智能防火防盗报警系统

目  录

1 引言    1

1.1 智能防火防盗报警系统发展现状    1

1.2 本系统的主要内容及现实意义    1

2 系统总体设计方案    2

3 系统硬件设计    3

3.1 防火检测电路设计    3

3.1.1 温度传感器电路设计    4

3.1.2 烟雾传感器电路设计    5

3.1.3 CO传感器电路设计    7

3.2 防盗检测电路设计    8

3.3 声光报警器设计    10

3.4 键盘检测电路设计    11

3.5 密码显示警报设计    11

3.6 电源设计    12

4 系统软件设计    13

4.1 控制模块程序设计    13

4.2 读取判断检测器信号程序设计    13

4.3 声光报警程序设计    14

4.4 密码显示及解除报警设计    15

5 系统抗干扰设计    16

5.1 系统硬件抗干扰    16

5.2 系统软件抗干扰    17

结束语    19

参考文献    20

致谢    21

1 引言

1.1 智能防火防盗报警系统发展现状

家居智能化是信息化社会的产物，家居智能化的内容一般包括：安全自动化(SA)，通信自动化(CA)，保健自动化(HA)和管理自动化(MA)，因此也称为4A系统。所谓智能化住宅，即是通过一个高度集成的通信和计算机网络，把住宅安全防范系统、物业管理系统、公共服务系统、信息系统连接起来，建立集成平台与信息处理控制中心，各个系立运行又共享网络硬软件资源，实施智能化与最优化，为住户营造一个安全、自由、舒适的现代居家生活环境。居民住宅应当设置安全防范报警系统，对火灾、盗窃、入室抢劫等做到早发现、早报警，通过社会力量和科技手段来提高家庭抵御各种意外情况的能力。

现代安防监控系统己经有了新的概念，通常称为安全自动化SAS(Security Automation System)，并与防火自动化系统FAS(Fire Automation System)共同构成智能建筑系统最底层的系统。目前国外发达国家己经逐渐形成一个集安防、消防、医疗救护为一体的安全保障行业。安全技术防范行业真正形成行业规模是在第二次产业中即1950年～1971年，首先在美国、英国等国家形成，像ADEMCO；VICON；CHUBO；AMERICA DYNAMIC等、60年代视频图像技术、70年代计算机数字技术、80年代生物识别技术以及90年代国际互联网技术的应用，使安防行业得到快速发展。．

就智能住宅中的火灾报警而言，目前出现的大型组合火灾报警系统或智能火灾报警系统，一般是根据灾前检知的光、热、烟、气、味等个别异常或是否达到某种阈值来做出判断的多阈值系统，多传感元件火灾探测器是智能型的装置，使用三种不同类型传感元件的探测器记录模拟量的火灾参数，并将这些模拟量转换成数字信号，然后，探测器利用数值算法判定是否存在火灾危险。现在世界各国都在致力于研究和开发能早期预报火灾的火灾探测方法和设备，如利用神经网络所具有的自学习和自适应等特点，就可组成智能火灾探测系统，提高火灾探测系统的检出率，增进系统的可靠性。

我国智能住宅安防系统相对国外来讲，是有较大差距的。现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门，虽有一定的防盗作用，在灾害发生的情况下，使逃生更加困难。另外，小区安全措施不足；居民安全意识有待增强：安全防范系统也急需普及。

1.2 本系统的主要内容及现实意义

针对国内外的发展情况，可见建筑智能安全防范系统是我国未来智能建筑建设的重点发展方向。本次设计的防火防盗报警系统实现功能包括：能对建筑的火灾、有害气体泄露等实行自动报警；还能对盗窃实行自动报警；用户端自动报警器对各传感器的信号进行检测和控制。研究的主要内容有以下几个方面：

