盧建軍 張祥銀

(洛陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471934)

0 引言

室內(nèi)可燃?xì)庑孤度菀讓?dǎo)致家庭發(fā)生火災(zāi)。目前市場(chǎng)上的可燃?xì)獗O(jiān)測(cè)器往往需要人待在家中才能實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)庑孤肚闆r的及時(shí)處理，功能單一。因此，設(shè)計(jì)一種能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、聲光報(bào)警、遠(yuǎn)程通知及自動(dòng)排氣等多功能于一體的智能可燃?xì)獗O(jiān)測(cè)裝置符合社會(huì)需求，能夠確保在室內(nèi)可燃?xì)庑孤┪＜叭藗兩?cái)產(chǎn)安全的第一時(shí)間內(nèi)自動(dòng)采取措施。

1 總體方案及主要硬件的選擇和設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)工作流程為：MQ-5傳感器采集可燃?xì)獾臐舛葦?shù)據(jù)，STC89C52單片機(jī)對(duì)接收到的已經(jīng)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷其是否超過(guò)報(bào)警閾值，若超出，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并打開(kāi)排氣扇排氣，同時(shí)利用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM進(jìn)行串口通信，模塊聯(lián)網(wǎng)后給預(yù)先設(shè)置好的用戶發(fā)送短信，及時(shí)通知用戶[1]。用戶可通過(guò)按鍵模塊對(duì)可燃?xì)鉂舛葓?bào)警值進(jìn)行設(shè)置，或使用復(fù)位鍵恢復(fù)初始設(shè)置。

1.1 STC89C52單片機(jī)

STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理如圖1所示。P1端主要接收ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片送出的數(shù)字量，各元器件的引腳都連接到單片機(jī)相對(duì)應(yīng)的引腳，單片機(jī)對(duì)各引腳所接元器件進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

圖1 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖

1.2 MQ-5傳感器

MQ-5傳感器的電路原理圖如圖2所示。該傳感器的作用是采集氣體濃度，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將濃度值進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。隨著室內(nèi)可燃?xì)鉂舛戎档纳?，傳感器的電阻值就?huì)相應(yīng)地減小，通過(guò)IN引腳輸出的模擬電壓值就越大，ADC0809轉(zhuǎn)換芯片得到的模擬量也就越大，從而對(duì)室內(nèi)可燃?xì)鉂舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)[2]。圖2中，5腳所接的電阻為傳感器的保護(hù)電阻，C4為傳感器的濾波電容。

圖2 MQ-5傳感器電路原理圖

1.3 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的電路原理圖可見(jiàn)圖3。將IN腳接收到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后再經(jīng)D7-D0腳傳送給單片機(jī)的P1端口，單片機(jī)執(zhí)行后續(xù)操作。其中ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的CLOCK腳是時(shí)鐘信號(hào)腳，接到單片機(jī)的ALE/PROG腳，因?yàn)閱纹瑱C(jī)正常工作時(shí)輸出一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)給ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片就足夠了，比起用單片機(jī)的中斷來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的方法，這種操作不僅節(jié)省了I/O口，程序上的控制也相對(duì)較簡(jiǎn)單。START和ALE腳與單片機(jī)P3.3(INT1)腳相連、D0～D7腳與單片機(jī)P1.0～P1.7腳相連，EOC與單片機(jī)P3.6(WR)腳相連，OE與單片機(jī)P3.2(INT0)腳相連。

圖3 ADC0809轉(zhuǎn)換芯片電路原理圖

1.4 LCD1602液晶顯示模塊

LCD的電路原理圖可見(jiàn)圖4。由于STC89C52的P0口沒(méi)有上拉電阻，所以不管它的驅(qū)動(dòng)能力有多大，都相當(dāng)于它是沒(méi)有電源的，所以需要外部電路提供。因此要想輸出高電平，需要接上拉電阻，用于驅(qū)動(dòng)LCD。LCD的RS腳與單片機(jī)P2.3(A11)相連，EN腳與單片機(jī)P2.4(A12)腳相連，D0～D7腳與單片機(jī)的P0.1(AD0)～P0.7/(AD7)腳相連。

圖4 LCD的電路原理圖

1.5 繼電器控制模塊

繼電器控制模塊的電路原理圖如圖5所示。當(dāng)單片機(jī)的FS(FS與單片機(jī)P3.4(T0)腳相連)輸出一個(gè)低電平時(shí)，三極管就會(huì)導(dǎo)通，線圈上通過(guò)電流。由于LED與線圈并聯(lián)，當(dāng)線圈上通過(guò)電流時(shí)，LED上也會(huì)通過(guò)電流開(kāi)始發(fā)光，提示繼電器在工作。當(dāng)線圈上開(kāi)始通電后，開(kāi)關(guān)K1就會(huì)吸合，風(fēng)扇上流過(guò)電流后開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，室內(nèi)的可燃?xì)獗慌懦?，濃度得到有效地降低?/p>

