1 緒 論
1.1 當前社會背景
盡管目前社會在不斷地發展進步，人們生活水平也在日益提高，但是我們對于身邊發生的一些自然災害卻往往無能為力。在我們身邊有著越來越多的隱患。為了及早地發現和報警，把我們的人身財產安全損失減到最低。那么災自動識別報警系統已經成為了我們日常生活中不可畫缺的一部分了。而目前有很多的高層建筑物、商業建筑、工廠、密集住宅區，對消防報警系統的要求更加的嚴格核可。消防安全和消防設施作用的發揮對于系統設計、安裝和使用該系統顯得尤為重要。火災自動報警系統提醒人們火災的發生一般都是通過環境中產生的煙霧、熱量等變量識別然后傳送到控制器再由控制器傳到各個模塊實現的。現在大部分的企業都主要面向貨物存儲地、大型超市、高層公寓、酒店等的大型場所的報警系統研發。而忽視了再居民住宅區、學校教室等的小型防火樓房。
2 系統總設計方案
2.1 設計內容和要求
本設計主要是硬件和軟件兩部分。硬件還有數據收集模塊、遠程控制、報警等。因為報警系統主要是檢測室內溫度和煙霧的濃度識別來實現報警功能的。所以本居室報警系統的硬件主要由紅外線人體傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、報警模塊、單片機控制電路來實現的。當居室遭到入侵時，裝在門窗檢測點上面的紅外探頭可以檢測到人體輻射出來的紅外能量，從而得知有人入侵，系統就會通過相應的處理把數據傳到單片機，然后實現了報警。而當火災發生的時候，居室中的煙霧濃度會升高，熱量也會升高，那么通過煙霧傳感器和溫度傳感器檢測到變量，經過A/D轉變成數字信號傳送到單片機，單片機分析處理后就會驅動報警器，實現報警。
2.2 系統設計的總體思路
從這次的設計要求來以知道，硬件電路包括輸出/輸入電路、單片機、擴展電路模塊等組成。本次基于單片機的居室報警系統包括了硬件設計和軟件設計這兩部分。所以系統應該包含如下圖的結構，STC89C51單片機為核心控制、紅外檢測模塊、溫度檢測模塊、煙霧檢測模塊和AD采集這幾部分，該系統的結構框圖如圖2-1所示。
在本次系統設計中，對于報警系統獲取識別信息的途徑主要有兩種。一種是對于環境中煙霧濃度的識別，另外一種是紅外光電管的識別。當環境中的煙霧濃度升高時，單片機將會識別該轉換后的數字信號，從而觸發中斷，傳到報警電路發出報警。而第二種識別，平時在沒有遮擋物的時候，接收管可以接收到發射管發射出來的信號。當有人入侵經過，會遮擋住發射管，由于紅外線無法穿透物體，因此，接收管無法接收到信號，此時單片機會接收到一個高電平信號觸發中斷，產生了報警信號。
3 核心單片機電路
3.1 STC89C51系列單片機介紹
本系統的主要控制核心是STC89C51系列單片機。它是具有低功耗，高性能，而且穩定的微控制器。在本系統中，它的主要任務就是通過中斷信號，來判斷是否發生了火災和有人入侵居室，如果確實發生了火災和有人進入，就會觸發警報進行報警。
STC89C51系列單片機在電子產品領域中具有廣泛應用，它在單晶的片上，擁有8位的CPU和在系統可編程的Flash。它具有32個I/O口，2個16位定時/計數器，片內4K的FLASH，4K字節閃存，128字節隨機存取數據存儲器， 并且含有中斷、串口等外設。另外，STC89C51仍能夠進行0HZ的與非運算，具有省點的功能模式。在空閑模式下，可以停止一些不必要的操作，節省了系統的損耗的同時又能夠保持中斷串口等外設的正常工作。在掉電之后，程序仍不會丟失，保存在存儲器中，晶振會停止震蕩，直到下次上電開啟。其具體引腳如下：
Vcc：電源電壓。
Vss：接地。
XTAL1：接外部時鐘輸入端和片內振蕩器的高增益反相放大器。
XTAL2：作為片內振蕩器的高增益反相放大器的輸出端。
RST：作為復位信號輸入端。只有在高電平的時候才有效。如果要對單片機進行復位操作的話，那么只需要在這個引腳上面，加上2個機器周期以上的高電平即可。