（1）根据家居智能防火防盗系统的基本要求，设计出系统的整体方案，采用模块化设计，尽量使其可用性强，适用范围广。

（2）进行系统的硬件设计。包括芯片的选型，芯片外围电路的合理设计。主要模块有防火检测，防盗检测，电源，报警系统的设计。

（3）进行系统的软件设计。主要对系统的主程序，过程控制程序，密码显示程序等。

（4）对系统抗干扰等方面性能的分析。

家居智能防火防盗系统是我国智能住宅的重点发展方向，也会是主要的，市场潜力最好的发展方向。因此，开发一个性价比高、可靠性高、功能人性齐全的安全防范报警系统具有重要的现实意义。

2 系统总体设计方案

本防盗防火报警系统是一种电子安全报警系统，该系统的设计是将电子探测、智能控制相结合，从而形成防盗、防火报警系统。系统总体构成包括防盗探测器、防火探测器、用户端自动报警器三个主要模块，如图1所示。

图1 系统整体方案

防火探测器模块由温度探测器、感烟探测器、CO探测器组成，同样只有当烟雾探测器、CO探测器输出高电平信号且温度探测器检测到的环境温度达到温度报警阈值时，系统才由单片机响应相应的中断服务程序。

防盗探测器模块由热释电红外探测器组成，任一时刻，若探测器输出高电平证明有警报，系统才判定发生了盗情，触发相应的单片机中断处理程序。输出为低电平都认为是干扰或是误报警信号，单片机都不予处理。

用户端自动报警器由键盘输入电路、密码显示电路、电源电路、声光报警电路等组成。键盘电路采用常用的矩阵键盘电路来实现密码的输入和修改以及紧急呼叫按钮；密码显示电路采用74LS1串行静态显示来实现；电源电路采用简单的桥式整流电路产生+5V、+12V直流电源给系统供电；声光报警电路由红黄绿三色发光二极管（LED）和蜂鸣器组成。

3 系统硬件设计

3.1 防火检测电路设计

防火检测电路是由温度传感器，烟雾传感器和一氧化碳传感器构成的复合型火灾检测电路。多传感器设计思想解决了传统防火传感器一直存在的误报率高的问题，增强了火灾探测的可靠性。复合型火灾检测原理如图2所示。由于单元探测技术所采用的单一参数火灾探测器(包括阈值触发式和模拟量式)对火灾特征信号响应灵敏度的不均匀性，导致它对实际火灾的探测能力受到了，尤其是用于对家庭住宅火情的准确探知更是尤为重要。因此，报警系统中对火灾信号的检测采用多传感器/多判据的火灾探测技术，将探测器探测到的多元火灾探测信息经单片机进行综合判断，在软件设计中加入对传入的三信号进行综合判断后再进行报警处理。

图2 复合型火灾探测器原理示意图

实际上，响应各种不同类型的火灾，通常使用不同类型的火灾传感器，比较实验结果如表1所示。烟雾传感器不仅可探测一般火情，对阴燃火尤其有极好的探测效果，主要用于火情早期各种燃烧的烟雾颗粒进行探测，这一点就弥补了温度传感器对阴燃火不敏感，响应速度慢以及不能区分是火灾的热还是空调或烹饪蒸汽的热等缺点。但温度与烟雾传感器都不能区分有些烟雾究竟是火灾的烟还是烹饪蒸汽或香烟的烟雾，由此，在设计中增加了CO探测部分，可以探知早期火灾烟雾中的CO成分，这样就大大降低了各种环境因素的干扰，提高了报警的可信度。因而吸引采用温度、感烟、CO三种传感器来组成火灾探测器。

表1 火灾探测器比较实验对照表

传感器类型	单传感元件阈值探测器			多传感元件探测器
试验火类型	光电感烟型	差温探测器	感烟探测器	光电和差温复合型
木材明火TF1	不适合	最佳	最佳	很适合
太材执解火TF2	最佳	不适合	适合	最佳
棉绳阴燃火TF3	最佳	不适合	很适合	最佳
聚胺酯塑料火TF4	很适合	适合	很适合	很适合
正庚烷火TF5	很适合	很适合	最佳	最佳
无烟液体火TF6	不适合	最佳	不适合	适合

