智能防盜防火及照明控制系統(tǒng)

林倩，肖能武，魏書遠(yuǎn)，王會菊

（青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，青海西寧810007）

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展及社會的進步，人們出差及在外工作的時間逐漸增長，當(dāng)家里、商場、機房或?qū)嶒炇业裙矆鏊諢o一人時，最令人擔(dān)心的可能是安全問題，比如是否會有小偷破門而入，是否因為各種電源線路由于長時間使用而引起火災(zāi)等等；并且現(xiàn)在絕大多數(shù)電燈在使用時都是由人手動操作，尤其當(dāng)我們半夜回家時摸不到開關(guān)，當(dāng)燈光不足或在上樓梯時手動開啟電燈，這都會給我們帶來諸多的不便。另外，常常會由于工作人員的疏忽在人離開之后忘記關(guān)閉設(shè)備而導(dǎo)致用電的浪費。為了解決以上問題，在本系統(tǒng)設(shè)計中，考慮采用單片機為主控制器，用熱釋人體紅外模塊、溫度傳感系統(tǒng)及光敏二極管來分別來檢測室內(nèi)有無人員以及室內(nèi)溫度，從而控制室內(nèi)燈光開啟的明暗程度，且當(dāng)溫度超準(zhǔn)及時報警等功能，總體設(shè)計了一個智能防盜防火及照明控制系統(tǒng)，實時調(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

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用單片機為主控制器，以熱釋人體紅外和溫度傳感系統(tǒng)來檢測室內(nèi)有無人員以及室內(nèi)溫度，設(shè)計一個智能防盜防火控制系統(tǒng)，另外又以光敏二極管來探測室內(nèi)的光照強度，實時調(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)計要求，并考慮到系統(tǒng)的可行性，整個系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖1所示。系統(tǒng)以單片機為主控制器，分別控制著人體感應(yīng)模塊、溫度采集模塊、光度采集模塊、光管亮度模塊和報警模塊。通過51單片機和熱釋人體紅外來檢測區(qū)域內(nèi)是否有人，如有人再檢測其光度是否需燈光并且實現(xiàn)該調(diào)在哪個檔位，并由指示燈顯示檔位。最后用蜂鳴器作為報警源，如果啟動報警模式，當(dāng)檢測到其區(qū)域內(nèi)有人就會發(fā)出報警信號，當(dāng)溫度超過一定范圍內(nèi)也啟動長鳴報警聲。

圖1 系統(tǒng)方框圖Fig.1 System block diagram

智能防盜防火及照明控制系統(tǒng)的基本工作原理是當(dāng)未啟動報警模式時，當(dāng)檢測到室內(nèi)有人時，開啟光度采集模塊，根據(jù)室內(nèi)光照強度，分別開啟不同檔次的LED燈；假如室內(nèi)溫度過高，報警裝置會發(fā)出二級警鳴，防止火災(zāi)的發(fā)生；當(dāng)有人進入室內(nèi)，開啟報警裝置，若是本人或工作人員可以通過一個隱形手動復(fù)位鍵消除報警，若有他人進入室內(nèi)，則會開啟一級報警，并且所有的LED燈亮，起到了及時報警與防盜的作用。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計分為五大塊模塊，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、報警模塊。下面分別來分別介紹各個模塊的硬件設(shè)計及基本工作原理。

2 實驗

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［7］、專用芯片BISS0001［8］組成。當(dāng)有人出現(xiàn)在它的探測區(qū)，傳感器便能探測到信號并把信號傳給單片機，單片機再根據(jù)實際情況是否該開啟器件設(shè)備或讓房間的電器設(shè)備處于一種可開啟狀態(tài)。另外，關(guān)于走廊及洗手問用燈情況，當(dāng)晚上有人經(jīng)過時，人體紅外感應(yīng)到人便開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。

電路中運用了熱釋紅外專用芯片BISS0001。它是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器［2］、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?，內(nèi)部電路如圖3所示。當(dāng)人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測元上時，電路中的傳感器將輸出電壓信號，然后使該信號先通過一個帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為16 Hz，下限截止頻率為0.16 Hz。

由于熱釋電紅外傳感器［5］輸出的探測信號電壓十分微弱（通常僅有1 mV左右），而且是一個變化的信號，同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式（脈沖電壓為0.1～10 Hz左右），所以應(yīng)對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號通過運算放大器OP1和OP2進行二級放大。再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器［3］處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs去啟動延遲時間定時器。

