一種基于51單片機(jī)的煙感報(bào)警器設(shè)計(jì)*

李 俊 ， 王佳偉 ， 李 帥 ， 袁 夢

（宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

傳統(tǒng)的煙感報(bào)警器主要分為有線型和獨(dú)立型煙感設(shè)備，其中有線型需要安裝布線和其他消防設(shè)備聯(lián)動，獨(dú)立型主要應(yīng)用在小場所。近年出現(xiàn)的智能煙感，也就是無線型煙感，增加了無線傳輸模塊，通過網(wǎng)絡(luò)在電子設(shè)備上實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，這樣更加透明化、信息化。但存在的問題也相對突出，由于成本太高，不適合大量推廣，只能在少量地方使用，不能滿足國內(nèi)廣大市場需求。因此，課題組的設(shè)計(jì)著重于好用、便宜，一款造價(jià)低、性能優(yōu)良的煙感報(bào)警器應(yīng)運(yùn)而生。煙感報(bào)警系統(tǒng)是保持高度警惕煙霧和輸出信號報(bào)警的有力措施，是一種早期預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要以STC89C52單片機(jī)為核心器件，由煙霧探測電路、聲光報(bào)警電路、液晶顯示、按鍵電路、排氣扇驅(qū)動電路、控制程序和編解碼程序等組成。系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)和時(shí)鐘復(fù)位電路

單片機(jī)采用的是STC89C52芯片，一款增強(qiáng)型51單片機(jī)。該微控制器具有造價(jià)低、耗電低、性能高、市場應(yīng)用量大等優(yōu)良品質(zhì)，而且是由CMOS工藝技術(shù)制成的八位微控制器。提供的高靈活和有效低價(jià)的控制核心使它成為嵌入式產(chǎn)品控制的重要選擇方案。為了能使單片機(jī)始終處于正常的工作狀態(tài)，電源、時(shí)鐘復(fù)位電路等是讓單片機(jī)正常運(yùn)行的必要條件，這也是最小系統(tǒng)。然后，通過對存儲器和A/D的拓展來完成更為復(fù)雜的系統(tǒng)功能。因單片機(jī)片內(nèi)含有ROM/EPROM，其構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單可靠。只需將時(shí)鐘電路和復(fù)位電路接上，就可以作為小型控制單元使用[1]。

時(shí)鐘電路顧名思義就是時(shí)鐘一樣的電路。它的特點(diǎn)是讓工作按照時(shí)間順序產(chǎn)生電路。一般是由晶體振蕩芯片、晶體振蕩器、電容組成。電容器的電容值在5 μf～30 μf范圍內(nèi)，典型值30 μf，其是為了快速起振和穩(wěn)定頻率的，復(fù)位電路是為了讓電路恢復(fù)到起始狀態(tài)。其組成相對簡單，大多只需要電阻和電容組合一下就可以形成。復(fù)位電路的啟動手段有三種：1）電路通電立刻進(jìn)行復(fù)位操作；2）手動操作；3）根據(jù)電路運(yùn)行情況和程序自動運(yùn)行。本設(shè)計(jì)采用按鍵手動復(fù)位，有電平和脈沖兩種復(fù)位方式。電平復(fù)位是通過單片機(jī)的RST9端和電源VCC接通來實(shí)現(xiàn)的[2]。除此之外，為了提高單片機(jī)的工作效率和實(shí)時(shí)性，給產(chǎn)品以更好的體驗(yàn)，采用中斷技術(shù)，很好地解決了問題，完全消除了單片機(jī)在查詢方式中的等待現(xiàn)象。

2.2 煙霧探測電路

此模塊采用的是MQ-3氣體傳感器和ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過傳感器接收到外界的信號并以模擬信號傳出，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳入單片機(jī)后進(jìn)行相應(yīng)操作。

選擇一款適合的傳感器對整體的重要程度不言而喻，課題組之所以選擇MQ-3氣體傳感器，是看中它穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾、壽命長等優(yōu)點(diǎn)[3]。其廣泛應(yīng)用于家庭和工廠，對天然氣、石油氣等煙霧的靈敏度極高，尤其對烷類氣體更加敏感。其檢測可燃?xì)怏w與煙霧的范圍是100 ppm～10 000 ppm，所以不存在吸煙后檢測不到的狀況。需要注意的是：使用之前必須要加熱一段時(shí)間才能正常工作，不然輸出的電阻和電壓會有誤差，但是加熱電壓過高，會造成輸入電流增大，內(nèi)部電路熔斷，破壞器件。這也是這款傳感器美中不足的地方，不過影響不大，在電路中控制好電壓就可以了。