EA/Vpp：輸入信號的時候，外部儲存器允許訪問的控制信號。當EA端高電平的時候，那么就會讀取存儲程序的存儲器。但是當訪問的PC值超過0FFFH時，它就會自動跳轉訪問外部儲存器中儲存的數據。而當EA端輸出為低電平時，它就會只讀取外部儲存器，地址為0000H~FFFFH，此時片內的Flash存儲器將不起功能。Vpp作為引腳的另一個功能，作為輸入編程電壓。
ALE/PROG：在訪問存儲器時候，該引腳可以產生信號，鎖存地址，低8為的地址不能唄訪問，確保了整個系統的安全。在平時，ALE會產生脈沖信號，該信號的頻率為晶振的1/6。閃存的訪問必須經過ALE位的有效信號之后才能夠正常的開始。如果ALE所存了地址，則該地址具有寫保護的特性。此外，該信號可以為程序存儲器提供相應的時鐘信號。在必要的時候，它還能夠禁止ALE操作放大地址單元D0位置，那是特殊放大寄存器區中程序存儲器INC的8EH。這樣指令ALE才會被應用，同時該引腳將會在單片機內部被拉高，并且單片機在執行外部程序的時候，此時信號線將失效。
PSEN：片內程序儲存器的讀選通程序存儲器信號。當程序元需要訪問外部空間的時候，該引腳會產生下降沿信號，用于觸發對外部存儲器的讀寫。此外，該引腳可以當做外部存儲器的使能信號引腳。
P0口：一個具有雙功能8位雙向I/O口。當STC89C51增加外部存儲器時，以及P0口作為外部寄存器的地址總線，數據總線為分時復用端口。并且P0口也能夠作為I/O口使用，需要加一個上拉電阻，才可以變成準雙向口。當作為普通的I/O輸入時， 應先向輸出的鎖存器端口外部的寄存器寫入數據1。而且P0口可驅動8個LS型TTL負載。
P1口：是一個8位單功能的準雙向I/O口，內部有上拉電阻。
P1口是專為用戶使用的準雙向I/O口，當作為普通的I/O輸入時，應先向端口的輸出鎖存器寫入1。P1口可驅動4個LS型TTL負載。
P2口：是一個8位雙功能的準雙向I/O口，內部也有上拉電阻。
當作為地址輸出線，它可輸出高8位地址。
P2口也可作為普通的I/O口使用。當作為普通的I/O輸入時，先向輸出鎖存器寫入1。P2口可驅動4個LS型TTL負載。
P3口：是一個8位有第二輸入功能的準雙向I/O口，不存在高阻抗輸入狀態，有上拉電阻。
P3口可作為通用的I/O口使用。當作為通用的I/O輸入時，先向輸出鎖存器寫入1。P3口可驅動4個LS型TTL負載。
本設計選用STC89C51作為主控芯片，其管腳如圖3-1所示。
圖3-1 STC89C51的管腳圖
3.2 單片機最小系統
STC89C51如果需要正常工作，那么外部的晶振電路是必不可少的。因為它所產生的一個固定頻率的振蕩信號可以作為單片機內部的時鐘基準。單片機有兩個引腳XTAL1， XTAL2，兩端連接石英晶振，一個為輸入一個為輸出。外部連接兩個匹配電容。外部晶振的頻率越高，振蕩器產生的震蕩信號頻率越高，單片機的工作速度越快。但是并不是晶振越高越好，運行速度快對存儲器的速度要求振蕩器越高，對印制電路板的振蕩器工藝要求也高，即要求線間振蕩器的寄生電容要小振蕩器，過高的速度會降低51單片機的運行穩定性。
3.3 晶振電路
在本次系統設計中主要使用的是STC89C51系列單片機和12MHZ的晶振，配上一個30PF的電容。晶振電路主要作用的是XTAL1和XTAL2這兩個引腳。XTAL1主要是用來輸出和支持內部時鐘電路的工作，并且作為反向震蕩放大器，XTAL2作為來自反向振蕩的輸出。一般選取電容C1為10uf,電阻R1為10K。這是為了在上電的時候，RST腳的高電平可以保持兩個以上機器周期，如圖3-2所示。
圖3-2 STC89C51單片機晶振電路
3.4 復位電路
STC89C51系列單片機的復位一般都是由外部的復位電路來實現的，通過外部復位電路來實現復位引腳RST的。復位電路工作原理是給電源VCC上電的時候，電容C7進行充電，電阻R6會出現電壓，從而使單片機復位；然后，電容C7充電完畢，電阻R6上的復位電流降到0，電壓也降為0，那么單片機就進入復位工作。工作期間，按下按鍵，那么電容C7就會放電復位，同時在電阻R6上會出現電壓，使得單片機復位。S4復位松手，電容C7又復位充電，幾個毫秒后復位，單片機進入工作狀態，如圖3-3所示。
