宿舍智能防火防盗报警系统.doc
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宿舍防火防盗智能报警系统 摘要:本系统采用ARM1138单片机作为控制系统的控制核心,利用Q-2烟雾传感器实现烟雾检测,热释电人体红外传感器实现人体检测,红外光电传感器检测人员进出,URAT模块实现异地通讯和网络控制,键盘输入密码解警,无线发射器和无线接收报警器实现贵重物品进出检测,蜂鸣器模块实现报警,所有记录情况采用液晶显示。上位机与主控端直接通信,实现人机交互,体现智能化。主控端可以与各监控端通信,能显示当前各监控端的安全信息。监控端具有人体监测、烟雾监测、声光报警。烟雾传感器放大电路、声光报警电路、键盘电路、稳压电源电路经过测试均达到较好效果。 利用有线通信实现主控端对各宿舍监控端传感器模块的控制。经过测试,本系统能够很好的完成题目各项要求。 关键词:ARM1138;UART通信;烟雾传感器;热释电人体红外传感器 1 方案论证与设计 给出总体方案,列举出关键技术,分别对关键技术阐述方案。 1.1 控制模块方案 方案一:采用通用的51单片机作为主控制器。51单片机通用灵活、价格低廉、使用方便,但此单片机字长有限,数据处理能力很弱,处理速度较慢,资源不够丰富,需要扩展较多的外围电路,降低了系统的可靠性,增加了制作的费用,难以满 足本设计要求。 方案二:可编程逻辑器件CPLD,它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、标准产品无需测试等特点,可实现较大规模的电路设计。但是,该器件主要依赖于软件设计,缺少硬件的配合,致使 程序设计复杂,难以使用,运算速度太快。CPLD同样难以满足本设计的需要。 方案三: 采用 ARM1138 单片机来实现,此单片机I/O接口比较多,易于扩展外围电路,开发板集成了键盘、数码管,时钟、ZLG7290等芯片。另外方便的是该芯片内置在线仿真,编程接口,可以方便实现在线调试,这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。 对以上三种方案进行比较,方案一需要扩展较多的外围电路,降低了系统的可靠性,增加了制作的费用,方案二依赖于软件设计,缺少硬件的配合,致使程序设计复杂,难以使用,采用方案三接口比较多,可以方便实现在线调试,这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。 1.2 电源模块 方案一:采用两节4.2V可充电式锂电池供电,经过7805的电压变换后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足,并且可以充电,重复利用,因此,这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵,这会大大超出我们的预算,为遵循此次大赛成本低的原则,放弃了这种方案。 方案二: 采用9V干电池经7805降压、稳压后给单片机系统和其他传感器供电。电池电量低,使用后丢弃会对环境造成污染,不符合绿色环保的理念。 方案三:采用直流稳压电源。输出精度高,0到32V可调,调节范围大,使用简单,能为单片机提供稳定的工作环境。 经过比较,采用方案三。 1.3 有线模块方案 方案一:红外通信,红外通信器件易得,价格低廉,但必须直线收发是其致命弱点。 方案二:采用自制的无线电发射和接收电路进行无线收发,此方案虽然思路简单,但是硬件电路的连接与调试十分复杂,装置工作时的稳定性难以保证。 方案三:综合使用RS485总线和RS232总线,通过RS485与RS232接口转换,将通过RS485的信息通过RS232传到单片机上,但是这需要连线布局,较为麻烦。 方案四:采用UART有线通信模块,UART有线通信协议十分简单,以低电平作为起始位,高电平作为停止位,中间可传输5—8比特数据和一比特奇偶校验位,奇偶校验位的有无和数据比特的长度有通信双方约定。收发可同时进行,互不干扰。综上考虑,我们选用UART有线通信模块,确保了通信的流畅性和准确性。 1.4 显示部分设计方案 方案一:采用八位共阴极LED数码管进行显示,利用单片机串行口的移位寄存器工作方式,外接MAX7219串行输入共阴极显示驱动器,每片可驱动8个LED数码管。 方案二:采用点阵字符型TS12864A-3LCD液晶显示,可以显示数字与阿拉伯字母等字符,随着半导体技术的发展,TS12864A-3LCD的液晶显示越来越广泛的应用于各种显示场合。 