一種智能防盜防火及照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　摘要：本系統(tǒng)采用單片機(jī)為控制器，用熱釋人體紅外和溫度傳感系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)室內(nèi)有無(wú)人員及室內(nèi)溫度，設(shè)計(jì)了一個(gè)智能防盜防火及照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)的溫度來(lái)實(shí)時(shí)報(bào)警，防止火災(zāi)的發(fā)生；并且根據(jù)室內(nèi)的光線(xiàn)和是否有人來(lái)控制燈管的照明；用蜂鳴器作為報(bào)警源，如果啟動(dòng)報(bào)警模式，當(dāng)檢測(cè)到其區(qū)域內(nèi)有人就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)溫度超過(guò)一定范圍也啟動(dòng)長(zhǎng)鳴報(bào)警聲。能夠達(dá)到智能控制和節(jié)能以及安防的目的，尤其適用于學(xué)校教室、圖書(shū)館、樓道照明燈場(chǎng)所。

　　隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及社會(huì)的進(jìn)步， 人們出差及在外工作的時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，當(dāng)家里、商場(chǎng)、機(jī)房或?qū)嶒?yàn)室等公共場(chǎng)所空無(wú)一人時(shí)，最令人擔(dān)心的可能是安全問(wèn)題，比如是否會(huì)有小偷破門(mén)而入， 是否因?yàn)楦鞣N電源線(xiàn)路由于長(zhǎng)時(shí)間使用而引起火災(zāi)等等； 并且現(xiàn)在絕大多數(shù)電燈在使用時(shí)都是由人手動(dòng)操作，尤其當(dāng)我們半夜回家時(shí)摸不到開(kāi)關(guān)，當(dāng)燈光不足或在上樓梯時(shí)手動(dòng)開(kāi)啟電燈，這都會(huì)給我們帶來(lái)諸多的不便。另外，常常會(huì)由于工作人員的疏忽在人離開(kāi)之后忘記關(guān)閉設(shè)備而導(dǎo)致用電的浪費(fèi)。為了解決以上問(wèn)題，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮采用單片機(jī)為主控制器，用熱釋人體紅外模塊、溫度傳感系統(tǒng)及光敏二極管來(lái)分別來(lái)檢測(cè)室內(nèi)有無(wú)人員以及室內(nèi)溫度， 從而控制室內(nèi)燈光開(kāi)啟的明暗程度，且當(dāng)溫度超準(zhǔn)及時(shí)報(bào)警等功能，總體設(shè)計(jì)了一個(gè)智能防盜防火及照明控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制室內(nèi)燈光的照明，從而達(dá)到智能控制、節(jié)能及防盜防火的目的。

1 原理與設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)為主控制器，以熱釋人體紅外和溫度傳感系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)室內(nèi)有無(wú)人員以及室內(nèi)溫度，設(shè)計(jì)一個(gè)智能防盜防火控制系統(tǒng)，另外又以光敏二極管來(lái)探測(cè)室內(nèi)的光照強(qiáng)度，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制室內(nèi)燈光的照明，從而達(dá)到智能控制和節(jié)能的目的。

　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，并考慮到系統(tǒng)的可行性，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器，分別控制著人體感應(yīng)模塊、溫度采集模塊、光度采集模塊、光管亮度模塊和報(bào)警模塊。通過(guò)51 單片機(jī)和熱釋人體紅外來(lái)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)是否有人，如有人再檢測(cè)其光度是否需燈光并且實(shí)現(xiàn)該調(diào)在哪個(gè)檔位，并由指示燈顯示檔位。最后用蜂鳴器作為報(bào)警源，如果啟動(dòng)報(bào)警模式，當(dāng)檢測(cè)到其區(qū)域內(nèi)有人就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)溫度超過(guò)一定范圍內(nèi)也啟動(dòng)長(zhǎng)鳴報(bào)警聲。

圖1 系統(tǒng)方框圖

　　智能防盜防火及照明控制系統(tǒng)的基本工作原理是當(dāng)未啟動(dòng)報(bào)警模式時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)有人時(shí)，開(kāi)啟光度采集模塊，根據(jù)室內(nèi)光照強(qiáng)度，分別開(kāi)啟不同檔次的LED 燈；假如室內(nèi)溫度過(guò)高，報(bào)警裝置會(huì)發(fā)出二級(jí)警鳴，防止火災(zāi)的發(fā)生；當(dāng)有人進(jìn)入室內(nèi)，開(kāi)啟報(bào)警裝置，若是本人或工作人員可以通過(guò)一個(gè)隱形手動(dòng)復(fù)位鍵消除報(bào)警，若有他人進(jìn)入室內(nèi)，則會(huì)開(kāi)啟一級(jí)報(bào)警，并且所有的LED 燈亮，起到了及時(shí)報(bào)警與防盜的作用。

