基于单片机的家庭防火防盗控制系统的设计

随着网络通信技术的快速发展和人们生活水平的逐渐提升，人们对住宅的安全性和智能性的要求也不断提高。传统防火防盗报警系统存在线路被切断以及恶意占线的问题，并且需要耗费较高的能量，系统稳定性差，并且无法实现准确监控。为此，设计单片机的家庭防火防盗控制系统，对家庭住宅安全进行准确监控。

1、单片机的家庭防火防盗控制系统结构

单片机的家庭防火防盗控制系统的总体结构用图1描述。家庭防火防盗控制系统的关键控制部件是STC89C52单片机，包含单片机主控模块以及各功能子模块。采用SUM300模块作为无线通信模块，其外围电路采用JB35G短信息模块，系统向JB35G模块反馈短信报警信号，单片机采用RS232串行口与JB35G模块交流信息。通过温湿度测量、无线防火、防盗传感器检测室内红外信号以及火灾烟雾浓度等信息。单片机基于GSM短信模块的通信协议同其交流信息，完成短信息的收发。主控单片机电路对短信息指令进行采集和解析，控制不同的功能子模块。主控单片机对室内电源插座开关、窗户电灯开关实施管理，检测室内温度、湿度以及烟雾状态，存在异常时通过短信息报警。

图1  系统总体构成图

正常状态下控制系统处于撤防模式。用户不在家里时，将控制系统设置成布防模式，通过无线热释红外检测器、可燃气体检测器、温湿度传感器检测信号，如果警戒区域中有人入侵或出现火灾，防火防盗报警检测器无线发射电路将发射信号，无线接收模块采集无线信号并向单片机传递中断申请。单片机对中断进行响应后，采集报警信号对应的编码器编码，检测出存在异常的传感器，实施声光报警，向用户发送报警短信。

2、家庭防火防盗控制的硬件系统

2.1、短信模块

系统采用JB35G短信息模块，如图2所示，其是一种GSM短信息模块，体积小，广泛应用在远程监控的移动数据通信系统中。JB35G短信息模块为GSM短信息模块提供完整的电路，集成SIM300芯片和其外围电路、天线以及RS232接口等器件，并且包含TCP/IP协议，能够完成TCP、UDP传递，能够在PC机中采用串口实现短信息的通信规范解析以及调制。

图2  JB35G短信息模块

2.2、STC89C52单片机

单片机是一块硅片中集成单片机CPU、数据存储器以及不同输入、输出接口的微控制芯片。设计的控制系统采用高性能的8位STC89C52单片机，其内部结构如图3所示，能够看出，其包含40个引脚，将8KB的可编程闪存当成程序存储器；32条I/O引脚，完成数字以及脉冲的输入和输出；3个16位定时计数器以及6个中断源。

图3  STC89C52内部结构图

2.3、防火检测器

设计的防火检测器包括可燃气体检测器以及温湿度检测器。其中，可燃气体检测器用于检测火灾初期形成的烟雾浓度，温湿度检测器用于检测火灾温度的异常，对火情进行分析，传递出火灾报警信号。

2.3.1、温湿度测量电路设计

采用高度集成的温湿度传感器SHT10芯片，其内部结构如图4所示。其中包含湿度传感器和温度传感器。采用两线制的串行接口增强抗噪性能并降低能耗。SHT10传感器通过总线完成通信，串行时钟输入线SCK可实现单片机同SHT10间的同步通信。SHT10通过两个传感器形成相对湿度以及温度信号，并对信号实施放大操作。采用A/D转换器实现信号的模数变换以及校准，通过二线串行接口向单片机反馈湿度和温度数据，单片机对接收的数据实施相关操作。

图4  SHT10内部结构图

SHT10同单片机连接电路如图5所示。串行数据DATA三态引脚可实现外部数据输入以及内部数据输出，其中的数据是温湿度数字值以及控制命令。当SCK时钟处于高电平时，单片机同SHT10完成数据通信。为确保信号间通信的顺利进行，单片机将数据线降低，将引脚设置成高阻态。

图5  SHT10与单片机的连接电路

2.3.2、可燃气体检测器

采用高敏感度的QM⁃N10半导体气敏传感器检测室内的可燃气体，其依据气体在半导体面的氧化一还原反应造成敏感元件阻值波动而制造的，按照气敏电阻器的阻值波动，获取可燃气体的情况，电路如图6所示。

若QM⁃N10气敏半导体传感器处于洁净空气中，则A，K两点间存在较高的电阻，通过RP4的电流较低，K点是低电平，三级管不导通输出低电平；若接触到有毒气体，A，K两点间的电阻大幅度降低，K点电位提升，三级管导通输出高电平。

