基于單片機的遠程煙霧報警系統的硬件電路設計

鄭婷婷

摘要：目前，智能家居已成為信息化時代的產物遍布全國各地，其中適用于家用的煙霧報警系統已成為家庭設備中安全管理的基礎。本文設計了一款基于單片機對家用燃氣進行實時監測的系統，該系統可通過短信的形式通知家庭主人當前的煙霧濃度。本設計主要完成了硬件電路設計，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模塊、按鍵模塊、A/D轉換模塊、聲光報警模塊和短信通知模塊。最終設計的這套硬件電路可實現家用燃氣的煙霧監測、聲光報警及報警狀態顯示等功能，也可以用于工廠、單位等各種公共場合。

關鍵詞：燃氣檢測;單片機;煙霧傳感器;GPRS

中圖分類號：TN99 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

現代社會中燃氣設備普遍存在于每家每戶，而年輕人由于工作忙碌，可能會存在出門忘了關火，或者年輕人外出工作獨留老人在家，而老年人記憶力不好，會忘了灶臺上還開火做飯等情況，這兩種情況最終都可能造成火災事件的發生，嚴重危害公共安全[1-2]。如果我們能夠在火災發生的初期就做出會發生火災的判斷并及時處理，這樣就可以保證人身和財產的安全。

要實現火災初期的準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換，就是將不同濃度的煙霧轉化成對應的信號輸出并開啟報警功能。眾所周知，不同煙霧的物理成分和化學成分差別很大，如果只能檢測單一的一種煙霧成分是沒有辦法滿足現實需要的，畢竟實際生活中的煙霧都是混合型的[3]。市面上針對混合煙霧檢測的傳感器種類眾多，大體包括半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式傳感器、電化學傳感器、高分子煙霧傳感器、離子感煙式傳感器等[4]。經過各方面對比，本文選用了半導體煙霧傳感器，因為這種傳感器相對來說價格不高，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

整個報警系統的第一步就是煙霧傳感器采集環境中的煙霧濃度等數據，然后送入單片機進行進一步處理，所以煙霧傳感器是前期檢測中最主要的環節，它的準確性將是整個系統進行檢測、控制和報警的關鍵。本設計采用的是MQ-2氣體傳感器，它是由單晶體半導體和氧化物半導體陶瓷材料共同組成的傳感器。該傳感器可以根據不同的煙霧成分及煙霧濃度發生不同程度的氧化還原反應，從而引起其中敏感元件電阻值發生變化來完成后期的判斷識別工作。MQ-2氣體傳感器的濃度檢查準確度高、非常靈敏、較穩定且使用壽命長。

1.2 運算放大器和A/D轉換器的選擇

本設計采用的運算放大器是LM358雙運算放大器，這兩個放大器之間相互獨立，但其頻率又是相互補償的。該放大器當提供給它的電源電壓低于6 V時，其功耗只有24 mW，所以用電池供電也能正常工作[5]。本報警系統選用的A/D轉換器的型號為MCP3002，實現把模擬信號轉化為數字信號的功能。

1.3 GPRS模塊的介紹

本設計的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，采用了省電設計，在休眠狀態時，耗電量非常低。該模塊是通過單片機向其發送AT指令進行控制的，因為AT指令比較容易被辨別，中央控制器通過發送不同的AT指令使其完成既定的工作[6]。將簡單的幾個AT指令做個具體說明：AT+CMGC——發送一條短消息命令;AT+CMGD——刪除SIM卡內存的短消息;AT+CMGR——讀短消息;AT+CMGS——發送短消息;AT+CNMI——顯示新收到的短消息;AT+CPMMS——選擇短消息內存等等。

2 ? 硬件總體設計

為了滿足系統經濟實惠、結構簡單小巧的要求，本文以AT89C52為中央處理器。半導體煙霧傳感器將采集到的家庭環境中的溫度、濕度和煙霧濃度等參數通過放大模塊后，再經過A/D轉換，轉換為數字信息送入單片機進行進一步分析處理;單片機將分析處理后的煙霧濃度在LED上進行顯示，同時與預先設置好的煙霧濃度閾值進行比較，如果超過這個閾值，單片機就會啟動聲光報警模塊，同時通過通信串口發送AT指令，GMS模塊將報警短信發送到設定好的手機號碼上。該系統也支持遠程手機的“查詢”功能，可方便地供使用者查詢任意時間的家庭環境中的煙霧濃度。為了方便調節報警煙霧的閾值，還需要設計按鍵模塊，這樣在各種工作環境中都可以使用該系統的報警模塊。