3.1.1 温度传感器电路设计

使用温度传感器。可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。电路连接简单，同种产品性能相差不大，性能稳定，可以方便的替换坏掉的传感器。而且价格不高。

温度传感器有很多种，按输出量可分为模拟和数字温度传感器。模拟输出温度传感器具有很高的线性度 (如果配合一个模数转换器或ADC可产生数字输出)、低成本、高精度(大约1%)、小尺寸和高分辨率。它们的不足之处在于温度范围有限(-55℃～＋150℃)，并且需要一个外部参考源。

设计采用常用的数字温度传感器DS18B20，5V直流电压供电。DS18B20引脚分布图如图3所示。DS18B20的性能特点：①采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），②测温范围为-55℃～+125℃，测量分辨率为0.0625℃，③内含位经过激光修正的只读存储器ROM，④适配各种单片机或系统机，⑤用户可分别设定各路温度的上、下限，⑥内含寄生电源。

                                    

图3 DS18B20引脚分布图

在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时VDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5千欧左右的上拉电阻。

外部供电和寄生供电方式电路都比较简单，外部供电方式不需接场效应管，可节省一个器件，因而本设计采用外部供电方式连接。温度传感器电路图如图4所示。只需要把DS18B20的信号线DQ接单片机的P3.4口。再在DQ上接一上拉电阻，GND接地，VDD接+5V直流电源，通过软件的编写就能用此电路实现温度的采集。

图4 温度传感器电路图

3.1.2 烟雾传感器电路设计

烟雾传感器完成对环境中的烟雾状况进行检测，当发生火灾时，环境中烟雾浓度变化较大，当CO传感器与烟雾传感器都输出报警信号时，可触发单片机外部中断1（INT1）进行处理。同时调温度值，若温度超过报警阈值，则进行火灾报警，声光报警器发出报警信号。

气敏传感器具体类型及其特点如表2所示。通过比较上述几种传感器的特点，从电路结构、价格、实现难易度考虑，选择半导体式传感器来检测烟雾。半导体式气敏传感器是利用半导体气敏元件（主要是金属氧化物）同待测气体接触，造成半导体的电导率等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度。可分为电阻式和非电阻式。

表2 气体传感器类型几特点

类型	原理	检测对象	特点
半导体式	若气体接触到加热的金属氧化物（SnO2、FeO3、ZnO2等），电阻值会增大或减小	还原性气体、城市排放气体、丙烷七、烟雾颗粒等	灵敏度高，构造与电路简单，但输出与气体浓度不成比例
接触燃烧式	可燃性气体接触到氧气就会燃烧，使得作为气敏材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大	燃烧气体	输出与气体浓度成比例，但灵敏度较低
化学反应式	利用化学溶剂与气体反应产生的电流、颜色、电导率的增加	CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2等	气体选择性好，但不能重复使用
光干涉式	利用与空气的折射率不同而产生的干涉现象	与空气折射率不同的气体，如CO2等	寿命长，但选择性差

HQ-2是一种电阻式气敏传感器。它的灵敏度为40PPM, PPM是体积浓度表示法，一百万体积的空气中所含污染物的体积数，即PPM。即当环境中烟雾颗粒浓度超过40ppm时，烟雾传感器的阻值下降很快。烟雾探测电路原理图如图5所示。电源用设计的12V直流电源供电。HQ-2汽敏管A-B之间的电阻，在无烟环境中为几十千欧，有烟雾环境中可降到几千欧。一旦有烟雾存在，A-B间电阻迅速减小，比较器LM393通过电位器Rp所取得的分压随之增加，当正向端电压高于负向端时，比较器LM393翻转，输出端便可输出高电平触发信号，经与非门进入单片机进行处理。

