基于STC89C52的实验室安全防护系统设计

邓然，刘杲明

（哈尔滨华德学院，黑龙江哈尔滨，150025）

1 系统组成及工作原理

基于单片机的实验室安全防护系统可以解决实验室的防火、防烟、防盗等问题，确保实验人员的人身安全，以及保护实验器材。检测模块包括烟雾传感器，温湿度传感器和热释电红外传感器，可以对实验室的温湿度和烟雾浓度等进行检测；控制模块采用STC89C52单片机作为主控平台，控制整个系统的运行；输出模块包括LCD显示屏，手机等，通过LCD显示屏可以实时看到当前的温湿度，烟雾浓度等数据，当数值超出阈值时，GSM模块会将数据发送到手机端，同时蜂鸣器会发出警报，继电器控制电源断电，消防灯亮起。从而保证实验室的安全。

2 系统硬件设计

本次设计利用物联网中的单片机技术和传感器技术来设计总体架构，基于单片机的实验室安全防护系统可以解决实验室的防火、防烟、防盗等问题，确保实验人员的人身安全，以及保护实验器材。

2.1 主控模块设计

本系统设计的实验室安全防护系统采用的主控模块是STC89C52，能够使主控模块正常工作的最小单元是单片机的最小系统，构成最小系统主要有三部分。分别是时钟电路、复位电路和系统电源。时钟电路的作用就是为系统提供时钟或者说是工作节拍，STC89C52时钟系统包括内部时钟和外部时钟两种。复位电路可以保证系统在死机的状态下恢复初始状态，最简单的复位电路由电容串联电阻构成。系统电源的作用就是为系统正常工作提供能量的电路。

2.2 温湿度传感器模块电路

DHT11温湿度传感器采集的数值是非常准确的，DHT11的工作模式采用的是双线串行通信，DHT11由于其体积小，功耗低，使用简单等优点，被广泛应用，在采集信号的过程中，以主控芯片发送的信号作为起始，传感器开始采集数据，并反馈给主控芯片。DHT11包含4个引脚，分别是VDD、GND、DATA和NC引脚，VDD和GND分别接电源和地，DATA引脚负责和STC89C52单片机的P02口连接进行温湿度数据的传输，NC引脚由厂家预留，一般不用，悬空处理。

2.3 烟雾检测模块电路

MQ-2烟雾传感器可采集多种气体的浓度，如液化气、酒精、氢气和烟雾等，因此广泛的应用于火灾安防的领域之中。MQ-2烟雾传感器的外部引脚有6个，引脚分布情况为ABHHBA，使用时需要两个A连接在一起，两个B连接在一起，两个H分别接电源的正极和负极，MQ-2的正常工作电压为5V，由于MQ-2采集的信号是模拟信号，所以MQ-2传感器的信号输出端不能直接和单片机相连，本系统采用的是ADC0832模数转换器对模拟信号进行转化，并将得到的数字信号在传送给主控芯片。

2.4 显示电路设计

显示电路采用的是LCD1602液晶显示，本系统中，显示电路可用于实时显示实验室的温度、湿度、烟雾浓度等信息，LCD1602显示屏具有功耗低，性价比高，显示效果良好等特点。LCD1602液晶显示屏共有16个引脚，VCC和VSS分别用于接电源的正负极，EN是LCD1602液晶显示屏的使能端，VL引脚用于调整液晶显示屏的对比度，RS引脚为寄存器选择引脚可用于选择数据寄存器和程序寄存器，R/W为数据读写选择引脚，通过控制R/W引脚可实现读写功能，D0-D7为8根双向数据线，和单片机的P0.0和P0.7相连。

2.5 报警电路设计

当按键设置好烟雾浓度、温湿度的上限值或者是开启防盗模式，人体红外感应到有人后或者烟雾参数超过阈值后，单片机就会发出报警。本系统的报警功能包含两部分，分别是声音报警，短信报警。声音报警电路采用的是蜂鸣器，在正常供电的情况下，蜂鸣器就可以发出报警的响动。本系统中的报警电路由三部分构成，分别是电阻，PNP型三极管和蜂鸣器，PNP型三级管的作用是为了放大单片机所提供的电平信号，以保证蜂鸣器能够正常工作。

2.6 通信模块电路设计

本设计采用的通信模块为SIM800，此模块主要用于语音或者数据通讯，具有体积小，价格便宜，发送短信时间快等特点。被广泛的运用在通信设置中。该模块有24个引脚，为用户提供了一个全功能串口和调试口，一个通用输入输出口和一个SIM卡接口。电路中接二极管是为了防止发送短时后会产生一个较大的反向电流，击穿芯片。电解电容为1000UF为发送短信提供足够的条件。

3 软件系统设计

软件设计是从软件的需求出发，从而形成软件的具体设计方案的过程，本系统主要通过各个传感器对数据的采集，来实现实验室的安全防护。软件设计主要包括系统的整体设计和各个传感器工作流程的设计。

3.1 软件主程序设计

首先各个硬件开始初始化，先进行GSM模块的初始化，然后初始化各传感器，之后各个模块开始工作，进入到数据采集阶段，各个传感器采集相关参数，单片机对采集的数据进行处理，完成后续的显示和报警工作。如果产生异常，由单片机发出命令，利用GSM模块发送短信。

3.2 烟雾浓度检测程序设计

当烟雾传感器采集到当前的数据后，会将当前的烟雾浓度信息通过转换显示在LCD显示屏上，通过设置烟雾浓度的报警上限，来进行烟雾浓度的阈值检测报警，当烟雾浓度超过上限时，风扇就会转动，开启蜂鸣器然后进行报警，继电器开始工作，控制所连接的设备开关进行开启，GSM发送短信给管理员。

3.3 人体检测程序设计

主函数执行后，检测防盗模式是否开启，首先通过按键设定是否开启防盗模式，然后检测是否有人，人体红外感应模块是否发出有效信号，热释电红外传感器检测的有人闯入时，进行声光报警，蜂鸣器响起，LED指示灯亮起，同时SIM800发送报警短信到对应的手机上，提示实验室管理人员和教师等有人闯入。

3.4 温湿度检测程序设计

开启开关电源后，温湿度传感器开始工作，首先将温湿度传感器放置在空气中，然后进入温湿度监测子程序中，温湿度传感器将空气中的温湿度转换成电信号进行输出，单片机接收到数据后进行计算，之后显示在LCD1602液晶显示器上。DHT11数字温湿度测温模块首先初始化，然后读取DHT11数字温湿度测温模块序列号，之后进行温度转换，随后复位DHT11数字温度测温模块，若无中断，则读取数据，若有中断，则继续回归到复位操作。

4 结论

本次系统能够实时检测实验室内的温度、湿度、烟雾浓度和有无人闯入等信息，当实验室发生异常时，还可以通过GSM模块向实验室管理人员或教师等发送短信，通知相关人员及时采取保护措施，具有功能完善，操作简单，报警及时等特点。此外，本设计还存在着一些不足之处，需要进一步改进。例如：在进行报警后，只能通过继电器来控制开关和消防灯的开启，无法做到智能的安全防护，还需要管理员来进行防护。