基于单片机的远程烟雾报警系统的硬件电路设计

郑婷婷

摘要：目前，智能家居已成为信息化时代的产物遍布全国各地，其中适用于家用的烟雾报警系统已成为家庭设备中安全管理的基础。本文设计了一款基于单片机对家用燃气进行实时监测的系统，该系统可通过短信的形式通知家庭主人当前的烟雾浓度。本设计主要完成了硬件电路设计，其中包括基于AT89C52的中央处理模块，MQ-2组成的烟雾传感器气体检测模块、按键模块、A/D转换模块、声光报警模块和短信通知模块。最终设计的这套硬件电路可实现家用燃气的烟雾监测、声光报警及报警状态显示等功能，也可以用于工厂、单位等各种公共场合。

关键词：燃气检测;单片机;烟雾传感器;GPRS

中图分类号：TN99          文献标识码：A

现代社会中燃气设备普遍存在于每家每户，而年轻人由于工作忙碌，可能会存在出门忘了关火，或者年轻人外出工作独留老人在家，而老年人记忆力不好，会忘了灶台上还开火做饭等情况，这两种情况最终都可能造成火灾事件的发生，严重危害公共安全[1-2]。如果我们能够在火灾发生的初期就做出会发生火灾的判断并及时处理，这样就可以保证人身和财产的安全。

要实现火灾初期的准确判断离不开烟雾传感器。烟雾传感器的主要功能是完成烟雾浓度的转换，就是将不同浓度的烟雾转化成对应的信号输出并开启报警功能。众所周知，不同烟雾的物理成分和化学成分差别很大，如果只能检测单一的一种烟雾成分是没有办法满足现实需要的，毕竟实际生活中的烟雾都是混合型的[3]。市面上针对混合烟雾检测的传感器种类众多，大体包括半导体气敏传感器、接触燃烧式传感器、电化学传感器、高分子烟雾传感器、离子感烟式传感器等[4]。经过各方面对比，本文选用了半导体烟雾传感器，因为这种传感器相对来说价格不高，但功能可靠、灵敏度比较高且体积较小。

1   主要模块芯片选型的介绍

1.1 烟雾传感器的选型

整个报警系统的第一步就是烟雾传感器采集环境中的烟雾浓度等数据，然后送入单片机进行进一步处理，所以烟雾传感器是前期检测中最主要的环节，它的准确性将是整个系统进行检测、控制和报警的关键。本设计采用的是MQ-2气体传感器，它是由单晶体半导体和氧化物半导体陶瓷材料共同组成的传感器。该传感器可以根据不同的烟雾成分及烟雾浓度发生不同程度的氧化还原反应，从而引起其中敏感元件电阻值发生变化来完成后期的判断识别工作。MQ-2气体传感器的浓度检查准确度高、非常灵敏、较稳定且使用寿命长。

1.2 运算放大器和A/D转换器的选择

本设计采用的运算放大器是LM358双运算放大器，这两个放大器之间相互独立，但其频率又是相互补偿的。该放大器当提供给它的电源电压低于6 V时，其功耗只有24 mW，所以用电池供电也能正常工作[5]。本报警系统选用的A/D转换器的型号为MCP3002，实现把模拟信号转化为数字信号的功能。

1.3 GPRS模块的介绍

本设计的GPRS模块采用的芯片为SIM800，它可以支持四频的GPRS和GSM，该模块的体积小、重量轻，采用了省电设计，在休眠状态时，耗电量非常低。该模块是通過单片机向其发送AT指令进行控制的，因为AT指令比较容易被辨别，中央控制器通过发送不同的AT指令使其完成既定的工作[6]。将简单的几个AT指令做个具体说明：AT+CMGC——发送一条短消息命令;AT+CMGD——删除SIM卡内存的短消息;AT+CMGR——读短消息;AT+CMGS——发送短消息;AT+CNMI——显示新收到的短消息;AT+CPMMS——选择短消息内存等等。

2   硬件总体设计

为了满足系统经济实惠、结构简单小巧的要求，本文以AT89C52为中央处理器。半导体烟雾传感器将采集到的家庭环境中的温度、湿度和烟雾浓度等参数通过放大模块后，再经过A/D转换，转换为数字信息送入单片机进行进一步分析处理;单片机将分析处理后的烟雾浓度在LED上进行显示，同时与预先设置好的烟雾浓度阈值进行比较，如果超过这个阈值，单片机就会启动声光报警模块，同时通过通信串口发送AT指令，GMS模块将报警短信发送到设定好的手机号码上。该系统也支持远程手机的“查询”功能，可方便地供使用者查询任意时间的家庭环境中的烟雾浓度。为了方便调节报警烟雾的阈值，还需要设计按键模块，这样在各种工作环境中都可以使用该系统的报警模块。

