基于单片机的无线烟雾报警系统的设计

郭常盈，吕海涛

（南阳理工学院，南阳 473000）

基于单片机的无线烟雾报警系统的设计

郭常盈，吕海涛

（南阳理工学院，南阳 473000）

基于单片机和GSM网络设计一个无线烟雾报警系统。所设计的系统能够通过检测周边环境的烟雾浓度，采用无线方式，将检测信息发到指定终端，并通过声光报警和GSM网络进行定点和远程报警。经实验仿真及测试表明，该设计能够实时检测周围环境烟雾浓度的变化情况，实现预警和报警功能，达到预期目标。

单片机；烟雾检测；无线传输；远程报警

0 引言

随着科技的进步和社会的发展，人们生活水平大幅度提高,智能建筑不断涌现，烟雾报警系统是智能建筑重要组成部分，通过烟雾报警系统可以实时监测周围环境的红外信号和烟雾的浓度从而产生火灾报警，提醒人们及时采取有效措施扑灭火源，确保工业生产和人们生活的安全。但是，目前市场上大多数火灾报警系统是在火灾发生时所呈现的强烈火焰及高浓度烟雾条件下才启动报警装置，周围诸多环境因素大大影响了其灵敏度和精确度，并且只是简单的实现定点报警或者短距离的无线报警,这些都无法适应现代智能建筑背景下的要求。所以一款可以高灵敏度远距离报警的烟雾报警器是我们所需要的，通过它我们即使在离家很远的地方也能及时收到相应的预警信息，避免因为火灾报警不及时引发的各种悲剧[1-5]。

1 系统总体设计方案

烟雾报警系统利用烟雾传感器和单片机对周围环境中烟雾数据进行检测，通过无线模块进行数据的传输，针对接收到的烟雾值判断报警电路是否进行开启。按照其功能，整个系统划分为发射端和接收端两大部分。在发射端，利用烟雾传感器采集周围环境中的烟雾数据信息，由于单片机无法对这些模拟信息进行处理，所以需要利用模数转换器进行烟雾数据转换，以此获取烟雾数字信息。检测电路成功采集到烟雾数据后，单片机则利用数据无线发送电路将采集到的烟雾数据定时发送至接收端；在接收端，接收到烟雾数据后，单片机主控电路对液晶显示电路进行配置，显示当前接收到的烟雾值。与此同时，系统会将接收到的烟雾数据与设置的烟雾报警值进行比较。当烟雾值大于报警值，声光报警电路将会被开启，同时利用GSM网络进行远程火灾报警，通过短信提醒责任人注意火灾隐患。另外设置通过按键开关可以对烟雾预警值进行修改。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

烟雾报警系统能够实时检测周边环境中的烟雾浓度并具有预警和报警功能，它由单片机、烟雾检测模块、模数转换模块、声光报警模块、无线传输模块及远程报警模块等组成。

2.1 主控芯片单片机

单片机是整个无线烟雾报警系统的核心部分，因此选择合适的单片机芯片很重要。本设计中主控芯片采用八位增强型STC89C52单片机。以发送端为例，单片机接口连接主要有四个方面：（1）P3.0-P3.1与程序下载端口相连，P3.0接 TX端，P3.1接 RX端；（2）XTAL1和XTAL2接晶振电路，提供时钟信号；（3）P3.2-P3.7 与无线模块 nRF24L01相连；（4）P2.0-P2.2与ADC0832相连[5-6]。

2.2 发送端硬件电路

系统发送端主要完成获取烟雾数据进行发送，由烟雾采集电路和无线发送电路组成。由于无线发送模块和无线接收模块为同一电路，将在后面统一介绍，这里仅介绍烟雾采集电路。

烟雾检测模块MQ-2和模数转换模块ADC0832构成烟雾采集电路。半导体烟雾传感器具有结构简单、灵敏度高、便宜实用等特点，所以被广泛使用在很多烟雾检测领域，本设计采用MQ-2烟雾传感器，其引脚共有6个。传感器MQ-2输出的信号形式是模拟电压信号，单片机无法处理，需要使用模数转换器进行模数转换，本设计采用ADC0832芯片。对于ADC0832，一般情况下，、CLK、DO、DI四条数据线与单片机相连，但在实际硬件设计时，DO和DI两个引脚可以并联起来接一根线。烟雾采集电路端口连接如下：CS端接单片机P2.0口，控制ADC0832的使能；DATA接P2.1口，控制数字信号输入；CLK接P2.2口，单片机向芯片提供时钟脉冲。发送端电路图如图2（a）所示。

2.3 接收端硬件电路

系统接收端主要完成烟雾数据的接收、显示及对应的烟雾阈值报警处理。LCD显示电路主要显示采集到的烟雾浓度值，便于工作人员随时能够观察到烟雾数据，本设计采用字符型液晶LCD1602。LCD1602液晶屏共有16个引脚，编程中只需使用8个数据引脚和三个功能配置引脚。报警电路对于整个的火灾报警器可以说是起着至关重要的作用。现场声光报警电路主要使用绿色LED灯、红色LED灯和5V有源蜂鸣器进行报警提示。报警阈值参数设置电路主要由两个按键开关组成，通过这两个按键开关可以对烟雾预警值进行修改。接收端电路如图2（b）所示。

远程报警需要使用GSM智能控制器，本设计中采用SIM900A模块。当它接收到单片机的报警信号，就会利用GSM网络通过短信向预存的接收装置（手机）进行远程报警。SIM900A模块主要通过串口与单片机进行连接，从而实现单片机对其控制。SIM900A的串口提供了多条控制线,包含数据信号线TXD和RXD，状态信号线RTS和CTS，控制信号线DTR、DCD、DSR和RI，如图3（a）所示。本模块采用TTL电平接口，可以直接与单片机相连，不需要任何中间的转换器件。另外，用户可以通过把PWRKEY信号拉低一段时间然后释放来开机或关机，此引脚已在模块内部上拉到3V，此模块驱动电路如图3（b）所示。