　　1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為五大塊模塊，即熱釋人體紅外模塊溫度采集模塊、光度采集模塊、LED 燈顯示模塊、報(bào)警模塊。

　　下面分別來(lái)分別介紹各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)及基本工作原理。

2 實(shí)驗(yàn)

　　2.1 熱釋人體紅外模塊

　　人體紅外感應(yīng)模塊電路主要由人體紅外傳感器、菲涅爾透鏡、專(zhuān)用芯片BISS0001組成。當(dāng)有人出現(xiàn)在它的探測(cè)區(qū)，傳感器便能探測(cè)到信號(hào)并把信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)實(shí)際情況是否該開(kāi)啟器件設(shè)備或讓房間的電器設(shè)備處于一種可開(kāi)啟狀態(tài)。另外，關(guān)于走廊及洗手問(wèn)用燈情況，當(dāng)晚上有人經(jīng)過(guò)時(shí)，人體紅外感應(yīng)到人便開(kāi)啟走廊用燈或者洗手間用燈。熱釋人體紅外模塊電路如圖2 所示。

圖2 熱釋人體紅外電路圖

　　電路中運(yùn)用了熱釋紅外專(zhuān)用芯片BISS0001。它是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈?zhuān)用集成電路，內(nèi)部電路如圖3 所示。當(dāng)人體輻射的紅外線(xiàn)通過(guò)菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測(cè)元上時(shí)，電路中的傳感器將輸出電壓信號(hào)，然后使該信號(hào)先通過(guò)一個(gè)帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為16 Hz，下限截止頻率為0.16 Hz。

圖3 BISS0001 芯片內(nèi)部電路圖

　　由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測(cè)信號(hào)電壓十分微弱（通常僅有1 mV 左右），而且是一個(gè)變化的信號(hào)，同時(shí)菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號(hào)電壓呈脈沖形式（脈沖電壓為0.1～10 Hz 左右），所以應(yīng)對(duì)熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器OP1 和OP2 進(jìn)行二級(jí)放大。再經(jīng)由電壓比較器COP1 和COP2 構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器。

　　輸出信號(hào)Vo接單片機(jī)以便檢測(cè)， 當(dāng)有人時(shí)便輸出5 V高電平，當(dāng)人離開(kāi)之后延時(shí)一段時(shí)間后便復(fù)位為0 V 以便主控制電路的控制。電路設(shè)計(jì)讓芯片處于可重復(fù)觸發(fā)狀態(tài)以便適合教室的實(shí)際情況。重復(fù)觸發(fā)其工作過(guò)程：可重復(fù)觸發(fā)工作方式下在Vc=“1”、A=“1”時(shí)，Vs可重復(fù)觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)，并可促使Vo在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在Tx時(shí)間內(nèi)，只要Vs發(fā)生上跳變， 則％將從Vs上跳變時(shí)刻起繼續(xù)延長(zhǎng)—個(gè)Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結(jié)束后Vo恢復(fù)為無(wú)效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時(shí)間Ti時(shí)間內(nèi)，任何Vs的變化都不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。

　　2.2 溫度采集模塊

　　利用單片機(jī)的P2.5 口控制DSl8B20，將實(shí)時(shí)采集到的溫度與單片機(jī)軟件設(shè)置的數(shù)值做對(duì)比，并用P2.3、P2.4 口控制三極管的導(dǎo)通和截止，實(shí)現(xiàn)了用蜂鳴器在高溫時(shí)報(bào)警的要求。

　　這里選用的DS18B20 溫度傳感器是美國(guó)達(dá)拉斯（Dallas）公司生產(chǎn)的單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器芯片，它與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同，DSl8B20 可直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號(hào)［9］，供單片機(jī)處理。通過(guò)編程DSl8B20 可以實(shí)現(xiàn)9～12 位的溫度讀數(shù)，并可分別在93.75 ms 和750 ms 內(nèi)完成9 位和12 位的數(shù)字量。其測(cè)溫范圍-55～+125 ℃，最大分辨率為0.062 5 ℃，在-10～+85 ℃范圍內(nèi)其測(cè)溫準(zhǔn)確度為±0.5 ℃。

　　DS18B20 具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、易與微處理器連結(jié)等特點(diǎn)， 而且它無(wú)需任何外圍硬件就可方便地進(jìn)行溫度測(cè)量，與單片機(jī)交換信息僅需要一根I/O 口線(xiàn)，其讀寫(xiě)及溫度轉(zhuǎn)換的功率也可來(lái)源于數(shù)據(jù)總線(xiàn)。其電路連接圖如圖4 所示。