圖5 繼電器控制模塊的電路原理圖

1.6 GSM串口通信模塊

GSM串口通信模塊的供電電壓為3.6～4.1V，采用5V供電電壓，為了達(dá)到GSM的使用標(biāo)準(zhǔn)，需要串聯(lián)一個(gè)二極管用于分壓。當(dāng)室內(nèi)可燃?xì)鉂舛瘸^(guò)報(bào)警值時(shí)，通過(guò)與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，GSM模塊將會(huì)自動(dòng)向預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)報(bào)警號(hào)碼發(fā)送短信，提醒用戶“可燃?xì)庑孤?，?qǐng)及時(shí)處理”。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括幾個(gè)模塊：主機(jī)模塊、傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊以及GSM串口通信模塊。軟件設(shè)計(jì)按照以下流程編制：當(dāng)主機(jī)模塊通電后，按下單片機(jī)的開(kāi)關(guān)鍵，系統(tǒng)的命令開(kāi)始自動(dòng)執(zhí)行，液晶屏幕模塊進(jìn)行初始化，MQ-5傳感器開(kāi)始進(jìn)行室內(nèi)可燃?xì)鉂舛鹊牟杉?，并將可燃?xì)鉂舛绒D(zhuǎn)換為電壓值，ADC0809轉(zhuǎn)換芯片對(duì)傳感器發(fā)送的模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后發(fā)送給STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)接收的數(shù)字量進(jìn)行判斷，當(dāng)檢測(cè)濃度值小于報(bào)警濃度值時(shí)，不報(bào)警；當(dāng)濃度值超過(guò)報(bào)警值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)排出泄露的可燃?xì)?，GSM進(jìn)行串口通信向預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送短信進(jìn)行報(bào)警。

GSM使用中文PDU模式進(jìn)行中文短信的發(fā)送，相比于Text模式無(wú)需額外的軟件進(jìn)行信息的處理。當(dāng)可燃?xì)鉂舛纫恢背^(guò)報(bào)警值時(shí)，聲光報(bào)警一直運(yùn)行，但GSM只會(huì)發(fā)送一條短信，當(dāng)可燃?xì)鉂舛认陆档綀?bào)警值之下時(shí)，恢復(fù)正常。當(dāng)可燃?xì)鉂舛仍俅纬鰣?bào)警值時(shí)，再次執(zhí)行上述操作，保證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

使用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程，采用Keil4軟件進(jìn)行程序的編譯。程序編寫(xiě)完成后進(jìn)行編譯，檢查沒(méi)有錯(cuò)誤后，將編譯后的程序使用自動(dòng)下載軟件通過(guò)數(shù)據(jù)線將程序下載到開(kāi)發(fā)板的單片機(jī)中，下載完成后將單片機(jī)插入可燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)裝置的STC89C52單片機(jī)引腳插座上，當(dāng)硬件電路接通電源后，按下開(kāi)關(guān)，程序就會(huì)開(kāi)始執(zhí)行。

3 裝置的組裝與調(diào)試

調(diào)試流程：(1)硬件焊接完成后，檢查硬件電路各個(gè)元器件的電源端和接地端是否都焊接正確，保證沒(méi)有發(fā)生虛焊、短路、斷路等情況；(2)LCD1602液晶調(diào)試：檢查相鄰各引腳是否短路，檢查排阻是否接反；(3)對(duì)可燃?xì)獗O(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行通電，觀察LCD1602是否正常顯示，各元器件有無(wú)發(fā)熱情況；(4)繼電器調(diào)試：首先接通電源，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，繼電器基極對(duì)應(yīng)的電阻接單片機(jī)接地端，繼電器吸合，則工作正常；(5)獨(dú)立按鍵的調(diào)試：將按鍵和單片機(jī)對(duì)應(yīng)的引腳接通，用萬(wàn)用表檢查各個(gè)按鍵是否工作正常。

組裝后最終實(shí)物如圖6所示，圖7中標(biāo)識(shí)的是主機(jī)模塊部分主要組件。工作流程為：使用USB線對(duì)板子通電，按下按鍵開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行，按下蜂鳴器開(kāi)關(guān)，蜂鳴器開(kāi)始工作。LED顯示室內(nèi)可燃?xì)獾臐舛戎岛蛨?bào)警設(shè)置的閾值，綠燈閃爍表示報(bào)警系統(tǒng)工作正常。開(kāi)關(guān)按鍵被按下后，MQ-5傳感器對(duì)室內(nèi)可燃?xì)鉂舛冗M(jìn)行采集，STC89C52單片機(jī)對(duì)接收到的已經(jīng)轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)單片機(jī)判斷室內(nèi)可燃?xì)鉂舛瘸^(guò)用戶設(shè)置報(bào)警值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，GSM發(fā)送一條短信給用戶，繼電器線圈通電，開(kāi)關(guān)吸合，風(fēng)扇開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，室內(nèi)的可燃?xì)獗慌懦?。?dāng)室內(nèi)的可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)值一直超過(guò)蜂鳴器報(bào)警閾值時(shí)，聲光報(bào)警一直運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)鉂舛认陆档綀?bào)警閾值以下時(shí)，恢復(fù)正常。當(dāng)可燃?xì)鉂舛仍俅纬鰣?bào)警值時(shí)，再次執(zhí)行上述操作。

可以通過(guò)按鍵來(lái)手動(dòng)設(shè)置報(bào)警閾值。用戶可通過(guò)先按下設(shè)置鍵，再通過(guò)報(bào)警值加減鍵來(lái)調(diào)整室內(nèi)可燃?xì)鉂舛葓?bào)警值，再次按下設(shè)置鍵就完成了對(duì)可燃?xì)鉂舛葓?bào)警值的設(shè)置。用戶也可以通過(guò)復(fù)位鍵來(lái)恢復(fù)初始設(shè)置[6]。

圖6 組裝實(shí)物圖(右邊為排氣扇)

圖7 主機(jī)模塊組件標(biāo)識(shí)

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)家用可燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該裝置能夠檢測(cè)室內(nèi)可燃?xì)鉂舛?，在可燃?xì)鉂舛瘸^(guò)設(shè)定值時(shí)，可自行報(bào)警，打開(kāi)排氣扇排氣，并向用戶發(fā)送短信提醒用戶。