基于單片機的遠程煙霧報警系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

鄭婷婷

摘要：目前，智能家居已成為信息化時代的產(chǎn)物遍布全國各地，其中適用于家用的煙霧報警系統(tǒng)已成為家庭設(shè)備中安全管理的基礎(chǔ)。本文設(shè)計了一款基于單片機對家用燃氣進行實時監(jiān)測的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過短信的形式通知家庭主人當前的煙霧濃度。本設(shè)計主要完成了硬件電路設(shè)計，其中包括基于AT89C52的中央處理模塊，MQ-2組成的煙霧傳感器氣體檢測模塊、按鍵模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、聲光報警模塊和短信通知模塊。最終設(shè)計的這套硬件電路可實現(xiàn)家用燃氣的煙霧監(jiān)測、聲光報警及報警狀態(tài)顯示等功能，也可以用于工廠、單位等各種公共場合。

關(guān)鍵詞：燃氣檢測;單片機;煙霧傳感器;GPRS

中圖分類號：TN99 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

現(xiàn)代社會中燃氣設(shè)備普遍存在于每家每戶，而年輕人由于工作忙碌，可能會存在出門忘了關(guān)火，或者年輕人外出工作獨留老人在家，而老年人記憶力不好，會忘了灶臺上還開火做飯等情況，這兩種情況最終都可能造成火災(zāi)事件的發(fā)生，嚴重危害公共安全[1-2]。如果我們能夠在火災(zāi)發(fā)生的初期就做出會發(fā)生火災(zāi)的判斷并及時處理，這樣就可以保證人身和財產(chǎn)的安全。

要實現(xiàn)火災(zāi)初期的準確判斷離不開煙霧傳感器。煙霧傳感器的主要功能是完成煙霧濃度的轉(zhuǎn)換，就是將不同濃度的煙霧轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的信號輸出并開啟報警功能。眾所周知，不同煙霧的物理成分和化學(xué)成分差別很大，如果只能檢測單一的一種煙霧成分是沒有辦法滿足現(xiàn)實需要的，畢竟實際生活中的煙霧都是混合型的[3]。市面上針對混合煙霧檢測的傳感器種類眾多，大體包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式傳感器、電化學(xué)傳感器、高分子煙霧傳感器、離子感煙式傳感器等[4]。經(jīng)過各方面對比，本文選用了半導(dǎo)體煙霧傳感器，因為這種傳感器相對來說價格不高，但功能可靠、靈敏度比較高且體積較小。

1 ? 主要模塊芯片選型的介紹

1.1 煙霧傳感器的選型

整個報警系統(tǒng)的第一步就是煙霧傳感器采集環(huán)境中的煙霧濃度等數(shù)據(jù)，然后送入單片機進行進一步處理，所以煙霧傳感器是前期檢測中最主要的環(huán)節(jié)，它的準確性將是整個系統(tǒng)進行檢測、控制和報警的關(guān)鍵。本設(shè)計采用的是MQ-2氣體傳感器，它是由單晶體半導(dǎo)體和氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料共同組成的傳感器。該傳感器可以根據(jù)不同的煙霧成分及煙霧濃度發(fā)生不同程度的氧化還原反應(yīng)，從而引起其中敏感元件電阻值發(fā)生變化來完成后期的判斷識別工作。MQ-2氣體傳感器的濃度檢查準確度高、非常靈敏、較穩(wěn)定且使用壽命長。

1.2 運算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

本設(shè)計采用的運算放大器是LM358雙運算放大器，這兩個放大器之間相互獨立，但其頻率又是相互補償?shù)摹Ｔ摲糯笃鳟斕峁┙o它的電源電壓低于6 V時，其功耗只有24 mW，所以用電池供電也能正常工作[5]。本報警系統(tǒng)選用的A/D轉(zhuǎn)換器的型號為MCP3002，實現(xiàn)把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的功能。

1.3 GPRS模塊的介紹

本設(shè)計的GPRS模塊采用的芯片為SIM800，它可以支持四頻的GPRS和GSM，該模塊的體積小、重量輕，采用了省電設(shè)計，在休眠狀態(tài)時，耗電量非常低。該模塊是通過單片機向其發(fā)送AT指令進行控制的，因為AT指令比較容易被辨別，中央控制器通過發(fā)送不同的AT指令使其完成既定的工作[6]。將簡單的幾個AT指令做個具體說明：AT+CMGC——發(fā)送一條短消息命令;AT+CMGD——刪除SIM卡內(nèi)存的短消息;AT+CMGR——讀短消息;AT+CMGS——發(fā)送短消息;AT+CNMI——顯示新收到的短消息;AT+CPMMS——選擇短消息內(nèi)存等等。

2 ? 硬件總體設(shè)計

為了滿足系統(tǒng)經(jīng)濟實惠、結(jié)構(gòu)簡單小巧的要求，本文以AT89C52為中央處理器。半導(dǎo)體煙霧傳感器將采集到的家庭環(huán)境中的溫度、濕度和煙霧濃度等參數(shù)通過放大模塊后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息送入單片機進行進一步分析處理;單片機將分析處理后的煙霧濃度在LED上進行顯示，同時與預(yù)先設(shè)置好的煙霧濃度閾值進行比較，如果超過這個閾值，單片機就會啟動聲光報警模塊，同時通過通信串口發(fā)送AT指令，GMS模塊將報警短信發(fā)送到設(shè)定好的手機號碼上。該系統(tǒng)也支持遠程手機的“查詢”功能，可方便地供使用者查詢?nèi)我鈺r間的家庭環(huán)境中的煙霧濃度。為了方便調(diào)節(jié)報警煙霧的閾值，還需要設(shè)計按鍵模塊，這樣在各種工作環(huán)境中都可以使用該系統(tǒng)的報警模塊。

