论文详情
电气工程及其自动化-基于单片机的智能火灾报警的设计与实现
基于单片机的智能火灾报警的设计与实现
中文摘要
当代科技发展的提升以及快节奏的生活模式促使更多的家电产品以及智能厨具出现在我们的家里，在便利的同时也增加了安全隐患。此外，社会转型期又给许多住户增添了更多的不安全因素，原来的安全制度和保护手段已经不能应付高风险带来的冲击。针对上述现状，我们构建了一套智能家居安全管理系统，该系统以短信功能为核心，使用微机与各种感应器组成一种综合体系。
本文进行了基于短信平台的家庭安防管理系统的总体设计，并详细说明了该管理系统的构建方法，对主控模块、通讯网络、热释电模型、烟雾监测模型、短信模组和接口电路等进行了较深的剖析探究。文章设计的家庭安全管理系统不但能够适应现代安全家居的需求，而且具有较简单的硬件架构，软件可以使用模块化的程序结构，方便进行程序功能的扩充，而且价格也比较高，更容易推广应用。而本文还采用了短信息平台所设计的家居安全管理系统，可以对家中风险状况实现报警并远程通知与管理，从而达到了远程监控家庭状况的基本功能，实际使用空间很大。
关键词：安防系统；报警系统；网络模式；预警信息
ABSTRACT
The promotion of contemporary scientific and technological development and the fast-paced lifestyle have prompted more home appliances and smart kitchen utensils to appear in our homes, which has increased the security risks while being convenient. In addition, the social transition period has added more unsafe factors to many households, and the original safety system and protection means can no longer cope with the impact brought by high risks. In view of the above situation, we have built a smart home security management system, which takes the short message function as the core, and uses a microcomputer and various sensors to form a comprehensive system.
In this paper, the overall design of home security management system based on SMS platform is carried out, and the construction method of the management system is explained in detail. The main control module, communication network, pyroelectric model, smoke monitoring model, SMS module and interface circuit are deeply analyzed and explored. The family safety management system designed in this paper can not only meet the needs of modern safe homes, but also has a simple hardware architecture. The software can use a modular program structure to facilitate the expansion of program functions, and the price is relatively high, making it easier to popularize and apply. This paper also adopts the home safety management system designed by short message platform, which can realize alarm and remote notification and management of the risk situation in the home, thus achieving the basic function of remote monitoring of the family situation, and the actual use space is very large.
KEYWORDS：security system;alarm system;network mode;Early warning information
1 绪论
1.1 选题目的
