摘要：本系統采用單片機為控制器，用熱釋人體紅外和溫度傳感系統來檢測室內有無人員及室內溫度，設計了一個智能防盜防火及照明控制系統。該系統可以根據室內的溫度來實時報警，防止火災的發生；并且根據室內的光線和是否有人來控制燈管的照明；用蜂鳴器作為報警源，如果啟動報警模式，當檢測到其區域內有人就會發出報警信號，當溫度超過一定范圍也啟動長鳴報警聲。能夠達到智能控制和節能以及安防的目的，尤其適用于學校教室、圖書館、樓道照明燈場所。
隨著經濟的快速發展及社會的進步， 人們出差及在外工作的時間逐漸增長，當家里、商場、機房或實驗室等公共場所空無一人時，最令人擔心的可能是安全問題，比如是否會有小偷破門而入， 是否因為各種電源線路由于長時間使用而引起火災等等； 并且現在絕大多數電燈在使用時都是由人手動操作，尤其當我們半夜回家時摸不到開關，當燈光不足或在上樓梯時手動開啟電燈，這都會給我們帶來諸多的不便。另外，常常會由于工作人員的疏忽在人離開之后忘記關閉設備而導致用電的浪費。為了解決以上問題，在本系統設計中，考慮采用單片機為主控制器，用熱釋人體紅外模塊、溫度傳感系統及光敏二極管來分別來檢測室內有無人員以及室內溫度， 從而控制室內燈光開啟的明暗程度，且當溫度超準及時報警等功能，總體設計了一個智能防盜防火及照明控制系統，實時調節和控制室內燈光的照明，從而達到智能控制、節能及防盜防火的目的。
1 原理與設計
1.1 系統總體設計
在本系統設計中，采用單片機為主控制器，以熱釋人體紅外和溫度傳感系統來檢測室內有無人員以及室內溫度，設計一個智能防盜防火控制系統，另外又以光敏二極管來探測室內的光照強度，實時調節和控制室內燈光的照明，從而達到智能控制和節能的目的。
根據系統設計要求，并考慮到系統的可行性，整個系統的設計框圖如圖1 所示。系統以單片機為主控制器，分別控制著人體感應模塊、溫度采集模塊、光度采集模塊、光管亮度模塊和報警模塊。通過51 單片機和熱釋人體紅外來檢測區域內是否有人，如有人再檢測其光度是否需燈光并且實現該調在哪個檔位，并由指示燈顯示檔位。最后用蜂鳴器作為報警源，如果啟動報警模式，當檢測到其區域內有人就會發出報警信號，當溫度超過一定范圍內也啟動長鳴報警聲。
圖1 系統方框圖
智能防盜防火及照明控制系統的基本工作原理是當未啟動報警模式時，當檢測到室內有人時，開啟光度采集模塊，根據室內光照強度，分別開啟不同檔次的LED 燈；假如室內溫度過高，報警裝置會發出二級警鳴，防止火災的發生；當有人進入室內，開啟報警裝置，若是本人或工作人員可以通過一個隱形手動復位鍵消除報警，若有他人進入室內，則會開啟一級報警，并且所有的LED 燈亮，起到了及時報警與防盜的作用。
1.2 系統硬件設計
系統的硬件設計分為五大塊模塊，即熱釋人體紅外模塊溫度采集模塊、光度采集模塊、LED 燈顯示模塊、報警模塊。
下面分別來分別介紹各個模塊的硬件設計及基本工作原理。
2 實驗
2.1 熱釋人體紅外模塊
人體紅外感應模塊電路主要由人體紅外傳感器、菲涅爾透鏡、專用芯片BISS0001組成。當有人出現在它的探測區，傳感器便能探測到信號并把信號傳給單片機，單片機再根據實際情況是否該開啟器件設備或讓房間的電器設備處于一種可開啟狀態。另外，關于走廊及洗手問用燈情況，當晚上有人經過時，人體紅外感應到人便開啟走廊用燈或者洗手間用燈。熱釋人體紅外模塊電路如圖2 所示。
圖2 熱釋人體紅外電路圖
電路中運用了熱釋紅外專用芯片BISS0001。它是由運算放大器、電壓比較器、狀態控制、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數模混合專用集成電路，內部電路如圖3 所示。當人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測元上時，電路中的傳感器將輸出電壓信號，然后使該信號先通過一個帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為16 Hz，下限截止頻率為0.16 Hz。
圖3 BISS0001 芯片內部電路圖
由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測信號電壓十分微弱（通常僅有1 mV 左右），而且是一個變化的信號，同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式（脈沖電壓為0.1～10 Hz 左右），所以應對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號通過運算放大器OP1 和OP2 進行二級放大。再經由電壓比較器COP1 和COP2 構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發信號Vs去啟動延遲時間定時器。
