【基于单片机的实验室智能安全报警系统设计与实现7600字（论文）】

基于单片机的实验室智能安全报警系统设计与实现TOC\o"1-3"\h\u166171绪论 绪论1.1课题的背景实验室是学校和研究机构的重要工作场所，其中存储了大量危险化学品和宝贵的实验设备REF_Ref7016\r\h[1]。针对保障师生生命和校园财产的安全，设计了一种基于单片机控制的测控系统。随着我国信息科技的快速进步发展以及高校实验室实验仪器水平的大幅度提高，同时,由于现代社会的发展和经济进步、科技技术的发展,安全且智能化的日常生活已经成为了人们所迫切追求的目标之一,智能安全报警系统逐渐得到了人们的关注和重视,而且其应用的领域也越来越广,应用于学校和实验室之中,可以有效地帮助对实验室内部的人员做好安全监督和管理。随着人们对于实验室环境的保护和安全意识不断提高,更加智能化的安全监测系统应运而生。目前，在学校实验室里对于安全管理主要都是需要依靠大批的人才和技术手段来对其进行监督和管理。根据当下学校实验室的快速发展以及管理需要，设计了一套智能实验室安全系统，进行实时报警，防止出现安防或者消防问题。智能环境安全检测监控系统结合物联网硬件管控的模式，实现智能化的实验环境、实验室内人员动态进行实时安全管理，以此保障实验室的开放共用。1.2目的与意义此设计的目的是设计一种安全检测和控制系统，以防止发生诸如实验室盗窃，人员入侵和火灾之类的事故。采集检测环境参数温湿度、烟雾浓度以及人体红外信息参数，控制执行报警，以确保实验室各个方面的安全。三种传感模块将采集信号发送到单片机，控制蜂鸣器鸣叫和LED指示灯亮起，达到指示实验人员采取安全措施和警示人员有潜在的环境安全隐患，有助于实验室人员进行管理操作并提高实验室安全系数。其设计意义是通过高科技手段和智能化技术设计出综合实用以及多功能性的系统，方便人类参与实验活动，保障实验活动进行，助推实验室的科学发展。1.3发展前景本设计为一款实验室安全检测控制系统，防范出现止外物入侵的安防问题或者火灾报警和有毒气体泄露的消防方面的险情发生。使用多传感器参与采集环境信息，以温湿度检测、烟雾检测和人体红外线防盗检测是三种最基本的环境参数，全面化保障环境安全。以单片机作为控制器，以便于与计算机连接，有助于编程与数据存储，并且可以在网络上管理整个学校的所有实验室。本设计易于安装、具有高性价比，其参数模块的检测对于生活、生产有有发展影响。本系统同时也能广泛应用于家居、小区、仓库安全等多种场合，具有很强的实用性和市场发展。1.4研究内容对实验室环境安全影响因素进行研究，确立以温湿度、烟雾浓度、红外三个因素，并研究和设定安全范围的参数值，确立温湿检测,烟雾检测和红外传感三个功能模块；设计电路并选择适当的程序语言进行程序编写，完成整个检测控制的设计；论证各个功能模块的可行性方案；设计完善各个模块的实现相应声光报警功能或智能联机控制功能，分别进行调试；综合整机模块进行系统测试，有效地实现环境实时检测测和智能控制。

2系统设计组成和选择2.1系统设计组成实验室安全检测控制系统由温湿度采集、烟雾浓度采集、人体红外防盗、声光报警，显示器等各种模块组成。该系统基于STC89C52单片机，程序编写语言选择C语言。它接收的是来自三个传感器的信号：温湿度传感器，烟雾传感器，红外传感器。然后在显示器上显示实时的各类信息。当采集到的信息参数值超过限定的安全范围值时，蜂鸣器输出警报信号，对应LED指示灯亮起，达到安全检测控制效果。硬件部分：单片机，温湿度传感器，人体红外检测，烟雾传感器，按键设置，A/D信号转换，蜂鸣器报警器，LED指示灯，液晶显示器，以及风扇继电器驱动。