于驕洋，王文鑫， 唐雪瑩

（北京工業(yè)大學(xué)，北京，100124）

0 引言

火災(zāi)事故往往是因?yàn)槿藗兊南腊踩ＷR(shí)薄弱或存在誤區(qū)從而導(dǎo)致悲劇發(fā)生[1]。嚴(yán)峻的事實(shí)讓人們逐漸認(rèn)識(shí)到建立良好火災(zāi)報(bào)警機(jī)制的重要性，并隨科技的進(jìn)步對火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)有了更加多樣化、智能化的需求。

本設(shè)計(jì)基于STC89C52單片機(jī)，在傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警器的簡單聲光報(bào)警的功能基礎(chǔ)上，增加了液晶顯示以及通過液晶和按鍵調(diào)整報(bào)警閾值的功能，為報(bào)警系統(tǒng)在不同環(huán)境中的使用增加可變通性，方便用戶的使用；同時(shí)，電話報(bào)警的功能解決了當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)用戶不在家無法得知災(zāi)情的問題，并相較于短信報(bào)警的提醒更加引人注意；傳感器的運(yùn)用以及通過編程實(shí)現(xiàn)的延時(shí)報(bào)警可以更加準(zhǔn)確、及時(shí)地進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)使用方便、價(jià)格低廉，適用于各種無煙環(huán)境，可有效地減少由火災(zāi)引起的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。本系統(tǒng)以STC8952單片機(jī)為核心，采用5V鋰電池供電，配合內(nèi)部振蕩器和外部手動(dòng)復(fù)位電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，涵蓋按鍵電路、溫度檢測電路、煙霧檢測電路、液晶顯示電路、聲光報(bào)警電路以及電話報(bào)警電路六個(gè)功能電路，配合軟件編程可實(shí)現(xiàn)所需功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)的工作機(jī)制為：煙霧與溫度檢測電路通過傳感器不間斷地實(shí)時(shí)監(jiān)測所處環(huán)境的煙霧濃度和溫度，并將二者通過LCD液晶顯示器呈現(xiàn)給用戶；在報(bào)警系統(tǒng)開始工作后，可根據(jù)需要通過按鍵電路中的設(shè)置鍵與加、減按鍵結(jié)合液晶顯示隨時(shí)調(diào)整煙霧濃度或溫度的報(bào)警限。當(dāng)按下布防鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入布防狀態(tài)：若監(jiān)測的煙霧濃度或溫度超過所設(shè)置的報(bào)警限，系統(tǒng)確認(rèn)為非誤報(bào)的危險(xiǎn)后進(jìn)行聲光報(bào)警，并通過GSM模塊對用戶進(jìn)行電話報(bào)警。

2 系統(tǒng)主要模塊的設(shè)計(jì)

2.1 煙霧檢測電路

本系統(tǒng)選擇MQ-2氣體傳感器收集煙霧濃度模擬信號，再利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832將其轉(zhuǎn)換為可被單片機(jī)解讀的數(shù)字信號，電路原理圖如圖2所示。

圖2 煙霧檢測電路

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫 (SnO2)，工作的適宜溫度為200℃～300℃，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在煙霧時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧濃度的增加而增大，而輸出電阻隨電導(dǎo)率的增大而降低，從而使輸出的模擬量越大[2]。

ADC8032是一種串行A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器，接口線路簡單，被廣泛地應(yīng)用于中低速測控系統(tǒng)中[3]。其DI與DO引腳分別代表數(shù)據(jù)信號輸入與輸出，二者在通信時(shí)并非同時(shí)有效，可并聯(lián)到一根數(shù)據(jù)線上與單片機(jī)的I/O口連接。

2.2 溫度檢測電路

傳統(tǒng)的測溫方法主要依靠一些熱敏電子元器件進(jìn)行溫度采集，比如熱敏電阻等，這類方法存在精度低、速度慢、需額外增加轉(zhuǎn)換器件和電路的缺點(diǎn)[4]。而本設(shè)計(jì)采用的DS18B20溫度傳感器具有測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。

如圖3所示，在使用時(shí)需將DS18B20的數(shù)據(jù)引腳與單片機(jī)的一個(gè)I/O口連接，二者可以通過1-Wire協(xié)議進(jìn)行通信，使單片機(jī)能夠通過傳感器將外界溫度讀出。

