基于單片機(jī)的無線煙霧報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭常盈，呂海濤

（南陽理工學(xué)院，南陽 473000）

基于單片機(jī)的無線煙霧報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭常盈，呂海濤

（南陽理工學(xué)院，南陽 473000）

基于單片機(jī)和GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一個(gè)無線煙霧報(bào)警系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠通過檢測(cè)周邊環(huán)境的煙霧濃度，采用無線方式，將檢測(cè)信息發(fā)到指定終端，并通過聲光報(bào)警和GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定點(diǎn)和遠(yuǎn)程報(bào)警。經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真及測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)周圍環(huán)境煙霧濃度的變化情況，實(shí)現(xiàn)預(yù)警和報(bào)警功能，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

單片機(jī)；煙霧檢測(cè)；無線傳輸；遠(yuǎn)程報(bào)警

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平大幅度提高,智能建筑不斷涌現(xiàn)，煙霧報(bào)警系統(tǒng)是智能建筑重要組成部分，通過煙霧報(bào)警系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的紅外信號(hào)和煙霧的濃度從而產(chǎn)生火災(zāi)報(bào)警，提醒人們及時(shí)采取有效措施撲滅火源，確保工業(yè)生產(chǎn)和人們生活的安全。但是，目前市場(chǎng)上大多數(shù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是在火災(zāi)發(fā)生時(shí)所呈現(xiàn)的強(qiáng)烈火焰及高濃度煙霧條件下才啟動(dòng)報(bào)警裝置，周圍諸多環(huán)境因素大大影響了其靈敏度和精確度，并且只是簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)報(bào)警或者短距離的無線報(bào)警,這些都無法適應(yīng)現(xiàn)代智能建筑背景下的要求。所以一款可以高靈敏度遠(yuǎn)距離報(bào)警的煙霧報(bào)警器是我們所需要的，通過它我們即使在離家很遠(yuǎn)的地方也能及時(shí)收到相應(yīng)的預(yù)警信息，避免因?yàn)榛馂?zāi)報(bào)警不及時(shí)引發(fā)的各種悲劇[1-5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

煙霧報(bào)警系統(tǒng)利用煙霧傳感器和單片機(jī)對(duì)周圍環(huán)境中煙霧數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，通過無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，針對(duì)接收到的煙霧值判斷報(bào)警電路是否進(jìn)行開啟。按照其功能，整個(gè)系統(tǒng)劃分為發(fā)射端和接收端兩大部分。在發(fā)射端，利用煙霧傳感器采集周圍環(huán)境中的煙霧數(shù)據(jù)信息，由于單片機(jī)無法對(duì)這些模擬信息進(jìn)行處理，所以需要利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行煙霧數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以此獲取煙霧數(shù)字信息。檢測(cè)電路成功采集到煙霧數(shù)據(jù)后，單片機(jī)則利用數(shù)據(jù)無線發(fā)送電路將采集到的煙霧數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送至接收端；在接收端，接收到煙霧數(shù)據(jù)后，單片機(jī)主控電路對(duì)液晶顯示電路進(jìn)行配置，顯示當(dāng)前接收到的煙霧值。與此同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將接收到的煙霧數(shù)據(jù)與設(shè)置的煙霧報(bào)警值進(jìn)行比較。當(dāng)煙霧值大于報(bào)警值，聲光報(bào)警電路將會(huì)被開啟，同時(shí)利用GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警，通過短信提醒責(zé)任人注意火災(zāi)隱患。另外設(shè)置通過按鍵開關(guān)可以對(duì)煙霧預(yù)警值進(jìn)行修改。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

煙霧報(bào)警系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)周邊環(huán)境中的煙霧濃度并具有預(yù)警和報(bào)警功能，它由單片機(jī)、煙霧檢測(cè)模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、聲光報(bào)警模塊、無線傳輸模塊及遠(yuǎn)程報(bào)警模塊等組成。

2.1 主控芯片單片機(jī)

單片機(jī)是整個(gè)無線煙霧報(bào)警系統(tǒng)的核心部分，因此選擇合適的單片機(jī)芯片很重要。本設(shè)計(jì)中主控芯片采用八位增強(qiáng)型STC89C52單片機(jī)。以發(fā)送端為例，單片機(jī)接口連接主要有四個(gè)方面：（1）P3.0-P3.1與程序下載端口相連，P3.0接 TX端，P3.1接 RX端；（2）XTAL1和XTAL2接晶振電路，提供時(shí)鐘信號(hào)；（3）P3.2-P3.7 與無線模塊 nRF24L01相連；（4）P2.0-P2.2與ADC0832相連[5-6]。

