宿舍智能防盗防火报警系统

宿舍智能防盗防火报警系统

摘要

本系统以价格低廉的STC89C52单片机为控制核心，借助烟雾传感器，红外热释电传感器，光电传感器，无线射频模块，实现对宿舍人员出入及宿舍安全情况的实时多点检测，并由nrf2401无线收发模块将实时宿舍信息传递给异地远程监控系统，通过液晶显示器显示宿舍当前及近期的历史状况。其中：烟雾传感器通过检测室内烟雾及可燃性气体浓度，实现防火报警功能；红外热释电传感器能利用检测人体释放的红外线判断宿舍是否有人活动，并协同光电传感器工作，起到防盗作用，并能够提示宿舍无人时锁门；无线射频模块与光电传感器组合，可实现贵重物品进出情况的检测；液晶显示当前宿舍情况及近期历史记录；当从机有异常情况时，主机声光报警，并能键入密码解警。

关键字：STC89C52 液晶显示器光电传感器烟雾传感器人体红外热释电传感器 nrf2401无线收发模块无线射频模块

目录

一、任务和要求

1.1、任务 (4)

1.2、要求

1.2.1、基本要求 (4)

1.2.1、发挥部分 (4)

1.3、评分标准 (4)

二、方案设计及论证

2.1、控制模块 (5)

2.2、电源模块 (5)

2.3、烟雾检测模块 (5)

2.4、人体检测模块 (6)

2.5、人员出入检测模块 (6)

2.6、无线通信模块 (6)

2.7、显示模块 (6)

2.8、声光报警模块 (6)

2.9贵重物品检测模块 (7)

系统各模块最终方案

三、硬件实现及单元电路设计

3.1、控制模块........................................................................ .. (7)

3.2、电源模块 (7)

3.3、烟雾检测模块 (7)

3.4、人体检测模块 (8)

3.5、人员出入检测..................................................... (8)

3.6、无线收发模块 (8)

3.7、显示模块 (9)

3.8、声光报警模块 (9)

3.9、锁门提示模块 (9)

3.10、贵重物品检测模块 (9)

四、软件设计

4.1、发射流程图 (9)

4.2、接受流程图 (11)

五、系统测试..

5.1、测试仪器 (11)

5.2、指标测试 (12)

5.2.1、烟雾传感器测试 (12)

5.2.2、人体红外热释电传感器检测 (12)

5.2.3 光电传感器测试 (12)

5.2.4无线收发测试 (12)

5.2.5贵重物品检测测试...................;. (13)

六、总结

参考文献

附录

一、任务和要求

1.1、任务

设计一个报警系统（低成本），系统应用于学生宿舍，能自动监视宿舍内的安全情况，有异常情况发生时能立即发出报警和求助信息。

1.2、要求

1.2.1、基本要求：

（1）实现人体检测与声光报警功能。

（2）实现烟雾检测与声光报警功能。

（3）用键盘输入密码完成报警系统的解警等工作状况。

（4）实现异地监控。

（5）能反映宿舍内人员的进出情况及人数的记录。

（6）宿舍无人时提示锁门。

1.2.2、发挥部分：

（1）人体检测范围5米左右。

（2）能记录最近几天的宿舍安防情况。

（3）实现网络控制，可在监控点监控多个宿舍。

（4）能检测本宿舍贵重物品的进出情况。

1.3、评分标准

二、方法设计及论证

根据题目要求，系统由图2-1组成：

图2-1 系统框图

2.1、控制模块

方案一:采用SPCE061A 单片机来实现，此单片机I/O接口比较多，虽然易于扩展外围电路，但不方便位寻址，且没有总线。开发板集成了语音播报的硬件，通过软件编程即可以用于语音采集和播报。但内部开发函数不是很了然，且占用内存太大，且模组比较贵，不经济，性价比比较高。

方法二：采用现在比较通用的51 系列单片机。51 系列单片机的发展已经有

比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟，虽然处理速度不是很快，但资料丰富，系列之52单片机，内部集成8kflash空间，256BRAM区，足以实现设计程序，不需要外扩，而且其最小系统板已经设计好，不需要附加太多的外围电路，可以方便可靠的使用。本设计需要网络控制，需要多块控制板，单价也要考虑在内，51系列单片机造价低，不会耗费太大开销。

综合考虑我们选用方案二。

2.2、电源模块

由于本系统传感器比较多，需要多电平供电，我们考虑了如下几种方案为系统供电。

方案一：采用电池组供电。3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7812的电压变换后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，不满足低成本的要求，因此，我们放弃了这种方案。

