劉海龍，姚舜才，劉 馳

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051;2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051;3.中北大學 計算機與控制工程學院，山西 太原 030051)

家庭廚房大都使用天然氣和液化氣，給生活帶來了方便。使用不當或者煤氣泄漏以及泄漏后引發(fā)火災，將會造成經濟財產損失。防火、防爆設備對我們的家庭生活就尤為重要［1］。

通過檢測和信號調理電路、單片機、顯示和報警電路、GSM 模塊和通風機等電路模塊構造一個家庭防火防爆安全自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路［2］，并設計相應的軟件程序，使之具有功能:1)防爆參數(shù)檢測，2)信號轉換與處理，3)顯示與報警。

1 總體硬件系統(tǒng)

1.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機的最小系統(tǒng)如圖1 所示。它主要由三部分構成，分別是STC12C5A60S2 單片機、復位電路和時鐘電路。復位電路由電阻、復位按鈕和電容組成。時鐘電路由兩個30PF的電容和11.059 2 M 的晶振組成［3］。

圖1 單片機最小系統(tǒng)

1.1.1 復位電路的設計

復位也就是單片機的初始化。單片機啟動之前，需要復位。其可以使CPU，還有其它部件處于一個確定的狀態(tài)。單片機從這個初始狀態(tài)開始工作。對于整個系統(tǒng)來說，復位操作是非常重要的，需要相關的外圍電路實現(xiàn)。復位電路如圖1 所示。

1.1.2 單片機時鐘電路

單片機內部時鐘電路如圖1 所示。單片機時鐘有兩種工作方式，第一種是內部R/C 震蕩時鐘，第二種是外部晶振時鐘。本系統(tǒng)串行通信對時鐘要求高，采用外部晶振時鐘。時鐘電路兩個端口分別接單片機XTAL1 和XTAL2 引腳。

1.2 煙霧傳感器電路

檢測CO 的濃度用MQ-2 傳感器。檢測得到的信號比較小，必須經過放大和調理。所以用電阻R6 來調節(jié)輸出信號的大小。當環(huán)境中CO 濃度比較低，H-H 兩級電導率比較低，電壓比較小，而輸出電壓就比較大。根據(jù)CO 濃度和輸出電壓關系知，當CO 濃度為300 PPM，輸出電壓為1 V。設定濃度超過300 PPM，系統(tǒng)就報警。煙霧傳感器電路如圖2所示。

圖2 煙霧傳感器電路

1.3 溫度傳感器電路

溫度模塊由DS18B20、R3 組成，其中R3 屬于上拉電阻。溫度傳感器屬于數(shù)字式傳感器，可以直接讀出溫度值。DS18B20 測量溫度范圍為－55～+125 ℃，測溫精度0.5 ℃，完全滿足對家居環(huán)境溫度的測量要求?？梢灾苯訉囟绒D換值以16 位數(shù)值碼的方式輸出。根據(jù)溫度和數(shù)字量的關系，當溫度為30 ℃時，輸出的16 位數(shù)字碼是003BH。設定室內溫度超過30 ℃，系統(tǒng)就報警。溫度模塊電路連接如圖3 所示［4］。

圖3 溫度模塊電路

1.4 可燃氣體傳感器電路

本設計中使用的可燃氣體傳感器為QM-N5。此傳感器是電阻型半導體氣體傳感器［5］。原理是當有可燃氣體產生時，氣體就會在半導體表面發(fā)生化學反應。反應一旦發(fā)生，就會使相應的電阻發(fā)生變化?？扇細怏w檢測和調理電路如圖4 所示。從U0 輸出的電壓很小，因此必須經過LM324 進行適當?shù)姆糯?。然后將所得電壓送入單片機中帶有A/D 轉換功能的接口，進行轉換和數(shù)據(jù)處理。根據(jù)可燃氣體濃度和輸出電壓關系，當可燃氣體濃度為200 PPM，輸出電壓為0.5 V。設定可燃氣體濃度超過200 PPM，系統(tǒng)就報警。

圖4 可燃氣體檢測和調理電路

1.5 GSM 模塊

本設計的GSM 模塊采用Siemens 公司的TC35i 模塊，西門子GSM 模塊是支持中文短信息的工業(yè)級GSM 模塊，工作在EGSM900 和GSM1800 雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8 V。TC35i 模塊有40 個引腳可以劃分為5 類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM 卡、音頻接口和控制。