软件部分：选用protues运行仿真电路图检测是否可行，然后用AltiumDesigner对电路板电路合理布线，使用C语言编写所有功能模块的程序。本文设计的单片机的操作系统的硬件结构框图。如图2-1所示。A/D转换模块A/D转换模块HC-SR50人体红外检测51单片机LCD显示模块蜂鸣器报警模块HC-SR50人体红外检测51单片机LCD显示模块蜂鸣器报警模块MQ-2烟雾检测DHT11温湿度检测LED指示模块风扇输出模块DHT11温湿度检测LED指示模块风扇输出模块按键输入模块蜂鸣器报警电路蜂鸣器报警电路按键输入模块蜂鸣器报警电路蜂鸣器报警电路图2-1实验室安全系统框图2.2设计功能介绍（1）温湿度检测控制通过温湿度传感器收集环境温度和湿度信息，并实时显示在显示屏上面，当采集值大于设定的参数范围值，蜂鸣器警鸣，相应的指示灯将会提示；当温湿度达到设定范围值时，鸣叫停止。（2）烟雾气体检测控制烟雾传感器主要检测环境中的可燃气体的浓度。并在显示器上显示空气中烟雾浓度信息，当烟雾传感器收集到危险气体浓度高于限定值时超出设定的参数范围值时，它将信号反馈单片机，蜂鸣器发出鸣叫，相应指示灯亮起，起到警示实验室工作人员进行采取消防措施的功能；并且驱动风扇转动，达到驱散烟雾，避免消防险情发生的功能。（3）人体红外检测控制人体红外传感器接收来自人体红外的辐射信号，经过放大和过滤，从中提取信息，对外界移动人体进行判断，并将结果反馈给主控制器微控制器STC89C52。在布防状态下，若有人员靠近，蜂鸣器将进行报警，达到警告入侵人员或警示危险人员靠近。也可以应用在避免重要仪器在运行中出现的其他人员未知的危险操作。2.3单片机的选择在指令设计技术方面，STC系列单片机和ATC系列单片机几乎完全保持相互兼容，但是二者在实际操作中任然可能存在有以下不同之处：（1）ATC系列单片机不能携带连接ISP进行下载，需要通过下载器连接来安装完成，STC系列利用USB进行串口下载。（2）STC系列单片机的执行速度可以达到ATC系列单片机的3到30倍。（3）STC单片机对工作环境的要求比较低，即使工作电压低于5伏，甚至在3伏至4伏范围内，它仍可以正常工作REF_Ref30884\r\h[2]。经对以上两种单片机对比，结合本科课程中包含的数字电路、单片机原理、C语言程序设计知识，综合考虑，针对此次设计要求，本设计选用STC89C52单片机芯片。该芯片为宏晶公司生产的高性能芯片REF_Ref32471\r\h[3]，在本方案设计中基本满足本设计运行，且价格低廉，性价比高，下载程序方便灵活。是CMOS8位芯片，功耗低，性能优势突出，还具有可擦写特性，有助于结合到单片机系统的开发中，提高便捷性，同时它在使用方面很灵活且质优价廉。2.4温湿度传感器的选择一、温度传感器和电容湿度传感器采用分开测量温度和湿度。一线型温度传感器,通过感应环境温度转换为可用输出信号，有特有的接口法。电阻式湿度传感器通过湿度值变化改变电阻值，将采集电压值经A/D转换为数值。复合型温湿度传感器属于复合集成型的数字一体式传感器，采用的特殊传感技术和采集技术，使得其能够拥有较高的可靠性和稳定性REF_Ref4608\r\h[4]。具有单线制串行接口，有极小的体积还有极低的功耗，其信号传输距离可达20米以上REF_Ref2433\r\hREF_Ref2433\r\h[5]。其器件包括感湿元件、测温元件REF_Ref3393\r\h[6]。具有质优价廉、响应速度快、抗干扰力强等优点。通过以上分析可知，前者方案，操作实施稍显复杂，并且在实现实验室环境安全设计系统中选用的单片机的I/O口有限，而数字型温湿度传感器只占用一个I/O口。因此本设计的元件选择采用操作更为简便可靠的DHT11数字型传感器来满足本控制系统的需要。