ADC轉(zhuǎn)換電路課題組采用的是ADC信號采集法，將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后轉(zhuǎn)換為精確的煙霧濃度值。其中，用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的芯片是ADC0809芯片。模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要面對的問題是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送以及如何確認(rèn)數(shù)據(jù)的傳送完成。為此，有三種方式解決：定時(shí)傳送方式、查詢方式和中斷方式[4]。

2.3 聲光報(bào)警電路

本模塊為了加強(qiáng)報(bào)警效果，采用了聲音和光照雙重提示，旨在使提醒更加醒目，效果更突出。光照方面采用的是兩個(gè)LED發(fā)光二極管，當(dāng)觸發(fā)響應(yīng)時(shí)LED燈會發(fā)出光，它能夠?qū)㈦娭苯愚D(zhuǎn)換為光，其發(fā)光效率較之前提高了近1 000倍，色域方面實(shí)現(xiàn)了可見波段的所有顏色，是較為簡單的半導(dǎo)體器件。其優(yōu)點(diǎn)特別明顯：壽命長、光效高、輻射低、功耗低、亮度強(qiáng)、無毒、可回收等，是不折不扣的綠色照明光源，因此也被稱為21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ恼彰鞴庠?。采用它也正響?yīng)了我國綠色節(jié)能環(huán)保低碳的理念。聲音方面采用的是語音播報(bào)方式，語音播報(bào)具有準(zhǔn)確、定時(shí)、快速的特性，能夠?yàn)槿藗兊纳钐峁└嗟谋憷?，?dāng)有人吸煙，語音提示“公共場合 嚴(yán)禁吸煙”。為此，選擇了ISD1110這款語音芯片和米頭組成錄放模塊，錄放時(shí)長達(dá)8 s～10 s，采用了CMOS技術(shù)，占用空間小，僅需麥克風(fēng)、喇叭、按鈕少數(shù)電阻電容就能組成，實(shí)現(xiàn)良好的錄放功能。并且在錄放結(jié)束以后芯片會主動進(jìn)入低消耗狀態(tài)，功耗僅需0.5 μA，非常節(jié)能[5]。

2.4 液晶顯示模塊

本模塊旨在將傳感器測得的數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)傳遞到顯示屏上，讓人們有一個(gè)更直觀的感受。采用的是LCD1602液晶顯示器，它應(yīng)用廣泛，是字符型顯示屏，內(nèi)部存儲器存儲了160個(gè)各異的點(diǎn)陣字符圖形，字符含阿拉伯?dāng)?shù)字、常用符號、英語大小寫等，一個(gè)字符對應(yīng)一個(gè)代碼，因其識別的是ASCII碼，可以直接賦值，單片機(jī)編程中可以用字符型常量或變量賦值。同時(shí)，單片機(jī)中應(yīng)用此顯示器有以下優(yōu)點(diǎn)：收到信號后能一直保持色彩和亮度，發(fā)光恒定。不需要不斷刷新亮點(diǎn)，所以畫質(zhì)高、不閃爍。因其都為數(shù)字式，和單片機(jī)連接更加簡單可靠，操作起來便捷。在重量上，相較于傳統(tǒng)顯示器輕得多，但是功耗相對要高一些。

2.5 按鍵電路

在單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，需要有人機(jī)交互功能。按鍵便是最常見的輸入方式。常見的按鍵電路方式有兩種，一對一直連和矩陣式連接。獨(dú)立式電路簡單直接，一個(gè)按鍵獨(dú)占一個(gè)端口，在按鍵數(shù)少或者按鍵端口數(shù)量豐富時(shí)使用。矩陣式電路就相對復(fù)雜許多，它適合需要按鍵數(shù)量多的場合，為了盡量少占端口就用矩陣式。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需求，選擇了獨(dú)立式。本設(shè)計(jì)按鍵的讀取采用按鍵取低。顧名思義，只讀取低電平，當(dāng)單片機(jī)通電，初始為高電平，按下鍵便觸發(fā)低電平，讓單片機(jī)讀取做出處理。

獨(dú)立式鍵盤利用單片機(jī)端接口的高低電平感應(yīng)來檢測是否有鍵按下。常開按鍵一端接地，另一端接端口。端口在程序剛開始時(shí)置于高電平，沒有按鍵按下，端口保護(hù)高電平。當(dāng)有鍵按下，端口與地產(chǎn)生短路，致使端口被迫變?yōu)榈碗娖?。在按鍵釋放后，端口在單片機(jī)內(nèi)部的上拉電阻控制下仍為高電平。所以要想了解是否有按鍵動作，只需要在程序中查詢端口的電平狀態(tài)即可。

