貴州應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 向登菊

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，但是也由于這些，火災(zāi)和有毒氣體中毒的安全問題也在我們身邊孕育而生，火災(zāi)和有毒氣體中毒使許多人在這美好的生活中悄然逝去，讓多少幸福美滿的家庭最后弄得凄零凋落，對(duì)于突發(fā)性火災(zāi)不及時(shí)控制就會(huì)造巨大的損失，隨著傳感器技術(shù)的不斷演練和發(fā)展，煙霧傳感器讓這個(gè)問題得到解決，它可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)事故并提醒我們及時(shí)采取有效控制措施，所以煙霧傳感器的選擇必須滿足對(duì)可燃性氣體和有毒氣體的靈敏度要高的條件，因此設(shè)計(jì)一款能實(shí)現(xiàn)濃度顯示及報(bào)警限設(shè)置的煙霧報(bào)警器非常重要，本設(shè)計(jì)使用MSP430F149單片機(jī)和MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。另外還使用了HC-SR04超聲波檢測(cè)距離報(bào)警，可實(shí)現(xiàn)智能安裝煙霧報(bào)警系統(tǒng)。

根據(jù)有關(guān)的數(shù)據(jù)顯示，近年來全球每年發(fā)生的火災(zāi)600—700萬起，這個(gè)數(shù)據(jù)可以讓全世界為之動(dòng)容，所以我們?nèi)绾翁崆鞍l(fā)現(xiàn)火災(zāi)并及時(shí)采用有效控制措施是一個(gè)維護(hù)社會(huì)安定的重大問題。這里采用先進(jìn)的電子科學(xué)技術(shù)——傳感器，它的主要功能是：煙霧檢測(cè)器對(duì)環(huán)境中的煙霧濃度進(jìn)行檢測(cè)分析，煙霧檢測(cè)器將信號(hào)傳送單片機(jī)，單片機(jī)再將信號(hào)進(jìn)行整理分析，最后濃度信息會(huì)在顯示屏上顯示，當(dāng)檢測(cè)濃度超過設(shè)置值時(shí)，最終蜂鳴報(bào)警器響起并伴隨紅燈閃爍。這一系列的設(shè)計(jì)就可以讓我們能及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患和提前采取有效控制措施避免事故發(fā)生，確保社會(huì)安全穩(wěn)定。

1 檢測(cè)距離煙霧報(bào)警的方案設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)煙霧距離報(bào)警器的設(shè)計(jì)思路

煙霧傳感器和LM393雙電壓比較器組成煙霧信號(hào)采集電路，然后將比較后的電壓傳入單片機(jī)，然后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)數(shù)據(jù)大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值，報(bào)警電路將發(fā)出報(bào)警聲音，未出現(xiàn)報(bào)警聲為正常狀態(tài)。根據(jù)報(bào)警器所具有的功能，提出的該設(shè)計(jì)思路。

1.2 系統(tǒng)方案的選擇

單片機(jī)選擇新型的MSP430系列，MSP430單片機(jī)是16位單片機(jī)，運(yùn)行的速度更快；超低的功耗；其電源電壓在1.5-6V之間，待機(jī)模式時(shí)電流小于0．1μA，適合電池供電。它具有兩種不同的時(shí)鐘系統(tǒng)，五種低功耗模式，可嵌套中斷，內(nèi)部模塊可以關(guān)閉。該單片機(jī)具有使用方便，價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)。

報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心采用半導(dǎo)體煙霧傳感器MQ-2。半導(dǎo)體煙霧傳感器工作穩(wěn)定性好；使用壽命長(zhǎng)；制造成本低；并且檢測(cè)速度快，重復(fù)性好；不管使用還是維護(hù)都比較方便。