比较这两种方案,数码管显示驱动简单,但显示信息量少,功耗大;利用液晶显示可以工作在低电压、低功耗下,显示界面友好、内容丰富,综合考虑,选用TS12864A-3LCD来实现显示功能。 1.5 烟雾检测模块方案 方案一:采用光敏传感器,该传感器是最常见的传感器之一,可以对许多烟雾浓度进行检测,但是在进行检测时要将烟雾信号转化为光信号才可以,经尝试,电路不稳定,不易控制。 方案二:采用Q—2烟雾传感器,它是一种离子是烟雾传感器,工作性能稳定可靠,低功耗,结构设计独特,防虫、防尘、抗外界光线干扰并且有特殊的防潮设计。可以广泛运用到各种消防报警系统中,性能远优于气敏电阻类的火灾报警器,并且价格适中。 综合考虑我们选择方案二。 1.6 人员监测模块的选择 方案一:采用光电开关。它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通,从而检测物体有无的。物体不限于人、动物、金属等,所有能反射光线的物体均可被检测。因此,它不能起到只检测宿舍有无人员的作用,并且监测距离有限。 方案二:利用图像识别的原理。先提前把宿舍人员信息存储起来,对宿舍的人员进行辨别,当非本宿舍人员进入时便提示并报警,直到宿舍人承认并消除报警后再停止报警,利用图像识别不仅能实现报警功能,而且还能实现记录进入人的面貌,但是其成本高,推广起来不方便,不适用于学校宿舍的推广。 方案三:采用热释电人体红外传感器。菲涅尔滤光片能有效地让人体辐射的红外线通过,而阻止太阳光、灯光等可见光中的红外线通过,免除干扰。在电子防盗、人体探测器领域中,应用广泛,技术性能稳定。本身不发生任何类型的辐射,器件功耗很小,隐蔽性好,价格低廉。 综合考虑以上情况我们选择方案三。 1.7 提示锁门模块 方案一:采用自制的蜂鸣器电路,实现声光报警。该方案实现比较容易,蜂鸣器的声音可以很好的提示锁门。并且所有报警电路都用蜂鸣器模块,节省了I/O口线资源。 方案二:采用ARM1138内部自带的语音模块,以软件的形式实现。程序设计较为复杂,并且降低程序执行效率。 综合考虑,选用方案一。 1.8 贵重物品检测模块 方案一:采用振动传感器。将振动的加速度转换成与之成比例的电压输出。可以检测环境振荡及低振荡,当物体移动时就报警,达到实时检测,但是其抗干扰能力低,而且麻烦,不利于一些经常移动的物体检测。 方案二:根据超市等一些大型场合的防偷盗检测原理,采用贴条形码的形式,将贵重物品的表面贴上条形码,将检测装置放置在宿舍的门口,当物品被拿出时便报警。 方案三:采用再昂贵物品上装信号发生器,在监测地点装信号接收器,当贵重物品被拿出超过一定范围之后,自动发生报警信号,以此来监测贵重物品。此物品小巧,便宜,使用简单并且监测效果较好。 综合上述方案,考虑推广普及成本及监测效果,采用方案三。 2 原理分析与硬件电路图 2.1 稳压电源模块 根据系统要求,我们使用直流信号源,为单片机提供一个稳定的输出电压,确保机内核、外设以及外接传感器工作准确性、稳定性。 2.2 传输模块设计 我们采用的有线传输模组以芯片集成UART模块为核心,使得设备之间即使晶振频率不同也可进行异步通信,完全可编程的串口接口特性,可有效降低误码率,使用简单可靠。实现宿舍情况数据的异地监控。 2.3 键盘模块设计 我们采用 2×8键盘实现输入密码解码解除报警功能,并且可以用键盘模拟锁门与未锁门,开启与关闭人体检测功能。电路图见附录图2 2.4 烟雾检测模块 我们采用Q—2烟雾传感器,每个宿舍安装一个Q—2烟雾传感器,它是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的,当有烟雾时它产生一个高电平,并将此高电平输出给单片机,单片机得到高电平信号控制报警装置发出报警信号,并使LED灯发光。为遵循此次比赛低成本原则,我们未采用现有的烟雾传感器的模组。调试过程中我们尝试过多种方案,如利用反相器等设计的方案,最终确定用该模块实现烟雾检测。最终设计的烟雾传感器电路原理图如附录图3 2.5 人体检测模块 题目要求我们检测出宿舍人员的进出情况并记录人数,若只用两个热释电人体红外传感器来检测并计数,由于它的反应速度较慢,当两人或两人以上同时进入宿舍时它无法识别,因此,我们额外用了两个红外传感器来计数。考虑到以上情况,我们采用热释电人体红外传感器来识别是否有温度变化(即是否进出物是人),用红外避障传感器来统计出入人数。 人体检测功能可关闭,需要时用键盘开启。开启时如果检测到有人就开启声光报警。 通过算法可使两个红外避障传感器分辨人员进、出两种状态。从而计算出宿舍人数。 当宿舍人数为零,并且门已锁时(可用键盘模拟),开启人体检测,如果检测到有人进入,则进行报警。 