基于單片機的無線煙霧報警系統的設計

郭常盈，呂海濤

（南陽理工學院，南陽 473000）

基于單片機的無線煙霧報警系統的設計

郭常盈，呂海濤

（南陽理工學院，南陽 473000）

基于單片機和GSM網絡設計一個無線煙霧報警系統。所設計的系統能夠通過檢測周邊環境的煙霧濃度，采用無線方式，將檢測信息發到指定終端，并通過聲光報警和GSM網絡進行定點和遠程報警。經實驗仿真及測試表明，該設計能夠實時檢測周圍環境煙霧濃度的變化情況，實現預警和報警功能，達到預期目標。

單片機；煙霧檢測；無線傳輸；遠程報警

0 引言

隨著科技的進步和社會的發展，人們生活水平大幅度提高,智能建筑不斷涌現，煙霧報警系統是智能建筑重要組成部分，通過煙霧報警系統可以實時監測周圍環境的紅外信號和煙霧的濃度從而產生火災報警，提醒人們及時采取有效措施撲滅火源，確保工業生產和人們生活的安全。但是，目前市場上大多數火災報警系統是在火災發生時所呈現的強烈火焰及高濃度煙霧條件下才啟動報警裝置，周圍諸多環境因素大大影響了其靈敏度和精確度，并且只是簡單的實現定點報警或者短距離的無線報警,這些都無法適應現代智能建筑背景下的要求。所以一款可以高靈敏度遠距離報警的煙霧報警器是我們所需要的，通過它我們即使在離家很遠的地方也能及時收到相應的預警信息，避免因為火災報警不及時引發的各種悲劇[1-5]。

1 系統總體設計方案

煙霧報警系統利用煙霧傳感器和單片機對周圍環境中煙霧數據進行檢測，通過無線模塊進行數據的傳輸，針對接收到的煙霧值判斷報警電路是否進行開啟。按照其功能，整個系統劃分為發射端和接收端兩大部分。在發射端，利用煙霧傳感器采集周圍環境中的煙霧數據信息，由于單片機無法對這些模擬信息進行處理，所以需要利用模數轉換器進行煙霧數據轉換，以此獲取煙霧數字信息。檢測電路成功采集到煙霧數據后，單片機則利用數據無線發送電路將采集到的煙霧數據定時發送至接收端；在接收端，接收到煙霧數據后，單片機主控電路對液晶顯示電路進行配置，顯示當前接收到的煙霧值。與此同時，系統會將接收到的煙霧數據與設置的煙霧報警值進行比較。當煙霧值大于報警值，聲光報警電路將會被開啟，同時利用GSM網絡進行遠程火災報警，通過短信提醒責任人注意火災隱患。另外設置通過按鍵開關可以對煙霧預警值進行修改。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件設計

煙霧報警系統能夠實時檢測周邊環境中的煙霧濃度并具有預警和報警功能，它由單片機、煙霧檢測模塊、模數轉換模塊、聲光報警模塊、無線傳輸模塊及遠程報警模塊等組成。

2.1 主控芯片單片機

單片機是整個無線煙霧報警系統的核心部分，因此選擇合適的單片機芯片很重要。本設計中主控芯片采用八位增強型STC89C52單片機。以發送端為例，單片機接口連接主要有四個方面：（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，提供時鐘信號；（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 發送端硬件電路

系統發送端主要完成獲取煙霧數據進行發送，由煙霧采集電路和無線發送電路組成。由于無線發送模塊和無線接收模塊為同一電路，將在后面統一介紹，這里僅介紹煙霧采集電路。

煙霧檢測模塊MQ-2和模數轉換模塊ADC0832構成煙霧采集電路。半導體煙霧傳感器具有結構簡單、靈敏度高、便宜實用等特點，所以被廣泛使用在很多煙霧檢測領域，本設計采用MQ-2煙霧傳感器，其引腳共有6個。傳感器MQ-2輸出的信號形式是模擬電壓信號，單片機無法處理，需要使用模數轉換器進行模數轉換，本設計采用ADC0832芯片。對于ADC0832，一般情況下，、CLK、DO、DI四條數據線與單片機相連，但在實際硬件設計時，DO和DI兩個引腳可以并聯起來接一根線。煙霧采集電路端口連接如下：CS端接單片機P2.0口，控制ADC0832的使能；DATA接P2.1口，控制數字信號輸入；CLK接P2.2口，單片機向芯片提供時鐘脈沖。發送端電路圖如圖2（a）所示。

2.3 接收端硬件電路

系統接收端主要完成煙霧數據的接收、顯示及對應的煙霧閾值報警處理。LCD顯示電路主要顯示采集到的煙霧濃度值，便于工作人員隨時能夠觀察到煙霧數據，本設計采用字符型液晶LCD1602。LCD1602液晶屏共有16個引腳，編程中只需使用8個數據引腳和三個功能配置引腳。報警電路對于整個的火災報警器可以說是起著至關重要的作用。現場聲光報警電路主要使用綠色LED燈、紅色LED燈和5V有源蜂鳴器進行報警提示。報警閾值參數設置電路主要由兩個按鍵開關組成，通過這兩個按鍵開關可以對煙霧預警值進行修改。接收端電路如圖2（b）所示。