圖3-3 STC89C51單片機的復位電路
4 溫度傳感電路
4.1 DS18B20 介紹
DS18B20，是一種常用的溫度傳感器。它體積較小，適用范圍較廣，抗干擾能力較強，檢測精準等特點。它的主要特點是采集數據為數字信號，能夠直接傳給單片機處理。同時它可以提供9位的溫度讀數，顯示溫度。而且它是單線接口方式，只需要一條線就可以使單片機與DS18B20實現雙向通訊，無須外接電源。
4.2工作電路
本設計DS18B20與單片機的P2.3相連，采集到溫度信號后，將數據傳輸給單片機當溫度達到預先設定的上限值（本文的上限值是：45℃ ），則LED紅燈點亮，蜂鳴器報警，數碼管顯示當前的溫度值，如圖4-1所示。
圖4-1 DS18B20工作電路
5 煙霧傳感電路
5.1 煙霧傳感器MQ-2
本次系統設計中 主要使用的是MQ-2氣體傳感器。它的主要是由二氧化錫(SnO2)組成，這種材料的電導率是較低的。MQ-2氣體傳感器的靈敏度很高，尤其是液化石油氣、氫氣，天然氣等。它的主要原理是電導率隨可燃氣體的濃度增大而增大。并且該傳感器價格便宜，安全可靠，是一種理想的氣體檢測傳感器。因此，本設計采用MQ-2氣體傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心，煙霧傳感器的外觀和結構圖如圖5-1和圖5-2所示。
圖5-1 MQ-2型傳感器的外觀
圖5-2 MQ-2型傳感器的結構圖
5.2 MQ-2傳感器的介紹
它對天然氣、液化石油氣等可燃氣體識別靈敏，反應迅速，還能長期持續工作，具備良好的重復利用。并且對于工作電壓的要求低，24V以下都能工作。并且加熱電壓為5±0.2V。這是由于它初期是穩定狀態的，會吸附空氣中的水蒸氣，因此不能馬上進入工作狀態。長期不通電工作后必須要預熱幾分鐘，使粘附水蒸氣蒸發了，它才能夠正常工作。而在此我們稱為初期穩定時間。
5.3 ADC0832介紹
5.3.1 ADC0832功能特點
ADC0832是NS公司生產的8位分辨率的A / D轉換芯片，多達256的最大分辨率可適用普通模擬轉換的要求。芯片只需要32μS轉換時間，輸出的是一個雙數據可以用作數據驗證，以便減少數據誤差，轉換速度快且穩定還有強大的性能。單獨的芯片使能輸入，使更多的設備連接和處理器控制變得更加方便。通過DI數據輸入，就可以很容易地選擇通道來實現功能。
5.3.2 ADC0832外部引腳及其說明
ADC0832各引腳說明如下：
● CS——片選使能，在低電平時有效。
● CH0，CH1——兩路模擬輸入通道，或作為IN+/-使用。
● DI——數據信號的輸入端，選擇通道控制。
● DO——數據信號的輸出端，模數轉換數據輸出。
● CLK——芯片時鐘輸入。
● Vcc/REF——電源的輸入端和基準電壓的輸入端。
● GND——電源接地端。
5.4 單片機對ADC0832的控制原理
ADC0832分別是通過CS，CLK，DO，DI這四個管腳與單片機相連。但由于在DO和DI通信時，它們不是在同一時間有效，而且還因為，單片機接口是雙向的，所以一般我們將在一條線上并聯使用DO和DI。當ADC0832沒有連接工作時，這是因為CS輸入為高，則芯片不工作。當需要A/D變換，則應該終止CS中的第一件事情是拉低電平，并且需要保持低電平直到轉換結束。然而，芯片此時開始的轉換，那么處理器將發送一個脈沖信號到芯片的時鐘輸入端之前，接收第一時鐘信號，DI端都要高電平，這表明起始位。在此之前的第二個和第三個時鐘脈沖時，在為了選擇信道的功能，DI輸入端一般有2位數據，其功能如表5-1：
表5-1