图5 烟雾检测电路图

3.1.3 CO传感器电路设计

CO传感器实现在火灾发生时，对空气环境中的CO含量进行监测，当空气中CO浓度达到报警时阈值，且烟雾传感器输出发出报警请求信号时，两个信号通过与非门后，可向单片机申请中断处理，当温度也达报警值时，单片机控制进行声光报警信号输出。

CO气体检测电路原理图如图6所示，当QM-N10没接触到CO气体时，其A-B两电极间呈现高阻抗，使得三极管的发射结反偏，三极管截止不通，三极管发射极e端输出低电平，送入与非门，与非门输出高电平无法触发报警中断信号，当QM-N10接触到CO气体后，其A-B两电极间的电阻值下降很多，三极管基极通过分压管分得一个0-5V间能使三极管发射结导通的电压，可以通过调节可变电阻来改变探测器的响应阈值。设计使三极管发射极e端的跟随电阻分得4.3V左右的电压，此端呈现高电平，有效信号可送入与非门，只要从烟雾探测器传来的信号也为高电平信号就能触发单片机的外部中断1，进行防火报警。防火电路如图7所示。

图6 CO气体检测电路图

图7防火电路图

3.2 防盗检测电路设计

热释电红外传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，可以将其转化为与人体运动速度，距离，方向等有关的低频电信号。由热释电传感器的特性知电压响应度与入射光辐射变化的频率成反比，因此，当恒定的红外辐射照射在探测器上时，传感器没有电信号输出，所以恒定的红外辐射不能被检测到;而物体移动速度越快，同样的入射功率下，输出电压就会越小，只有达到报警阈值电平时，传感器才会有电压信号输出。根据该特性，选择热释电红外探测器适用于盗情信号的检测。传感器原理框图如图8所示，当人体进入警戒区，人体温度会引起环境温度辐射场的变化，通过菲涅尔透镜，热释电红外探头感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，则在负载电阻上产生一个电信号，电信号的大小，决定于敏感元件温度变化的快慢。经过后级比较器与状态控制器产生相应输出信号U0。

图8 热释电红外线探测器原理框图

热释电红外传感器电路采用的器件包括红外探测器专用芯片—红外传感信号处理器BISS0001、热释电红外传感器及一些外围元件(电阻电容)。

检测元件BISS0001是CMOS数模混合专用集成电路，具有的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号预处理。另外它还具有双向鉴幅器，可有效抑制干扰，其内部设有延迟时间定时器和封锁时间定时器。BISS0001可重复触发工作方式下波形如图9所示。

图9 BISS0001可重复触发工作方式下各点波形

红外传感器分立元件电路图如图10所示。利用BISS0001的运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将Q74（PIR）探测到的微弱的红外信号无损耗地传过来并进行第一级高增益信号放大。然后经C3耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM（≈0.5 VDD）后，送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3 VDD，所以，当VDD=5V时，可有效地抑制±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。COP3是一个条件比较器。输入电压UcUr时，COP3输出为高电平，打开与门U2，此时若有触发信号Vs的上跳边沿来到，则可启动延时时间定时器，同时Vo端输出为高电平，进入延时周期。当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti周期内，任何V2的变化都不能使Vo为有效状态。这一功能的设置，可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

经比较器、双向鉴幅器后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器，由2脚输出高电平的控制信号，送入与非门，再进入单片机处理。BISS0001的3脚、4脚所接的R8、C7决定了输出延迟时间，通过改变R8C7时间常数可改变延迟时间周期Tx(≈49152R8*C7)。5脚、6脚外接的R7、C6可改变电路的触发封锁时间、通过改变其时间常数可调节封锁周期Ti(≈24R7*C6)。

