一種基于51單片機的煙感報警器設計*

李 俊 ， 王佳偉 ， 李 帥 ， 袁 夢

（宿遷學院，江蘇 宿遷 223800）

傳統的煙感報警器主要分為有線型和獨立型煙感設備，其中有線型需要安裝布線和其他消防設備聯動，獨立型主要應用在小場所。近年出現的智能煙感，也就是無線型煙感，增加了無線傳輸模塊，通過網絡在電子設備上實時反饋數據，這樣更加透明化、信息化。但存在的問題也相對突出，由于成本太高，不適合大量推廣，只能在少量地方使用，不能滿足國內廣大市場需求。因此，課題組的設計著重于好用、便宜，一款造價低、性能優良的煙感報警器應運而生。煙感報警系統是保持高度警惕煙霧和輸出信號報警的有力措施，是一種早期預警。

1 系統總體方案設計

本設計主要以STC89C52單片機為核心器件，由煙霧探測電路、聲光報警電路、液晶顯示、按鍵電路、排氣扇驅動電路、控制程序和編解碼程序等組成。系統的組成結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 系統的硬件設計

2.1 單片機和時鐘復位電路

單片機采用的是STC89C52芯片，一款增強型51單片機。該微控制器具有造價低、耗電低、性能高、市場應用量大等優良品質，而且是由CMOS工藝技術制成的八位微控制器。提供的高靈活和有效低價的控制核心使它成為嵌入式產品控制的重要選擇方案。為了能使單片機始終處于正常的工作狀態，電源、時鐘復位電路等是讓單片機正常運行的必要條件，這也是最小系統。然后，通過對存儲器和A/D的拓展來完成更為復雜的系統功能。因單片機片內含有ROM/EPROM，其構成的最小系統簡單可靠。只需將時鐘電路和復位電路接上，就可以作為小型控制單元使用[1]。

時鐘電路顧名思義就是時鐘一樣的電路。它的特點是讓工作按照時間順序產生電路。一般是由晶體振蕩芯片、晶體振蕩器、電容組成。電容器的電容值在5 μf～30 μf范圍內，典型值30 μf，其是為了快速起振和穩定頻率的，復位電路是為了讓電路恢復到起始狀態。其組成相對簡單，大多只需要電阻和電容組合一下就可以形成。復位電路的啟動手段有三種：1）電路通電立刻進行復位操作；2）手動操作；3）根據電路運行情況和程序自動運行。本設計采用按鍵手動復位，有電平和脈沖兩種復位方式。電平復位是通過單片機的RST9端和電源VCC接通來實現的[2]。除此之外，為了提高單片機的工作效率和實時性，給產品以更好的體驗，采用中斷技術，很好地解決了問題，完全消除了單片機在查詢方式中的等待現象。

2.2 煙霧探測電路

此模塊采用的是MQ-3氣體傳感器和ADC0809模數轉換器，通過傳感器接收到外界的信號并以模擬信號傳出，由模數轉換器轉換成數字信號傳入單片機后進行相應操作。

選擇一款適合的傳感器對整體的重要程度不言而喻，課題組之所以選擇MQ-3氣體傳感器，是看中它穩定性好、靈敏度高、響應快、抗干擾、壽命長等優點[3]。其廣泛應用于家庭和工廠，對天然氣、石油氣等煙霧的靈敏度極高，尤其對烷類氣體更加敏感。其檢測可燃氣體與煙霧的范圍是100 ppm～10 000 ppm，所以不存在吸煙后檢測不到的狀況。需要注意的是：使用之前必須要加熱一段時間才能正常工作，不然輸出的電阻和電壓會有誤差，但是加熱電壓過高，會造成輸入電流增大，內部電路熔斷，破壞器件。這也是這款傳感器美中不足的地方，不過影響不大，在電路中控制好電壓就可以了。

ADC轉換電路課題組采用的是ADC信號采集法，將電信號轉換為數字信號，最后轉換為精確的煙霧濃度值。其中，用于模數轉換的芯片是ADC0809芯片。模數轉換器主要面對的問題是轉換數據的傳送以及如何確認數據的傳送完成。為此，有三種方式解決：定時傳送方式、查詢方式和中斷方式[4]。

2.3 聲光報警電路

本模塊為了加強報警效果，采用了聲音和光照雙重提示，旨在使提醒更加醒目，效果更突出。光照方面采用的是兩個LED發光二極管，當觸發響應時LED燈會發出光，它能夠將電直接轉換為光，其發光效率較之前提高了近1 000倍，色域方面實現了可見波段的所有顏色，是較為簡單的半導體器件。其優點特別明顯：壽命長、光效高、輻射低、功耗低、亮度強、無毒、可回收等，是不折不扣的綠色照明光源，因此也被稱為21世紀最有發展潛力的照明光源。采用它也正響應了我國綠色節能環保低碳的理念。聲音方面采用的是語音播報方式，語音播報具有準確、定時、快速的特性，能夠為人們的生活提供更多的便利，當有人吸煙，語音提示“公共場合 嚴禁吸煙”。為此，選擇了ISD1110這款語音芯片和米頭組成錄放模塊，錄放時長達8 s～10 s，采用了CMOS技術，占用空間小，僅需麥克風、喇叭、按鈕少數電阻電容就能組成，實現良好的錄放功能。并且在錄放結束以后芯片會主動進入低消耗狀態，功耗僅需0.5 μA，非常節能[5]。