圖3 溫度檢測電路

2.3 液晶顯示電路

原理圖如圖4所示。其中引腳RS、RW、E為LCD1602的功能控制端，D0～D7為數(shù)據(jù)端。

圖4 液晶顯示電路

在系統(tǒng)對環(huán)境監(jiān)測時(shí)，液晶上會(huì)顯示當(dāng)前環(huán)境的煙霧濃度及溫度大??；當(dāng)煙霧濃度及溫度大小或其中之一超過報(bào)警閾值時(shí)，液晶上會(huì)同時(shí)或單獨(dú)顯示“smoke”、“temp”字樣用以提示用戶危險(xiǎn)類型；當(dāng)用戶對報(bào)警閾值進(jìn)行修改時(shí)，液晶上也會(huì)顯示相應(yīng)信息方便用戶操作。

2.4 聲光報(bào)警電路

令單片機(jī)一個(gè)I/O端口連接一個(gè)電阻并與PNP型三極管基極串聯(lián)，集電極一端連接LED燈與蜂鳴器的并聯(lián)電路，發(fā)射極連接VCC，當(dāng)I/O口輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，從而達(dá)到控制LED的亮滅與蜂鳴器報(bào)警的目的。

2.5 按鍵控制電路

本電路設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵，如圖6所示。

圖5 聲光報(bào)警電路

圖6 按鍵控制電路

當(dāng)按下布防鍵后，系統(tǒng)開始進(jìn)入對外可報(bào)警的布防狀態(tài)。而其余三項(xiàng)可以對報(bào)警的溫度，煙霧濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，此功能通過1602液晶顯示屏顯示方便使用。當(dāng)按下一次設(shè)置鍵后，LCD1602液晶會(huì)切換到溫度報(bào)警閾值設(shè)置的頁面，如圖7所示；再摁下一次設(shè)置鍵會(huì)切換到煙霧濃度報(bào)警閾值設(shè)置頁面，如圖8所示；按下第三次設(shè)置鍵，液晶會(huì)重新回到煙霧濃度、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測頁面；當(dāng)液晶顯示閾值設(shè)置頁面時(shí)，使用加、減鍵可據(jù)環(huán)境需要調(diào)整閾值。

圖7 溫度報(bào)警閾值調(diào)節(jié)顯示

圖8 煙霧報(bào)警閾值調(diào)節(jié)顯示

2.6 GSM模塊電話報(bào)警電路

將帶有通信功能的GSM模塊SIM900A與單片機(jī)的P3.0與P3.1口連接實(shí)現(xiàn)二者的串口通信。P3.0與P3.1口的第二功能分別為串行口輸入和串行口輸出，通過這兩個(gè)端口，單片機(jī)與SIM900A可使用協(xié)議中的AT指令進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，在聲光報(bào)警的同時(shí)對用戶手機(jī)撥打電話進(jìn)行報(bào)警，從而可以及時(shí)通知不在災(zāi)情附近的用戶盡快對災(zāi)情做出反應(yīng)以減少損失。

3 系統(tǒng)的主要軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體邏輯設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所配合的主程序邏輯框圖如圖9所示，利用C語言進(jìn)行程序編寫，以Keil作為軟件編程工具。

圖9 系統(tǒng)程序框圖

系統(tǒng)實(shí)時(shí)循環(huán)檢測環(huán)境中的煙霧濃度及溫度，在布防鍵按下后，系統(tǒng)進(jìn)入可報(bào)警狀態(tài)。若判斷為非誤報(bào)情況下煙霧濃度或溫度中有超出界定值的情況，則進(jìn)行報(bào)警；在監(jiān)測環(huán)境的同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)判斷是否有按鍵按下，從而進(jìn)行報(bào)警界定值的修改；在按下復(fù)位鍵后，單片機(jī)會(huì)回到初始狀態(tài)，重新進(jìn)行煙霧濃度與溫度檢測。

3.2 煙霧濃度與溫度的采集

設(shè)置以未觸發(fā)報(bào)警為條件的循環(huán)，將煙霧濃度采集函數(shù)與溫度采集函數(shù)放置在循環(huán)中。

MQ-2實(shí)時(shí)檢測環(huán)境中的煙霧濃度，其輸出引腳將收集到的模擬量傳送給ADC0832的模擬輸入通道CH0。煙霧開始收集時(shí)，令A(yù)DC0832的使能引腳CS為低電平，芯片被啟用。CLK接收時(shí)鐘信號，第一個(gè)下降沿前將DI置為高電平作為數(shù)據(jù)收集開始信號，第二、三個(gè)下降沿令DI分別為1、0，從而選擇CH0為模擬輸入通道，之后的8個(gè)時(shí)鐘信號里ADC0832會(huì)將收集到的模擬量轉(zhuǎn)化為8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳到DO口，將其轉(zhuǎn)化為適配的煙霧濃度值用變量承接即可。

