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)來檢測室內(nèi)有無人員及室內(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)的光線和是否有人來控制燈管的照明；用蜂鳴器作為報(bào)警源，如果啟動報(bào)警模式，當(dāng)檢測到其區(qū)域內(nèi)有人就會發(fā)出報(bào)警信號，當(dāng)溫度超過一定范圍也啟動長鳴報(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、圖書館、樓道照明燈場所。
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及社會的進(jìn)步， 人們出差及在外工作的時(shí)間逐漸增長，當(dāng)家里、商場、機(jī)房或?qū)嶒?yàn)室等公共場所空無一人時(shí)，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?yàn)楦鞣N電源線路由于長時(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)都是由人手動操作，尤其當(dāng)我們半夜回家時(shí)摸不到開關(guān)，當(dāng)燈光不足或在上樓梯時(shí)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(fèi)。為了解決以上問題，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(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)來檢測室內(nèi)有無人員以及室內(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探測室內(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51 單片機(jī)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(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，如果啟動報(bào)警模式，當(dāng)檢測到其區(qū)域內(nèi)有人就會發(fā)出報(bào)警信號，當(dāng)溫度超過一定范圍內(nèi)也啟動長鳴報(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)未啟動報(bào)警模式時(shí)，當(dāng)檢測到室內(nèi)有人時(shí)，開啟光度采集模塊，根據(jù)室內(nèi)光照強(qiáng)度，分別開啟不同檔次的LED 燈；假如室內(nèi)溫度過高，報(bào)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(jìn)入室內(nèi)，開啟報(bào)警裝置，若是本人或工作人員可以通過一個(gè)隱形手動復(fù)位鍵消除報(bào)警，若有他人進(jìn)入室內(nèi)，則會開啟一級報(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、專用芯片BISS0001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(jī)，單片機(jī)再根據(jù)實(shí)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(shí)，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。
圖2 熱釋人體紅外電路圖
電路中運(yùn)用了熱釋紅外專用芯片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(shí)，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(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信號電壓十分微弱（通常僅有1 mV 左右），而且是一個(gè)變化的信號，同時(shí)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(yùn)算放大器OP1 和OP2 進(jìn)行二級放大。再經(jīng)由電壓比較器COP1 和COP2 構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs去啟動延遲時(shí)間定時(shí)器。
輸出信號Vo接單片機(jī)以便檢測， 當(dāng)有人時(shí)便輸出5 V高電平，當(dāng)人離開之后延時(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—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(jī)處理。通過編程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(qiáng)、易與微處理器連結(jié)等特點(diǎn)， 而且它無需任何外圍硬件就可方便地進(jìn)行溫度測量，與單片機(jī)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
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 條線路接至ADC0809 芯片的IN3～I(xiàn)N7 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(shí)，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(gè)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～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：檢測到室內(nèi)光線充足時(shí)，開啟一盞LED 燈，此時(shí)房間燈管亮度為最低。
2 檔： 檢測到室內(nèi)光線不充足時(shí)， 同時(shí)開啟前兩排三盞LED 燈管，此時(shí)室內(nèi)燈管亮度為適中。
3 檔：此時(shí)檢測到室內(nèi)光線明顯不足，同時(shí)開啟所有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，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)隱形的手動開關(guān)作為報(bào)警模式的啟動與關(guān)閉切換。通過單片機(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)來檢測室內(nèi)有無人員、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)的光線和是否有人來控制燈管的照明；用蜂鳴器作為報(bào)警源，如果啟動報(bào)警模式，當(dāng)檢測到其區(qū)域內(nèi)有人就會發(fā)出報(bào)警信號，當(dāng)溫度超過一定范圍也啟動長鳴報(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、圖書館、樓道照明燈場所。
本設(shè)計(jì)通過制作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， 系統(tǒng)的基本功能都可以完全實(shí)現(xiàn)，可以通過電路器件的改進(jìn)投入實(shí)際運(yùn)用。