方案二：采用变压器组和电池组并举的方式。从机检测部分采用市电变压供电：主机接收部分采用电池组供电，即适合从机检测部分的家居应用，也适合主机接受部分的方便携带。因此，我们选择了这种方案。

2.3、烟雾检测模块

方案一：选用光电烟雾传感器。灵敏度高，可视范围大，具有报警锁定功能，可靠性高。但价格昂贵，不适合设计的低成本要求。

方案二：选择气敏性烟雾传感器。价格适中，可视范围大，可靠性高，体积小，电源电压小，灵敏度虽有些差，但可以满足监控无人时有无烟雾的设计要求。

故本模块选用方案二。

2.4、人体检测模块

方案一：选用人体红外热释电传感器探头。造价低，性能优良，电路制作裕度大。但鉴于对其了解不够充分，若自己设计外围电路，性能可能不稳定，而且传输距离只有一米左右，距离较短，不符合题目要求。

方案二：选用人体红外热释电传感器模块。性能稳定，体积小，外型美观，尤其是装有菲涅尔透镜，使得检测范围较宽，而且价格不高，三线引脚，输出距离可控，应用、编程简单方便。

因此本模块选用方案二。

2.5、人员出入检测模块

方案一：用激光传感器检测，利用光的反射原理进行距离的测量。激光传感器具有抗干扰性强，测量精度高，反应速度快等特点。但需要添加外部的发射电路才能适合单片机接收，同时，由于激光传感器的制作比较精细使其价格过高，由于此方案不需过高精度，因此不使用此方案。

方案二：采用红外开关传感器实现人员检测，当有人接近传感器时，传感器发出的红外线径人体反射，可以检测到回返光线，从而检测有人经过。并且传播距离可达80cm左右，门口检测足够了。本系统采用此方案。

2.6、无线通信模块

方案一：采用GPS模块，实现远程监控。没有距离的限制，模组比较贵，成本太高，

方案二：采用以太网卡实现网络连接。可以实现网路监控。但需要配备长线，线路复杂，不方便。

方法三：采用nrf2401无线收发模块，集成度高传，体积小，低功耗，传播距离可达100米左右，可以实现异地监控，携带方便，便于控制。

2.7、显示模块

方案一：采用LED数码管显示器。LED 数码管亮度高，醒目，经济实惠，方便控制.。但占用I\O接口太多，动态显示占用CPU时间较多，不方便数据处理，静态显示则需要外接译码器和锁存器，最重要的是传输数据较多时不能清楚明白显示数据信息，不方便信息读出。

方案二：采用LCD液晶显示器。LCD有明显的优点：微功耗、尺寸小，薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适；可以用中文LCD液晶进行显示，有自带的汉字字库，使整个控制系统更加人性化。串口控制只需要四个I\O口，操作简单方便。

基于上面的比较分析和现有的LCD器件，选用方案二。

2.8、声光报警模块

方案一：声音发生体采用蜂鸣器，驱动只需要一只三极管，方便直接。光电报警采用一个发光二极管。功耗低且发光效果也很好。

方案二：采用R110/120（10/20秒）语音录放模块，单片可分段录放模块，反复录放，零功耗永久保存信息，单5V供电，自动节电，接口简单，使用方便，但费用较高，所以放弃使用此方案。

综合之，我们采用方案一。

2.9、贵重物品检测模块

方案一：使用E210磁条检测仪，独有过流保护装置，系统稳定可靠抗干扰性好，使用寿命长，通过声光报警可以检测，只需要在贵重物品上贴磁条，廉价经济，但磁条检测仪过于昂贵，不适合于宿舍防盗系统。

方案二：使用无线射频模块。电路大多采用芯片，电路简单，可靠，方便易行。且采用一节干电池供电，超低功耗。故本模块采用此方案。

系统各模块最终方案

控制模块：采用STC89C52单片机

电源模块：采用电池盒供电

烟雾检测模块：采用气敏型烟雾传感器

人体检测模块：采用人体红外热释电传感器

人员出入检测模块：采用红外接近传感器

无线通信模块：采用nrf2401模块

显示模块：采用液晶显示模块

声光报警模块：采用蜂鸣器和led发光二极管

贵重物品检测模块：采用无线射频模块

三、硬件实现及单元电路设计

3.1、控制模块

控制模块采用STC89C52单片机，52单片机属于51系列单片机，有四个I\O 口，两个外部中断，三个定时器，一个串行通信接口；两级中断优先级，8k flash 内存，256字节RAM区,本开发板的最小系统已经完善，常用外围电路已经焊接在最小系统板上。方便应用，多点控制廉价。

