPRS模块。该模块体积相对比较小巧，可广泛应用于远程抄表、遥控遥测、安全监控等以及其他移动数据通信系统。移动通信模块实际上是将手机的基频、中频、射频整合到一块，然后用铝合金封装，模块里面包含物理层软件和2、3层的通讯协议软件。模块必须配合相应的外围电路才可工作，如SIM卡连接电路、供电电路、RS232串口连接电路等。在SIM300的接口电路设计中选用浙江晶控电子有限公司开发的JB35G开发板，它可为SIM300移动通信模块提供一套比较完整的电路。
    STC89C52单片机
    本系统选用台湾宏晶公司生产的STC89C52单片机。STC89C52单片机是与INTEL MCS-51系列单片机完全兼容的一种高性能低功耗的8位微控制器，它采用CMOS工艺制造，具有40个引脚，片内带8KB的可编程的闪存作程序存储器；片内带256字节RAM；提供32条I/O引脚，大部分引脚都可作数字和脉冲输入或输出；3个16位定时计数器，6个中断源，其中直接提供外部中断处理可使用P3.2(INT0)或P3.3(INT1)；1个全双工可编程标准串行口，其引脚为P3.0(RXD)和P3.1(TXD)；时钟频率可达0~24MHz；具有睡眠状态，指令系统与80指令系统完全兼容。用STC提供的STC-ISP.exe工具可以将程序代码下载入单片机，程序烧写非常方便，故本系统采用STC89C52单片机作为主控核心。
   
   
    图2 315MHz无线发射模块原理图
    无线传输模块设计
    传统的安全防范工程是采用有线的方式连接报警探头和防火报警主机，这种方式可靠性高，但受传输距离、布线、可变性等多种因素的制约，局限性很强，工程安装困难，因此，本设计选用一种工作频率为315MHz的无线传输模块，它采用声表谐振器稳频，频率稳定度极高。它与台湾普城公司生产的通用编解码芯片PT2262/PT2272配套使用，很方便实现无线收发的功能。该无线模块具有较宽的工作电压范围3V~12V，当发射电压为3V时，空旷地传输距离约20米~50米，发射功率较小；当电压5V时约100米~200米；当电压9V时约300米~500米；当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60毫安，空旷地传输距离700米~800米，发射功率约500毫瓦。
    PT2226/PT2272是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码芯片。PT2262用于无线发射电路。PT2262输出的编码信号通过发射模块发射出去，并由主机这边的接收模块接收后传送给PT2272。当两者地址匹配后，PT2272执行解码，置Vt脚为高电平，数据位输出相应的数据。图2所示为无线发射模块，图中R315A为声表面谐振器，谐振频率为315MHz，发射模块所发射的射频信号的频率为315MHz。把传感器的输出连接到编码启动端 上，当传感器检测到异常时，输出低电平，编码启动端 有效，编码集成PT2262开始工作，它根据数据输入端D0~D3的电平进行编码，编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字。该编码信号经无线数据发射模块进行调制后经天线发射到周围的空间。
    无线接收模块如图3所示，模块为超再生接收电路。平时无线接收模块没有接收到315MHz信号时，输出的只是杂乱的信号，解码集成芯片PT2272-M4输出端D0~D3均为低电平。当无线接收模块接收到空间的315MHz信号时，经放大、变频、滤波等处理后输出控制信号，送到解码芯片PT2272-M4的第十四脚进行解码，发射部分PT2262的地址与PT2272-M4的地址端的电平状态一致时，PT2272-M4的数据端管脚D0~D3输出与PT2262数据端对应的电平，解码有效端口Vt也输出高电平经过一个非门转换送给单片机的外部中断0接口。单片机在接到外部中断请求后，执行外部中断服务子程序，读出数据码，确定是那个传感器发来的报警信号，发送对应的报警短信给用户。
   
    图3 315MHz无线接收模块原理图
    温湿度测量电路设计
    在本设计中，温湿度的检测选用瑞士SENSIRION公司生产的SHT10。SHT1x系列产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式存储在内存中，在校正的过程中使用。两线制的串行接口，使外围系统集成变得快速而简单，微小的体积、极低的功耗、较强的抗干扰能力、免外围电路及全互换等特点，不仅节省了单片机的I/O口资源，简化了单片机的程序设计，还提高了测量精度，减少了系统设计成本。SHT10湿度测量范围为0~100%RH，湿度测量精度为±4.5%RH，温度测量范围为-40~123.8℃，温度测量精度为±0.4℃。
    SHT10传感器采用二总线进行通信，串行时钟输入线SCK用于微处理器与SHT10之间的通讯同步。图4所示为SHT10和单片机连接电路，串行数据DATA三态引脚用于外部数据的输入和内部数据的输出，这里的数据包括温湿度数字值及控制命令。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。在SCK时钟高电平时，微控制器可以和SHT10进行数据传输，在数据传输期间，数据线必须保持稳定。为了避免信号冲突，微控制器仅将数据线拉低，在需要输出高电平的时候，微控制器将引脚置为高阻态，由外部的上拉电阻将信号拉至高电平。其基本工作原理是单片机对SHT10启动传输后，单片机向SHT10发出命令。SHT10利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号然后经过放大，分别送至A/D转换器进行模/数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至单片机处理，单片机对处理数据后进行数字显示并作相应的控制。
   