2.2 發(fā)送端硬件電路

系統(tǒng)發(fā)送端主要完成獲取煙霧數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，由煙霧采集電路和無線發(fā)送電路組成。由于無線發(fā)送模塊和無線接收模塊為同一電路，將在后面統(tǒng)一介紹，這里僅介紹煙霧采集電路。

煙霧檢測(cè)模塊MQ-2和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0832構(gòu)成煙霧采集電路。半導(dǎo)體煙霧傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、便宜實(shí)用等特點(diǎn)，所以被廣泛使用在很多煙霧檢測(cè)領(lǐng)域，本設(shè)計(jì)采用MQ-2煙霧傳感器，其引腳共有6個(gè)。傳感器MQ-2輸出的信號(hào)形式是模擬電壓信號(hào)，單片機(jī)無法處理，需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用ADC0832芯片。對(duì)于ADC0832，一般情況下，、CLK、DO、DI四條數(shù)據(jù)線與單片機(jī)相連，但在實(shí)際硬件設(shè)計(jì)時(shí)，DO和DI兩個(gè)引腳可以并聯(lián)起來接一根線。煙霧采集電路端口連接如下：CS端接單片機(jī)P2.0口，控制ADC0832的使能；DATA接P2.1口，控制數(shù)字信號(hào)輸入；CLK接P2.2口，單片機(jī)向芯片提供時(shí)鐘脈沖。發(fā)送端電路圖如圖2（a）所示。

2.3 接收端硬件電路

系統(tǒng)接收端主要完成煙霧數(shù)據(jù)的接收、顯示及對(duì)應(yīng)的煙霧閾值報(bào)警處理。LCD顯示電路主要顯示采集到的煙霧濃度值，便于工作人員隨時(shí)能夠觀察到煙霧數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用字符型液晶LCD1602。LCD1602液晶屏共有16個(gè)引腳，編程中只需使用8個(gè)數(shù)據(jù)引腳和三個(gè)功能配置引腳。報(bào)警電路對(duì)于整個(gè)的火災(zāi)報(bào)警器可以說是起著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警電路主要使用綠色LED燈、紅色LED燈和5V有源蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示。報(bào)警閾值參數(shù)設(shè)置電路主要由兩個(gè)按鍵開關(guān)組成，通過這兩個(gè)按鍵開關(guān)可以對(duì)煙霧預(yù)警值進(jìn)行修改。接收端電路如圖2（b）所示。

遠(yuǎn)程報(bào)警需要使用GSM智能控制器，本設(shè)計(jì)中采用SIM900A模塊。當(dāng)它接收到單片機(jī)的報(bào)警信號(hào)，就會(huì)利用GSM網(wǎng)絡(luò)通過短信向預(yù)存的接收裝置（手機(jī)）進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警。SIM900A模塊主要通過串口與單片機(jī)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)其控制。SIM900A的串口提供了多條控制線,包含數(shù)據(jù)信號(hào)線TXD和RXD，狀態(tài)信號(hào)線RTS和CTS，控制信號(hào)線DTR、DCD、DSR和RI，如圖3（a）所示。本模塊采用TTL電平接口，可以直接與單片機(jī)相連，不需要任何中間的轉(zhuǎn)換器件。另外，用戶可以通過把PWRKEY信號(hào)拉低一段時(shí)間然后釋放來開機(jī)或關(guān)機(jī)，此引腳已在模塊內(nèi)部上拉到3V，此模塊驅(qū)動(dòng)電路如圖3（b）所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

圖3 SIM900A模塊接口（a）及開關(guān)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（b）

2.4 無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

無線發(fā)送和接收模塊均選用nRF24L01來實(shí)現(xiàn)收發(fā)通信，通過配置寄存器可將nRF24L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電模式。nRF24L01與設(shè)計(jì)有關(guān)的引腳主要有 CE、CSN、SCK、MOSI、MOSO 和 IRQ 等，電路原理圖如圖4所示，其端口連接如下：CE接P3.4，控制nRF24L01的工作模式；CSN接P3.7，用于SPI片選；SCK接P3.3，單片機(jī)向芯片提供時(shí)鐘脈沖；IRQ接P3.5，用來控制中斷；MOSI接P3.2，用于SPI從機(jī)數(shù)據(jù)輸入；MOSI接P3.6，用于SPI從機(jī)數(shù)據(jù)輸出[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由主程序和相關(guān)子程序構(gòu)成。發(fā)送端通過MQ-2采集周圍環(huán)境中的煙霧信號(hào)，并通過ADC0832完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，ADC0832輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理分析，單片機(jī)輸出控制信號(hào)到nRF24L01接收端。發(fā)送端程序流程圖如圖5（a）所示。接收端接收到煙霧數(shù)據(jù)后，會(huì)將煙霧濃度值與報(bào)警閾值進(jìn)行比較決定報(bào)警電路是否開啟。若煙霧濃度值小于閾值，報(bào)警電路不啟動(dòng)，此時(shí)蜂鳴器不響，紅色LED燈不亮，LCD屏上會(huì)顯示當(dāng)前煙霧濃度值及閾值，同時(shí)發(fā)送“Now：”到責(zé)任人手機(jī)上；若煙霧濃度值大于閾值，立即啟動(dòng)報(bào)警電路，蜂鳴器響，紅色LED燈亮，LCD屏上會(huì)顯示當(dāng)前煙霧濃度值及閾值，同時(shí)發(fā)送“Smoke Alarm”到責(zé)任人手機(jī)上。接收端程序流程圖如圖 5（b）所示。