由表5-1可知，當配置位的差分輸入的CH0和CH1為0和0的時候，那么選擇通道CH0將會作為正輸入端IN+，CH1將會作為負輸入端IN-。當配置位的差分輸入的CH0和CH1為0和1的時候，那么選擇通道CH0將會作為負輸入端IN-，CH1將會作為正輸入端IN+。當配置位的單端輸入的CH0和CH1為1和0的時候，那么選擇通道CH0只進行單通道轉換。當配置位的差分輸入的CH0和CH1為1和1的時候，那么選擇通道CH1將會只進行單通道轉換。在收到第3時鐘脈沖，輸入電平DI端沒有任何效果，然后DO/DI端輸出的數據，以及將讀取數據DO。在收到的第1個與第4個時鐘脈沖將DO端從數據轉換輸出，然后接收每個脈沖，DO終端將輸出下一個數據。直到前11個脈沖到來前，都輸出最低位數據，因此，在完成輸出數據的一個字節的目的。從該數據，輸出數據相對的下一個字節也開始，也就是從第11個時鐘脈沖輸出D0。然后，它會輸出8位數據，直到第19個脈沖到來時的數據輸出，同時也標志著這是第一次A/D轉換完成。
5.5 A/D轉換電路
因為MQ-2煙霧傳感器是電阻型的，所以需要串聯電阻。然后再經過放大電路后，傳到ADC0832進行采集，信號經過A/D轉換模塊轉換之后，傳送到單片機進行處理,如圖5-3所示：
圖5-3 A/D轉換電路
6 光電對管檢測電路
紅外線接收管是用來接收和感應紅外線光線的。通常接收管和發射器都是紅外線發射管成套運用的。紅外光電對管的特征與原理如下：紅外線接收管接收紅外光電，它主要是將紅外光信號，轉變成電信號的半導體電器件，它的核心部分是有一個特殊材料的PN結，與普通的紅外光二極管主要區別是，紅外光線接收管為了更大接收面積的接受入射光線，它會盡量做大它的PN結面紅外光電積，同時電極的面積應該越小，同時PN結的電結很淺，一般小于1微米。紅外線接收二極管的工作原理，主要是受到紅外光電反向電壓的作用。每當有物體遮擋時，此時紅外光電沒有受到光照，那么它的反向電流很小，我們稱之為暗電流。然而當有紅外線光照時，受到強烈的光照，那么紅外線光子攜帶著能量進入PN結后，把能量傳給束縛在共價鍵上被物體遮擋的電子，就會使少量這些電子的掙脫了共價鍵，產生了電子空穴對。它們在反向電壓的作用，會發生漂移，同時在光照變大，反向電流也會更加的明顯變大，光照強度越大，反向電流也越大。通常我們稱這種特性“光電導”。在平時無遮擋物，接受管可以收到發射管發射出來的信號，在發射管的輸出端會一直為低電平。當有物體經過，遮擋住發射管時，由于紅外線無法穿透物體，因此，接受管無法接收到信號，此時有高電平信號產生。具體的電路如圖6-1所示：
圖6-1 光電傳感器電路
6.1 報警電路
本次系統設計使用蜂鳴器燈光作為報警警報。通過單片機接收溫度傳感器、氣體傳感器和紅外傳感器的數據，判斷環境變量來確定是否進行報警。
6.2 蜂鳴器
當單片機接收到的信號判斷為超過環境中的設定值時，就會把Q1導通，驅動蜂鳴器，發出報警聲，如圖6-2所示：
圖6-2 蜂鳴器報警電路
6.3 按鍵設置電路
在單片機上接上按鍵控制電路的兩端，一端是地線，另一端是P1口，如圖6-3所示：
圖6-3 按鍵設置電路
其中四個按鍵分別為紅外人體傳感器，控制煙霧濃度，控制火災溫度，加減濃度和溫度上限值。
按鍵1：代替紅外人體傳感器進行仿真操作；
按鍵2：火災溫度值和煙霧濃度值設置按鍵，可以設置火災溫度和煙霧濃度的上限值，本設計的火災溫度上限值為45，煙霧濃度上限值為2；
按鍵3：增加預設環境中的煙霧濃度上限值和溫度上限值；
按鍵4：減少預設環境中的煙霧濃度上限值和溫度上限值；
6.4 LED燈光電路
LED燈閃光報警電路，一端和地線相連，另一端和STC89C51的P3口相連。顯示火災情況和居室入侵報警情況，電路圖如圖6-4所示。
圖6-4 LED顯示電路
6.5 顯示電路
火災報警顯示電路采用LED共陽極數碼管，用來顯示環境中的溫度和煙霧的濃度。電路圖如圖6-5所示。
圖6-5 顯示電路
7 系統軟件設計
本次設計中，軟件編程部分主要解決的是識別判斷環境中的溫度傳感器、煙霧傳感器和紅外人體傳感器傳來的數據，進行判斷處理作出報警。其邏輯流程圖如圖7-1所示。
