高校学生宿舍防火报警系统建设

（南京化工职业技术学院，江苏 南京 210048）

1.系统方案

1.1 系统总体方案

本系统主要由电源模块，控制器模块，键盘模块，外部存储模块,无线传输模块，声光报警模块，显示模块，人体检测模块，烟雾检测模块，贵重物品检测模块等构成。系统的结构框图如图1所示。

1.2 主要模块方案论证与比较

1.2.1 控制器模块

方案一：采用ATMEL公司的AT89C51作为控制核心。51单片机价格便宜，应用广泛，但运算速度较低，内部资源较少，功能单一，且自身功耗相对较高，难以满足系统要求。

方案二：采用16 位低功耗单片机MSP430 作为控制核心。它具有丰富的I/O 口与外部中断，运算速度快，为16 位机，而且功耗很低。

因为MSP430的功耗比51的低且其I/O 口多，运算速度快，所以我们选择方案二。

1.2.2 电源模块

方案一：采用开关直流稳压电源。开关电源功率大，效率高，但是纹波大，价格相对较高。

方案二：采用线性直流稳压电源。线性稳压电源制作简单，输出稳定，性价比较高。

因为线性直流稳压电源比开关电源成本低，输出稳定，所以我们选择方案二。

1.2.3 键盘模块

方案一：采用独立式按键。此类键盘采用独立键盘扫描方式，电路设计简单，编程相对容易，但对单片机资源占用较多，不利于系统整体功能的实现。

方案二：采用4*4矩阵式键盘输入。矩阵键盘为行列扫描方式，在按键较多时可以大大节省I/O接口，控制方便，有利于实现系统的功能要求。

因为4*4矩阵式键盘比独立式按键节省单片机I/O接口，所以我们选择了方案二。

1.2.4 显示模块

方案一：采用LED数码管显示。数码管显示具有亮度高，颜色鲜艳，易于观察，可实时动态显示，采用CH451 驱动可以大量减少占用的I/O口。但缺点是只能显示有限的数字和符号，即显示信息量小，显示内容单一。

方案二：采用128X64点阵LCD液晶显示。LCD液晶可轻松实现字母、汉字、图像等的显示，控制简单，可以实现人性化、动态化的显示，使显示内容更加丰富，人机交互更加容易。

鉴于LCD强大的显示功能，我们选择了方案二。

1.2.5 外部存储模块

采用可电擦除可编程只读存储器AT24C02。AT24C02接线简单，修改数据灵活，且断电后数据不会丢失，故得到了广泛的应用。

1.2.6 无线传输模块

方案一:采用PT2262/2272 编解码芯片。PT2262/2272 传输距离近，信号传输速度慢，数据编码方式单一。

方案二：采用nRF905 无线收发器。nRF905 无线收发芯片具有功耗低、控制简单、可自动处理字头和CRC校验等优点，其片内硬件可自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便。

因为nRF905 无线收发器传输速度快，传输距离远，所以我们选用方案二。

1.2.7 贵重物品检测模块

方案一：采用声磁防盗系统。声磁系统的特性是防盗检测率高、几乎零误报、不受金属锡箔纸屏蔽、抗干扰性好、保护的出口宽(单套系统最宽可保护4米)。且只需在贵重物品上贴张标签即可，简单方便可行。

方案二：GPS追踪器。把主机设备放在宿舍里，把从机固定在贵重物品上，当主从距离超过一定距离时, 主从设备均会报警，且主机会把这一信息立即发送到手机卡里。虽然功能够实现，但成本太高。

方案二成本高，对比来说，方案一优于方案二，所以我们选择方案一。

1.2.8 声光报警模块

为区分人体与烟雾检测和提示锁门两项报警功能，本设计分为两种报警方式。当检测到人和烟雾时采用蜂鸣器和LED进行声光报警，当检测到宿舍无人时采用语音报警。

1.2.9 烟雾检测模块

方案一：采用离子式烟雾传感器HIS-07。该离子式烟雾传感器需要用1014NM 以上阻抗的仪表或IC 集成电路（Mc14467/14468/145018）检测输出电压，普通的仪表会造成检测结果的不准确，这样使得成本增高。

方案二：采用自制烟雾传感器。用两对红外对管，一个运算放大器和几个电阻即可，电路简单，成本低。

虽然方案一与方案二都能实现设计要求，但方案一成本高，所以我们选用方案二。

1.2.10 人体检测模块

方案一： 采用集成运算放大器处理热释电的输出信号。电路设计简单，容易实现，但检测距离达不到5米。

方案二：采用热释电专用处理芯片BISS0001 处理输出信号。它的检测距离能达到5米以上，且工作稳定。

由于题目要求检测距离需达到5米以上，而方案二满足要求，所以我们选择方案二。

2.程序设计

通过人体检测模块和烟雾检测模块产生的上升沿电平来触发单片机的外部中断，从而达到感应人体和检测烟雾的功能。通过矩阵键盘扫描实现数据的输入。宿舍与宿舍之间采用异步通信模式实现数据传输，宿舍和监控中心采用无线通信模式进行数据传输。其他模块均采用单片机普通的输入和输出功能。

3.系统测试与结果分析

3.1 测试仪器

测试仪器包括数字万用表、MSP430开发板、秒表、直流稳压电源、双通道数字示波器等。

3.2 测试项目

测试项目主要包括以下内容：热释电红外传感器触发时间（灵敏度）测试、热释电红外传感器检测范围测试、烟雾传感器灵敏度测试。

3.3 测试数据及测试结果分析

3.3.1 热释电红外传感器触发时间（灵敏度）测试

通过调节BISS0001的RR2 和RC2的值来确定最佳灵敏度。测试数据如表1所示。

表1 热释电传感器灵敏度测试数据

经过反复测试最终选定RR2和RC2乘积为500时为最佳选择，所以我们选用RR2=5.1KΩ，RC2=0.1μF。

3.3.2 热释电红外传感器检测范围测试

热释电红外传感器检测范围主要是在传感器加菲涅尔透镜的基础上进行测试，通过调节BISS0001第12管脚负反馈电阻来实现。测试数据如表2所示。

表2 热释电检测范围测试数据

由题目要求检测距离在5m以上因此选择10KΩ可调电阻。

3.3.3 烟雾传感器灵敏度测试

烟雾传感器灵敏度测试主要是先确定在烟雾浓度为1000ppm的前提下，通过调节红外发射管的限流电阻来实现。测试数据如表3所示。

根据测试数据，最终确定限流电阻在4.7KΩ左右为最佳。

表3 烟雾传感器灵敏度测试数据

[1]邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社,1999

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