图10 热释电红外探测电路

防盗探测器由热释电红外传感器、传感信号处理集成电路BISS0001、稳压管等元器件组成。其防盗电路图如下图11所示

图11 防盗电路图

3.3 声光报警器设计

该报警模块主要由555定时器等元器件组成当P2.0=1，555定时器的复位端输入高电平，电路开始振荡并发声，开始报警；当P2.0＝0时，555定时器的复位端输入低电平，振荡器停止振荡，停止报警。同时P2.0脚输出的高低电平信号经电阻R3加到发光二极管LED上，LED将发光，当P2.0输出低电平时，LED等熄灭，进而达到声光同时报警的效果。如图12所示。

图12 声光报警电路

3.4 键盘检测电路设计

键盘设计可以采用8155等接口芯片来做键盘接口，在单片机端口资源不够用时可以采用，也可以采用专用的HD7279键盘、显示器接口芯片来做，这种方式在按键数或显示位数要求比较多的时候采用可以节省大量单片机接口资源和内存资源。由于本系统所使用到的单片机端口资源较少，端口资源充足，因而在设计键盘电路时，我们采用常用整个P0口来做一个4*4矩阵键盘，P0—P3口作为行线，通过上拉电阻接+5V，被箝位在高电平状态，P4—P7口为列线，如图13所示。对键盘的扫描过程可分为两步：第一步是CPU首先检测键盘上是否有键按下；第二步是再识别是哪个键按下。对键盘的识别方法通常采用逐行（逐列）扫描法。

通常按键在按下和释放时都存在一个抖动的暂态过程，这种抖动的暂态过程大约经过5-10ms的时间，人的肉眼察觉不到，但对高速的CPU是有反应的，可能产生误处理。为了保证键动作一次，仅进行一次处理，必须采取措施以消除抖动，在应用系统中通常采用软件方法来消除抖动。在本系统中同样采用软件的方法来实现。

图13 键盘电路

3.5 密码显示警报设计

当探测器检测到异常信号传给自动报警器时，只有解码正确时才会有开锁电平输出给单片机，控制关闭中断，解除用户端自动报警器的监测报警状态。此时，自动报警器对这个异常信号不做出任何响应，直到被复位后，自动报警器才重新开始工作。如果六次误码输入，则产生报警信号电平，触发报警器中断响应，此时报警器进入报警状态，自动拨号发出报警信号。密码电路中设有50 秒定时中断输出控制信号，防止长时间无效操作。当有超过50 秒的无效操作时，中断开启，发出报警信号。

显示模块选用八位串行输入段码式LED模块，是由八位的七段型液晶显示器件与显示驱动器MAX7219构成，可实现数据实时显示功能，原理图如图14所示。MAX7219接收来自显示控制器的时序信号和串行数据，并把它们转换成相应的驱动。

图14 数码管显示电路

3.6 电源设计

本系统主电源采用直流电源5V供电，原理图如图15所示。电源部分电路为典型的7805/7806应用电路，具有两路电源输出。该电路具有短路保护功能，变压器输出7V 交流电，经桥路整流，电容滤波，送入7805/7806输入端，最后输出5V直流电。电阻与红色LED 构成电源工作指示电路，绿色LED 和蜂鸣器用于短路报警指示。

图15 电源原理图

4 系统软件设计

4.1 控制模块程序设计

本防火防盗报警系统是一种电子安全报警系统，该系统的设计是将电子探测、智能控制相结合，从而形成防盗防火报警系统。系统总体构成包括防盗探测器、防火探测器、用户端自动报警器三个主要模块。系统总流程图如图16所示。

图16系统总流程图

4.2 读取判断检测器信号程序设计

防火探测器模块由温度探测器、感烟探测器、CO探测器组成，同样只有当烟雾探测器、CO探测器输出高电平信号且温度探测器检测到的环境温度达到温度报警阈值时，系统才由单片机响应相应的中断服务程序。防火流程图如图17所示。