超聲波測(cè)距模塊選擇HC-SR04，探測(cè)距離2cm-450cm，精度達(dá)0.2cm。液晶顯示選擇LCD1602，其功耗低，顯示內(nèi)容豐富，外圍電路簡(jiǎn)單，還可以顯示自定義字符。報(bào)警模塊聲音采用蜂鳴器，三極管和電阻組成一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，成本低，電路比較簡(jiǎn)單。光報(bào)警采用發(fā)光二極管起到提示作用，實(shí)惠方便。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案根據(jù)報(bào)警器的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩個(gè)部分。包括熱釋電紅外傳感器探頭電路、按鍵電路、控制電路、報(bào)警電路、距離檢測(cè)電路等管理軟件組成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊單片機(jī)

距離煙霧檢測(cè)報(bào)警器的主要部件是單片機(jī)，它一方面接收煙霧濃度的信號(hào)，另一方面要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析及對(duì)其它電路的工作情況進(jìn)行控制；同時(shí)，可接收有鍵按下的命令。在單片機(jī)的功能中，將模擬信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換，最后在LCD顯示，同時(shí)將超聲波檢測(cè)到的距離送入液晶顯示。

2.2 電源模塊電路

由于單片機(jī)的電壓為3.3V，液晶模塊、超聲波距測(cè)模塊、煙霧傳感器模塊的電壓為5V，因此本系統(tǒng)需要提供3.3V和5V電壓。3.3V電源部分采用TI公司的AMS1117芯片來實(shí)現(xiàn)。在輸出輸入部分都用了100NF的電容，就是為了使3.3V輸出電源的波紋小，減少輸入端受干擾。

2.3 MQ-2煙霧檢測(cè)電路

這個(gè)模塊主要通過MQ-2煙霧傳感器與LM393雙電壓比較器連接，然后與單片機(jī)連接。MQ-2采集到煙霧信號(hào)后，經(jīng)過LM39比較煙霧濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，將電壓信號(hào)送入MSP430單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和濃度比較。

2.4 HC-SRO4超聲波測(cè)距電路

HC-SRO04的工作電壓為5V，靜態(tài)工作電流小于5mA，有VCC、Trig（控制端）、Echo（接收端）、GND 4個(gè)接口，Trig與Echo在與單片機(jī)連接時(shí)先接4.7K的電阻，防止電流過大，燒壞單片機(jī)。控制口發(fā)一個(gè)10US以上的高電平，便可以在接收口等待高電平輸出。若有高電平輸出時(shí)，超聲波檢測(cè)距離電路的計(jì)時(shí)器就開始計(jì)時(shí)，測(cè)距的時(shí)間就是從電路中的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)到變?yōu)榈碗娖綍r(shí)的這段時(shí)間，這樣就可以測(cè)算出距離，就這樣重復(fù)多次就可掌握其變化周期，從而得出測(cè)距公式：測(cè)試距離=(高電平時(shí)間×聲速(340m/s))/2。隨后經(jīng)過單片機(jī)將測(cè)量到的距離輸出和設(shè)置的報(bào)警距離比較，超出設(shè)置值報(bào)警，同時(shí)液晶顯示屏上顯示距離。

2.5 液晶模塊顯示電路

LCD1602液晶顯示器是用5x7點(diǎn)陣圖形來顯示字符，它顯示的容量為2行16個(gè)字共32個(gè)字符。液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志位是不是為低電平，是低電平則表示不忙，否則這個(gè)指令失效。

LCD1602的連接圖如圖1所示。

圖1 LCD1602連接原理圖

LCD1602的引腳介紹，第1腳：GND是地電源。第2腳：VCC接+5V電源。第3腳：VEE為顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，接+5V電源時(shí)對(duì)比度最弱，當(dāng)對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，可通過一個(gè)1K的緊密電位器調(diào)整對(duì)比度，一般對(duì)比電壓為0.7V左右。第4腳：RS為寄存器選擇。若為高電平時(shí)，則選擇數(shù)據(jù)寄存器，否則選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線。需要在高電平時(shí)進(jìn)行度操作，當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可用讀出忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可用寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端。當(dāng)由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊則會(huì)執(zhí)行

