一種室內(nèi)煙霧處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張兆民　狄思雨

摘要：針對(duì)室內(nèi)煙霧對(duì)人體健康危害日益嚴(yán)重的問題，設(shè)計(jì)了一種新型的室內(nèi)煙霧處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控芯片，MQ-2煙霧傳感器為檢測(cè)器件，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)和顯示煙霧濃度并自動(dòng)處理。系統(tǒng)的GSM模塊實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的功能。當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)以鳴響蜂鳴器和發(fā)送短信的方式向用戶發(fā)出警告信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的吸煙電機(jī)將煙霧吸入系統(tǒng)自帶的活性炭盒中，達(dá)到吸除室內(nèi)煙霧的目的。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，魯棒性高，可以應(yīng)用于日常生活之中。

Abstract： A new indoor smoke treatment device was designed to solve the problem that indoor smoke is increasingly harmful to human health. The device adopts STC12C5A60S2 single-chip microcomputer as the main control chip， and the MQ-2 smoke sensor is the detection device， which can detect smoke in real time and automatically process it. The GSM module of the device communicates with the mobile phone of the Android platform to realize the function of human-computer interaction. The device can display the current indoor smoke value in real time. When the indoor smoke concentration is higher than the set value， the system sends a warning signal to the user by sounding the buzzer and sending a text message， and the smoking motor of the driving device sucks the smoke into the activated carbon box provided by the device， achieving the purpose of absorbing indoor smoke. After testing， the device has reasonable design and high robustness and can be applied in daily life.

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；煙霧傳感器；煙霧處理

Key words： MCU；smoke sensor；smoke treatment

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）32-0142-03

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)健康的關(guān)注程度日益增加。人們生活水平的提高，不僅體現(xiàn)在家居裝飾越來越精美，更體現(xiàn)在對(duì)生活環(huán)境空氣質(zhì)量的重視。先前的研究證實(shí)[1]，室內(nèi)煙霧（如香煙燃燒產(chǎn)生的煙霧、煤氣燃燒的殘留）已經(jīng)成為威脅人類健康的四大殺手之一，其含有多種致癌物質(zhì)。市面上的一些空氣凈化系統(tǒng)主要功能是檢測(cè)和吸附空氣中的苯和甲醛，并沒有考慮到室內(nèi)煙霧的監(jiān)控與清除，且人機(jī)交互性差，價(jià)格昂貴，性能不穩(wěn)定，應(yīng)用中存在著很多問題。

新型室內(nèi)煙霧處理系統(tǒng)針對(duì)上述問題進(jìn)行設(shè)計(jì)，其內(nèi)部的活性炭系統(tǒng)能夠?yàn)V除室內(nèi)煙霧中絕大多數(shù)的有害物質(zhì)，系統(tǒng)的MQ-2傳感器能夠?qū)κ覂?nèi)煙霧中的主要成分進(jìn)行有效地監(jiān)控，在實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)煙霧實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)完成了對(duì)煙霧有害成分的消除。此外，安裝在系統(tǒng)中的SIM900A模塊可以與用戶的手機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)煙霧濃度值進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，提高了系統(tǒng)的人機(jī)交互性，便于用戶使用，具有實(shí)際效用。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以臺(tái)灣宏晶公司的STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片[2]。該系統(tǒng)主要由煙霧檢測(cè)電路、AD轉(zhuǎn)換電路、電機(jī)控制電路、液晶顯示電路以及短信通信系統(tǒng)組成：煙霧檢測(cè)系統(tǒng)以MQ-2煙霧傳感器為核心，信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行輸出信號(hào)的處理；AD轉(zhuǎn)換電路由TLC549和晶體管電路組成；電機(jī)控制電路由L298N芯片和穩(wěn)壓電路組成；液晶顯示電路以O(shè)LED顯示屏為主要器件；短信通信系統(tǒng)由SIM900A模塊和供電電路組成。系統(tǒng)初始化后，煙霧檢測(cè)系統(tǒng)不間斷地檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，并以模擬電壓的形式輸出，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，與單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置的閾值進(jìn)行比對(duì)，同時(shí)將轉(zhuǎn)換的濃度值以數(shù)字量形式顯示在OLED液晶屏上。若濃度值超出閾值，則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器響并控制電機(jī)反轉(zhuǎn)吸除環(huán)境中的煙霧。[3]當(dāng)環(huán)境濃度值持續(xù)1分鐘大于閾值時(shí)，通過短信通信模塊以文本短信形式向用戶發(fā)送警告信號(hào)，告知用戶。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

煙霧處理系統(tǒng)控制電路的核心是12單片機(jī)的最小系統(tǒng)，由復(fù)位電路、晶振電路電源電路以及時(shí)鐘電路構(gòu)成。電機(jī)與液晶屏并行工作。在單片機(jī)的I/O引腳上連接L298N電路、OLED液晶顯示電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)的串口連接短信通信模塊。