2.5烟雾传感器选择MQ-2传感器可以检测到液化气等可燃气体或者烟雾气体REF_Ref6084\r\h[7]。它具有较高的灵敏度、迅捷的响应速度、良好的运行稳定性、长使用寿命、以及驱动电路简单和易使用等特点。其中所使用的一种气敏特性材料是二氧化锡，是一种表面式的N型半导体，会根据当前易燃有害气体的浓度而对传感器的电导率产生相应的变化。环境中由于烟雾的浓度使表面上的导电率变大，输出电阻率降低，输出的模拟信号功率增大REF_Ref10172\r\h[8]。经过过AD转换，可以获得环境气体浓度精准的数值；这种传感器可靠性和耐用性很高，可以满足长期性的实用需求，适用于本次设计要求，同样可广泛应用于小区消防报警、仓库消防报警等应用场景，实现气体泄漏的检测和有效警报以及工业可燃气体检测，是一种适用于各种应用场景的高质量和低成本传感器。2.6人体红外传感器选择一、被动式红外传感器通常情况下，人体正常体温下会发特定波长约10um的红外线，传感器检测此特定红外线。人体发出的红外线经滤光片达到增强之后，在红外传感器源上聚集中REF_Ref11433\r\h[9]。当传感器接收到来自人体红外数据，将其转换为相应的电信号，根据接收电平信号，然后对其处理。具有管理范围大，性能强，误报率低的特点REF_Ref12572\r\h[10]。二、主动式红外传感器主动式红外传感器组成是红外发射器，红外接收器和警报控制器。该探测器检测到的是点对点之间REF_Ref15600\r\h[11]，其特点是检测可靠性很高。但是，如果需要布防大空间，则需要多个传感器，这很昂贵。主动式探测器常用于看管博物馆珍贵文物，商场出口，停车场出入口等等。经过以上分析，选择了被动红外传感器HC-SR501，采用被动工作模式进行信号采集的热释电红外传感器。它可以放大微弱的信号，并通过放大，滤波和整形有效地处理检测到的红外信号，并将其移交给后续电路以进行对接和使用。它具有极低的功耗，较高灵敏度，较强抗干扰性，较大的监控范围，较宽的工作电压范围，良好的构造和安装隐蔽性，自动感应以及强大的抗干扰能力。当在感应区域内，检测到出现异常人员挡住了红外线，会导致探测器接收不到红外线,低电平输出。将电平信号传递给单片机的一个IO口，进行处理反馈和输出一定指令，蜂鸣器报警，指示灯亮起，达到警示效果。2.7显示模块的选择一、数码管数字显示器由八个LED封装组成，由单片机控制数码管每段的高低电平，从而实现数码管的显示。这种采用笔画样式的显示器通常可以在屏幕上显示比较少的字符，虽然字符略失真，但是操控简便。LED可以自由组合为多种形状，包括0-9数字形状。根据数码管连接方式可以分为共阴和共阳类型。二、LCD1602LCD显示器质优价廉、功耗小，是现如今应用广泛的一种显示屏。它可以同时显示两行，一行16个，共32个字符，可以执行如字符的逐个显示，或从按规定左右起始显示方式来显示字符的效果等。并且可以支持数字，英文和简单的标点符号的同时显示，可以实时指示当前情况。通过上述描述对两种显示模块分析，数码管显示满足不了显示温湿度以及烟雾浓度功能，使用LCD显示器可以将英文字母来代表温度和湿度以及烟雾浓度。因此选择LCD1602显示器作为本设计系统的显示模块。

