基于51单片机的防火防盗报警器设计

时间：2024-05-04

陈新芬　朱海棠　王林艳　金琦淳

摘要：该文实现了一款基于51单片机的智能化防火防盗报警器设计。该设计以STC89C52单片机为控制核心，采用HC-SR501热释电红外传感器感知人员闯入信息，采用MQ-2烟雾传感器配合DS18B20温度传感器感知环境烟雾及温度信息。三个独立功能按键，用于设置报警烟雾及温度阈值以及是否开启人员闯入布防。实时系统状态信息由LCD1602液晶屏显示。若发现燃气泄漏、火灾险情及盗贼闯入时，则启动蜂鸣器和对应的LED灯进行声光报警。

关键词：STC89C52单片机;红外传感器;烟雾传感器;LCD1602

中图分类号：TP 368.1;TP277 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）08-0093-03

随着社会经济的发展，越来越多的家庭开始使用家庭安防报警系统。基于 STC89C52单片机的智能家用防火防盗报警器应运而生。该设计旨在为用户提供一个操作便捷、实时智能的家用安防工具，能够在发生燃气泄漏、火灾险情以及盗贼入室时，及时启动报警从而减少损失，实现对家庭安全的智能化管理[1]。

1 设计功能描述

本系统能实时采集火警的两个重要标志信息：环境温度和烟雾浓度[2]，同时配备人体红外入侵感知模塊，实时感知是否有人入侵。

设计利用独立按键，可以实现三种工作模式的切换：正常工作模式，报警温度阈值设定模式，以及报警烟雾浓度阈值设定模式。在正常工作模式下，通过独立按键设置，实现布防子模式以及非布防子模式两种工作模式的选择。温度报警阈值设定模式中，可以通过独立按键设置报警阈值的大小。烟雾浓度阈值设定模式中，通过独立按键动作可以实现报警烟雾浓度阈值的设定。

正常工作模式非布防情况下，当环境温度和烟雾浓度超过阈值时，对应颜色的报警灯亮起，并启动报警器连续报警。如果环境烟雾和温度回落到报警阈值范围内，则声光报警自动撤除。在正常工作模式布防情况下，除了实时感知环境温度和烟雾，同时增加了人体红外感知功能，当发现有人入侵时，对应颜色报警灯亮起，并同时启动蜂鸣器报警。此时，无论人是否已经离开，都必须按下撤销布防按键，声光报警才能停止。

正常工作模式区分布防模式以及非布防模式，优点在于：非布防模式可以实现家庭日常燃气泄漏火灾报警器功能，布防模式可以实现家里没人时，系统兼用作家庭防盗报警器功能。

2 硬件设计

2.1硬件电路图

本系统由主控单片机芯片STC89C52，电源电路，按键电路，液晶LCD1602显示器，蜂鸣器报警器，LED报警灯，温度采集传感器DS18B20，烟雾采集传感器MQ-2，模数转换芯片ADC0832，人体热释电红外传感器HC-SR501，以及若干电阻、电容、三极管等部分组成，其中STC89C52单片机为本设计的控制核心[3]。原理图如图1所示。

2.2 单片机最小系统

单片机最小系统由STC89C52单片机芯片（MCU）、晶振电路、复位电路、电源电路组成。电阻R7，电容C1，按键S0构成复位电路，复位电路与单片机的9脚RST（Reset）复位引脚相连。当单片机中程序运行时，意外干扰而导致程序死机、程序跑飞等特殊情况，通过复位按键，使得单片机程序从头开始运行;晶振Y1，以及两个30PF电容C3，C4构成晶振电路，晶振电路为最小系统提供基准时钟信号，单片机内部的工作以此时钟信号为基准[4]。

2.3 烟雾检测电路设计

火灾监控单元采用MQ-2型烟雾传感器感知烟雾浓度[5]。MQ-2型烟雾传感器可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感，适宜于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测，是一个多种气体探测器。MQ-2的探测范围极其广泛。它的优点：灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单，具有良好的重复性和长期的稳定性。

MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体[6]。检测方式主要为高低温循环检测，高温（5.0V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。传感器的电导率随空气中烟雾浓度增加而增大，在检测电路中相当于一个可变电阻。当烟雾浓度增加时，MQ-2阻值变小，4，6引脚输出的模拟量电压值升高，该电压值送入到ADC0832进行数字量转换，对应得到的数字量电压值也升高。当环境烟雾浓度降低时，情况正好相反[7]。软件设计中，当反映烟雾浓度的电压值超过设定报警阈值时，启动烟雾报警。

MQ-2，R1，R3，C2，组成烟雾采集电路，将感知的环境烟雾模拟量电压信号送入ADC0832实现模数转换，转换后得到的数字量烟雾信号送入单片机进行数值判断和处理。

2.4 温度检测电路设计

本设计中对温度的测量使用DALLAS公司生产的DS18B20单总线集成数字温度传感器芯片，该芯片可直接与单片机实现数字量通信。利用外接+5V直流稳压电源对芯片供电，数字信号输入/输出端DQ通过外接上拉电阻R2与单片机P1.0口连接。DS18B20在发送时是漏极开路输出，即输出0时通过三极管下拉为低电平，而输出1时，则为高阻状态，因此需要外接上拉电阻将其拉为高电平。