圖4 溫度采集電路圖

　　2.3 光度采集模塊

　　本模塊主要由光敏傳感電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊及室內(nèi)LED燈幾部分組成。這里為了模擬用了一個(gè)光敏二極管和一個(gè)100 k 的電阻。共5 組并聯(lián)連接接入5 V 電壓，分別引出5 條線(xiàn)路接至ADC0809 芯片的IN3～I(xiàn)N7 通道電路連接如圖5所示，通過(guò)光敏二極管檢測(cè)教室的光照亮度，根據(jù)光敏二極管特性，遇光照時(shí)，阻值會(huì)明顯減少，隨著光度的減少，光敏二極管的阻值會(huì)逐漸增大的原理，那么每個(gè)光敏二極管分壓得到的不同電壓值（即模擬量），通過(guò)ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換檢測(cè)到它們輸出的模擬量。通過(guò)ADC0809 芯片的IN3～I(xiàn)N7 端口，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，D0～D7 作為數(shù)據(jù)輸出端口，連接至單片機(jī)的P0 口進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

圖5 光度采集電路圖

　　模擬時(shí)燈管用LED 燈代替，燈管亮度分為3 個(gè)檔位（以最佳光度為準(zhǔn)，不影響人的眼睛為前提）：

　　1 檔：檢測(cè)到室內(nèi)光線(xiàn)充足時(shí)，開(kāi)啟一盞LED 燈，此時(shí)房間燈管亮度為最低。

　　2 檔： 檢測(cè)到室內(nèi)光線(xiàn)不充足時(shí)， 同時(shí)開(kāi)啟前兩排三盞LED 燈管，此時(shí)室內(nèi)燈管亮度為適中。

　　3 檔：此時(shí)檢測(cè)到室內(nèi)光線(xiàn)明顯不足，同時(shí)開(kāi)啟所有LED燈管，此時(shí)室內(nèi)燈管亮度為較大。

　　2.4 LED 燈顯示模塊

　　模擬時(shí)LED 燈顯示模塊主要由三級(jí)LED 燈組成， 用P2.0、P2.1、P2.2 口控制三極管導(dǎo)通和截止，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入端不同要求的響應(yīng)， 系統(tǒng)中LED0，LED1，LED2 分別是第一檔、第二檔、第三檔的光度控制輸入口。其硬件電路圖如圖6 所示。

圖6 LED 燈顯示電路圖

　　2.5 報(bào)警模塊

　　模擬時(shí)本模塊用兩個(gè)NPN 三極管分別作為蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)，當(dāng)b 極高電平時(shí)三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作發(fā)出聲音。當(dāng)b極為低電平時(shí)三極管不導(dǎo)通，蜂鳴器不工作。b 極連接一個(gè)隱形的手動(dòng)開(kāi)關(guān)作為報(bào)警模式的啟動(dòng)與關(guān)閉切換。通過(guò)單片機(jī)的P2.3、P2.4 口控制其發(fā)出報(bào)警聲音， 當(dāng)有小偷入侵時(shí)蜂鳴器發(fā)出連續(xù)的報(bào)警聲，當(dāng)溫度太高或發(fā)生火災(zāi)時(shí)蜂鳴器長(zhǎng)鳴以警示工作人員。其硬件連接電路如圖7 所示。

圖7 報(bào)警電路圖

　　當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中，蜂鳴器的報(bào)警聲音不能滿(mǎn)足要求，可以改用其他功率較大的報(bào)警器件，如大功率警鈴等可以滿(mǎn)足要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本軟件系統(tǒng)分為光度采集模塊、人體感應(yīng)模塊、溫度采集模塊、LED 燈顯示模塊和報(bào)警模塊5 部分，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的主體流程如圖8 所示。

圖8 軟件流程圖

　　具體的程序設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成，由于代碼比較多在這就不一一贅述了。

4 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)中采用AT89C51 單片機(jī)為控制器，用熱釋人體紅外、光敏二極管和溫度傳感系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)室內(nèi)有無(wú)人員、室內(nèi)的光照強(qiáng)度及室內(nèi)溫度，設(shè)計(jì)了一個(gè)智能防盜防火及照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)的光線(xiàn)和是否有人來(lái)控制燈管的照明；用蜂鳴器作為報(bào)警源，如果啟動(dòng)報(bào)警模式，當(dāng)檢測(cè)到其區(qū)域內(nèi)有人就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)溫度超過(guò)一定范圍也啟動(dòng)長(zhǎng)鳴報(bào)警聲。能夠達(dá)到智能控制和節(jié)能以及安防的目的，尤其適用于學(xué)校教室、圖書(shū)館、樓道照明燈場(chǎng)所。

　　本設(shè)計(jì)通過(guò)制作PCB 電路， 利用PROTEUS 軟件和KeilC 軟件實(shí)現(xiàn)了分別完成了系統(tǒng)的硬件仿真和程序設(shè)計(jì)。

　　該系統(tǒng)仿真調(diào)試已經(jīng)通過(guò)， 系統(tǒng)的基本功能都可以完全實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)電路器件的改進(jìn)投入實(shí)際運(yùn)用。