鄧然，劉杲明

（哈爾濱華德學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150025）

1 系統(tǒng)組成及工作原理

基于單片機(jī)的實驗室安全防護(hù)系統(tǒng)可以解決實驗室的防火、防煙、防盜等問題，確保實驗人員的人身安全，以及保護(hù)實驗器材。檢測模塊包括煙霧傳感器，溫濕度傳感器和熱釋電紅外傳感器，可以對實驗室的溫濕度和煙霧濃度等進(jìn)行檢測；控制模塊采用STC89C52單片機(jī)作為主控平臺，控制整個系統(tǒng)的運行；輸出模塊包括LCD顯示屏，手機(jī)等，通過LCD顯示屏可以實時看到當(dāng)前的溫濕度，煙霧濃度等數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)值超出閾值時，GSM模塊會將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端，同時蜂鳴器會發(fā)出警報，繼電器控制電源斷電，消防燈亮起。從而保證實驗室的安全。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本次設(shè)計利用物聯(lián)網(wǎng)中的單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)來設(shè)計總體架構(gòu)，基于單片機(jī)的實驗室安全防護(hù)系統(tǒng)可以解決實驗室的防火、防煙、防盜等問題，確保實驗人員的人身安全，以及保護(hù)實驗器材。

2.1 主控模塊設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的實驗室安全防護(hù)系統(tǒng)采用的主控模塊是STC89C52，能夠使主控模塊正常工作的最小單元是單片機(jī)的最小系統(tǒng)，構(gòu)成最小系統(tǒng)主要有三部分。分別是時鐘電路、復(fù)位電路和系統(tǒng)電源。時鐘電路的作用就是為系統(tǒng)提供時鐘或者說是工作節(jié)拍，STC89C52時鐘系統(tǒng)包括內(nèi)部時鐘和外部時鐘兩種。復(fù)位電路可以保證系統(tǒng)在死機(jī)的狀態(tài)下恢復(fù)初始狀態(tài)，最簡單的復(fù)位電路由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成。系統(tǒng)電源的作用就是為系統(tǒng)正常工作提供能量的電路。

2.2 溫濕度傳感器模塊電路

DHT11溫濕度傳感器采集的數(shù)值是非常準(zhǔn)確的，DHT11的工作模式采用的是雙線串行通信，DHT11由于其體積小，功耗低，使用簡單等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用，在采集信號的過程中，以主控芯片發(fā)送的信號作為起始，傳感器開始采集數(shù)據(jù)，并反饋給主控芯片。DHT11包含4個引腳，分別是VDD、GND、DATA和NC引腳，VDD和GND分別接電源和地，DATA引腳負(fù)責(zé)和STC89C52單片機(jī)的P02口連接進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸，NC引腳由廠家預(yù)留，一般不用，懸空處理。

2.3 煙霧檢測模塊電路

MQ-2煙霧傳感器可采集多種氣體的濃度，如液化氣、酒精、氫氣和煙霧等，因此廣泛的應(yīng)用于火災(zāi)安防的領(lǐng)域之中。MQ-2煙霧傳感器的外部引腳有6個，引腳分布情況為ABHHBA，使用時需要兩個A連接在一起，兩個B連接在一起，兩個H分別接電源的正極和負(fù)極，MQ-2的正常工作電壓為5V，由于MQ-2采集的信號是模擬信號，所以MQ-2傳感器的信號輸出端不能直接和單片機(jī)相連，本系統(tǒng)采用的是ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并將得到的數(shù)字信號在傳送給主控芯片。

2.4 顯示電路設(shè)計

顯示電路采用的是LCD1602液晶顯示，本系統(tǒng)中，顯示電路可用于實時顯示實驗室的溫度、濕度、煙霧濃度等信息，LCD1602顯示屏具有功耗低，性價比高，顯示效果良好等特點。LCD1602液晶顯示屏共有16個引腳，VCC和VSS分別用于接電源的正負(fù)極，EN是LCD1602液晶顯示屏的使能端，VL引腳用于調(diào)整液晶顯示屏的對比度，RS引腳為寄存器選擇引腳可用于選擇數(shù)據(jù)寄存器和程序寄存器，R/W為數(shù)據(jù)讀寫選擇引腳，通過控制R/W引腳可實現(xiàn)讀寫功能，D0-D7為8根雙向數(shù)據(jù)線，和單片機(jī)的P0.0和P0.7相連。