图2 系统硬件电路

图3 SIM900A模块接口（a）及开关机驱动电路（b）

2.4 无线传输模块设计

无线发送和接收模块均选用nRF24L01来实现收发通信，通过配置寄存器可将nRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电模式。nRF24L01与设计有关的引脚主要有 CE、CSN、SCK、MOSI、MOSO 和 IRQ 等，电路原理图如图4所示，其端口连接如下：CE接P3.4，控制nRF24L01的工作模式；CSN接P3.7，用于SPI片选；SCK接P3.3，单片机向芯片提供时钟脉冲；IRQ接P3.5，用来控制中断；MOSI接P3.2，用于SPI从机数据输入；MOSI接P3.6，用于SPI从机数据输出[5]。

3 系统软件设计

本系统软件设计由主程序和相关子程序构成。发送端通过MQ-2采集周围环境中的烟雾信号，并通过ADC0832完成模数转换，ADC0832输出的数字信号进入单片机进行处理分析，单片机输出控制信号到nRF24L01接收端。发送端程序流程图如图5（a）所示。接收端接收到烟雾数据后，会将烟雾浓度值与报警阈值进行比较决定报警电路是否开启。若烟雾浓度值小于阈值，报警电路不启动，此时蜂鸣器不响，红色LED灯不亮，LCD屏上会显示当前烟雾浓度值及阈值，同时发送“Now：”到责任人手机上；若烟雾浓度值大于阈值，立即启动报警电路，蜂鸣器响，红色LED灯亮，LCD屏上会显示当前烟雾浓度值及阈值，同时发送“Smoke Alarm”到责任人手机上。接收端程序流程图如图 5（b）所示。

图4 nRF24L01电路原理图

4 系统测试

根据电路图搭建实际电路板，并在电路板上按照以下步骤进行测试:（1）为发送板和和接收板插入电源，打开发送板和接收板的电源开关；（2）采用火机等一些产生烟雾气体的用具产生气体，放在烟雾传感器周围；（3）观察接收板液晶显示接收到的烟雾值是否发生改变；（4）采用按键电路可以对报警值进行改变，判断报警电路是否开启工作；（5）准备一部手机，查看报警短信是否能够接受到。

图5 系统发送端和接收端流程图

开启发送端，电源灯亮表示发送端电路供电正常。烟雾传感器模块上的红色LED灯亮则代表可以采集烟雾数据。稳压模块为无线传输模块提供电源，其指示灯亮说明无线模块处于发射模式。发射端正常工作测试如图6（a）所示。

图6 系统电路测试图

开启接收端，电源灯亮表示接收端电路供电正常。无报警状态下，报警电路中绿色LED灯常亮，而红色LED灯不亮和蜂鸣器不响。此时LCD屏首行显示采集到的烟雾值，尾行显示烟雾预设报警值，如图6（b）所示；报警状态下，报警电路绿色LED灯不亮，而红色LED灯常亮和蜂鸣器响，LCD显示采集到的烟雾值和报警预设置，此时的烟雾浓度值是大于预设报警值的，如图 6（c）所示。

经过几个步骤的测试，所设计的无线烟雾报警系统基本能够实现烟雾的采集，信息的无线传输、声光报警和远程报警等功能，达到了预期的设计要求。

5 结语

本文所设计的系统通过烟雾传感器和单片机对周边环境进行检测，通过声光报警和GSM网络进行定点和远程报警。针对该功能，本文进行了硬件设计和软件设计，最后进行了软件仿真以及实际电路板的测试。经实验仿真及测试表明，该设计能够实时检测周围环境烟雾浓度的变化情况，实现了预警和报警功能，达到了预期目标。由于无线烟雾报警系统对烟雾具有较高的敏感性和监测的准确性，可以实现火灾防范，因此被广泛应用居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位。

[1]刘勇.基于单片机和GSM的火灾报警器设计[J].数字技术与应用，2012（1）:72

[2]王毅然.浅析单片机在烟雾报警系统的运用[J].电子制作，2012（10）：48.

[3]王悦茗，岳敏，黄文.基于单片机的温度及烟雾浓度报警设计[J].工业控制计算机，2013,26（1）:103-104.

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[5]王辉，鲁周迅.通信电子类毕业设计指导及实例[M].北京：电子工业出版社，2016：9-14，103-107

[6]徐爱钧.单片机原理实用教程[M].北京：电子工业出版社，2011:1-6.

Abstract：Designs the wireless smoke alarm system based on SCM and GSM net.It is used to monitor the concentration of the smoke in the surround⁃ing environment and gives a fixed-point and remote alarm signal when the detected information is sent to a designated terminal with the acousto-optic alarm and GSM network by means of the wireless.The simulation and test show that the system designed can monitor realtimely the smoke concentration changes of the surrounding environment,realize the early warning and alarm functions,and achieve the de⁃sired goal.

Keywords：Single-Chip Microcomputer;Smoke Monitoring;Wireless Transmission;Remote Alarm;

Design of Wireless Smoke Alarm System Based on SCM

GUO Chang-ying，LV Hai-tao
（Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473000）

1007-1423（2017）25-0052-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.25.014

河南省科技厅科技攻关项目（No.142102210552）、河南省高等学校重点科研项目（No.17A510015）

郭常盈（1977-），女，河南南阳人，副教授，硕士研究生，研究方向为通信系统信号处理及系统性能与器件测试、新型传感理论与技术

吕海涛（1993-），男，河南新密人，在读本科，研究方向为移动通信技术

2017-08-11

2017-09-01