輸出信號Vo接單片機以便檢測，當(dāng)有人時便輸出5 V高電平，當(dāng)人離開之后延時一段時間后便復(fù)位為0 V以便主控制電路的控制。電路設(shè)計讓芯片處于可重復(fù)觸發(fā)狀態(tài)以便適合教室的實際情況。重復(fù)觸發(fā)其工作過程：可重復(fù)觸發(fā)工作方式下在Vc=“1”、A=“1”時，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時間內(nèi)，只要Vs發(fā)生上跳變，則%將從Vs上跳變時刻起繼續(xù)延長—個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)為無效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時間Ti時間內(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

利用單片機的P2.5口控制DSl8B20［1］，將實時采集到的溫度與單片機軟件設(shè)置的數(shù)值做對比，并用P2.3、P2.4口控制三極管的導(dǎo)通和截止，實現(xiàn)了用蜂鳴器在高溫時報警的要求。

圖2 熱釋人體紅外電路圖Fig.2 The infrared heat release circuit

圖3 BISS0001芯片內(nèi)部電路圖Fig.3 BISS0001 chip internal circuit

這里選用的DS18B20溫度傳感器是美國達(dá)拉斯（Dallas）公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器芯片，它與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同，DSl8B20可直接將被測溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號［9］，供單片機處理。通過編程DSl8B20可以實現(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。其測溫范圍-55～+125℃，最大分辨率為0.062 5℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)其測溫準(zhǔn)確度為±0.5℃。

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

圖4 溫度采集電路圖Fig.4 The temperature gathering circuit

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光敏二極管和一個100 k的電阻。共5組并聯(lián)連接接入5 V電壓，分別引出5條線路接至ADC0809［4］芯片的IN3～IN7通道電路連接如圖5所示，通過光敏二極管檢測教室的光照亮度，根據(jù)光敏二極管特性，遇光照時，阻值會明顯減少，隨著光度的減少，光敏二極管的阻值會逐漸增大的原理，那么每個光敏二極管分壓得到的不同電壓值（即模擬量），通過ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換檢測到它們輸出的模擬量。通過ADC0809芯片的IN3～IN7端口，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，D0～D7作為數(shù)據(jù)輸出端口，連接至單片機的P0口［10］進行數(shù)據(jù)的處理。

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

圖5 光度采集電路圖Fig.5 The luminosity gathering circuit

1檔：檢測到室內(nèi)光線充足時，開啟一盞LED燈，此時房間燈管亮度為最低。

2檔：檢測到室內(nèi)光線不充足時，同時開啟前兩排三盞LED燈管，此時室內(nèi)燈管亮度為適中。

3檔：此時檢測到室內(nèi)光線明顯不足，同時開啟所有LED燈管，此時室內(nèi)燈管亮度為較大。

2.4 LED燈顯示模塊

模擬時LED燈顯示模塊主要由三級LED燈組成，用P2.0、P2.1、P2.2口控制三極管導(dǎo)通和截止，實現(xiàn)了對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。

2.5 報警模塊

模擬時本模塊用兩個NPN三極管分別作為蜂鳴器的驅(qū)動，當(dāng)b極高電平時三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作發(fā)出聲音。當(dāng)b極為低電平時三極管不導(dǎo)通，蜂鳴器不工作。b極連接一個隱形的手動開關(guān)作為報警模式的啟動與關(guān)閉切換。通過單片機的P2.3、P2.4口控制其發(fā)出報警聲音，當(dāng)有小偷入侵時蜂鳴器發(fā)出連續(xù)的報警聲，當(dāng)溫度太高或發(fā)生火災(zāi)時蜂鳴器長鳴以警示工作人員。其硬件連接電路如圖7所示。

圖6 LED燈顯示電路圖Fig.6 The LED lights display circuit

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

圖7 報警電路圖Fig.7 The alarming circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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[11]、LED燈顯示模塊和報警模塊5部分，系統(tǒng)的軟件設(shè)計的主體流程如圖8所示。

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

圖8 軟件流程圖Fig.8 Flow chart of software

4 結(jié)論

本設(shè)計中采用AT89C51單片機為控制器，用熱釋人體紅外、光敏二極管和溫度傳感系統(tǒng)來檢測室內(nèi)有無人員、室內(nèi)的光照強度及室內(nèi)溫度，設(shè)計了一個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)的光線和是否有人來控制燈管的照明；用蜂鳴器作為報警源，如果啟動報警模式，當(dāng)檢測到其區(qū)域內(nèi)有人就會發(fā)出報警信號，當(dāng)溫度超過一定范圍也啟動長鳴報警聲。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、圖書館、樓道照明燈場所。

本設(shè)計通過制作PCB電路，利用PROTEUS軟件和KeilC軟件實現(xiàn)了分別完成了系統(tǒng)的硬件仿真和程序設(shè)計。該系統(tǒng)仿真調(diào)試已經(jīng)通過，系統(tǒng)的基本功能都可以完全實現(xiàn)，可以通過電路器件的改進投入實際運用。

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