新型家庭防火报警器的设计与实现外文翻译资料

 2023-01-19 09:51:25

武汉理工大学

毕业设计（论文）

新型家庭防火报警器的设计与实现

谢永志1，皇城之2

1广西新能源与建筑节能重点实验室，桂林 541004，中国

2桂林理工大学机械与控制工程学院，桂林 541004，中国

摘要

本文以传感器和单片机为核心部件，设计了一种防火防盗报警器。设计包括了主机和从机两个微控制器。智能无线报警系统由信号采集单元、信号传输单元和控制单元组成。它具有防盗和防火功能，包括通过隐蔽安装来检测偷窃物，并方便多用户对热释电红外传感器进行统一管理，以MQ-2烟雾传感器和温度探测器为一体来进行火灾探测。主机与从机通过无线方式进行信息交流，实现远程实时监控。

关键词：单片机；烟雾传感器；报警；红外传感器；无线

  1. 引言

近年来，随着社会经济的飞速发展，现代建筑具有规模大、水准高、人员多及设备多的特点。商业网络、住宅区和高层建筑正在日益增加，与此同时也在人们的工作和生活中掩埋了许多隐患，火灾隐患就是其中之一。随着农村城市化进程的加快，城市居民的结构日益多样化，社会保障状况变得复杂多样，不可预料的入侵时刻威胁着人们的人身安全。随着社会的发展，人们的防火、防盗意识不断提高，迫切需要更好的监控和预警装置，对火灾、盗窃等做到早发现、早报警、早准备，以减少不必要的损失。因此，人们需要一种新型的防火防盗系统。

  1. 系统总体设计

火灾报警系统包括电子检测和智能控制，形成防盗、火灾报警系统。该系统由四个主要模块组成：防盗探测器、火灾探测器、用户端自动警报和无线传输。该系统以STC89C52微控制器为控制核心，由红外人体传感器、烟雾传感器、温度传感器、LED控制电路和相关的控制管理软件组成，实现远程监控、声光报警、烟雾探测和人体探测等功能。该系统的整体框图如图1所示：

电源

主机89C51 MCU

数据处理

从机89C51

MCU

获得的数据

1602显示

无线传输

烟雾采集

红外采集

声光报警

温度采集

图1 系统总体框图

  1. 系统硬件电路设计

3.1 烟雾探测电路设计

烟雾检测选用MQ-2传感器。通过烟雾传感器将各种烟雾浓度信号转换为电压值，ADC0832芯片将电压值转换为可以由单片机处理的数据，从而可以在实际情况下确定烟雾强度警报值。ADC0832是美国国家半导体公司生产的8位分辨率双通道A / D转换芯片。由于其体积小，性价比高，兼容性好等特点，被单片机爱好者和企业广泛使用。A / D转换芯片和传感器的接线图如图2所示：

图2 烟雾浓度采集电路

3.2 红外信号采集电路设计

该电路将人体的红外辐射转换为电信号（如图3所示）。根据不同的距离调节R13，最大可调节到7米。图中BISS0001的第1脚接高电平，在红外传感器的延迟时间内，如果人体一直处于其感应范围内，输出将始终保持高电平，只有人离开了，才从高电平变为低电平，该电路在触发模式下工作。

图3 信号处理模块

3.3 声光报警电路设计

声光报警电路通过9012三极管的基极与2K电阻相连，并与单片机的P3.6端口相连。各模块接收到的信息传输到微控制器，由软件设置上限，单片机判断该值是否高于上限，当该值高于上限时发出声光报警。蜂鸣器与LED照明的接线图如图4所示：

图4 声光报警电路

3.4 无线收发器电路设计

nRF24L01的引脚功能如图5所示：

图5 nRF24L01封装图

1. GND：接地端；

2. CE：芯片模式控制线。如果CSN较低，则CE与NRF24L01的CONFIG寄存器配合确定NRF24L01的状态；

3. SCK：芯片控制时钟线（SPI时钟）；

4. MISO：芯片控制数据线（主机输入，从机输出）

5. MOSI：芯片控制数据线（主机输出，从机输入）

6. CSN：芯片选择线芯片，芯片工作时CSN为低电平；

7. IRQ：中断信号引脚。当内部发生中断时，当NRF24L01 [27]发生内部中断时，IRQ引脚将从高电平变为低电平。在以下三种情况下，该引脚将变为低电平：TxFIFO完成并接收到ACK（对于ACK），RxFIFO接收数据并达到最大重传次数。

8. 3.3V：输入电源3.3v。

  1. 系统软件设计和Proteus仿真

系统工作流程：从机首先必须对传感器进行预热，因为mq-2气体传感器必须预热几分钟，然后才能用于避免误报。程序初始化后，从机将继续发送数据，如果主机接收到数据，红灯将闪烁，系统将进入监视状态。

当警报系统工作时，烟雾浓度传感器获得的信息由ADC0832处理，然后传输到从机微控制器。温度和红外信息直接传递到从机微控制器进行处理，处理后的数据通过无线传输模块传输到主机MCU，主机从计算机接收信息并进行分析，以确定系统是否应发送警报。主机程序还包括使用LCD1602显示烟雾浓度、紧急情况、手动警报、警报设置、各种中断例程等。

在Proteus ISIS中，根据示意图连接硬件。由于Proteus软件没有nRF24L01设备，因此无法进行无线传输仿真，因此原理图的原始设计无法实现，必须将主机和从机合并，以移除nRF24L01无线传输模块。将从机上连接的每个测试模块直接连接到主机。Proteus仿真主要是为了编写程序，可以通过仿真程序的运行来检查问题。Proteus仿真如图6所示：

图6 Proteus仿真

  1. 结论

该设计由主机和从机微控制器两部分组成，通过从机微控制器实现检测用户家庭烟雾和人员入侵的功能，主机微控制器实现了传输用户家庭烟雾数据和人员入侵的功能，主机实现对从机微控制器发送信号的接收和处理，并监视从机的功能和警告。通过测试发现，该系统已完成设计要求，运行良好且实用性强。

致谢

广西新能源与建筑节能重点实验室研究基金（No.15-J-21-12）

参考文献

[1]王栋. 基于STM32和HC-SR501智能家居的智能照明系统设计[J]. 重庆工业大学学报, 2016,12(6)：43-44.