2.1 最小系統設計——單片機設計

單片機最小系統這部分的關鍵電路由中央處理器、晶體振動器及復位電路、時鐘電路構成，其中，單片機執行指令的速度是由時鐘電路控制的，該電路也能控制單片機的正常啟動，而時鐘電路由最小系統中的晶體振蕩器控制。我們需要通過軟件設計完成對晶體振蕩器的設置，設置其與單片機盡可能接近，還要保證整個系統使用的低功耗要求。

2.2 聲光報警電路設計

通過單片機的P2.0口控制聲光報警電路，其電路主要包括555定時器、發光二極管和揚聲器（喇叭）。555定時器完成輸入/輸出端的電壓與單片機P2.0口的配合工作，當單片機的P2.0口為1時，555定時器發出低頻脈沖，當單片機的P2.0口為0時，555定時器發出高頻脈沖;然后將這些脈沖通過間隔電容加載到揚聲器上，使其發出高低交替的不同呼叫;而555定時器發出的低脈沖信號再經過一定阻值后加載到發光二極管上，這樣就實現了聲音和光亮兩種提示，給報警提供一個雙重保障。

2.3 LED顯示電路設計

本設計采用LCD1602進行液晶顯示，將其接到單片機的P0口上，但是為了能驅動LCD1602，必須要先給單片機接一個排阻，這樣可以增加整體電路的電流，從而驅動液晶屏正常工作，選用的1000Ω的排阻一共有9個引腳，其中，引腳1接高電平。我們知道，單片機的P0口一般有兩個作用，一個作用是用來實現輸入輸出串口功能，另一個作用是用來作為地址數據總線，而本系統中將P0口作為數據輸入輸出的端口。當為LCD1602提供5 V電壓時才能使其處于正常工作狀態，此時的工作電流為2.0 mA，屏幕上每行可以顯示16個字符，并且可以同時顯示兩行。

2.4 按鍵電路設計

本系統一共設計了3個按鍵，它們分別與單片機的串口相連接，完成閾值調節等功能。每次需要調大或調小閾值時，首先按下閾值調節按鍵，然后分別對應按下調大或調小按鍵，每按一下，閾值向上或向下調節，直到達到你預設的值，然后再次按下閾值調節按鍵即完成閾值調節操作。當檢測環境中的煙霧濃度大于所設定的閾值時，聲光報警器便開始工作，發出報警燈光同時發出蜂鳴聲，直到檢測環境中的煙霧濃度低于設置的閾值。

2.5 GPRS模塊電路設計

GPRS模塊主要的功能是識別并執行AT指令，可以完成數據的傳輸功能，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，本設計利用DC/CD變換器MIC2930將電源芯片提供的5 V電壓轉化成SIM800需要的4 V電壓。該電壓可以在環境溫度為-40～125 ℃正常工作，整個電源電路的設計使用了一個大的電容，這個電容可以保證電路不受高頻信號的干擾，還能保證芯片不被燒壞。由于SIM卡電路容易出現安裝不穩定且及其容易受干擾，本設計將SIM安裝卡槽遠離GSM天線，并且SIM卡的走線盡量繞過射頻線，SIM卡的接地點要與整個GPRS模塊的接地點位保持相等，這樣就可以減少SIM卡受到干擾。

3 ? 結語

綜上，電路設計涉及的知識面較廣，包括單片機、模擬/數字電路、Protell 99 SE等知識，整體設計出了一套基于單片機AT89cj2的煙霧報警器的硬件電路。硬件設備主要考慮了便民和使用廣泛的要求，整個電路設計保證最大化的實際需要，在查閱大量資料和經過多次修改后，將電路設計經過多次優化整理，最終達到了預設的效果，能夠實現在出現煙霧濃度過高時第一時間發出聲光報警信號，以達到預防火災的效果，具有一定的研究與實用價值。

參考文獻

[1] 杜建華，張認成.火災探測器的研究現狀與發展趨勢[J].消防技術與產品信息，2004，17（7）：10-15.

[2] 饒光洋，薛金水，盧宇帥.基于單片機控制的光電式煙霧感應報警器的設計[J].電子測試，2014，21（12）：6-8.

[3] 符俊賢，譚誠臣，劉云磊，等.可燃氣自動檢測與報警智能控制系統的設計[J].棗莊學院學報，2013，30（2）：89-95.

[4] 謝碧鋒，張聚.基于GPRS網絡的家庭防盜控制系統的設計[J].浙江工業大學學報，2011，39（2）：181-186.

[5] 徐斌，王成亮，李海龍.基于無線通信技術的火災自動監測技術研究[J].儀器儀表用戶，2011，18（6）：1-3.

[6] 昝杰.溫度和煙霧監測及遠程報警系統的設計與實現[D].北京：電子科技大學，2015.