3.2、电源模块

本系统采用变压器电源跟电池组电源并举的方式供电。

从机检测部分安放在宿舍里，采用市电供电比较方便，而且经济。不用考虑系统因为供电电源而带来的寿命缩短问题。变压器变压组可以提供多种稳定电平，从而保证了传感器的额定电压。

从机检测部分电源采用变压线圈降压，再经LM2596稳压芯片将电压稳定在12V 给光电开关供电，7809稳压芯片将电压稳定在5V给单片机、烟雾传感器、红外热释电传感器、蜂鸣器等供电， 11171稳压芯片将电压分别稳定到3.3V以便于给低功耗的无线通信模块供电。贵重物品检测模块采用一节干电池供电。

考虑到主机接收部分的便携性，电源采用三节电池组成的电池组供电。单片机可直接用此电源供电，无线通信可把电池组经11171稳压后供电。

3.3、烟雾检测模块

封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。

由附录图1可以看出烟雾传感器的引脚以及其接线图，将A、A连在一起，B、B连在一起，（注意：A、B是等效的两端，并无极性可言）。电阻丝可直接供5V 电压加热，输出端与地接一个滑动变阻器RL，以调节其输出电压。

但输出电压是一个模拟量，电压会随着烟雾的浓度增加而增加，不适合单片机的检测。在输出端接一个反相器，这样，输出就变成了开关量。适合单片机的检测。

烟雾传感器可作为宿舍防火系统。当宿舍烟雾达到一定浓度，烟雾传感器就会同过无线通信模块发送报警信息。实现宿舍防火系统的实时监控。

3.4、人体检测模块

热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等。

热释电红外线传感器应用电路图如附录图2：

红外热释电传感器与红外壁障传感器搭配，在宿舍无人时提示锁门，或睡觉时关灯。也通过无线通信模块提醒主人宿舍有人，组成一个简单的宿舍实时监控系统。

3.5、人员出入检测模块

人员出入检测模块采用两个光电开关传感器，传感器由三条引出线：红、绿、

黄。红色电源线，绿色地线，黄色外接上拉电阻是输出信号线。

顾名思义，光电开关传感器的信号是一种开关量。通过内部的红外发射管发射出红外线，当外界有障碍或者有人阻挡时会有一部分红外线反射回来，被接受管接受到，根据接收管能否能接受到回返信号来判断前方有没有障碍或者人的存在。

分别在宿舍门口的内外墙壁放置一个光电开关传感器，以其响应的时间先后来判断人员的进出情况。并做出记录，以方便历史查询。

3.6、无线收发模块

ShockBurstTM模式。

ShockBurstTM模式的配置字使NewMsg_RF2401能够处理射频协议，在配置完成后，在NewMsg_RF2401工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间的切换。

ShockBurstTM的配置字可以分为以下四个部分：

1.数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数。这使得NewMsg_RF2401能够区分接受数据包中的数据和CRC校验码；

2.地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数。这使得NewMsg_RF2401能够区分地址和数据；

3.地址：接收数据的地址，有通道1的地址和通道2的地址；

4.CRC：使NewMsg_RF2401能生成CRC校验码和解码。

当使用NewMsg_RF2401片内的CRC技术是，要确保在配置字中CRC校验被使能，并且发送和接收使用相同的协议。

在配置模式下，注意保证PWR_UP引脚为高电平，CE引脚为低电平。配置字从最高位开始，依次送入NewMsg_RF2401.在CS引脚的下降沿，新送入的配置字开始工作。

3.7、显示模块

本系统采用12864液晶显示模块，显示宿舍的号码，实时显示烟雾，人员进出以及密码解锁情况。按照，一定的时序写入一系列的指令控制字，由烟雾传感器，人体红外热释电传感器，光电传感器控制其显示情况，并能调用宿舍情况的历史记录。

3.8、键盘模块

本机采用2*4矩阵键盘（见附录图3），软件消抖，即接收到按键信号，延时10ms后，如果还保持按键电平则认为是有键按下，否则视为无效按键。

键盘识别采用线反转法：先对51单片机P1口低四位送低电平，读取P1口高两位的值；再对P1口高两位送低电平，读取P1口低四位的值，将两次读到的值组合在一起就得到了按键的特征码，再根据特征码查找键值。

