鄭婷婷

摘要：目前，智能家居已成為信息化時(shí)代的產(chǎn)物遍布全國各地，其中適用于家用的煙霧報(bào)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(jì)了一款基于單片機(jī)對(duì)家用燃?xì)膺M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過短信的形式通知家庭主人當(dāng)前的煙霧濃度。本設(shè)計(jì)主要完成了硬件電路設(shè)計(jì)，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(cè)模塊、按鍵模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、聲光報(bào)警模塊和短信通知模塊。最終設(shè)計(jì)的這套硬件電路可實(shí)現(xiàn)家用燃?xì)獾臒熿F監(jiān)測(cè)、聲光報(bào)警及報(bào)警狀態(tài)顯示等功能，也可以用于工廠、單位等各種公共場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鈾z測(cè);單片機(jī);煙霧傳感器;GPRS

中圖分類號(hào)：TN99 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

現(xiàn)代社會(huì)中燃?xì)庠O(shè)備普遍存在于每家每戶，而年輕人由于工作忙碌，可能會(huì)存在出門忘了關(guān)火，或者年輕人外出工作獨(dú)留老人在家，而老年人記憶力不好，會(huì)忘了灶臺(tái)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(yán)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(huì)發(fā)生火災(zāi)的判斷并及時(shí)處理，這樣就可以保證人身和財(cái)產(chǎn)的安全。

要實(shí)現(xiàn)火災(zāi)初期的準(zhǔn)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(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出并開啟報(bào)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(cè)單一的一種煙霧成分是沒有辦法滿足現(xiàn)實(shí)需要的，畢竟實(shí)際生活中的煙霧都是混合型的[3]。市面上針對(duì)混合煙霧檢測(cè)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(duì)比，本文選用了半導(dǎo)體煙霧傳感器，因?yàn)檫@種傳感器相對(duì)來說價(jià)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(gè)報(bào)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(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理，所以煙霧傳感器是前期檢測(cè)中最主要的環(huán)節(jié)，它的準(zhǔn)確性將是整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)、控制和報(bào)警的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)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(shí)別工作。MQ-2氣體傳感器的濃度檢查準(zhǔn)確度高、非常靈敏、較穩(wěn)定且使用壽命長。

1.2 運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

本設(shè)計(jì)采用的運(yùn)算放大器是LM358雙運(yùn)算放大器，這兩個(gè)放大器之間相互獨(dú)立，但其頻率又是相互補(bǔ)償?shù)?。該放大器?dāng)提供給它的電源電壓低于6 V時(shí)，其功耗只有24 mW，所以用電池供電也能正常工作[5]。本報(bào)警系統(tǒng)選用的A/D轉(zhuǎn)換器的型號(hào)為MCP3002，實(shí)現(xiàn)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的功能。

1.3 GPRS模塊的介紹

本設(shè)計(jì)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(jì)，在休眠狀態(tài)時(shí)，耗電量非常低。該模塊是通過單片機(jī)向其發(fā)送AT指令進(jìn)行控制的，因?yàn)锳T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(gè)AT指令做個(gè)具體說明：AT+CMGC——發(fā)送一條短消息命令;AT+CMGD——?jiǎng)h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(jì)

為了滿足系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)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(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理;單片機(jī)將分析處理后的煙霧濃度在LED上進(jìn)行顯示，同時(shí)與預(yù)先設(shè)置好的煙霧濃度閾值進(jìn)行比較，如果超過這個(gè)閾值，單片機(jī)就會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警模塊，同時(shí)通過通信串口發(fā)送AT指令，GMS模塊將報(bào)警短信發(fā)送到設(shè)定好的手機(jī)號(hào)碼上。該系統(tǒng)也支持遠(yuǎn)程手機(jī)的“查詢”功能，可方便地供使用者查詢?nèi)我鈺r(shí)間的家庭環(huán)境中的煙霧濃度。為了方便調(diào)節(jié)報(bào)警煙霧的閾值，還需要設(shè)計(jì)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(bào)警模塊。

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)——單片機(jī)設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)這部分的關(guān)鍵電路由中央處理器、晶體振動(dòng)器及復(fù)位電路、時(shí)鐘電路構(gòu)成，其中，單片機(jī)執(zhí)行指令的速度是由時(shí)鐘電路控制的，該電路也能控制單片機(jī)的正常啟動(dòng)，而時(shí)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(jì)完成對(duì)晶體振蕩器的設(shè)置，設(shè)置其與單片機(jī)盡可能接近，還要保證整個(gè)系統(tǒng)使用的低功耗要求。

2.2 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

通過單片機(jī)的P2.0口控制聲光報(bào)警電路，其電路主要包括555定時(shí)器、發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器（喇叭）。555定時(shí)器完成輸入/輸出端的電壓與單片機(jī)P2.0口的配合工作，當(dāng)單片機(jī)的P2.0口為1時(shí)，555定時(shí)器發(fā)出低頻脈沖，當(dāng)單片機(jī)的P2.0口為0時(shí)，555定時(shí)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(yáng)聲器上，使其發(fā)出高低交替的不同呼叫;而555定時(shí)器發(fā)出的低脈沖信號(hào)再經(jīng)過一定阻值后加載到發(fā)光二極管上，這樣就實(shí)現(xiàn)了聲音和光亮兩種提示，給報(bào)警提供一個(gè)雙重保障。

2.3 LED顯示電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用LCD1602進(jìn)行液晶顯示，將其接到單片機(jī)的P0口上，但是為了能驅(qū)動(dòng)LCD1602，必須要先給單片機(jī)接一個(gè)排阻，這樣可以增加整體電路的電流，從而驅(qū)動(dòng)液晶屏正常工作，選用的1000Ω的排阻一共有9個(gè)引腳，其中，引腳1接高電平。我們知道，單片機(jī)的P0口一般有兩個(gè)作用，一個(gè)作用是用來實(shí)現(xiàn)輸入輸出串口功能，另一個(gè)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(dāng)為LCD1602提供5 V電壓時(shí)才能使其處于正常工作狀態(tài)，此時(shí)的工作電流為2.0 mA，屏幕上每行可以顯示16個(gè)字符，并且可以同時(shí)顯示兩行。

2.4 按鍵電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)一共設(shè)計(jì)了3個(gè)按鍵，它們分別與單片機(jī)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(shí)，首先按下閾值調(diào)節(jié)按鍵，然后分別對(duì)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(dá)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(dāng)檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度大于所設(shè)定的閾值時(shí)，聲光報(bào)警器便開始工作，發(fā)出報(bào)警燈光同時(shí)發(fā)出蜂鳴聲，直到檢測(cè)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(jì)

GPRS模塊主要的功能是識(shí)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(jì)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(gè)電源電路的設(shè)計(jì)使用了一個(gè)大的電容，這個(gè)電容可以保證電路不受高頻信號(hào)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(jì)將SIM安裝卡槽遠(yuǎn)離GSM天線，并且SIM卡的走線盡量繞過射頻線，SIM卡的接地點(diǎn)要與整個(gè)GPRS模塊的接地點(diǎn)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(jì)涉及的知識(shí)面較廣，包括單片機(jī)、模擬/數(shù)字電路、Protell 99 SE等知識(shí)，整體設(shè)計(jì)出了一套基于單片機(jī)AT89cj2的煙霧報(bào)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(gè)電路設(shè)計(jì)保證最大化的實(shí)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(jì)經(jīng)過多次優(yōu)化整理，最終達(dá)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(shí)第一時(shí)間發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，以達(dá)到預(yù)防火災(zāi)的效果，具有一定的研究與實(shí)用價(jià)值。

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