[2]魏薇. 51单片机C语言开发与应用技术案例详解[M]. 北京化工出版社[M], 2010.75-78.

[3]周仲彦, 等. 传感与检测技术[M]. 北京理工大学出版社, 2015.46-49。

[4]高云洪. 智能仪器技术与工程实例设计[M]. 北京航空航天大学出版社, 2015.150-155.

[5]杜玉. 基于nRFg05的无线网络设计[J]. 电子技术与软件工程, 2015,21(17):49-51.

[6]陈忠, 等. 基于STC89C52单片机的控制系统设计[M]. 清华大学出版社, 2015.77-81.

基于单片机的微波防盗报警器设计

谭汉红

广东科技大学，广东东莞 523083

摘要

目前，大多数家庭使用安全门并在窗户上安装安全网以防止盗窃和保护家庭安全，但是这些不足以满足当前防止外部威胁的要求。为了更有效地确保房屋的安全并防止盗窃，必须相应地升级防盗设施。因此，市场上出现越来越多的警报产品可以满足这一要求。如今市场上配备了压力感应防盗警报器、电子开关防盗警报器以及压力和光屏蔽来触发防盗警报器，但是更常见的是使用电磁场和微波传感器作为检测器和单片机控制智能警报。本文基于AT89S51微控制器，采用红外传感器和微波传感器作为检测器，设计一个家庭防盗报警器。

关键词：微控制器；防盗；微波；报警

1．引言

本项目设计的微波防盗报警系统由热释电红外传感器、微波探测器、声光报警器、单片机及其控制电路以及相关的管理和控制软件组成。它具有基本的防盗报警功能，可以自动检测信号，自动报警。自动警报意味着当MCU收到检测器检测到的入侵者信号时，它会通过程序控制自动输出警报信号，从而使扬声器和LED发出警报。该系统的运行方式为：当需要外出时，警报系统将设置为外出布防状态[1]，这是探测器开始工作的时候，如果有人入侵，则热释电红外探测器和微波探测器会同时探测到入侵行为并发送信号给AT89S51单片机，AT89S51单片机经过处理并计算出输出信号进行报警电路。

2．设计要素和工作原理

2.1 热释电红外传感器

热释电红外传感器（PIP）通常使用差分平衡结构，该结构由敏感组件、场效应晶体管和高阻值电阻组成。“这是一种可以检测到人体发出的红外辐射并输出电信号的传感器[2]，它可以以非接触形式检测到人体发出的红外能量的变化并将其转换成电压信号输出，可以驱动各种控制电路。”

原则上，任何发热体都会产生红外线。热释电红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。环境和自身的温度变化由其内部结构决定了它不会向外输出信号；而传感器的低频响应（通常为0.1~10Hz）和对特定波长的红外线响应（通常为5~15um）决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感，而这种变化对人体而言就是运动的人体。所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静态或运动缓慢的人体不敏感。它可以抵抗可见光和大多数红外线的干扰。

2.2 微波探测器

微波探测器是用于探测在防范空间内任何移动物体的空间探测器。微波探测器的可靠性强，无光源和热源的要求，并且勘测环境要求低。在微波段，当以一种频率发送时，在微波能量覆盖的范围内，如果有物体移动，将会以另一种频率反射，因此传输频率将具有频率差。

当有人移动时，反射回去的微波会发生频率变化，从而微波探测器输出一个与人体运动速度有关的低频电信号，该特性也是选择将微波探测器作为警报探针的原因。环形天线及其周围的电阻、电容和MOS 场效应管组成了一个近微波段高频自激振荡电路。当电路接通电源以后，振荡产生的单频等幅信号通过外接天线发射到空间，产生一个立体空间微波防护区，天线也可以接收回波。反射回来的微波信号与原始信号之间混频后产生微弱的频移信号，该信号会被送到放大器进行放大。放大后的信号送窗口式鉴幅比较输入端，经比较，将一定强度的探测信号转换为宽度不同的等幅脉冲输出。微波探测器原理如图1所示：

图1 微波探测器

2.3 微波探测器原理

在众多的51系列单片机中，ATMEL的AT89C51单片机和AT89S51单片机更加实用，因为它们不仅与8051指令和引脚完全兼容，而且还具有4k片内程序存储器是闪存工艺的。这种工艺，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。ATMEL AT89XX微控制器的总体设计具有这些功能。显然，对此类SCM应用程序对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。您还可以加密写入微控制器的程序，从而保护您的科学技术成果[3]。

AT89S51和AT89C51的当前价格都低于8031单片机的价格，市场供应也足够。AT89S51目前已成为实际应用市场的宠儿，相比之下，AT89S51单片机在工艺上比AT89C51更新，进行了多方面的改进，采用了新工艺，降低了成本，采用0.35nm新工艺来提升性能，提高竞争力。AT89SXX可以兼容89

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