热释电红外传感器原理图如附录图4所示 2.6 显示模块设计 在系统中,利用TS12864A-3LCD液晶显示模组作为显示模块,利用键盘相应按键显示时间、人数、人员的进出情况、烟雾检测情况以及输入密码解警情况。该模块具有计数、状态显示、时间显示等功能。 2.7 提示锁门模块设计 当单片机系统检测宿舍无人时,由内部程序控制麦克发出报警,提示锁门,锁门后即使宿舍无人也不会报警,键盘可模拟是否锁门。 2.8 贵重物品检测模块设计 由一个无线发射器和一个无线接收报警器,发射器一直保持发射状态,将发射器放在贵重物品里,当发射器离开接收器一段距离后,发射器开始报警。 3 软件设计 系统的软件设计采用C语言,对单片机进行编程实现各项功能。 程序在windows 环境下采用ARM1138编程开发环境下编写,可实现宿舍内人员的进出情况检测以及人数记录、烟雾检测、声光报警、异地监控、输入密码解警、宿舍无人提示锁门、记录安防情况等功能。 从机程序流程图 中断程序流程图 主机程序流程图 4 测试系统与误差分析 4.1.1 烟雾传感器 烟雾传感器内部有一个加热丝,加热一段时间后才会有反应,即需要预热,预热后,当有烟雾时就会输出高电平,烟雾散去则输出低电平。测量情况如表1: 根据以上数据,由于我们采用的比较器基准电压由TL431提供,最小值为2.5V,我们将可变电阻调到了40K左右。 4.1.2 热释电人体红外传感器测试 热释电传感器模块上有两个电位器,一个可以调节延时时间,另一个可以调节测试距离。经过五次测量取平均值,我们测试的数据如表2: 表2热释电红外传感器测试 热释电红外人体 与正前方的夹角 可检测的最大距离 可检测的最小距离 延时时间 调节 两个 电位 器 0 633cm 180cm 1.75s 15 583cm 164cm 1.83s 30 555cm 142cm 1.79s 45 486cm 130cm 1.81s 60度以上 检测不到 4.1.3 光电传感器测试 给红外接近开关加5V电压,适当拉近或远离反射物体,调整电位器的大小,使得红外接近开关在一定范围内能检测到反射物体。经调整,传感器测到反射物体的有效距离及传感器相应角度,如表3: 表3 红外接近传感器测试 所加电压 检测平均最小距离 检测平均最大距离 次数 5 3.3cm 45cm 10 7 3.1cm 100cm 10 9 3.8cm 110cm 10 总结,虽说规定该传感器工作电压为5v,但是经我们检测,符合安全标准的最佳工作电压在7v左右,因此我们采用7v电压供电。 5 设计总结 本设计实现了题目的基本要求,发挥部分也大部分实现了功能。通过不断的硬件试验和程序调试,宿舍防盗防火报警系统能较好的按照题目的要求运行。期间我们也遇到了很多问题。曾不断调试烟雾传感器的精确度,让其达到比较精确地目的。由于时间紧,工作量大,加之经验不足,水平有限,系统还存在很多需要改进的地方。本次竞赛极大地锻炼了我们各方面的能力,让我们懂得了合作的重要性与思维的无限性。虽然我们遇到了很多困难与障碍,但是总体上成功与挫折交织,困难与希望并存,今后我们将继续努力,争取更大进步。 参考文献 [1] 陈炳和.计算机控制系统基础.北京:北京航天航空大学出版社,2001. [2] 谢自美.电子线路设计·实验·测试(第二版).武汉:华中理工出版社,2000. [3] 阎石《数字电子技术基础》高等教育出版社,2006.5 [4] 童诗白 《模拟电子技术基础》高等教育出版社,2006.5 [5] 曾兴雯《高频电子线路》高等教育出版社 2004.1 附录 图1 单片机最小系统图 图2 键盘电路图 图3 烟雾传感器原理图 图4 热释电红外传感器原理图 表1 烟雾传感器测试 烟雾传感器的输出端与接地端之间的电阻 检测气体种类 输出电压变化范围 1K 普通烟雾 0.05V--0.90V 火机里的液化气 0.O5V--4.86V 10K 普通烟雾 0.73V--2.10V 火机里的液化气 0.73V--4.92V 30K 普通烟雾 1.16V--2.72V 火机里的液化气 1.16V--4.97V 40K 普通烟雾 1.72V--3.13V 火机里的液化气 1.72V--4.98V 50K 普通烟雾 2.28V--3.13V 火机里的液化气 2.28V--4.96V 70K 普通烟雾 3.39V--4.42V 火机里的液化气 3.39V--4.98V 10 低频数字式相位测量仪 1- 配套讲稿:
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- 宿舍 智能 防火 防盗 报警 系统
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