中国社会经济的发展速度越来越快，对科学技术的研究也取得了史无前例的重大突破，而国民经济与科学技术的进步也给中国人民的生活方式带来了巨大的改变。人类生活品质在得到提高的同时，对家居安全以及个人财产的防护也得到了提高，从而要求等级更高、效能更佳的防护体系。由产品设计的，是现代消费电子产品防火防盗系统且属于51单片机和GSM短信模块，也是现代家庭安全和电子产品防火防盗的重要目标。
伴随着人民日常生活的质量提升以及科技技术迅速的发展，各种安全威胁日益增多，风险因素比以往任何时候都多。而在这些因素原之中，其中的火灾属于最容易发生，也最具备破坏力以及非常难政治的一项重大灾害。火灾是发生在人们日常生活和工作中的一种破坏性灾难，在短时间内难以控制，并在火灾空间内高速蔓延，对人类生产生活造成极大破坏。火灾事故的出现概率较高，平时的生活中时常见到各类有关火灾事故的报告或者亲眼目睹，火灾事故不但会给财物造成损失，还会威胁居民群体的生命安全。由于国民经济和科学技术的发展，引起火灾事故产生的危险种类更多，使得火灾事故的防范工作和消防工作受到更大的关注。因此，火灾报警器在火灾事故的防范工作中也充当着关键的作用。
1.2 选题意义
相关科技技术的进步发展也有利于单片机的使用和普及，如今，单片机常见于使用在工农业生产之中。单片机的技术本质属于微处理器，并且属于一种控制器件的相关计算机的系统，其体积相对来说非常小，但是使用功能却很强大，也就是说单片机的性价比较高，使用优点众多，在很多电子电器中都会有所使用，使用的范围也特别的广泛。所以说对于单片机的技术开发需求需要具备多样化，多种类型的进行不同领域中使用。而其中，用于家庭防盗报警系统之中也同样采用了单片机的使用，并且，单片机对于报警装置来说，更能助于提高设备的相关安全性，以及可靠性等，更加能够满足大家的功能上的一些需求等。
火灾报警器通过我国的研发以及推广的过程，已经研发成为智能化的一个过程。目前我国智能化技术水平也在不断进行提升，随着当前经济社会的发展，在隐患多的情况下，火灾报警器的智能化发展趋势属于必然的情况。 大家对于火灾预警的兴趣大大增加了火灾报警器的工作难度。报警系统不仅要具备实时检测、危险情况预警等基本功能，还要向更高的灵敏度、可靠性和智能化方向发展。因此说，研发出一种使用性能较为良好，且功能有非常强大，使用结构较为简单并且稳定，还要较为实惠的报警系统是非常亟待的一项研究。
2 系统方案设计
2.1 系统总体设计思路
本文设计的家居安全报警控制系统的基本构造，如图2-1所显示：此系统基于GSM短消息模块。数据采集与转换系统由红外热释电探测器和MQ2烟雾传感器进行组成。单片机的控制器将收集到的相关数据转换成GSM模块，最终把相关的信息结果传递给用户的终端。
图2-1 基于GSM短信模块的家庭防盗报警系统
该装置采用红外热释电传感器和MQ二烟雾感应器为信号采集装置，获取住宅内可疑居民自身发出的红外线和住宅内的烟尘，然后将数据信息传送至89号C52主控芯片，单片机接受到信息后将触发GSM短信功能对居民发出告警消息，由此实现了住宅的安全防护和监控告警能力。
本控制系统的主要工作路径是:利用热释电型红外感应器采集并检测从可疑人体内放射的红外，当感应器接收到红外信息后，就会把此信息转化为电讯号，电讯号通过集成电路控制系统的层层滤波、增强和滤波传输到该系统，然后由该系统触动相关控制器并启动告警控制系统，向与应用绑定的终端用户传送告警信息；防失火的主要工作原理是:使用MQ二烟雾感应器监测卧室中的烟气，对所监测到的烟气做出比较判定，然后将数值传送至机器人上，由机器人比较浓度，如果卧室中的烟气含量超过了某个值，机器人就会触发模块，将火警信号发送至已绑定的客户的行动客户端上，以此完成了对家庭中失火的报警。
2.2 系统方案设计
本文主要对安保报警管理系统的软与硬件进行了设计。系统组成主要包括供电回路，短信系统，烟雾感应器，以及微机控制系统等。用户可以通过手机或移动终端进行查询到系统报警相关数据的信息。
通过整个报警器设计之中，其中单片机的模块是报警其中的最基本的模块，控制系统是基于单片机系统设计和应用的。 其单片机应用的控制系统主要是由软硬件两个部位进行组合而成的，其中硬件一般情况下有输入与输出的设备，有单片机，还有不同的处理电路等进行组合的，而软件部分则基本上包括了所有的工作控制系统和应用软件。所以，要进行一个嵌入式单片机的研制与开发，不但要完善总体概念，而且还要对硬件系统与软体进行深入研究。
按照防盗报警器的使用要求和设计特征，防盗报警器设计总体框图见2-2图的显示。
图2-2 总体设计框图
见上图显示，中央安防报警模块采用89C52单片机。在软件和网络系统的控制下，如果放置在建筑物内的红外传感器能够接收到可疑人体产生的红外光，就可以将红外光转化为微弱的电流，经过滤波放大后发送到阈值 此时开关工作到启动，电流信息将发送到 89C52 单片机控制器。信息传送到单片机后，由电脑判断是否满足报警要求，一旦传送的信息表明有可疑人员进屋，就会发出警告，并向遥控器发送报警信号同时终端。发出警报后的一段时间，当终端用户在认识到可能状况或做出求救行动之后，就会关闭警报以降低资源损失。
2.3 传感器简介
2.3.1 热释电红外传感器简介
热释电红外传感器属于一种用于探测和收集热红外辐射的被动元件，其工作环节当中用于检测探测区域内是不是存在异常的红外光，该装置不进行主动与环境进行能量的交换，因此视为被动设备。改设计之中所用运用的红外传感器也称之为热释电红外探测器，主要是由于被动红外探测器重点依靠的是热释电效应工作。热释电效应则指的是当柠檬酸钡、锆酸铅等铁电体表面温度P(zT)波动时，物体相关的表层会根据所在的环境中温度的波动而进行相应的改变电荷，致使达到电荷平衡状态。物体表面被破坏，表面物体发生热极化，这个过程中会把温度信号转成电信号。