TC35i 的第13 為對外輸出電壓(供外電路使用)，14 為ACCU-TEMP 接負溫度系數(shù)的熱敏電阻，用于鋰電池充電保護控制。

15 腳是啟動腳IGT，系統(tǒng)加電后為使TC35i 進入工作狀態(tài)，必須給IGT 加一個大于100 ms 的低脈沖，電平下降持續(xù)時間不可超過1 ms。

18 腳RXD、19 腳TXD 為TTL 的串口通訊腳，需要和單片機或者PC 通訊［6］。

TC35i 的第32 腳SYNC 引腳有兩種工作模式，本模塊使用的是指示TC35i 的工作狀態(tài)。當LED 熄滅時，表明TC35i處于關閉或睡眠狀態(tài);當LED 為600 ms 亮/600 ms 熄時，表明SIM 卡沒有插入或TC35i 正在進行網(wǎng)絡登錄;當LED 為75 ms 亮/3 s 熄時，表明TC35i 已登錄進網(wǎng)絡，處于待機狀態(tài)。

35～38 為語音接口，35、36 接揚聲器放音。37、38 可以直接與駐極體話筒連接來采集聲音。單片機通過I/O 口控制TC35i 的開關機、復位等，通過串口與TC35i 進行數(shù)據(jù)通信。

TC35i 與SIM 的連接圖如圖5 所示，它可以實現(xiàn)短信的收發(fā)［7，8］。

圖5 GSM 模塊

1.6 通風機控制電路

通風機電路如圖6 所示。主要由三極管、光電耦合器、發(fā)光二極管、線圈和通風機組成。工作原理是單片機從P2.1 輸出一個高電平使Q7 導通，接著光敏三極管導通，同時Q6 導通，因而繼電器的線圈K1 通電，繼電器接觸點閉合，使交流220 V 電源接通，通風機開始工作。反之，P2.1輸出低電平時，繼電器觸點斷開。

圖6 通風機電路

2 軟件設計

2.1 系統(tǒng)主流程

本系統(tǒng)的軟件設計以C 語言為基礎。系統(tǒng)主程序流程:開始→系統(tǒng)初始化→{讀取三種傳感器參數(shù)→報警子程序→鍵盤掃描→判斷鍵值→調用顯示數(shù)據(jù)子程序}。

主程序是一個無限循環(huán)的程序，通過對各個模塊的合理調用實現(xiàn)對參數(shù)的測量、比較、報警和顯示。工作原理是上電后系統(tǒng)初始化，單片機迅速檢測到被測參數(shù)，并存儲起來，在這個過程中包括A/D 轉換。然后啟動報警子程序，判斷是否越限，越限就報警30 s，同時發(fā)送短信到主人手機，接著判斷鍵值。如不越限，直接判斷鍵值，顯示相應的數(shù)據(jù)。接著返回繼續(xù)讀取三種傳感器的數(shù)值，依次循環(huán)。

2.2 本方案優(yōu)點

在元器件選擇方面:

1)主控制器選用STC12C5A60S2，是8051 單片機的加強版。自帶8 路10 位高速A/D 轉換，優(yōu)點是處理速度快、低功耗、超強抗干擾能力。

2)本設計選用的GSM 模塊是西門子生產的TC35i。它是一款高度集成的短信模塊，其體積小且重量輕，被廣泛應用。

3)顯示器采用國產的4 位動態(tài)顯示數(shù)碼管3461LED。它的優(yōu)點是與單片機連接方便、占有的I/O 口少、驅動簡單、穩(wěn)定性好。

［1］王芳，馬幼軍，蔣國平.智能化住宅防盜防火報警系統(tǒng)設計［J］.傳感器技術，2002(10) ：25－27.

［2］徐立軍.一種多功能家庭安防報警系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2009.

［3］李小武.用單片微機8051 設計的防盜報警系統(tǒng)［J］.零陵學院學報，2004(3) ：36－37.

［4］李光忠.基于單片機的溫濕度檢測系統(tǒng)的設計［D］.濟南：山東大學，2007.

［5］龔翔，李亞杰，高學平，等.基于GSM 的天燃氣報警系統(tǒng)［J］.機械工程與自動化，2011(164) ：178－180.

［6］唐桃波，陳玉林.基于AT89C52 的智能無線安防報警器［J］.電子設計應用，2003(6) ：49－52.

［7］員天佑，謝閱.基于GSM 的遠程住宅智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2006(5) ：95－96.

［8］王書偉，張茜萍.基于AT89S52 與TC35i 實現(xiàn)的短信息處理系統(tǒng)［J］.信息技術與信息化，2007(3)：31－34.