圖2 聲光報(bào)警電路原理圖

命令。第7～14腳：D0～D7為數(shù)據(jù)I/O口。第15腳：背光燈VCC，一般直接和+5V電源相連接。第16腳：背光燈GND。

2.6 報(bào)警器以及執(zhí)行電路

這個(gè)部分電路包括聲、光報(bào)警器的執(zhí)行電路以及報(bào)警提示與指示，聲音報(bào)警的功能用一個(gè)蜂鳴器、三極管和電阻接到單片機(jī)的引腳上則可以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的I/O電流輸送功能有限，所以使用了一個(gè)PNP型三極管來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，P1.2端口輸出低電平，PNP三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲；P1.2端口輸出高電平，PNP三極管截止，則蜂鳴器被關(guān)閉。當(dāng)端口輸出一定頻率的信號(hào)時(shí)，可以發(fā)出預(yù)想報(bào)警聲。

由發(fā)光二極管接上電阻連上單片機(jī)的引腳，外接VCC，當(dāng)單片機(jī)的引腳被置低電平后，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，當(dāng)引腳被置高電平后，發(fā)光二極管被熄滅，即可起到報(bào)警的作用。

2.7 按鍵模塊電路

三個(gè)I/O端口P4.1、P4.3、P4.5作為輸入接口，分別與3個(gè)按鍵連接。當(dāng)按鍵斷開時(shí)，I/O端口的輸入為高電平；當(dāng)按鍵閉合時(shí)，I/O端口的輸入為低電平。三個(gè)引腳上接了電阻，是為了保證按鍵斷開時(shí)邏輯電平為高。

按鍵S3當(dāng)報(bào)警時(shí)按下就會(huì)停止報(bào)警，同時(shí)燈也熄滅，便于演示2個(gè)不同的功能。S3按下一次可設(shè)置報(bào)警距離，按S2縮短報(bào)警距離，按S4增加報(bào)警距離；S3按下二次設(shè)置煙霧報(bào)警濃度，按S2增加減小報(bào)警濃度，按S4增大報(bào)警濃度；這樣方便使用。

圖3 按鍵電路原理圖

3 程序的設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)思路與功能描述

在對(duì)所設(shè)計(jì)的課題有了整體的了解之后，首先建立程序框架的流程，再分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，逐個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)其功能，完成總的程序流程。主程序首先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行按鍵掃描，設(shè)置濃度值，檢測(cè)距離，按下按鍵，看其對(duì)應(yīng)的按鍵，完成預(yù)期的功能。本設(shè)計(jì)用C語言進(jìn)行編程，先分模塊進(jìn)行撰寫，單獨(dú)驗(yàn)證成功之后，再撰寫總程序的main函數(shù)，調(diào)用所有子程序來實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)功能。

3.2 主程序功能

本程序接通5v直流電之后系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)，然后進(jìn)行鍵盤掃描，當(dāng)一切正常后進(jìn)入報(bào)警預(yù)值設(shè)計(jì)模式，超過設(shè)置值就會(huì)伴隨蜂鳴報(bào)警器尖叫聲和紅燈閃爍，如果沒有超過就會(huì)一切保持正常沒有任何的反響。還可以通過按鍵模塊的電路設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)檢測(cè)距離的遠(yuǎn)近，通過按鍵調(diào)節(jié)好檢測(cè)距離值之后可以用手感應(yīng)這個(gè)待測(cè)距離，當(dāng)手的距離在所設(shè)置的距離值范圍內(nèi)就會(huì)伴隨蜂鳴報(bào)警器尖叫聲和紅燈閃爍，超過所設(shè)置的檢測(cè)距離值之后就沒有任何的反應(yīng)。不管是煙霧濃度超過設(shè)置值還是檢測(cè)距離超過設(shè)置，都會(huì)聲光報(bào)警，還可以通過鍵盤模塊的按鍵進(jìn)行關(guān)閉和確認(rèn)。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換流程、煙霧報(bào)警流程、超聲波測(cè)距報(bào)警流程

