基于51单片机的低成本智能防火防盗报警系统设计

1 系统组成及工作原理

本系统通过一个监控室和两个宿舍来模拟，通过RS 485总线来实现通信。考虑到现实中监控室要能监控整栋宿舍楼，因此采用功能强大的ARM7芯片LPC2103作为主机控制芯片，从机采用价格低廉的51系列单片机作为控制芯片。宿舍中采用热释电传感器对人体进行检测，烟雾传感器实现烟火检测，红外传感器实现对宿舍进出人员数量的检测，主机通过RS 485总线对从机实时监控，当有异常出现时，宿舍和监控室的报警装置会同时响起，只有本宿舍成员在本宿舍通过输入从机的密码才可解除报警状态。系统的详细结构图如图1所示。

2 硬件电路设计及相关理论分析　　

防火防盗智能报警系统硬件主要由七大部分组成：主机部分处理器电路，从机部分处理器电路，传感器检测电路部分，声光报警电路，RS 485总线接口电路，键盘接口电路及显示电路。　　

2.1 传感器检测及声光报警电路　　

传感器模块由热释电传感器、烟雾传感器MQ211和红外传感器组成。　　

烟雾传感器的内部电阻是随着烟雾的浓度的变化而变化，因此要将其转化为变化的电压信号，在此通过电压比较器LM339和几个相应的分压电阻构成，具体电路设计如图2所示。在通电状态下测得传感器的内阻是130 kΩ左右，在烟雾较浓时内阻为6 kΩ左右，在无烟时比较器的负端输入为2.5 V左右，正端为1.2 V左右，有烟雾时负端为2.5 V，正端为3～5 V，此电路能很好地实现电平的转换。热释电红外传感器采用RE200B和信号处理元件BISS0001及少量外接元件组成，电路如图3所示。

红外传感器电路由红外发射二极管及1838B组成，用单片机来检测两个传感器低电平的先后顺序来判断人的进出情况。其原理如图4所示。声光报警模块由蜂鸣器、(红，绿)发光二极管和NPN型三极管驱动电路组成，具体电路图如图5所示。

2.2 RS 485通信电路　　

本模块采用用于RS 485与RS 422通信的低功耗、限摆率收发器MAX485。MAX485的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5 Mb/s的传输速率。　　

3 软件程序设计　　

该系统软件部分主要完成了系统及各个模块初始化、警情信号检测(火警/盗情)、系统设置、RS 485总线协议及声光报警的程序设计。具体的程序流程图如图6，图7所示。

4 通信协议　　

在RS 485总线通信系统中，由于供电、空间噪声以及传输路径等因素的影响，数据传播过程中很容易受到干扰或者信号衰减，造成通信失败，因而需要设计一种传输协议，保证在这种不可靠的物理链路上建立起可靠的数据连接。本系统中，数据采集器与监控室主机是一个简单的多点对一点通信。　　

4.1 波特率设置及通信方式的选择　　

4.2 数据校验方式的确定

使用RS 485总线通信技术传输数据时，很容易遇上干扰，使传输数据发生改变，从而导致传输错误。考虑到系统的实际要求，本设计采用8位的CRC(循环冗余校验)校验方式。

CRC校验和的计算是一种循环计算。从数学角度看，CRC校验和是用生成多项式(算法规则)去除一个多项式(由数据块表示)，CRC校验为相除后所得的余项。CRC校验是对要传送的一个数据块附加一些校验位，这些校验位(CRC校验位)由该数据块算出，并随同数据块一并传送。在接收端，对收到的数据块重新按规定的算法计算CRC校验和，从而可以判别数据传输过程是否出错。

4.3 通信数据的编码

为保证数据传输的可靠性和准确性，本设计采用的数据帧格式如表1所示。其中，前2个字节为起始同步信号，地址码占用1个字节(0～255)，用它来标示不同床位号;待发数据包括：烟雾传感器信号(1 B)、红外传感器信号(1 B)、热释电传感器信号(1 B)和采集时间(7 B);校验码为8位的CRC校验码。传输顺序为：烟雾传感器信号、红外传感器信号、热释电传感器信号(高位在前，低位在后)、采集时间(依次为：秒、分、小时、日、月、年);当发送应答命令时，待发数据为2 B的0xCC或者0xBB。

4.4 RS 485的通信协议

本系统的RS 485总线通信采用轮询的方法。主机向RS 485总线上发送各个从机的地址，对各个从机依次询问查看从机部分是否有警报。如果某从机有警报，就会通过RS 485总线发送指令报告给主机，然后主机和该从机通信，从机发送数据包，主机接受并解析该数据包，并作出相应处理。主机会不断的查询各个从机的状况，做到实时监控。　　

5 系统测试与结果分析

本系统经测试，传感器性能稳定，热释电传感器检测距离能达到5～8 m，烟雾传感器能够很好地实现防火功能;红外传感器很灵敏，可以有效地检测出人员的进出情况;RS 485总线能够很好地实现主机与从机之间的通信，做到实时监控。各个模块能够很好地链接在一起，有较高的稳定性。经过多次调试，该系统实现了设计要求。整体效果令人满意。

推荐阅读：

VR与AR的区别简述

ADI高集成性能图像传感器

eFuse优化服务器和数据中心电源设计

复杂处理器的上电时序设计

风向风速传感器原理及应用