圖7-1 邏輯流程圖
7.1 系統主程序
在本次系統設計中，上電之后首先是對單片機系統進行初始化。單片機中斷的初始化主要是為了更好的實現單片機檢測信號的到來。在這之后，便開始等待外部中斷的到來，當環境中溫度煙霧濃度和紅外接收器產生變量，會產生相應的電平變化，觸發中斷，產生報警。報警時，程序控制LED燈進行閃爍，如果單片機沒有接收環境中的變量時，則單片機處于等待中斷的模式。主程序主要是要進行初始化，以及設置中斷的矢量和調用顯示等。
7.2 溫度采集處理模塊
由于本次使用的是集成了數字信號轉變的溫度傳感器。所以不需要A/D轉換。為了方便展示本次設計，將溫度傳感器的報警溫度設定為40℃，在實際當中其報警溫度為60℃。溫度采集轉換的流程圖如圖7-2所示：
圖7-2 溫度采集流程圖
7.3 煙霧采集處理模塊
7.3.1 標度變換概念
傳感器元器件檢測物理變量的方法，一般都是通過傳感器感受環境中的變量，轉換為電信號，再經過數據采集系統后得到與被檢測相對應的數字信號。也就是說在不同的智能設備中，同樣的數字量所代表的是不一樣的。通常采用一定的處理技術將這些數字量轉換為具有不同綱量的相應物理量，這一技術稱為標度變換。
7.3.2 標度變換的原理
如果被測量物理量，它的變化范圍為A0-Am，物理量的實際測到數據量為Ax；A0對應的數字量是NO,Am對應的數字量是Nm，Ax對應的數字量是Nx;如果傳感器的整個采集系統是線性相關的，那么它的標度變換公式就是：
Ax=A0+(Am-A0)*(Nx-N0)/(Nm-N0) （7-1）
在本設計中，由于采集的是負載電阻的電壓值，再而算得出煙霧傳感器的電阻值，從而求得對應的濃度值。則有：
Ax=A0+(Am-A0)*(Nx-N0)/(Nm-N0)=0+(5-0)*( Nx-0)/(255-0)= Nx/51 （7-2）
7.3.3 數據采集
系統上電就會驅動ADC0832，IN0、IN1進行A/D轉換，轉換好的數字信號傳到單片機之后，把相應的數據存在儲存器，這是由中斷服務程序完成。注意：當cs從高變為低的時候，就會選擇ADC0832。在時鐘的上升沿，ADC0832內部的多路地址移位寄存器就會把DI端的數據存入。在第一時鐘周期中，DL是高電平，這意味著起始位置，那么將輸入兩個進入配置位。當啟動位和配置位輸入了之后，選通模擬通道，此時轉換就開始。從轉換開始之后，一個時鐘周期的延時，就會使得選定的通道穩定。緊接著它會在第4個時鐘下降沿的時候，輸出轉換數據。它會先輸出最高位(D7-DO)，在把轉換結果輸出了之后，又會從最低位開始再一次輸出數據(D7-DO)，這兩次發送的最低位會共享。
8 結束語
智能家居防火防盜報警系統的普及，能夠保障人們生命財產安全，可以有效的盡早對火災發生發出警報，以及居室的非法入侵進行報警。它是集防火防災和人身生活安全的設備儀器。
本次設計的居室報警系統主要由溫度傳感器，煙霧濃度傳感器和紅外人體傳感器構成。DS18B20溫度傳感器它體積較小，使用環境廣泛，封裝多種多樣，適合小型設備的使用。MQ-2煙霧傳感器可以檢測多種可燃性氣體，成本低，可靠性高，是一種理想的氣體檢測傳感器。它可以把環境中的煙霧濃度進行氣-電的轉換器，而電導率會隨著可燃氣體濃度變化，轉換成電流信號，通過A/D轉換電路成數字信號，再發送到單片機進行處理。DYP-ME003人體感應傳感器是基于紅外線技術的元器件，它的靈敏度強，可靠性高，應用廣泛。STC89C51單片機是一款低能耗、具有可編程的存儲器，而且應用范圍廣泛，容易上手，價格便宜，擴展性強，適合我們本次的系統設計要求。
如果再在本次的設計系統上加以擴展功能，就可以使本系統功能更加的完善和強大，可靠性和安全系數更高。
附錄1 基于單片機的智能家居防火防盜報警系統仿真圖
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