2.1 煙霧檢測(cè)電路

煙霧檢測(cè)電路將外界環(huán)境的煙霧信號(hào)最終轉(zhuǎn)換成連續(xù)的模擬電壓信號(hào)輸出[4]，整個(gè)電路分為兩部分：MQ-2煙霧傳感器與信號(hào)調(diào)理電路前端（不含A/D轉(zhuǎn)換）。煙霧傳感器是物理量與電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的裝置，能夠輸出模擬電壓，其輸出電壓由于噪聲和傳感器器件特性等原因，是含有加性噪聲的弱信號(hào)，需要先輸入信號(hào)調(diào)理電路的前端進(jìn)行放大、整流、濾波，以得到較好的大信號(hào)用于后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換。

信號(hào)調(diào)理前端電路如圖2所示，在模擬電路輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片之前，經(jīng)過該電路進(jìn)行處理。原始信號(hào)含有高頻干擾，為了防止信號(hào)的干擾與混疊，首先要進(jìn)行濾波[5]，使用TLC2272集成運(yùn)放構(gòu)成二階有源低通濾波器去除高次諧波。將去噪后的電壓經(jīng)運(yùn)放放大輸入TLC549芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2.2 最小系統(tǒng)電路

硬件設(shè)計(jì)核心是單片機(jī)最小系統(tǒng)，stc12單片機(jī)抗干擾性強(qiáng)，成本較低，內(nèi)部運(yùn)算速度是傳統(tǒng)51系列單片機(jī)的8-12倍，廣泛的實(shí)驗(yàn)證實(shí)該型單片機(jī)適宜于電機(jī)控制的設(shè)計(jì)。如圖3所示，單片機(jī)的18、19引腳接外部12MHz晶振，用于給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)；9引腳接復(fù)位電路。系統(tǒng)的其他硬件通過I/O口與單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的傳送。OLED的D0和D1分別于P1^0和P1^1相接，復(fù)位、DC、片選依次連接P1口的第2、3、4引腳；L298N的PWM波信號(hào)由單片機(jī)的P2^6、P2^7引腳提供。單片機(jī)的串行口與SIM900A模塊相連實(shí)現(xiàn)通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

完成硬件電路的焊接與搭建后，根據(jù)預(yù)期目標(biāo)，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用C語言在μvision4環(huán)境下完成。采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，根據(jù)不同模塊實(shí)現(xiàn)的功能，分開進(jìn)行代碼的編寫，最后進(jìn)行整合與移植。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的復(fù)位方式是軟件上電復(fù)位，即每一次重新上點(diǎn)都會(huì)擦除之前記錄的煙霧濃度數(shù)值，避免無效的數(shù)據(jù)占用大量的存儲(chǔ)空間。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化操作，主要是對(duì)I/O口、串行口以及定時(shí)器的初始化。初始化完成后煙霧傳感器開始不間斷地進(jìn)行檢測(cè)并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入到TLC549A/D芯片，進(jìn)行1s一次的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過單片機(jī)送至OLED進(jìn)行顯示，最后進(jìn)行一次閾值判斷，若濃度值大于閾值則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器與電機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器2開始計(jì)時(shí)10s，此項(xiàng)操作通過定時(shí)器的循環(huán)中斷實(shí)現(xiàn)。定時(shí)完畢再進(jìn)行判斷，若濃度值仍然大于閾值，則向用戶發(fā)送反饋短信提醒，整個(gè)系統(tǒng)流程如圖4所示。

3.2 串口通信程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)用戶與系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信，通信以SIM900A模塊為平臺(tái)，以短消息的方式實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行相關(guān)的編程操作。在系統(tǒng)的初始化中對(duì)通信所需的串口1與定時(shí)器1進(jìn)行配置并設(shè)置相應(yīng)的短信中心號(hào)，進(jìn)入通信程序后，就向串行口的發(fā)送緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)，寫入的數(shù)據(jù)通過TXD引腳送入SIM900A，再經(jīng)模塊發(fā)出，完成一次單向通信，此時(shí)開始不斷地檢測(cè)串行口的接收緩沖區(qū)，等待用戶的信息，當(dāng)接收緩沖區(qū)滿，則寫入單片機(jī)，至此，一次交互完成。系統(tǒng)的通信過程如圖5所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

從實(shí)用性的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試的主要內(nèi)容是實(shí)時(shí)檢測(cè)的煙霧濃度值。實(shí)驗(yàn)組是室內(nèi)煙霧處理裝置，對(duì)照組是煙霧檢測(cè)儀數(shù)據(jù)，一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

其中，第3次測(cè)量時(shí)，無論儀表測(cè)量還是煙霧檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量，濃度值都發(fā)生了驟變，這是由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中加入了煙霧的緣故，可以看見，系統(tǒng)測(cè)試得到的誤差在10%以內(nèi)，具有較好的準(zhǔn)確度，在環(huán)境中出現(xiàn)煙霧時(shí)，能靈敏地感應(yīng)到，證明系統(tǒng)有較好的實(shí)用性與魯棒性。

5 結(jié)束語

為提高人們?cè)谑覂?nèi)的空氣質(zhì)量，設(shè)計(jì)的室內(nèi)煙霧處理系統(tǒng)，使用12單片機(jī)為核心芯片，MQ-2傳感器為檢測(cè)器件，具有極高的性價(jià)比。經(jīng)過科學(xué)的測(cè)試，雖然檢測(cè)結(jié)果尚存誤差，但由于室內(nèi)煙霧檢測(cè)所要求的精度并不嚴(yán)格，因此，該系統(tǒng)仍然具有較好地實(shí)用性。

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