防火报警系统1

摘要：本设计采用MSP430单片机作为宿舍智能防盗防火报警系统的控制核心，配以直流电源、无线传输、声光报警、外部存储、烟雾检测、人体检测、贵重物品检测、键盘、显示等外围电路，实现了智能、自动监视宿舍环境状况的功能。被监控宿舍利用热释电、烟雾传感器配以蜂鸣器和LED实现人体、烟雾检测和声光报警功能；选择4*4矩阵键盘输入密码实现解警功能；用光电开关检测宿舍内人员的进出情况；选用ISD4002语音电路实现语音提示功能；利用外置存储器保存检测信息，以备随时调取查看安防情况；利用nRF905无线射频传输和异步通讯模式实现异地、网络监控；选用声磁防盗系统检测贵重物品的进出情况。本设计成本低、功耗低，完成了题目的基本和发挥要求。

关键词：MSP430；无线传输；声光报警；异地监控；

Abstract：This design using MSP430 microcontroller as dormitory intelligent security fire alarm system control core, match with dc power supply, wireless transmission, sound-light alarm, external storage, smoke detection, human testing, inspection, the keyboard, the valuables display outside circuit, and the intelligence, automatic monitoring dormitory environment conditions. By monitoring dormitory pyroelectricity, smoke sensor with buzzers and LED the human body, realize smoke detection audible and visual alarm functions, Choose 4 * 4 matrix keyboard input password realize solution; p Using photoelectric switch detection dormitory personnel circumstance, Choose ISD4002 voice circuits voice function, Use external memory test information, to save any security situation; obtain check NRF905 using radio frequency transmission and asynchronous communication model to achieve different, network monitor, Choose sound magnetic security system in detecting the valuables. The design of low cost, low power consumption, the successful completion of the subject and the basic requirements.

Key Words: MSP430, Wireless transmission; Acousto-optic alarm; Remote monitoring;

1 系统方案

1.1系统总体方案及结构框图

根据题目要求，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1.1所示。

图1.1 系统结构框图

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ATC51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。该类电源制作简单，输出稳定，性价比较高。

根据题目要求，我们选择方案二。

1.2.3键盘模块

方案一：采用式按键。此类键盘采用键盘扫描方式，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。

综合考虑，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128X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，信号传输速率低，抗干扰能力差，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、传输速度快、传输距离远等优点，使用SPI接口与微控制器通信，控制简单。

综合考虑，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(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 理论分析与计算

2.1人体检测模块中放大电路的分析与计算

若以为输入量，为反馈量，为净输入量，为输出量。运用负反馈计算公式，以上几个变量的关系可表示为: =-,因此负反馈的放大倍数为：，则反馈系数为：，放大倍数为：，综上可得：，为负反馈电路的环路放大倍数。

2.2 人体检测模块中RC充放电时间的分析与计算

 BISS0001为红外传感信号处理器，内设延时时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调节范围宽。其输出延时时间为（R1、C1为芯片3、4管脚的外接电阻和电容），触发封锁时间为（R2、C2为芯片5、6管脚的外接电阻和电容）。

3 电路与程序设计

3.1电路设计

系统总体电路图见附录，各模块电路设计如下。

3.1.1控制器模块

采用MSP430单片机,其最小系统原理图如图3.1所示。

图3.1 MSP430最小系统原理图

3.1.2电源模块

采用线性直流稳压电源，其原理图如图3.2所示。

图3.2 直流稳压电源原理图

3.1.3键盘模块

采用4*4矩阵键盘，其原理图如图3.3所示。

图3.3 键盘原理图

3.1.4外部存储模块

采用AT24C02，其原理图如图3.4所示。 

图3.4 外部存储原理图

3.1.5无线传输模块 

采用nRF905无线收发模块，完成无线传输，实现异地监控。电路如图3.5所示。

图3.5 无线收发原理图

3.1.6声光报警模块 

采用蜂鸣器、LED和ISD4002语音收发芯片，完成检测报警，电路如图3.6所示。

图3.6 声光报警原理图

3.1.7烟雾检测模块

    采用自制烟雾传感器，完成室内烟雾检测，其原理图如图3.7所示。

图3.7 烟雾检测原理图

3.1.8人体检测模块

采用红外热释电传感器和专用芯片BISS0001，完成人体检测，电路如图3.8所示。

图3.8 人体检测原理图

3.2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。

其程序流程图如图3.9所示。

图3.9 程序流程图

4 系统测试与结果分析

4.1 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。    

4.2 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。

4.3 测试数据及测试结果分析

4.3.1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的外接元件值来确定最佳灵敏度。测试数据如表4.1所示。

表4.1 热释电传感器灵敏度测试数据

4.3.2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4.2所示。

表4.2 热释电检测范围测试数据

4.3.3 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4.3所示。

表4.3 烟雾传感器灵敏度测试数据

5 结束语

通过四天三夜的努力，我们终于将本作品制作成功。在这期间我们遇到了很多困难，但是我们并没有放弃，而是充分发挥团队合作精神，最终将其一一克服。通过电子设计竞赛不但锻炼了我们的实践能力，更增强了我们做事的毅力，丰富了我们的性格，相信在以后的学习和生活中会有很大帮助。在这里我们衷心感谢在竞赛中支持我们的各位老师和同学。

参考文献

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[6] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002               

附录

附：系统总体电路图