輸出信號Vo接單片機以便檢測， 當有人時便輸出5 V高電平，當人離開之后延時一段時間后便復位為0 V 以便主控制電路的控制。電路設計讓芯片處于可重復觸發狀態以便適合教室的實際情況。重復觸發其工作過程：可重復觸發工作方式下在Vc=“1”、A=“1”時，Vs可重復觸發Vo為有效狀態，并可促使Vo在Tx周期內一直保持有效狀態。在Tx時間內，只要Vs發生上跳變， 則％將從Vs上跳變時刻起繼續延長—個Tx周期；若Vs保持為“1”狀態，則Vo一直保持有效狀態；若Vs保持為“0”狀態，則在Tx周期結束后Vo恢復為無效狀態，并且，同樣在封鎖時間Ti時間內，任何Vs的變化都不能觸發Vo為有效狀態。
2.2 溫度采集模塊
利用單片機的P2.5 口控制DSl8B20，將實時采集到的溫度與單片機軟件設置的數值做對比，并用P2.3、P2.4 口控制三極管的導通和截止，實現了用蜂鳴器在高溫時報警的要求。
這里選用的DS18B20 溫度傳感器是美國達拉斯（Dallas）公司生產的單線數字溫度傳感器芯片，它與傳統的熱敏電阻不同，DSl8B20 可直接將被測溫度轉換為串行數字信號［9］，供單片機處理。通過編程DSl8B20 可以實現9～12 位的溫度讀數，并可分別在93.75 ms 和750 ms 內完成9 位和12 位的數字量。其測溫范圍-55～+125 ℃，最大分辨率為0.062 5 ℃，在-10～+85 ℃范圍內其測溫準確度為±0.5 ℃。
DS18B20 具有體積小、功耗低、抗干擾能力強、易與微處理器連結等特點， 而且它無需任何外圍硬件就可方便地進行溫度測量，與單片機交換信息僅需要一根I/O 口線，其讀寫及溫度轉換的功率也可來源于數據總線。其電路連接圖如圖4 所示。
圖4 溫度采集電路圖
2.3 光度采集模塊
本模塊主要由光敏傳感電路、數模轉換模塊及室內LED燈幾部分組成。這里為了模擬用了一個光敏二極管和一個100 k 的電阻。共5 組并聯連接接入5 V 電壓，分別引出5 條線路接至ADC0809 芯片的IN3～IN7 通道電路連接如圖5所示，通過光敏二極管檢測教室的光照亮度，根據光敏二極管特性，遇光照時，阻值會明顯減少，隨著光度的減少，光敏二極管的阻值會逐漸增大的原理，那么每個光敏二極管分壓得到的不同電壓值（即模擬量），通過ADC0809 模數轉換檢測到它們輸出的模擬量。通過ADC0809 芯片的IN3～IN7 端口，轉化成數字量，D0～D7 作為數據輸出端口，連接至單片機的P0 口進行數據的處理。
圖5 光度采集電路圖
模擬時燈管用LED 燈代替，燈管亮度分為3 個檔位（以最佳光度為準，不影響人的眼睛為前提）：
1 檔：檢測到室內光線充足時，開啟一盞LED 燈，此時房間燈管亮度為最低。
2 檔： 檢測到室內光線不充足時， 同時開啟前兩排三盞LED 燈管，此時室內燈管亮度為適中。
3 檔：此時檢測到室內光線明顯不足，同時開啟所有LED燈管，此時室內燈管亮度為較大。
2.4 LED 燈顯示模塊
模擬時LED 燈顯示模塊主要由三級LED 燈組成， 用P2.0、P2.1、P2.2 口控制三極管導通和截止，實現了對輸入端不同要求的響應， 系統中LED0，LED1，LED2 分別是第一檔、第二檔、第三檔的光度控制輸入口。其硬件電路圖如圖6 所示。
圖6 LED 燈顯示電路圖
2.5 報警模塊
模擬時本模塊用兩個NPN 三極管分別作為蜂鳴器的驅動，當b 極高電平時三極管導通，蜂鳴器工作發出聲音。當b極為低電平時三極管不導通，蜂鳴器不工作。b 極連接一個隱形的手動開關作為報警模式的啟動與關閉切換。通過單片機的P2.3、P2.4 口控制其發出報警聲音， 當有小偷入侵時蜂鳴器發出連續的報警聲，當溫度太高或發生火災時蜂鳴器長鳴以警示工作人員。其硬件連接電路如圖7 所示。
圖7 報警電路圖
當然在實際應用中，蜂鳴器的報警聲音不能滿足要求，可以改用其他功率較大的報警器件，如大功率警鈴等可以滿足要求。
3 系統軟件設計
本軟件系統分為光度采集模塊、人體感應模塊、溫度采集模塊、LED 燈顯示模塊和報警模塊5 部分，系統的軟件設計的主體流程如圖8 所示。
圖8 軟件流程圖
具體的程序設計已經基本完成，由于代碼比較多在這就不一一贅述了。
4 結論
本設計中采用AT89C51 單片機為控制器，用熱釋人體紅外、光敏二極管和溫度傳感系統來檢測室內有無人員、室內的光照強度及室內溫度，設計了一個智能防盜防火及照明控制系統。該系統可以根據室內的光線和是否有人來控制燈管的照明；用蜂鳴器作為報警源，如果啟動報警模式，當檢測到其區域內有人就會發出報警信號，當溫度超過一定范圍也啟動長鳴報警聲。能夠達到智能控制和節能以及安防的目的，尤其適用于學校教室、圖書館、樓道照明燈場所。
本設計通過制作PCB 電路， 利用PROTEUS 軟件和KeilC 軟件實現了分別完成了系統的硬件仿真和程序設計。
該系統仿真調試已經通過， 系統的基本功能都可以完全實現，可以通過電路器件的改進投入實際運用。