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計——單片機設(shè)計

單片機最小系統(tǒng)這部分的關(guān)鍵電路由中央處理器、晶體振動器及復(fù)位電路、時鐘電路構(gòu)成，其中，單片機執(zhí)行指令的速度是由時鐘電路控制的，該電路也能控制單片機的正常啟動，而時鐘電路由最小系統(tǒng)中的晶體振蕩器控制。我們需要通過軟件設(shè)計完成對晶體振蕩器的設(shè)置，設(shè)置其與單片機盡可能接近，還要保證整個系統(tǒng)使用的低功耗要求。

2.2 聲光報警電路設(shè)計

通過單片機的P2.0口控制聲光報警電路，其電路主要包括555定時器、發(fā)光二極管和揚聲器（喇叭）。555定時器完成輸入/輸出端的電壓與單片機P2.0口的配合工作，當單片機的P2.0口為1時，555定時器發(fā)出低頻脈沖，當單片機的P2.0口為0時，555定時器發(fā)出高頻脈沖;然后將這些脈沖通過間隔電容加載到揚聲器上，使其發(fā)出高低交替的不同呼叫;而555定時器發(fā)出的低脈沖信號再經(jīng)過一定阻值后加載到發(fā)光二極管上，這樣就實現(xiàn)了聲音和光亮兩種提示，給報警提供一個雙重保障。

2.3 LED顯示電路設(shè)計

本設(shè)計采用LCD1602進行液晶顯示，將其接到單片機的P0口上，但是為了能驅(qū)動LCD1602，必須要先給單片機接一個排阻，這樣可以增加整體電路的電流，從而驅(qū)動液晶屏正常工作，選用的1000Ω的排阻一共有9個引腳，其中，引腳1接高電平。我們知道，單片機的P0口一般有兩個作用，一個作用是用來實現(xiàn)輸入輸出串口功能，另一個作用是用來作為地址數(shù)據(jù)總線，而本系統(tǒng)中將P0口作為數(shù)據(jù)輸入輸出的端口。當為LCD1602提供5 V電壓時才能使其處于正常工作狀態(tài)，此時的工作電流為2.0 mA，屏幕上每行可以顯示16個字符，并且可以同時顯示兩行。

2.4 按鍵電路設(shè)計

本系統(tǒng)一共設(shè)計了3個按鍵，它們分別與單片機的串口相連接，完成閾值調(diào)節(jié)等功能。每次需要調(diào)大或調(diào)小閾值時，首先按下閾值調(diào)節(jié)按鍵，然后分別對應(yīng)按下調(diào)大或調(diào)小按鍵，每按一下，閾值向上或向下調(diào)節(jié)，直到達到你預(yù)設(shè)的值，然后再次按下閾值調(diào)節(jié)按鍵即完成閾值調(diào)節(jié)操作。當檢測環(huán)境中的煙霧濃度大于所設(shè)定的閾值時，聲光報警器便開始工作，發(fā)出報警燈光同時發(fā)出蜂鳴聲，直到檢測環(huán)境中的煙霧濃度低于設(shè)置的閾值。

2.5 GPRS模塊電路設(shè)計

GPRS模塊主要的功能是識別并執(zhí)行AT指令，可以完成數(shù)據(jù)的傳輸功能，它主要包括電源電路、SIM卡電路和SIM800模塊電路三部分的電路。為滿足SIM800模塊的4 V的額定電壓，本設(shè)計利用DC/CD變換器MIC2930將電源芯片提供的5 V電壓轉(zhuǎn)化成SIM800需要的4 V電壓。該電壓可以在環(huán)境溫度為-40～125 ℃正常工作，整個電源電路的設(shè)計使用了一個大的電容，這個電容可以保證電路不受高頻信號的干擾，還能保證芯片不被燒壞。由于SIM卡電路容易出現(xiàn)安裝不穩(wěn)定且及其容易受干擾，本設(shè)計將SIM安裝卡槽遠離GSM天線，并且SIM卡的走線盡量繞過射頻線，SIM卡的接地點要與整個GPRS模塊的接地點位保持相等，這樣就可以減少SIM卡受到干擾。

3 ? 結(jié)語

綜上，電路設(shè)計涉及的知識面較廣，包括單片機、模擬/數(shù)字電路、Protell 99 SE等知識，整體設(shè)計出了一套基于單片機AT89cj2的煙霧報警器的硬件電路。硬件設(shè)備主要考慮了便民和使用廣泛的要求，整個電路設(shè)計保證最大化的實際需要，在查閱大量資料和經(jīng)過多次修改后，將電路設(shè)計經(jīng)過多次優(yōu)化整理，最終達到了預(yù)設(shè)的效果，能夠?qū)崿F(xiàn)在出現(xiàn)煙霧濃度過高時第一時間發(fā)出聲光報警信號，以達到預(yù)防火災(zāi)的效果，具有一定的研究與實用價值。

參考文獻

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