图17 防火流程图

防盗探测器模块由热释电红外探测器组成只要检测到信号就发出警报，防盗流程图如图18所示。

图18 防盗流程图

4.3 声光报警程序设计

用户端自动报警器由键盘输入电路、密码显示电路、电源电路、声光报警电路等组成。键盘电路采用常用的矩阵键盘电路来实现密码的输入和修改以及紧急呼叫按钮；密码显示电路采用74LS1串行静态显示来实现；电源电路采用简单的桥式整流电路产生+5V、+12V直流电源给系统供电；声光报警电路由红黄绿三色发光二极管（LED）和蜂鸣器组成。声光报警流程图如图19所示。

图19 声光报警流程图

4.4 密码显示及解除报警设计

当探测器检测到异常信号传给自动报警器时，只有解码正确时才会有开锁电平输出给单片机，控制关闭中断，解除用户端自动报警器的监测报警状态。此时，自动报警器对这个异常信号不做出任何响应，直到被复位后，自动报警器才重新开始工作。如果六次误码输入，则产生报警信号电平，触发报警器中断响应，此时报警器进入报警状态，自动拨号发出报警信号。密码电路中设有50 秒定时中断输出控制信号，防止长时间无效操作。当有超过50 秒的无效操作时，中断开启，发出报警信号。密码显示及解除警报流程图如图20所示。

图20 密码显示及解除警报流程图

5 系统抗干扰设计

5.1 系统硬件抗干扰

防火防盗传感器及报警器工作环境较恶劣，易受到各种干扰的侵犯。根据其来源不同，主要有空间干扰（通过电磁辐射进入）、过程通道干扰（通过与自动报警器及控制器相连的前向和后向通道进入）、供电系统干扰以及印制与电路间产生的相互干扰。所以在设计上，应该采取必要的软硬件措施，免除和减小各种不良因素对系统的影响和损害，从而提高系统的稳定性和可靠性。

在硬件设计过程中，可以采取以下几个方面的措施来提高系统的抗干扰能力：

1. 对于空间辐射干扰的抑制，主要解决办法是屏蔽。静电屏蔽使用导体材料即可。为达到电磁屏蔽的目的，可以把控制系统安装在用铁板做成的封闭机箱内，来屏蔽外部静电和电磁场的干扰。

2. 设计印制电路板时，合理布线，力求将系统中个元件之间、电路之间可能产生的不利影响在最低程度。元件排列及信号走线尽量有序，短直，简洁，避免相邻电路相互影响了尽量避免过长的平行走线，减少布线的分布电容。接地线尽量加宽以减少接地电阻，并解决好接地点问题。避免印制电路形成环路接受噪声形成干扰。按钮等在操作时会产生火花，必须利用RC 电路加以吸收。

3. 电源的设计将强弱电严格分开，不把它们设计在一块电路板上，电源线的走向尽量与数据传递的方向一致。在印制电路板的各个关键部位配置去藕电容，电源输入端跨接10uF 的电解电容。每片集成电路电源的引脚上并接0.01uF 高频电容。对于抗噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM 存储器件（集成块），应在芯片的电源线（VCC）和地线（GND）间直接接入0.01uf去耦电容。

4. CMOS 芯片的阻抗很高，易受外界的干扰，故电路中不使用的输入端不允许悬空，否则会引起逻辑电平不正常。根据实际情况，将多余的输入端与正电源或地相接。实践表明，元器件的质量对系统影响很大。应选择正品元器件。使用前还要进行必要的筛选。对于接插件，应选择抗震性能好，接合可靠，防松的接插件。传输电缆应具有良好的屏蔽层，耐老化，抗损伤，不易断线。

5. 电阻系统本身对静电的防护也是至关重要的。静电产生的原因主要有两种模式：人体带电和电场感应带电。考虑人体带电模式，鉴于人主要接触开关机控制CPU模块，且主要是键盘。为防止静电危害，在键盘的3个引线上对地分别串上3个防静电电容，本系统采用0.01uf的电容。

6. 无论系统采取什么样的抗干扰措施，系统总会受到一些干扰使系统中的单片机的程序跑飞。为了使程序跑飞后，系统能恢复正常运行，可以采用硬件看门狗防止程序跑飞。