2.4 液晶顯示模塊

本模塊旨在將傳感器測得的數據等實時傳遞到顯示屏上，讓人們有一個更直觀的感受。采用的是LCD1602液晶顯示器，它應用廣泛，是字符型顯示屏，內部存儲器存儲了160個各異的點陣字符圖形，字符含阿拉伯數字、常用符號、英語大小寫等，一個字符對應一個代碼，因其識別的是ASCII碼，可以直接賦值，單片機編程中可以用字符型常量或變量賦值。同時，單片機中應用此顯示器有以下優點：收到信號后能一直保持色彩和亮度，發光恒定。不需要不斷刷新亮點，所以畫質高、不閃爍。因其都為數字式，和單片機連接更加簡單可靠，操作起來便捷。在重量上，相較于傳統顯示器輕得多，但是功耗相對要高一些。

2.5 按鍵電路

在單片機組成的系統中，需要有人機交互功能。按鍵便是最常見的輸入方式。常見的按鍵電路方式有兩種，一對一直連和矩陣式連接。獨立式電路簡單直接，一個按鍵獨占一個端口，在按鍵數少或者按鍵端口數量豐富時使用。矩陣式電路就相對復雜許多，它適合需要按鍵數量多的場合，為了盡量少占端口就用矩陣式。根據本設計的需求，選擇了獨立式。本設計按鍵的讀取采用按鍵取低。顧名思義，只讀取低電平，當單片機通電，初始為高電平，按下鍵便觸發低電平，讓單片機讀取做出處理。

獨立式鍵盤利用單片機端接口的高低電平感應來檢測是否有鍵按下。常開按鍵一端接地，另一端接端口。端口在程序剛開始時置于高電平，沒有按鍵按下，端口保護高電平。當有鍵按下，端口與地產生短路，致使端口被迫變為低電平。在按鍵釋放后，端口在單片機內部的上拉電阻控制下仍為高電平。所以要想了解是否有按鍵動作，只需要在程序中查詢端口的電平狀態即可。

鍵盤的按鍵開關通常為機械彈性開關，由于彈性原因，開關在閉合和斷開時不會一下子結束，從而瞬間都產生抖動，產生抖動的危害便是會出現按一次輸出多次的情況，這會降低整體的使用效果，為了不產生這種影響，采取按鍵消抖的措施。鍵盤去抖動是在用單片機對鍵盤進行處理時涉及的重要過程。此處說的抖動是機械的抖動，指的是當鍵盤沒有按到按下的臨界區產生的電平不穩定正常現象，并不是人們在按鍵時通過注意可以避免的。10 ms～20 ms之間的不穩定電平抖動時間對于人來說幾乎是不會感應到的，但對于時間計量單位是微秒的單片機來說是漫長的。用部分電路對抖動部分加以處理即為硬件去抖動，軟件去抖動則不是去掉抖動，而是避開抖動部分時間，待鍵盤穩定再處理。綜上，選擇軟件去抖動。軟件去抖動便是在軟件上利用延時程序去抖動，當按鍵按下對程序進行短暫延時，就能跳過前沿抖動，對于后延抖動，再次檢測時如果檢測到抬起，一次按鍵檢測完畢。

2.6 排風扇模塊

本設計雖然叫煙感報警器，但僅僅報警并不是課題組設計的最終目的，課題組的目的是讓人們能夠在室內公共場所待得舒適，享受健康的空氣。所以當有人不自覺地吸煙，如果裝置僅僅是檢測到然后報警制止，即使當事人停止吸煙行為，也給室內環境帶來了或多或少的污染。因此，能有效地將室內被污染的空氣排出也極為重要。對于這個問題，課題組選擇添加一個排氣扇裝置，排氣扇具有投資成本低、風量大、噪聲低、耗能小、運行平穩、壽命長、效率高等優勢。通過排氣扇將室內的氣體排出，換上室外新鮮的空氣，同時也能夠調節室內溫度、濕度，有通風、透氣、降溫的效果。排氣扇的排氣方式有排出式、吸入式和并用式三種，課題組采用了并用式，吸氣與排氣均由換氣扇來完成。

3 系統的軟件設計

軟件設計采用的是C語言編程，編程軟件為Keil。設計包括主程序、判斷顯示程序、數據采集程序、報警程序、數制轉化程序和串口通信程序。MQ-3煙霧傳感器采集到的數據和單片機控制程序里設定的數據比較，通過顯示屏顯示，并傳達相應的指令，從而控制聲光系統工作[6]。

在給完電后，對端口和顯示屏進行初始化，MQ-3采集到的數據經過A/D模數轉換器，將采集的模擬信號轉化成數字信號并由單片機讀取和處理。主程序流程圖，如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 軟件仿真

實時顯示當前的煙霧值，煙霧的上限報警值可以通過按鍵設定，當煙霧超過上限的時候觸發聲光報警同時語音提示“公共場合 嚴禁吸煙”。當溫度達到一定值時，排風扇開始運行，進行通風作業。proteus仿真圖如圖3所示[7]。

圖3 proteus仿真圖

5 總結

課題組在參考了國內外大量資料的基礎上，針對傳統煙感報警器存在的問題，提出了較為合理妥善的煙感報警器設計方法，極大地提高了產品的實用性和市場競爭力。課題組設計的煙感報警探測器由傳感器電路和無線通信電路兩大部分構成。控制處理器是以管腳資源豐富的STC89C52為核心，使對探測器寫入信號和對信號進行編譯等人機交互功能成為現實[8-11]。通過C語言編寫程序，充分利用芯片的內部資源，代碼執行效率得到極大提升，代碼的容量大大減少。該報警器具有體積小、功耗低、安裝調試簡單、可靠性高等優點，因此，該煙感報警器的市場前景相對廣闊。由于水平和能力有限，該報警器還有很多地方有待改善。