2.1 最小系统设计——单片机设计

单片机最小系统这部分的关键电路由中央处理器、晶体振动器及复位电路、时钟电路构成，其中，单片机执行指令的速度是由时钟电路控制的，该电路也能控制单片机的正常启动，而时钟电路由最小系统中的晶体振荡器控制。我们需要通过软件设计完成对晶体振荡器的设置，设置其与单片机尽可能接近，还要保证整个系统使用的低功耗要求。

2.2 声光报警电路设计

通过单片机的P2.0口控制声光报警电路，其电路主要包括555定时器、发光二极管和扬声器（喇叭）。555定时器完成输入/输出端的电压与单片机P2.0口的配合工作，当单片机的P2.0口为1时，555定时器发出低频脉冲，当单片机的P2.0口为0时，555定时器发出高频脉冲;然后将这些脉冲通过间隔电容加载到扬声器上，使其发出高低交替的不同呼叫;而555定时器发出的低脉冲信号再经过一定阻值后加载到发光二极管上，这样就实现了声音和光亮两种提示，给报警提供一个双重保障。

2.3 LED显示电路设计

本设计采用LCD1602进行液晶显示，将其接到单片机的P0口上，但是为了能驱动LCD1602，必须要先给单片机接一个排阻，这样可以增加整体电路的电流，从而驱动液晶屏正常工作，选用的1000Ω的排阻一共有9个引脚，其中，引脚1接高电平。我们知道，单片机的P0口一般有两个作用，一个作用是用来实现输入输出串口功能，另一个作用是用来作为地址数据总线，而本系统中将P0口作为数据输入输出的端口。当为LCD1602提供5 V电压时才能使其处于正常工作状态，此时的工作电流为2.0 mA，屏幕上每行可以显示16个字符，并且可以同时显示两行。

2.4 按键电路设计

本系统一共设计了3个按键，它们分别与单片机的串口相连接，完成阈值调节等功能。每次需要调大或调小阈值时，首先按下阈值调节按键，然后分别对应按下调大或调小按键，每按一下，阈值向上或向下调节，直到达到你预设的值，然后再次按下阈值调节按键即完成阈值调节操作。当检测环境中的烟雾浓度大于所设定的阈值时，声光报警器便开始工作，发出报警灯光同时发出蜂鸣声，直到检测环境中的烟雾浓度低于设置的阈值。

2.5 GPRS模块电路设计

GPRS模块主要的功能是识别并执行AT指令，可以完成数据的传输功能，它主要包括电源电路、SIM卡电路和SIM800模块电路三部分的电路。为满足SIM800模块的4 V的额定电压，本设计利用DC/CD变换器MIC2930将电源芯片提供的5 V电压转化成SIM800需要的4 V电压。该电压可以在环境温度为-40～125 ℃正常工作，整个电源电路的设计使用了一个大的电容，这个电容可以保证电路不受高频信号的干扰，还能保证芯片不被烧坏。由于SIM卡电路容易出现安装不稳定且及其容易受干扰，本设计将SIM安装卡槽远离GSM天线，并且SIM卡的走线尽量绕过射频线，SIM卡的接地点要与整个GPRS模块的接地点位保持相等，这样就可以减少SIM卡受到干扰。

3   结语

综上，电路设计涉及的知识面较广，包括单片机、模拟/数字电路、Protell 99 SE等知識，整体设计出了一套基于单片机AT89cj2的烟雾报警器的硬件电路。硬件设备主要考虑了便民和使用广泛的要求，整个电路设计保证最大化的实际需要，在查阅大量资料和经过多次修改后，将电路设计经过多次优化整理，最终达到了预设的效果，能够实现在出现烟雾浓度过高时第一时间发出声光报警信号，以达到预防火灾的效果，具有一定的研究与实用价值。

参考文献

[1] 杜建华，张认成.火灾探测器的研究现状与发展趋势[J].消防技术与产品信息，2004，17（7）：10-15.

[2] 饶光洋，薛金水，卢宇帅.基于单片机控制的光电式烟雾感应报警器的设计[J].电子测试，2014，21（12）：6-8.

[3] 符俊贤，谭诚臣，刘云磊，等.可燃气自动检测与报警智能控制系统的设计[J].枣庄学院学报，2013，30（2）：89-95.

[4] 谢碧锋，张聚.基于GPRS网络的家庭防盗控制系统的设计[J].浙江工业大学学报，2011，39（2）：181-186.

[5] 徐斌，王成亮，李海龙.基于无线通信技术的火灾自动监测技术研究[J].仪器仪表用户，2011，18（6）：1-3.

[6] 昝杰.温度和烟雾监测及远程报警系统的设计与实现[D].北京：电子科技大学，2015.