圖4 nRF24L01電路原理圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)電路圖搭建實(shí)際電路板，并在電路板上按照以下步驟進(jìn)行測(cè)試:（1）為發(fā)送板和和接收板插入電源，打開發(fā)送板和接收板的電源開關(guān)；（2）采用火機(jī)等一些產(chǎn)生煙霧氣體的用具產(chǎn)生氣體，放在煙霧傳感器周圍；（3）觀察接收板液晶顯示接收到的煙霧值是否發(fā)生改變；（4）采用按鍵電路可以對(duì)報(bào)警值進(jìn)行改變，判斷報(bào)警電路是否開啟工作；（5）準(zhǔn)備一部手機(jī)，查看報(bào)警短信是否能夠接受到。

圖5 系統(tǒng)發(fā)送端和接收端流程圖

開啟發(fā)送端，電源燈亮表示發(fā)送端電路供電正常。煙霧傳感器模塊上的紅色LED燈亮則代表可以采集煙霧數(shù)據(jù)。穩(wěn)壓模塊為無線傳輸模塊提供電源，其指示燈亮說明無線模塊處于發(fā)射模式。發(fā)射端正常工作測(cè)試如圖6（a）所示。

圖6 系統(tǒng)電路測(cè)試圖

開啟接收端，電源燈亮表示接收端電路供電正常。無報(bào)警狀態(tài)下，報(bào)警電路中綠色LED燈常亮，而紅色LED燈不亮和蜂鳴器不響。此時(shí)LCD屏首行顯示采集到的煙霧值，尾行顯示煙霧預(yù)設(shè)報(bào)警值，如圖6（b）所示；報(bào)警狀態(tài)下，報(bào)警電路綠色LED燈不亮，而紅色LED燈常亮和蜂鳴器響，LCD顯示采集到的煙霧值和報(bào)警預(yù)設(shè)置，此時(shí)的煙霧濃度值是大于預(yù)設(shè)報(bào)警值的，如圖 6（c）所示。

經(jīng)過幾個(gè)步驟的測(cè)試，所設(shè)計(jì)的無線煙霧報(bào)警系統(tǒng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)煙霧的采集，信息的無線傳輸、聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警等功能，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過煙霧傳感器和單片機(jī)對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，通過聲光報(bào)警和GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定點(diǎn)和遠(yuǎn)程報(bào)警。針對(duì)該功能，本文進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了軟件仿真以及實(shí)際電路板的測(cè)試。經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真及測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)周圍環(huán)境煙霧濃度的變化情況，實(shí)現(xiàn)了預(yù)警和報(bào)警功能，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。由于無線煙霧報(bào)警系統(tǒng)對(duì)煙霧具有較高的敏感性和監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范，因此被廣泛應(yīng)用居民住宅區(qū)、機(jī)房、辦公室等小型防火單位。

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[6]徐愛鈞.單片機(jī)原理實(shí)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011:1-6.

Abstract：Designs the wireless smoke alarm system based on SCM and GSM net.It is used to monitor the concentration of the smoke in the surround?ing environment and gives a fixed-point and remote alarm signal when the detected information is sent to a designated terminal with the acousto-optic alarm and GSM network by means of the wireless.The simulation and test show that the system designed can monitor realtimely the smoke concentration changes of the surrounding environment,realize the early warning and alarm functions,and achieve the de?sired goal.

Keywords：Single-Chip Microcomputer;Smoke Monitoring;Wireless Transmission;Remote Alarm;

Design of Wireless Smoke Alarm System Based on SCM

GUO Chang-ying，LV Hai-tao
（Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473000）

1007-1423（2017）25-0052-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.25.014

河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（No.142102210552）、河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（No.17A510015）

郭常盈（1977-），女，河南南陽人，副教授，碩士研究生，研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)信號(hào)處理及系統(tǒng)性能與器件測(cè)試、新型傳感理論與技術(shù)

呂海濤（1993-），男，河南新密人，在讀本科，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)

2017-08-11

2017-09-01