3.9、声光报警模块

用蜂鸣器作为声音发声体，发光二极管作为光报警装置。由于单片机的电流驱动有限，所以采用一个三极管来增加驱动能力，二极管的驱动简单，只需要一个上拉电阻。

3.10、锁门提示模块

锁门提示模块只需要一个蜂鸣器，把蜂鸣器连接在P1.7口，当检测到宿舍没人时提示锁门。

3.11、贵重物品检测模块

题目要求系统可以检测贵重物品，但贵重物品的种类很多又随着人们的认识不同而有不同的定义。所以本系统采用给贵重物品外加附属物的办法来实现贵重的物品检测。

如附录图4所示：无线发射器电路由低频振荡器和高频振荡器组成，低频振荡器由电阻器Rl、R2、电容器Cl、C2和时基集成电路ICl组成;高频振荡器由可变电阻器RP、电感器Ll、电阻器R3、R4、电容器C3-C9、发射天线Wl和晶体管Vl 组成如图所示6-194。无线接收报警器电路由无线接收处理电路和报警电路组成。无线接收处埋电路由无线接收集成电路IC2、电容器ClO-Cl9组成;报警电路由音效集成电路IC3、晶体管V2、电阻器R5和二极管VD组成。低频振荡器振荡工作后，输出lkHz的振荡信号对高频振荡器进行调制，调制后的高频信号通过天线Wl 向空中发射出去。在无线接收报警器与无线发射器的距离在3m之内时，天线W2将Wl发射的高频调制信号接收下来，再送至IC2进行译码解调处理，使IC2的2脚输出低电平。若无线发射器与无线接收报警器的距离超过3m时，则无线接收报警器将收不到Wl发射的高频调制信号，IC2的2脚输出高电平。

ICl选用NE555型时基集成电路;IC2选用TDA7000型无线接收集成电路;IC3选用KD9561型报警音效集成电路。

四、软件设计

4.1、发射流程图

4.2、接收流程图

五、系统测试

5.1、测试仪器

测试使用的仪器如下表所示：

5.2、测试指标

为了更好的了解各个模块器件的性能跟功能，我们对各模块做了以下几种检测：

5.2.1、烟雾传感器测试

烟雾传感器内部有一个加热丝，加热一段时间后才会有反应，即需要预热，预热完毕后，当通入烟雾时就会输出高电平，烟雾散去输出低电平，由此可知，烟雾传感器是开关量而且是高电平有效。

5.2.2、人体红外热释电传感器测试

该传感器有两个电位器，一个用来调节延时时间，另一个用来调节距离。其中调试参数如下：

延时最大可以大到传感器的寿命，所以上表只出示延时的最小时间。由上表可以得出传感器的最小延时时间约是1.98秒。

5.2.3、光电传感器测试

红外发射管的电流在5~20mA之间，电流大发射的红外线强但杂散反射光分量多，不易调整，检测误差大；电流小，工作可靠，检测头相对被检测的物体的距离范围窄。给红外接近开关加12V电压，适当拉近或远离反射物体，调整电位器的大小，使得红外接近开关在一定范围内能检测到反射物体。经调整，四个传

5.2.4、无线收发测试

单向收发测试：使用两个51板，配有按键程序及显示程序，将按键编码后，当发射方有按键按下时，键值能通过无线模块发送即时信息，主机能够接收，接

5.2.5、贵重物品检测测试

射频接收器接收距离可调，通过距离调节旋钮，最近可达1m左右，最远可达15m左右。

六、总结

本系统以AT89C52单片机为核心部件，利用反射光电传感技术，烟雾传感器，人体红外热释电传感器，声光报警，无线收发，无线射频，液晶显示等功能，并实现了网络的多点通信，最终使系统完成题目中要求的各项任务。因为时间有限，该系统还有很多值得改进的地方。

在本次设计的过程中，遇到了许多突发事件和各种困难，设计制作曾一度中断，但通过仔细分析和自我状态调整后解决了问题，在这个过程中我们深刻地体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己解决问题的能力。

参考文献：

1. 谭浩强著。《C程序设计》，第三版，清华大学出版社，2008.2

2. 阎石主编。《数字电子技术基础》，第五版，高等教育出版社，2006.5

3. 康华光主编。《模拟电子技术基础》，第五版，高等教育出版社，2006.1

4. 张毅刚、彭喜元编著。《单片机原理与应用设计》电子工业出版社，2009.6

5. 徐科军主编。《传感器与检测技术》，第二版，电子工业出版社，2009.6

附录：

图1：烟雾传感器电路图

图2：热释电人体红外传感器

图3：矩阵键盘

图4：发射装置

图5 接收装置