    图4 SHT10和单片机连接电路图
    可燃气体探测器的设计
    本系统采用具有高灵敏度、高稳定性的QM-N10半导体气敏传感器探测可燃气体，它是一种采用陶瓷半导体工艺的烧结型器件。半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化-还原反应导致敏感元件阻值发生变化而制成的，气敏电阻器的阻值随着吸附气体的数量和种类而改变，也就是说非电量气体的氧化-还原反应过程导致电阻值发生变化。据此特性，人们可以从阻值的变化情况得知吸附气体的情况。
    其电路设计如图5所示，当QM-N10气敏半导体传感器在洁净空气中时，A、K两点间的电阻很大，阻值大约有几十KΩ，流过RP4的电流很小，K点为低电位，三级管不导通输出为低电平。当接触到含有有毒气体的空气时，A、K两点间的电阻迅速下降，K点电位升高，三级管导通输出为高电平。
      
   
    图5 QM-N10气敏传感器电路图
    时钟电路设计
    实时时钟为系统提供时钟和日历的功能。本系统中采用Dallas公司生产的DS1302，该芯片是一种高性能、低功耗、附加31字节静态RAM的时钟芯片，可通过简单的串行总线与单片机进行通讯。采用双电源供电，可设置备用电源充电方式，芯片为8引脚小型DIP封装。DS1302采用三线接口与单片机进行同步通信，与单片机的接口电路如图6所示。
     
    图6 DS1302与单片机接口电路图
    人机交互电路设计
    液晶显示电路设计
    在本设计中液晶模块主要显示报警系统的工作状况，如室内温湿度状况、实时时钟显示等。显示电路使用带中文字库的LCD12864，它可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。
    键盘电路设计
    键盘电路是人机对话的重要组成部分，它主要实现向单片机输入数据、传输命令等功能。键盘是利用机械金属点的结合和断开来实现信息的输入。一个键盘实际上就是一个开关，单片机根据I/O线的高低电平来判断一个按键的开关状态。微处理器所采用的键盘有两种：全编码键盘和非编码键盘。本设计中采用非编码键盘控制。键盘常用的模式有矩阵键盘和独立键盘两种方式，本设计采用独立键盘形式，独立按键的各键相互对立，互不影响，软件识别简单。
    单片机与短信模块串口通信设计
    本设计的重点部分是单片机与JB35G短信模块的通信，它承担着向外报警通信功能。通常有串行通信和并行通信两种方法。串行通信是指数据字节是一位一位串行的传送，通过串行接口实现。根据信息的传送方向，串行通信可以分为单工、半双工和全双工三种。串行通信按通讯方式可分为同步通讯和异步通讯。JB35G移动通信模块的通信方式为异步通讯，所以本设计也要采用异步通讯方式，异步串行通讯规定了字符数据的传递格式，即每个数据以相同的帧格式传递，每一帧信息由起始位，数据位，奇偶校验位和停止位组成。
    STC89C52单片机有一个工作在异步通讯方式下的全双工串行口。全双工的串行通讯只需要一根输出线和一根输入线。STC89C52单片机的串口仅占用了单片机的P3.0(10脚)和P3.1(11脚)，分别为接收端RXD和发送端TXD。当非串口方式工作时，这两根口线还可以作为一般的I/O口线使用。STC89C52的串口内部结构如图7所示。
      
   
    图7 STC89C52单片机的串口内部结构图
      
    系统软件设计
    作为智能防火系统核心的主控单片机主要完成接收各监控子功能模块发送来的信息，并通过串口与GSM通信模块发送相应的短信息到用户的手机。
    当系统上电或者复位时，单片机开始运行主程序，其流程图如图8所示。主程序首先完成I/O口、液晶显示、串口、定时器、时钟、开放外部中断及串口中断等初始化设置，然后执行读温湿度、读时钟和键盘扫描子程序并在液晶屏上显示。之后系统开始等待中断，在单片机相应中断后进入各自的中断服务子程序。各个防火监控模块通过外部中断0申请中断，发送接收短消息通过串口中断进行。
   
    图8 系统主程序流程图
    结束语
    宿舍智能防火报警系统为宿舍安防提供了一条可行途径。鉴于宿舍防火的基本需求，本设计基于STC89C52单片机，采用成熟可靠的GSM移动网络，同时利用多传感器检测，设计了智能报警系统。本文介绍了系统的总体构成，关键模块的连接方式以及软件实现的流程图。该系统具有智能化、自动化特点，对于大学生宿舍的安全建设具有重要意义。