DS18B20的測量范圍為-55℃～+125℃，在它的寄存器中，溫度存儲(chǔ)值以補(bǔ)碼的格式存儲(chǔ)，低字節(jié)的最低位變化1，代表溫度變化0.0625℃，因此只要將測到的數(shù)值乘以0.0625并參考符號位即可得到真實(shí)溫度。

3.3 液晶顯示

RS=0，RW=0，E=高脈沖時(shí)，液晶處于寫指令模式，指導(dǎo)1206的功能配置，系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，令液晶處于此模式，向D0～D7寫入1206指令碼，即可完成液晶的初始化配置。

令RS=0，RW=1，E=1時(shí)，液晶處于讀狀態(tài)模式，循環(huán)讀取存于D0～D7的狀態(tài)字，判斷最高位是否為0，若是則代表液晶處于“不忙”狀態(tài)，此時(shí)才可以使LCD1602進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌?/p>

煙霧濃度與溫度收集完畢時(shí)，先將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串，令RS=1，RW=0，E=高脈沖，此時(shí)液晶處于寫數(shù)據(jù)狀態(tài)，確定顯示位置的初始地址，設(shè)置循環(huán)使數(shù)據(jù)引腳循環(huán)接收字符串?dāng)?shù)據(jù)，直到接收到結(jié)束符，完成內(nèi)容在LCD1602液晶上的顯示。

3.4 報(bào)警閾值改變

此功能的實(shí)現(xiàn)較為簡單，只需定義煙霧濃度、溫度兩個(gè)報(bào)警閾值變量，若單片機(jī)檢測到設(shè)置鍵按下相應(yīng)次數(shù)，同時(shí)檢測到有加或減鍵按下，將相應(yīng)閾值變量加1或減1并送到LCD1602液晶顯示即可達(dá)到目的。

3.5 延時(shí)報(bào)警

對于降低誤報(bào)的概率，編程時(shí)采用延時(shí)報(bào)警的方法。在發(fā)現(xiàn)煙霧濃度或溫度有超出界定值的情況后，系統(tǒng)不會(huì)立即進(jìn)行報(bào)警，而是延時(shí)一小段時(shí)間后繼續(xù)檢測煙霧濃度與溫度，若再次檢測的值仍然高于界定值，則判斷數(shù)值非誤報(bào)，進(jìn)行報(bào)警。延時(shí)報(bào)警可以大大降低系統(tǒng)的誤報(bào)概率，使系統(tǒng)更加高效、準(zhǔn)確。

3.6 按鍵消抖

按鍵消抖用定時(shí)器0中斷， 每2ms進(jìn)入中斷，把掃描的按鍵的狀態(tài)儲(chǔ)存起來，再利用中斷進(jìn)行8次的掃描，看這八次是否都一致，如果8次狀態(tài)都一致，則可以說明處于穩(wěn)定狀態(tài)，這樣就可以確定按鍵狀態(tài)了。利用這種方法可以避免延時(shí)消抖占用單片機(jī)的時(shí)間，轉(zhuǎn)化成按鍵狀態(tài)的判定而不是按鍵過程的判定，而8×2=16ms是小于一次按鍵完成的時(shí)間的，所以利用按鍵消抖可以更好地控制按鍵。

3.7 電話報(bào)警

啟用單片機(jī)UART串口通信功能，在系統(tǒng)初始化時(shí)，向串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF中發(fā)送判斷SIM是否存在及SIM卡是否注冊網(wǎng)絡(luò)的指令，在串口中斷中實(shí)時(shí)接收SIM900A返回指令，若SIM卡已準(zhǔn)備好，將設(shè)置的標(biāo)志位變量置1。在發(fā)現(xiàn)警情后，在SBUF中寫入打電話的AT指令，即可對指定用戶撥打電話報(bào)警。

4 結(jié)論

經(jīng)測試，智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)各電路正常運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)上述所需功能。

圖10 系統(tǒng)正在進(jìn)行報(bào)警

本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為基礎(chǔ)，涵蓋多種實(shí)用功能，操作方便，成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)在各種有火災(zāi)隱患的無煙環(huán)境下對火災(zāi)的報(bào)警作用，為人們帶來更多的便利。