鍵盤的按鍵開關(guān)通常為機(jī)械彈性開關(guān)，由于彈性原因，開關(guān)在閉合和斷開時(shí)不會一下子結(jié)束，從而瞬間都產(chǎn)生抖動，產(chǎn)生抖動的危害便是會出現(xiàn)按一次輸出多次的情況，這會降低整體的使用效果，為了不產(chǎn)生這種影響，采取按鍵消抖的措施。鍵盤去抖動是在用單片機(jī)對鍵盤進(jìn)行處理時(shí)涉及的重要過程。此處說的抖動是機(jī)械的抖動，指的是當(dāng)鍵盤沒有按到按下的臨界區(qū)產(chǎn)生的電平不穩(wěn)定正?，F(xiàn)象，并不是人們在按鍵時(shí)通過注意可以避免的。10 ms～20 ms之間的不穩(wěn)定電平抖動時(shí)間對于人來說幾乎是不會感應(yīng)到的，但對于時(shí)間計(jì)量單位是微秒的單片機(jī)來說是漫長的。用部分電路對抖動部分加以處理即為硬件去抖動，軟件去抖動則不是去掉抖動，而是避開抖動部分時(shí)間，待鍵盤穩(wěn)定再處理。綜上，選擇軟件去抖動。軟件去抖動便是在軟件上利用延時(shí)程序去抖動，當(dāng)按鍵按下對程序進(jìn)行短暫延時(shí)，就能跳過前沿抖動，對于后延抖動，再次檢測時(shí)如果檢測到抬起，一次按鍵檢測完畢。

2.6 排風(fēng)扇模塊

本設(shè)計(jì)雖然叫煙感報(bào)警器，但僅僅報(bào)警并不是課題組設(shè)計(jì)的最終目的，課題組的目的是讓人們能夠在室內(nèi)公共場所待得舒適，享受健康的空氣。所以當(dāng)有人不自覺地吸煙，如果裝置僅僅是檢測到然后報(bào)警制止，即使當(dāng)事人停止吸煙行為，也給室內(nèi)環(huán)境帶來了或多或少的污染。因此，能有效地將室內(nèi)被污染的空氣排出也極為重要。對于這個(gè)問題，課題組選擇添加一個(gè)排氣扇裝置，排氣扇具有投資成本低、風(fēng)量大、噪聲低、耗能小、運(yùn)行平穩(wěn)、壽命長、效率高等優(yōu)勢。通過排氣扇將室內(nèi)的氣體排出，換上室外新鮮的空氣，同時(shí)也能夠調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度，有通風(fēng)、透氣、降溫的效果。排氣扇的排氣方式有排出式、吸入式和并用式三種，課題組采用了并用式，吸氣與排氣均由換氣扇來完成。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用的是C語言編程，編程軟件為Keil。設(shè)計(jì)包括主程序、判斷顯示程序、數(shù)據(jù)采集程序、報(bào)警程序、數(shù)制轉(zhuǎn)化程序和串口通信程序。MQ-3煙霧傳感器采集到的數(shù)據(jù)和單片機(jī)控制程序里設(shè)定的數(shù)據(jù)比較，通過顯示屏顯示，并傳達(dá)相應(yīng)的指令，從而控制聲光系統(tǒng)工作[6]。

在給完電后，對端口和顯示屏進(jìn)行初始化，MQ-3采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將采集的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并由單片機(jī)讀取和處理。主程序流程圖，如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 軟件仿真

實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的煙霧值，煙霧的上限報(bào)警值可以通過按鍵設(shè)定，當(dāng)煙霧超過上限的時(shí)候觸發(fā)聲光報(bào)警同時(shí)語音提示“公共場合 嚴(yán)禁吸煙”。當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，排風(fēng)扇開始運(yùn)行，進(jìn)行通風(fēng)作業(yè)。proteus仿真圖如圖3所示[7]。

圖3 proteus仿真圖

5 總結(jié)

課題組在參考了國內(nèi)外大量資料的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)煙感報(bào)警器存在的問題，提出了較為合理妥善的煙感報(bào)警器設(shè)計(jì)方法，極大地提高了產(chǎn)品的實(shí)用性和市場競爭力。課題組設(shè)計(jì)的煙感報(bào)警探測器由傳感器電路和無線通信電路兩大部分構(gòu)成。控制處理器是以管腳資源豐富的STC89C52為核心，使對探測器寫入信號和對信號進(jìn)行編譯等人機(jī)交互功能成為現(xiàn)實(shí)[8-11]。通過C語言編寫程序，充分利用芯片的內(nèi)部資源，代碼執(zhí)行效率得到極大提升，代碼的容量大大減少。該報(bào)警器具有體積小、功耗低、安裝調(diào)試簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此，該煙感報(bào)警器的市場前景相對廣闊。由于水平和能力有限，該報(bào)警器還有很多地方有待改善。