一款單片機(jī)智能煙霧報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

彭建英，劉雨麗，郭杰榮

(湖南文理學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 常德 415000)

0 引言

有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國年均發(fā)生火災(zāi)數(shù)十萬起[1]。據(jù)中國消防在線訊，2016年我國發(fā)生火災(zāi)31.2萬起，其中夜間火災(zāi)的發(fā)生機(jī)率低于白天，但亡人比例較高，22時(shí)至凌晨6時(shí)發(fā)生的火災(zāi)占20.6%，造成的死亡人數(shù)占總數(shù)的49.1%[2]。由此可見，火災(zāi)的及時(shí)報(bào)警十分重要，意識(shí)到危險(xiǎn)的來臨才能及時(shí)應(yīng)對(duì)危機(jī)，把握好逃生時(shí)機(jī)。本文設(shè)計(jì)的智能煙霧報(bào)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與報(bào)警。通過煙霧傳感器對(duì)空氣進(jìn)行24小時(shí)監(jiān)測(cè)，并由數(shù)碼管顯示，一旦可燃?xì)怏w濃度超過閾值，蜂鳴器響起，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。警示火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)及附近的人員撤離，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，給消防人員遏止災(zāi)情提供了更多的寶貴時(shí)間。

1 智能煙霧報(bào)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本文設(shè)計(jì)的智能煙霧報(bào)警系統(tǒng)利用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行控制，煙霧傳感器監(jiān)測(cè)到空氣中的可燃?xì)怏w濃度，并將濃度值發(fā)送給STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)再將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)碼管顯示，一旦可燃?xì)怏w濃度超過安全范圍，單片機(jī)發(fā)送指令至蜂鳴器，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)報(bào)警。

智能煙霧報(bào)警整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 智能煙霧報(bào)警整體系統(tǒng)框圖

2 智能煙霧報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU模塊

MCU器件采用STC公司生產(chǎn)的STC89C52芯片。該芯片包含8 kB Flash、512 B RAM、32位I/O口線、看門狗定時(shí)器、內(nèi)置4 kB EEPROM、MAX810復(fù)位電路，以及3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、4個(gè)外部中斷、1個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu))、全雙工串行口。

2.2 MQ-2煙霧傳感器

MQ-2煙霧傳感器串口如圖2所示。PIN1口連接+5 V電源，PIN4口接地，PIN2、PIN3口分別連接STC89C52單片機(jī)P3.0、P3.1口，接收、傳送煙霧傳感器所測(cè)濃度。

圖2 MQ-2煙霧傳感器

MQ-2煙霧傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大[3]。

2.3 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，其工作原理如圖3所示。

蜂鳴器Beep1一端接+5 V電源，一端通過三極管PNP連接單片機(jī)端口P2.5并接地。當(dāng)P2.5輸入高電平時(shí)，電路阻塞，蜂鳴器關(guān)閉；當(dāng)P2.5輸入低電平時(shí)，電路連通，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)，表示煙霧濃度超過設(shè)定值報(bào)警。

3 智能煙霧報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程

首先對(duì)程序初始化，然后判斷是否有煙霧產(chǎn)生，若煙霧濃度正常，繼續(xù)檢測(cè)并顯示煙霧濃度；若煙霧濃度超出設(shè)定范圍進(jìn)行報(bào)警，并顯示煙霧濃度。程序流程如圖4所示。

圖3報(bào)警模塊原理圖圖4程序流程圖

3.2 程序解析

3.2.1 串口初始化

串口初始化代碼如下：

void init_serial(void)//由以上理論進(jìn)行串口初始化

{

TMOD=0x20;//定時(shí)器1產(chǎn)生波特率，工作方式2，位自動(dòng)重載

TH1=0xFD;//賦初值9600=(2的SMOD次方/32)*(TI的溢出率)=(1/32)*11059200/(256-X)*12x=253

TL1=0xFD;//波特率設(shè)置為9600

SCON=0x50;

PCON=0;//smod=0

TR1=1;//

ES=1;//開啟總中斷

EA=1;//開啟串口中斷

}

3.2.2 煙霧濃度的查詢與接收

根據(jù)MQ-2煙霧傳感器的通信協(xié)議(如表1所示)，定義煙霧濃度的查詢命令：unsigned char cmd_poll[]={0xff,0x01,0x86,0,0,0,0,0,0x79}。

STC89C52發(fā)送查詢命令后，煙霧傳感器將返回一串?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)表1中的返回?cái)?shù)據(jù)串格式，對(duì)數(shù)據(jù)串進(jìn)行幀解析，判斷接收到的數(shù)據(jù)是否完整。數(shù)據(jù)完整的標(biāo)準(zhǔn)為：數(shù)據(jù)頭為0xff，第二個(gè)數(shù)據(jù)為0x86，且數(shù)據(jù)串的個(gè)數(shù)為9個(gè)。若滿足以上標(biāo)準(zhǔn)，則數(shù)據(jù)接收完整，提取出數(shù)據(jù)串中的第3、4個(gè)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制濃度值，轉(zhuǎn)換代碼為：concentration=(int)(buf[2]<<8|buf[3])[4]。

完整程序略。

4 實(shí)物調(diào)試

因條件限制，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定煙霧濃度的安全范圍為0～200。

使用打火機(jī)點(diǎn)燃物品，制造煙霧模擬火災(zāi)發(fā)生，煙霧傳感器置于煙霧上方，檢測(cè)煙霧濃度，煙霧濃度上升，超過200，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)，示警；將煙霧傳感器移至無煙區(qū)域，煙霧濃度降低，低于200時(shí)，蜂鳴器阻塞，停止示警。實(shí)物調(diào)試圖如圖5所示。

表1 MQ-2煙霧傳感器通信協(xié)議

圖5 智能煙霧報(bào)警裝置實(shí)物調(diào)試圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以STC89C52單片機(jī)為核心的智能煙霧報(bào)警系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)物調(diào)試后，表明此系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中的煙霧濃度，一旦煙霧傳感器附近煙霧濃度超過安全范圍，立刻響起警報(bào)，達(dá)到示警效果。初步證實(shí)了本文設(shè)計(jì)的智能煙霧報(bào)警系統(tǒng)的可行性。本次實(shí)驗(yàn)因條件限制未測(cè)試檢測(cè)煙霧濃度的有效空間范圍。