DS18B20传感器的主要特征如下：

1）全数字温度转换及输出，单总线结构与CPU通信，传送CRC校验码，抗干扰纠错能力强。

2）温度范围-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃时精度为±0.5℃

3）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

4）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

2.5 红外传感电路设计

本设计选择集成热释电红外传感器HC-SR501实现人员活动信息采集。设计中利用+5V直流稳压电源对芯片供电，热释电人体红外传感器能够在<100度锥角范围内，5-7米距离范围，感应到人员活动信息。当检测到人进入感应范围时，输出高电平，人离开则自动延时关闭高电平，输出低电平。传感器高、低电平输出直接送入到单片机P2.3引脚。本设计中，为了增加感应角度范围，采用菲涅尔圆形透镜，使得探头四面都能灵敏感应人员活动信息[8]。

2.6 液晶显示电路设计

LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。该显示屏的优点是耗电量低、体积小、辐射低。

系统采用LCD1602液晶显示器显示报警温度阈值，报警烟雾浓度阈值以及人体红外布防状态。同时，实时显示当前环境温度，烟雾浓度，以及是否有人入侵。

液晶模块的“指令/数据”端口控制线RS与单片机P2.7引脚相连，片选使能端EN接单片机的P2.6引脚。本设计中只用到液晶的写操作，“读/写”控制线R/W引脚直接接地。液晶的D0-D7数据线与单片机的P0并口连接，单片机控制P0口實现与液晶模块数据传输。

2.7 按键电路设计

本设计利用三个独立按键S1，S2，S3构成按键电路，S1设置按键实现工作模式选择，连续按下S1，系统轮流在报警温度阈值设定，报警烟雾阈值设定，以及正常监控模式三种工作模式之间切换[9]。在阈值设定模式中，S2按键加，S3按键减实现阈值增减。在正常监控模式中，按下S2键，系统实现布防，此时启用人体红外模块感知人员活动信息。在正常监控模式中，按下S3键，系统撤销布防，人体红外信息不予处理。

3 软件设计

在主程序中通过While（1）无限循环来不断查询独立按键动作。利用S1设置键，控制工作模式变量mode的值依次在0-2之间切换，当mode=0时，报警器处于正常监控模式，在此模式中，通过独立按键S2，实现人体红外布防，通过S3按键，撤销人体红外布防。利用定时器T0中断，产生1秒定时，每隔1秒，对环境温度值进行采样刷新一次。设计中的一大特色在于，在实现人体红外布防过程中，利用定时器延时作用，很好地区分了设置人员的红外线和一般盗贼的红外线。在正常监控模式下，当按下S2布防按键时，利用T0定时器延时等待设置人员离开现场一小段时间后，系统开启红外布防。

4 仿真调试

利用Proteus仿真软件，绘制本设计硬件电路。利用keil 编程，编译生成目标代码后，输入仿真系统单片机芯片中。当前状态预设报警温度为50℃，预设烟雾浓度值为100ppm，此时实际感知环境温度为51.5℃，对应温度报警灯亮，蜂鸣器报警。在仿真系统中，用滑动变阻器滑动得到模拟电压信号值代替MQ-2烟雾传感器感知的环境烟雾模拟量电压信号，将此电压信号送入ADC0832转换芯片，得到对应数字量烟雾值[10]。当实际环境烟雾浓度为100ppm时，对应烟雾报警灯亮，在布防状态下，屏幕显示“F”字样，此时，按下红外热释电仿真按钮模拟有人员闯入，则闯入报警灯点亮，并报警。

5 误差比对

在实物调试运行环节，就系统显示温度，烟雾浓度与当前环境实际温度，烟雾浓度值进行了状态比对，误差如表所示。产生误差原因基本有几个方面：1、ADC0832模数转换芯片的固有误差;2、MQ-2烟雾传感器与DS18B20温度传感器的精度不高;3、线路在传输过程中存在的线路损耗。

6 问题与小结

本设计完成了原理图绘制，软件程序编写，仿真联合调试，最后完成实物焊接与调试，最后的成品能实现各项设计功能，实物运行与实际物理量值之间有一点误差。该设备用于一般家庭防火防盗情况下，误差值在允许范围内。

该设计需要改进的方面在于通信，可以考虑增加一个wifi通信模块，配套手机操作界面，实现设备报警与智能手机通信。当出现火灾盗窃报警时，相关人员可以从手机端第一时间知晓，及时处理火警、盗窃情况。

参考文献：

[1] 徐淼鑫，王鑫.一种单片机的智能居家火灾报警系统研究[J].电子测试，2021（16）：17-18，136.

[2] 毛杰宁，李梅，罗旌钰.无线火灾报警系统设计[J].电子设计工程，2017，25（7）：115-118.

[3] 陈新芬，刘杰，陆毅，等.基于51单片机智能灯设计与仿真[J].电子设计工程，2020，28（19）：118-125.

[4] 李广弟.单片机基础[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[5] 许文卓，顾亭，孙浩谛，等.基于红外循迹的火灾报警小车循迹算法研究[J].甘肃科技，2017，33（4）：11-13.

[6] 孙海莉.基于ZigBee的烟雾检测火灾报警传感节点设计研究[J].电子设计工程，2017，25（10）：81-83，86.