3硬件设计3.1时钟电路本次设计系统选择的STC89C52单片机最小系统结构，需要接上时钟电路以及复位电路REF_Ref19045\r\h[12]，其最小系统结构如图3-1所示。时钟电路时钟电路I/O口STC89C52单片机I/O口STC89C52单片机复位电路复位电路图3-1单片机最小系统框图在本次设计中，时钟电路是在单片机的XTAL1和XTAL2处外接晶振，构成一个振荡电路来产生脉冲信号。向晶振与地线的中间分别添加C1、C2电容，目的使得晶振频率稳定和起振速度提高。本次选用电容容值为30pF。晶振频率本次选用12MHz。本设计的时钟电路如图3-2所示。图3-2时钟电路图3.2复位电路单片机在初始化工作时需要进行复位操作，复位方式有两种：通过上电实现和通过按钮来实现。前者通过对电容器进行充放电，实现复位REF_Ref19045\r\h[12]。本设计选择后者，按钮方式，RST脚到VCC之间接一个电容，再到与地之间接电阻，RST端和正电源VCC之间接一个按钮。图如图3-3所示。图3-3复位电路图3.3温湿度检测电路在实验室安全系统设计中，温湿度检测采用DHT11传感器。将单片机的P3.7口作发收串行数据功能的数据口，连接传感器的DATA引脚，保证数据传输。因为检测范围在20米内,因此在传感器的DATA引脚和电源之间连接了10K电阻REF_Ref30027\r\h[13]。VCC脚连接电源，GND脚接地。传感器第三脚悬浮放置。接入四个按键方便设置相对环境的相对温湿度，其电路图如图3-4所示。图3-4DHT11电路图3.4烟雾检测电路在检测烟雾浓度大小的电路中，将传感器的数据口连接到A/D模数转换器的CH0引脚，经过A/D模块转换后，可以得到一定数值的的烟雾浓度值。在电路仿真时使用一个可调节的滑动变阻器连接电源代替MQ传感器，滑动电阻器产生电阻变化模拟烟雾浓度变化，电阻变化的电压替换传感器变化的输出电压，来使得仿真电路正常运行。其电路图如图3-5所示。图3-5烟雾检测电路图3.5人体红外检测电路本设计仿真采用热释电传感器模拟红外信号来识别人体感应。其中按键开关作用，用来模拟当传感模块到的人体移动信号。当按键按下，高电平处于导通状态，单片机IO口处于高电平状态，模拟单片机通过传感器输入的高电平，以控制声光报警进行工作，从而起达到报警的功能。当按键未按下，相当于开路状态，由于此时电路上存在的下拉电阻R2的缘故，IO口为低电平。图3-6人体红外检测控制图3.6液晶显示电路本次设计中使用的LCD1602，此显示屏的引脚共16个，其中有4个引脚各接到电源的正负极和背光源的正负极REF_Ref10925\r\h[14]，其中VSS接地电源，VDD接5V电源。第3脚外接一个10k的亮暗控制的电位器。单片机的P2.5-P2.7口分别连接LCD的E使能信号端、RW输入端、RS输出端，以控制显示屏的工作状态。LCD剩余的八个引脚作为8位数据控制口，分别接单片机的八个P0口；其电路图如图3-6所示。图3-6液晶显示电路图3.5声音报警电路本次声音报警电路设计为，蜂鸣器控制引脚接在P3.3引脚上，利用三极管当做开关电路作单片机保护工作，同时能放大电流。当处于低电平状态，三极管饱和导通，蜂鸣器鸣叫；当处于高电平时，则三极管关闭，蜂鸣器停止鸣叫。R6为限流电阻。当系统处于布防时，系统检测到异常人体，蜂鸣器启动警鸣，当布防撤销时，蜂鸣器停止鸣叫，如图3-7所示。图3-7声音报警电路图3.6灯光报警电路本次光报警设计把五个发光二极管接在单片机的P3.1～P3.5上。P3.1～P3.5口控制的灯依次为烟雾浓度上限、温度值上限、温度值下限、湿度值上限及湿度值下限的指示灯。当所检测环境超过阈值范围报警时，对应的发光二极管亮起指示光报警。图3-8灯光报警电路图3.7风扇驱动电路本次风扇驱动目的为超过烟雾上限时驱动风扇排风。三极管连接单片机的P3.1口，通过驱动继电器开启使风扇转动开启。风扇报警模块如下图3-9所示。图3-9风扇驱动排风电路图3.8按键设置电路在单片机的按键方式可分为独立按键、矩阵按键这两种REF_Ref15908\r\h[15]，本次设计采用独立按键进行控制，设立四个按键，设置切换模式、设置增加参考值、设置减少参考值，设置布防状态，四个按键分别与单片机的P1.3~P1.6连接。如下图3-10所示。图3-10按键电路连接图

