基于51单片机的防火防盗系统的设计与实现

2022-03-16崔孟豪常新峰

物联网技术 2022年3期

崔孟豪，常新峰

（平顶山学院信息工程学院，河南平顶山 467000）

0 引言

随着人们生活水平的飞速发展，居民住宅小区内的防火防盗已成为一个重要的安全问题。目前具备天然气泄露起火报警、门窗防盗等功能的设备普遍存在价格昂贵、功能单一等缺点。因此，本文以GSM通信技术为支撑设计一款基于51单片机的防火防盗系统，通过模块间的配合来实现防火和防盗功能，使人们在享受生活的同时保障生命财产安全。

1 系统总体设计

系统总体设计如图1所示，选用STC89C52作为主控制器，采用DS18B20温度传感器、MQ-2烟雾传感器、热释电红外传感器和摄像头进行数据采集，利用LCD1602液晶显示屏作为显示器、蜂鸣器和LED灯进行声光报警、三极管和继电器控制风扇，通过SIM800使系统与用户手机互联。硬件选型完成后，根据电子电路设计图，进行硬件焊接，组成一个单片机系统。

图1 系统框图

2 系统硬件设计

2.1 传感器模块设计

2.1.1 温度传感器设计

本设计采用DS18B20温度传感器检测室内场所的温度。DS18B20是一款数字温度传感器，可以直接传输给单片机；此外，DS18B20具有应用方便、抗干扰能力强、精度高、价格便宜等优点。温度传感器模块电路原理如图2所示。此元器件有3根外部引脚，其中VCC引脚接电源，GND引脚接地，另一引脚则连接I/O总线；加10 kΩ电阻的目的是上拉限制高低电平。

图2 温度传感器模块电路原理

2.1.2 MQ-2烟雾传感器设计

本设计采用MQ-2型烟雾传感器进行烟雾监测。当烟雾传感器所处环境存在可燃气体时，烟雾传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，使用ADC0832可将电导率的变化转换为与该烟雾传感器气体浓度相对应的数字信号。根据采集电压的变化，A/D会输出不同的电压。烟雾传感器模块电路原理如图3所示。

图3 MQ-2烟雾传感器模块电路原理

2.1.3 热释电人体红外传感器模块

热释电人体红外传感器能接收到人体发出的红外辐射，它由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成，能感应37 ℃人体发出的红外光。本设计在传感器的前端安装了菲涅尔透镜，以此来提高其灵敏度，增加检测距离及范围，其电路原理如图4所示。

图4 人体红外传感器模块电路原理

2.1.4 摄像头模块

本设计选用OV3640型号的摄像头模块，它具有成像清晰、数据处理准确等优点。当摄像头采集到视频数据后，将视频信号传输到视频编码通道上进行编码压缩处理，处理后的视频数据保存在本地。当红外传感器检测到有人触发报警后，用户可直接在手机端查看摄像头采集到的视频。

2.2 通信模块设计

本设计采用的通信模块为SIM800。此模块具有体积小、价格便宜、发送短信时间快等特点。因SIM800给用户发送报警短信后会产生一个较大的反向电流，所以在电路中连接一个二极管，防止反向电流击穿芯片，造成损坏；设置1 mF电解电容为发送短信提供足够的条件；通信方式采用的是串口通信，其电路原理如图5所示。模块支持RS 232和TTL接口控制，可以方便地使用电脑或者单片机控制实现GSM/GPRS功能。

图5 通信模块电路原理

引脚功能：T-RX连接单片机的TX引脚；T-TX连接单片机的RX引脚；GND连接单片机的GND引脚。TTL电平支持3.3 V/5 V系统，接口外部的输入工作电压为5～24 V，能保证给SIM800提供2 A电流，这里使用5 V、2 A电源进行供电。

2.3 LCD1602显示模块设计

本系统通过LCD1602显示屏显示检测到的温度和烟雾浓度，LCD1602显示屏与单片机的P口连接，并在中间连接一个10 kΩ电阻，其原理如图6所示。

图6 显示模块电路原理

LCD1602显示屏的读写操作是通过控制指令程序来实现的，当有数据传输到LCD1602显示屏时，引脚RS与引脚R/W均置为低电平并进入写入指令；然后引脚RS置为高电平，引脚R/W不变，写入数据；最后将引脚R/W置为高电平进行读操作，并将数据显示在显示屏上。

2.4 报警模块设计

本设计报警电路分为两部分，分别是声光报警和短信报警。声光报警模块电路原理如图7所示。设置烟雾浓度和温度报警阈值，单片机开始循环监测，并把监测到的数值与阈值进行比较。触发报警条件，单片机向报警模块发送命令，蜂鸣器置为低电平开始工作，LED灯亮起，同时向SIM800模块发送AT指令，向用户发送报警短信。

图7 声光报警模块电路原理

3 系统软件设计

系统软件设计包括数据采集、数据显示与通信传输三部分。

3.1 数据采集

系统初始化完成后传感器开始进行数据采集，通过按键设置温度和烟雾浓度的报警阈值以及防盗模式的开关，将温度、红外浓度与利用ADC0832进行模数转换后的烟雾浓度数据传送给单片机分析处理，温度或烟雾浓度达到报警条件后开启风扇、报警并发送报警短信，防盗开启模式下有人经过时报警并发送报警短信。数据采集流程如图8所示。

图8 数据采集流程

3.2 数据显示

LCD1602显示屏接通电源后，显示屏首先进行初始化，此时屏幕上的数值将被清零，单片机通过程序进行数据的写入操作；然后LCD1602显示屏将数据显示在指定位置，检测到结束字符时，将结束数据写入。数据显示流程如图9所示。

图9 数据显示流程

3.3 通信传输

本设计可通过手机端进行设备防盗模式的开启和关闭，还可以显示检测数据。手机控制设备发送相应的命令，对于用户发送的文字模式命令需要转换为Unicode码，将转换过的命令暂存在GSM模块的AT命令缓存区，然后发送到GSM核心模块后执行相应功能。程序流程如图10所示。

图10 通信传输流程

系统中使用的AT指令见表1所列。

表1 系统中使用的AT指令表

4 系统测试

4.1 系统功能测试

本系统的功能测试主要测试数据采集和通信功能两个方面。

4.1.1 数据采集功能测试

首先进行温度数据采集测试，将装着热水的热水袋缓慢靠近DS18B20温度传感器，可以看到显示屏上的温度值慢慢增加；然后进行烟雾数据采集测试，利用打火机的气体进行烟雾采集的测试，打火机打火后吹灭火焰，并放在烟雾传感器附近，可以观察到显示屏上的烟雾值缓慢增加；再进行红外数据采集的测试，打开防盗模式，当无人靠近红外传感器时显示屏与声光报警模块没有变化，当有人靠近时显示屏上显示“Somebody”字样；最后进行视频采集测试，给系统通电，开启防盗模式，有人从摄像头前方走过，触发报警，手机接收到报警短信，这时可以在手机上看到摄像头采集到的视频。

4.1.2 通信功能测试

设备打开时防盗模式默认关闭，首先使用手机给设备中的通信模块发送短信“开启防盗”，等待1 s，然后继续发送指令“关闭防盗”；再等待1 s，发送短信“获取数据”，至此所有功能测试完成。