A/D轉(zhuǎn)換先設(shè)置通道和采樣時(shí)間，當(dāng)有采樣輸入時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后自動(dòng)復(fù)位。煙霧報(bào)警程序在讀取處理后的煙霧值之后，判斷是否大于設(shè)置的報(bào)警限，大于蜂鳴器響起，同時(shí)發(fā)光二極管亮，工作人員則可以快速采取應(yīng)對(duì)措施，杜絕安全事故的發(fā)生。超聲波測(cè)距報(bào)警程序先發(fā)射超聲波，看發(fā)射是否完成，停止發(fā)射后，讀取時(shí)間值，然后計(jì)算距離，液晶顯示距離和聲光報(bào)警。

4 系統(tǒng)實(shí)物與調(diào)試

4.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試

按照事先畫好的電路圖，將元件以及模塊在萬能版上焊接完成，檢查無誤后，開始調(diào)試系統(tǒng)的運(yùn)行情況。在調(diào)試過程中最主要的問題就是供電電壓不夠，特別是超聲波測(cè)試模塊，因?yàn)檫@個(gè)模塊工作電壓為5V，而通過電腦輸出的電壓剛好5V，但是設(shè)計(jì)中用到的電阻比較多，最終到達(dá)這個(gè)模塊電壓不足5V，無法正常工作，最終經(jīng)過幾次從新布局焊接，實(shí)現(xiàn)功能。然后用手在超聲波距測(cè)處檔一下，會(huì)報(bào)警提示，按下中間按鍵停止報(bào)警，用打火機(jī)氣體作為煙霧演示，MQ-2煙霧傳感器在檢測(cè)到煙霧后，會(huì)聲光報(bào)警，液晶顯示屏上會(huì)顯示距離和煙霧濃度。

4.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試

本設(shè)計(jì)C語言的編程及調(diào)試是在IAR C軟件進(jìn)行的，運(yùn)用方便。程序運(yùn)行多次的時(shí)間才滿足本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，單片機(jī)內(nèi)部寄存器的變化正常，不存在變量溢出的情況，各個(gè)變量的變化也在預(yù)料的范圍中，有參函數(shù)的返回值正確，主機(jī)程序和從機(jī)程序編譯成功，出現(xiàn)的0個(gè)錯(cuò)誤和0個(gè)警告，生成了可執(zhí)行的HEX文件。

先進(jìn)行顯示模塊的調(diào)試，但是本設(shè)計(jì)對(duì)顯示模塊的實(shí)時(shí)性較高，參照單片機(jī)入門與提高這本書上把程序生成的二進(jìn)制代碼燒錄到MSP430F149單片機(jī)中，允許通過串行連接和MSP430通信，給單片機(jī)的特定引腳加上一段特定的時(shí)序脈沖，就可以進(jìn)入程序，先讓顯示模塊顯示初始化信息，看看顯示內(nèi)容是否準(zhǔn)確無誤且清晰，如果不夠清晰可以通過調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)屏幕灰度，一直到顯示清晰美觀為止。

設(shè)計(jì)經(jīng)過硬件的焊接及軟件編程，最終基本上實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的各項(xiàng)要求。在單片機(jī)及獨(dú)立按鍵的控制下，系統(tǒng)能夠通過液晶顯示屏清晰準(zhǔn)確地顯示煙霧濃度和距離信息，設(shè)計(jì)取得的創(chuàng)造性成果就是在傳統(tǒng)煙霧報(bào)警器的基礎(chǔ)上加以改善，我在此次的研究中保留了一些傳統(tǒng)報(bào)警器的設(shè)計(jì)思路也摒棄了傳統(tǒng)報(bào)警器單單只會(huì)報(bào)警的功能，從而研究出一種新型、智能、使用方便和有利于社會(huì)科學(xué)發(fā)展的煙霧報(bào)警器，對(duì)于此次研究中的距離檢測(cè)是這次設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)。我利用了超聲波的定位原理可以檢測(cè)出火災(zāi)等事故的地點(diǎn)，所以超聲波距離檢測(cè)理論結(jié)合在單片機(jī)的開發(fā)利用中是一個(gè)不錯(cuò)的創(chuàng)造性理論，從而也體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)所在。