2.4、防盗检测器

系统采用的防盗检测器是无线发射热释红外线检测器，通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，将其变化成同人体运动效率、距离以及方向相关的低频电信号。传感器的电压响应度同入射光辐射波动频率间存在负相关性，因此检测器无法检测到固定的红外辐射照射。人体进入监控范围后，人体温度导致环境温度辐射场出现波动，采用菲涅尔透镜热释电红外探头检测人体温度同背景温度的差异信号，在负载电阻中形成电信号。电信号同敏感元件的温度波动效率相关。通过后级对比器和状态管理器形成输出信号。热释电红外检测器由热释电红外传感器RE200B、红外传感信号处理器以及菲涅尔透镜构成。

图6  QM⁃N10气敏传感器电路

2.5、单片机与短信模块串口通信

STC89C52单片机与JB35G短信息模块的通信是控制系统的关键部分，其可采用短信息控制系统，向外报警通信。JB35G移动通信模块采用异步通信方式，其中各数据通过相同的帧格式传输。STC89C52单片机包含运行在异步通信环境下的全双开串行口，该串口占用单片机P3.0以及P3.1，分别对应接收端RXD以及发送端TXD。STC89C52串口内部结构如图7所示。

图7  STC89C52单片机的串口内部结构

单片机串口包括接收、发送缓存器SBUF，完成数据的发送以及采集，发送缓存器是只写模式，接收缓存器是只读模式。STC89C52串行口控制寄存器SCON用于调控串行口的运行模式以及波特率。定时器T1是串行口的波特率发生器。JB35G移动通信模块通过RS232串口同单片机进行通信。JB35G移动通信模块串口同单片机的逻辑电平存在差异，应将单片机的信号电平变换成RS232电平，或者采用电平变换芯片MAX232对两种电平进行逆变换。

3、家庭防火防盗控制软件设计

3.1、系统主程序

基于单片机的家庭防火防盗控制系统中的主控单元单片机可采集不同监控子功能模块反馈的信息，采用串口以及GSM通信模块向用户手机传递短信息，并采用GSM通信模块对信息实施解析，按照信息内容处理相关的控制执行子功能模块。系统开始工作时，单片机执行主程序，其流程图如图8所示。主程序对各部件进行初始化设置；再实施读温湿度、读时钟以及键盘检索等子程序，在液晶屏中呈现结果；系统等待中断，单片机响应中断后执行不同的中断服务子程序。不同的防火防盗监控模块基于外部中断请求中断，采用串口中断完成短信息的传递和采集。

图8  系统主程序流程图

3.2、外部中断子程序设计

系统报警主机的无线接收模块采集无线传感器反馈的报警信号时，采用外部中断向单片机请求中断，单片机中断后进入外部中断子程序，流程图如图9所示。按照用户需求，系统存在布防以及撤防两种模式。单片机检测布防按键的开关状态，分析系统的运行模式。若布防开关闭合，则控制系统处于布防模式，系统进行初始化设置后，将室内温湿度以及时钟信息呈现在液晶屏上，再等待中断申请。若发现外部中断，则单片机对中断实施响应，采集数据码，判断产生警报的传感器，传递出声音信号进行报警，向户主反馈短信息。当布防接口开启，系统处于撤防模式，系统将室内温度以及时钟呈现在液晶屏中，单片机响应报警中断后，直接跳出中断。

图9  外部中断服务子程序流程图

4、系统的性能测试

4.1、短信息发送检测

实验将下载编译好的hex文件下载到本文设计的家庭防火防盗控制系统中的STC89C52单片机内，单片机输出的调试信息如图10所示。能够看出，短信发送成功，说明本文系统检测成功。

图10 短信发送成功图

4.2、传感器检测

实验用手遮住菲涅尔透镜模拟防盗效果，采用可燃纸烟和QM⁃N10气敏半导体传感器模拟防火效果，实验检测结果如图11所示。可以看出，本文系统成功实现了防火、防盗检测。

图11  检测结果

4.3、室内进出人员检测

通过无线发射热释红外线检测器对室内进出人员进行检测，具体的检测结果见表1。

表1传感器的距离、夹角等对检测结果的干扰

分析上述实验结果可得，在控制系统中两个无线发射热释红外线检测器位置较近的情况下，检测结果不正常。人和传感器的距离高于85cm的情况下，检测结果不正常。因此能够得到，两个传感器距离为4.5cm左右，夹角在40°左右，能够获取最佳的检测结果。

5、结语

本文设计了基于单片机的家庭防火防盗控制系统，通过实验检测可以看出该系统各项功能运行稳定，取得了令人满意的效果。