遠程報警需要使用GSM智能控制器，本設計中采用SIM900A模塊。當它接收到單片機的報警信號，就會利用GSM網絡通過短信向預存的接收裝置（手機）進行遠程報警。SIM900A模塊主要通過串口與單片機進行連接，從而實現單片機對其控制。SIM900A的串口提供了多條控制線,包含數據信號線TXD和RXD，狀態信號線RTS和CTS，控制信號線DTR、DCD、DSR和RI，如圖3（a）所示。本模塊采用TTL電平接口，可以直接與單片機相連，不需要任何中間的轉換器件。另外，用戶可以通過把PWRKEY信號拉低一段時間然后釋放來開機或關機，此引腳已在模塊內部上拉到3V，此模塊驅動電路如圖3（b）所示。

圖2 系統硬件電路

圖3 SIM900A模塊接口（a）及開關機驅動電路（b）

2.4 無線傳輸模塊設計

無線發送和接收模塊均選用nRF24L01來實現收發通信，通過配置寄存器可將nRF24L01配置為發射、接收、空閑及掉電模式。nRF24L01與設計有關的引腳主要有 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，單片機向芯片提供時鐘脈沖；IRQ接P3.5，用來控制中斷；MOSI接P3.2，用于SPI從機數據輸入；MOSI接P3.6，用于SPI從機數據輸出[5]。

3 系統軟件設計

本系統軟件設計由主程序和相關子程序構成。發送端通過MQ-2采集周圍環境中的煙霧信號，并通過ADC0832完成模數轉換，ADC0832輸出的數字信號進入單片機進行處理分析，單片機輸出控制信號到nRF24L01接收端。發送端程序流程圖如圖5（a）所示。接收端接收到煙霧數據后，會將煙霧濃度值與報警閾值進行比較決定報警電路是否開啟。若煙霧濃度值小于閾值，報警電路不啟動，此時蜂鳴器不響，紅色LED燈不亮，LCD屏上會顯示當前煙霧濃度值及閾值，同時發送“Now：”到責任人手機上；若煙霧濃度值大于閾值，立即啟動報警電路，蜂鳴器響，紅色LED燈亮，LCD屏上會顯示當前煙霧濃度值及閾值，同時發送“Smoke Alarm”到責任人手機上。接收端程序流程圖如圖 5（b）所示。

圖4 nRF24L01電路原理圖

4 系統測試

根據電路圖搭建實際電路板，并在電路板上按照以下步驟進行測試:（1）為發送板和和接收板插入電源，打開發送板和接收板的電源開關；（2）采用火機等一些產生煙霧氣體的用具產生氣體，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生改變；（4）采用按鍵電路可以對報警值進行改變，判斷報警電路是否開啟工作；（5）準備一部手機，查看報警短信是否能夠接受到。

圖5 系統發送端和接收端流程圖

開啟發送端，電源燈亮表示發送端電路供電正常。煙霧傳感器模塊上的紅色LED燈亮則代表可以采集煙霧數據。穩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射模式。發射端正常工作測試如圖6（a）所示。

圖6 系統電路測試圖

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

經過幾個步驟的測試，所設計的無線煙霧報警系統基本能夠實現煙霧的采集，信息的無線傳輸、聲光報警和遠程報警等功能，達到了預期的設計要求。

5 結語

本文所設計的系統通過煙霧傳感器和單片機對周邊環境進行檢測，通過聲光報警和GSM網絡進行定點和遠程報警。針對該功能，本文進行了硬件設計和軟件設計，最后進行了軟件仿真以及實際電路板的測試。經實驗仿真及測試表明，該設計能夠實時檢測周圍環境煙霧濃度的變化情況，實現了預警和報警功能，達到了預期目標。由于無線煙霧報警系統對煙霧具有較高的敏感性和監測的準確性，可以實現火災防范，因此被廣泛應用居民住宅區、機房、辦公室等小型防火單位。

[1]劉勇.基于單片機和GSM的火災報警器設計[J].數字技術與應用，2012（1）:72

[2]王毅然.淺析單片機在煙霧報警系統的運用[J].電子制作，2012（10）：48.

[3]王悅茗，岳敏，黃文.基于單片機的溫度及煙霧濃度報警設計[J].工業控制計算機，2013,26（1）:103-104.

[4]劉海洲.單片機在煙霧報警系統中的應用[J].Computer Knowledge and Technology.Vol6,No.24，August 2010,pp.6876-6877

[5]王輝，魯周迅.通信電子類畢業設計指導及實例[M].北京：電子工業出版社，2016：9-14，103-107

[6]徐愛鈞.單片機原理實用教程[M].北京：電子工業出版社，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項目（No.142102210552）、河南省高等學校重點科研項目（No.17A510015）

郭常盈（1977-），女，河南南陽人，副教授，碩士研究生，研究方向為通信系統信號處理及系統性能與器件測試、新型傳感理論與技術

呂海濤（1993-），男，河南新密人，在讀本科，研究方向為移動通信技術

2017-08-11

2017-09-01