如果有相关可疑人员移动到检测区域的时候，热释的电红外传感器就会按照移动状态向四周的环境发射不一样的波长相关的红外线。红外温度对传感器产生热释电效应，说明了当前环境中的温度在进行改变。通过相比环境因温度变化引起的红外分布以及运动，能够完成室内三维物质信号的检测和采集。
因为所检测到的地方区域经常情况下属于房屋某处地方，因此该区域内会有很多家居用品，其中热释电红外传感器必须智能判断这些物品并没危险。当判断所在环境属于安全范围之中时，感应区域会发生相应的异常红外光，说明感应区域的环境有了明显的变化。这时，高能红外光触发PIR传感器，突变转化为电流，电流信号由一系列电路集成。经放大滤波后送至单片机，与单片机比较后发出报警信息。人体发出的红外范围是8-14μm，所以这个范围也是热释电红外传感器的主要检测范围，所以传感器对防盗检测来说效果较好。
为追求红外传感器性能灵敏、探测范围广、成本低等优点，本文将其应用于安防监控报警系统，在原有报警器的基础上增加了光报警、声报警功能。
2.3.2 热释电红外传感器电路图
在十九世界百十年代时，热释电红外（PIR）传感器的使用功能效果的适用性较为稳定并灵敏，因此得到了广泛的应用与发展。本PIR传感器的重点功能有：能够对某个空间进行检测到是否有可疑的人物，所以同时在防盗系统上也得到了广泛的使用。随着技术的发展，近几年，传感器也使用到一些家电上，如干手器等，也就是说人的手接触到电器附近时，其中的红外信号会感应到，从而转化成电信号进行起到烘干手的功能。
图2-3 热释电红外传感器的内部电路框图
2.4 MQ2烟雾传感器简介
2.4.1 传感器介绍
对于火灾以及其他等灾害安全的预警系统来说，其中的烟雾传感器能够进行测量出烟雾的含量多少。也就是说，当检测到房间内有烟雾后，可以通过传感器进行烟雾信号的采集，采集后在进行相关分析，按照收集到的烟雾气体分子的类型和浓度，把这些烟雾转化成相应的电流信号，之后，在将这些信号传递到相应的模块后，当能够达到预警级别的效果时，最后系统会发出相应警报，再把相应的警报信息传递到客户端，从而进行完成对房间灾害的一些监测报警。整个系统道中，其中的烟雾传感器对于报警系统来说起到了非常重要的作用，因为预警报出取决于烟雾传感器收集到的所有信号，也就是说传感器性能灵敏越强，其对采集的数据也就会越准确，对分析的可信度也就会越高，所以说烟雾传感器在报警系统中起到了核心的影响力。下图中2-4显示了烟雾传感器的内部结构。
图2-4 烟雾传感器及其结构图
现状随着烟雾种类多种花，导致传统传感器感应到的不一样烟雾种类所产生的适应度也会不一样，所以诞生了相关的半导体传感器。半导体传感器能够很好的适应各种各样的烟雾类型，虽说其结构相对来非常的简单，但其产生的灵敏度是非常的高，而且小巧玲珑，价格上也很平民，使用功能性能很稳，不用时常的维护，使用起来十分的方便，因此这几年半导体传感器的使用得到了非常的普及。通过对文章的综合考虑，最终使用的是MQ-2 半导体烟雾传感器。
2.4.2 MQ-2半导体烟雾传感器
二氧化锡的在洁净室内空气质量中具有相当低的电导率，因此，MQ-2半导体传感器是以SnO2为主体的半导体气体传感器。如果将其与 N 型传感器进行比较，该传感器可以随时检测环境四周气体具体成分情况。如果一经感应到环境中出现的烟雾浓度较高时，其传感器的电导率也随着变大，再利用其中的内部电路设置，将相应的物理信息转化成电的信号。此类传感器能够运用到各种各样的烟雾之中，部件结构简单，使用方便，而且价格也很适合，市场使用率也特别高。
MQ-2半导体烟雾传感器得到了广泛的应用，对于天然气、汽油等相关的气体，也能够进行预报传送警报，说明此传感器的灵敏度非常的高。所以说，现在很多家庭中的报警器都会采用这种传感器进行预防报警，也能够降低家庭生活的风险。该感应器在很广的浓度范围内对烟雾空气有不错的敏感性，可以探测各种可燃性物质，非常适宜使用于家庭的空气泄露报警器上。是一种便携空气探测器，是各种用途的低成本感应器。Mq-2半导体气体烟雾传感器的详细技术指标见表2-1。
表2-1 MQ-2的技术指标
加热电压（Vh） | (1) AC或DC 5±0.2V |
回路电压（Vc） 负载电阴（Rl） 清洁空气中电阻 （Ra） 灵敏度（S=Ra/Rdg） 响应时间(trec) 恢复时间(trec) 元件功耗 检测范围 使用寿命 | (2) 最大DC 24V (3) 2KΩ (4) ≤2000 KΩ (5) ≥4(在1000ppmC4H10中) (6) ≤10S (7) ≤30S (8) ≤0.7W (9) 50—10000ppm (10) 2年 |
2.5 51系列单片机的内部组成
此次的单片机主要使用的是宏晶技术公司研制的一种STC89C52RC系列的单片机，次单片机的抗干扰能力特别好，而且耗电量也较小，而且速度很快，可以高速运行。最关键的是这个单片机可靠性非常高，能够完全兼容于普通的8051单片机控制器，并且还能够支持使用六时钟/机器周期或者十二时钟/机械周期。
2.5.1 STC89C52单片机的内部组成
应该知道，MCS—51系列单片机八十九C五十二是由中央处理器CPU、随机存储器RAM、读写寄存器ROM、进入/出口(I/O)连接集成电路、计时器/计量器等几个部分所构成，并配合相应的外设电路，如时钟集成电路、复位控制集成电路等，就能够组成一种最基本的迷你计算机系统。
↓点击下方附件，下载后阅读全文↓