2.5 報警電路設(shè)計

當(dāng)按鍵設(shè)置好煙霧濃度、溫濕度的上限值或者是開啟防盜模式，人體紅外感應(yīng)到有人后或者煙霧參數(shù)超過閾值后，單片機(jī)就會發(fā)出報警。本系統(tǒng)的報警功能包含兩部分，分別是聲音報警，短信報警。聲音報警電路采用的是蜂鳴器，在正常供電的情況下，蜂鳴器就可以發(fā)出報警的響動。本系統(tǒng)中的報警電路由三部分構(gòu)成，分別是電阻，PNP型三極管和蜂鳴器，PNP型三級管的作用是為了放大單片機(jī)所提供的電平信號，以保證蜂鳴器能夠正常工作。

2.6 通信模塊電路設(shè)計

本設(shè)計采用的通信模塊為SIM800，此模塊主要用于語音或者數(shù)據(jù)通訊，具有體積小，價格便宜，發(fā)送短信時間快等特點。被廣泛的運用在通信設(shè)置中。該模塊有24個引腳，為用戶提供了一個全功能串口和調(diào)試口，一個通用輸入輸出口和一個SIM卡接口。電路中接二極管是為了防止發(fā)送短時后會產(chǎn)生一個較大的反向電流，擊穿芯片。電解電容為1000UF為發(fā)送短信提供足夠的條件。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件設(shè)計是從軟件的需求出發(fā)，從而形成軟件的具體設(shè)計方案的過程，本系統(tǒng)主要通過各個傳感器對數(shù)據(jù)的采集，來實現(xiàn)實驗室的安全防護(hù)。軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)的整體設(shè)計和各個傳感器工作流程的設(shè)計。

3.1 軟件主程序設(shè)計

首先各個硬件開始初始化，先進(jìn)行GSM模塊的初始化，然后初始化各傳感器，之后各個模塊開始工作，進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集階段，各個傳感器采集相關(guān)參數(shù)，單片機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成后續(xù)的顯示和報警工作。如果產(chǎn)生異常，由單片機(jī)發(fā)出命令，利用GSM模塊發(fā)送短信。

3.2 煙霧濃度檢測程序設(shè)計

當(dāng)煙霧傳感器采集到當(dāng)前的數(shù)據(jù)后，會將當(dāng)前的煙霧濃度信息通過轉(zhuǎn)換顯示在LCD顯示屏上，通過設(shè)置煙霧濃度的報警上限，來進(jìn)行煙霧濃度的閾值檢測報警，當(dāng)煙霧濃度超過上限時，風(fēng)扇就會轉(zhuǎn)動，開啟蜂鳴器然后進(jìn)行報警，繼電器開始工作，控制所連接的設(shè)備開關(guān)進(jìn)行開啟，GSM發(fā)送短信給管理員。

3.3 人體檢測程序設(shè)計

主函數(shù)執(zhí)行后，檢測防盜模式是否開啟，首先通過按鍵設(shè)定是否開啟防盜模式，然后檢測是否有人，人體紅外感應(yīng)模塊是否發(fā)出有效信號，熱釋電紅外傳感器檢測的有人闖入時，進(jìn)行聲光報警，蜂鳴器響起，LED指示燈亮起，同時SIM800發(fā)送報警短信到對應(yīng)的手機(jī)上，提示實驗室管理人員和教師等有人闖入。

3.4 溫濕度檢測程序設(shè)計

開啟開關(guān)電源后，溫濕度傳感器開始工作，首先將溫濕度傳感器放置在空氣中，然后進(jìn)入溫濕度監(jiān)測子程序中，溫濕度傳感器將空氣中的溫濕度轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行輸出，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行計算，之后顯示在LCD1602液晶顯示器上。DHT11數(shù)字溫濕度測溫模塊首先初始化，然后讀取DHT11數(shù)字溫濕度測溫模塊序列號，之后進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，隨后復(fù)位DHT11數(shù)字溫度測溫模塊，若無中斷，則讀取數(shù)據(jù)，若有中斷，則繼續(xù)回歸到復(fù)位操作。

4 結(jié)論

本次系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測實驗室內(nèi)的溫度、濕度、煙霧濃度和有無人闖入等信息，當(dāng)實驗室發(fā)生異常時，還可以通過GSM模塊向?qū)嶒炇夜芾砣藛T或教師等發(fā)送短信，通知相關(guān)人員及時采取保護(hù)措施，具有功能完善，操作簡單，報警及時等特點。此外，本設(shè)計還存在著一些不足之處，需要進(jìn)一步改進(jìn)。例如：在進(jìn)行報警后，只能通過繼電器來控制開關(guān)和消防燈的開啟，無法做到智能的安全防護(hù)，還需要管理員來進(jìn)行防護(hù)。