4软件程序设计本次设计程序编写采用C语言进行编写，编写后利用编译形成机器语言。本系统程序框图，如图4-1所示。（1）系统初始化：对各工作模块：温湿度检测、烟雾检测、红外检测，A/D转换，显示模块、按键等部件的工作状态进行初始化自检。（2）检测数据采集：调用各传感器输出信号，进行环境参数采集，具体的内容为每间隔时间内对各参数进行采样。（3）数据判断报警：对采集的数据进行范围判断。当参数超出预设的范围及检测到有异常人体时，调用相关设备进行相应报警。当这些数据恢复正常时，停止报警。开始开始系统初始化系统初始化检测读取AD转换的温湿度值检测读取AD转换的温湿度值和烟雾值和判断当前参数范围判断当前参数范围判断按键是否按下执行相应的报警判断按键是否按下执行相应的报警控制命令否N设置相应参数显示设置数值设置相应参数显示设置数值结束结束图4-1系统程序流程图5设计调试本设计调试分为系统调试和功能测试，检测的目的和要求有检测设计的合理性，确、操作方法的简便性、以及设计功能的效果性等等；5.1系统调试实验室安全检测控制系统的设计系统调试，首先检测电路能否正常工作，合理简便。本人在调试时遇到了以下几点问题和解决方法：一、在接通电源后发现烟雾浓度测得值偏高，经查阅资料了解到，在烟雾传感器第一次开启时，需要通电几个时辰做老化处理REF_Ref19808\r\h[16]，把传感器上多余的电荷中和掉，再进行正常使用。以及在通电后为使测量数据趋于稳定，传感器需预热数十秒REF_Ref23315\r\h[17]；二、在系统软件调试时，由于模块和控制指令较多，使用到单片机I/O口也较多，在在多个模块整合功能时，在编写指令部分作多次分配修改。指示和报警元件和有限，在报警控制功能做了整合。5.2功能测试测试分别对温度报警、湿度报警和烟雾报警以及红外报警功能进行测试。进行温度报警测试，通过加减按键预设温度范围，测试时，环境温度为26℃，将温度阈值设定在27℃，此时温度上限发光二极管报警取消。然后预设25℃，蜂鸣器警鸣。湿度报警测试时，室内湿度为60%，通过加减参数值进行阈值设定，设定湿度阈值在61%，湿度上限报警指示灯关闭，蜂鸣器停止鸣叫。进行烟雾报警测试，将打火机放置在烟雾传感器前，传感器检测到打火机内的丁烷气体，蜂鸣器警鸣，指示灯亮起，继电器启动风扇。进行对红外报警的测试，按下布防按键，待显示屏由布防准备Z转换为B布防中，在红外传感器上放置不透明纸盒隔离，蜂鸣器未警鸣，将纸盒拿开，传感器感应到人体，蜂鸣器鸣叫。综合上述测试情况，本系统的功能模块均正常工作。6结语本实验室安全检测控制系统基于模块化、层次化思维进行设计，通过单片机进行室内环境监测。其具体工作原理是基于单片机传感器采集室内温湿度等参数信息，并进行数值转换、数据传递、反馈处理，实现在短时间内，可以系统性、准确得实现获取当前环境下温湿度、烟雾浓度等参数，完成实时监控。通过信息反馈预警发现存在的安全问题，以便进一步采取措施进行防控风险事件。以此来提升实验室安全系数，帮助实验室人员进行管理操作，提高管理效率和降低事故风险，同时体现智能化与人性化。本次设计的实验室安全系统性价比高、可靠性好、功能强大，可应用场景规模也十分广泛。本人在此次设计中学习了大量应用知识，搜索和下载许多的参考资料和文献，在旧课程知识和新学习知识的不断融会贯通中形成自己掌握的技能知识，来将此次设计成功地完成，极大的鼓舞了我本人，我认识到了科学应用的无限可能性和知识财富性。参考文献周子添，岳敏，高阳．基于单片机的实验室安全智能报警系统[J]．工业控制计算机，2019，32(04)：137-138．田宇，郝艳妮，王茜．基于C8051F340单片