第PAGE火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u21127火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 1325291.1火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的功能 1312381.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 22861.1.1實(shí)物組成設(shè)計(jì)框圖 2165641.1.2硬件設(shè)計(jì)框圖 2173751.3單片機(jī)原理及接口技術(shù) 3165551.3.1單片機(jī)的選擇 3258071.3.2單片機(jī)的引腳及功能 3246941.3.3時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 5200291.3.4復(fù)位電路設(shè)計(jì) 6225021.4傳感器的選擇與應(yīng)用 788011.4.1煙霧傳感器的選擇 7110651.4.2MQ-2煙霧傳感器的介紹 8153031.5LCD1602顯示電路 974311.6通信模塊 11174021.7A/D轉(zhuǎn)換電路 1294061.8報(bào)警電路 13本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要想實(shí)現(xiàn)的功能：通過(guò)煙霧傳感器對(duì)建筑物內(nèi)的氣體濃度顆粒進(jìn)行探測(cè)，將探測(cè)到的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，判斷此數(shù)據(jù)值是否會(huì)超過(guò)預(yù)設(shè)值，如果大于預(yù)設(shè)值，會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟聲光報(bào)警系統(tǒng)。并通過(guò)通信模塊給事先設(shè)定的手機(jī)發(fā)送短信和撥打電話，并且打開(kāi)噴淋設(shè)備。1.1火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的功能室內(nèi)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要由煙霧傳感器、液晶顯示屏LCD1602、A/D轉(zhuǎn)換器、LED燈和蜂鳴器、GSM通信模塊構(gòu)成。主要的傳感器是MQ－2，它可以收集被測(cè)室內(nèi)等區(qū)域的煙霧數(shù)據(jù)。然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后模擬量就轉(zhuǎn)換為成數(shù)字量，然后將此數(shù)字量傳遞到單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到數(shù)據(jù)時(shí)，它將與預(yù)設(shè)值做對(duì)比。如果超出數(shù)據(jù)的閥值之后，則開(kāi)啟報(bào)警電路，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒居民群做好相關(guān)措施來(lái)應(yīng)對(duì)火災(zāi)。同時(shí)還會(huì)打開(kāi)噴淋系統(tǒng)進(jìn)行噴水，從而進(jìn)行滅火。聲光報(bào)警，通信等模塊與單片機(jī)的I/O口相連，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理功能。1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.1.1實(shí)物組成設(shè)計(jì)框圖本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是火災(zāi)時(shí)煙氣參數(shù)值的顯示，以及其聲光報(bào)警和與滅火功能于一身的室內(nèi)建筑火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)物系統(tǒng)模擬圖如圖1.1所示。報(bào)警模塊開(kāi)啟報(bào)警模塊開(kāi)啟煙霧值顯示煙霧值顯示室內(nèi)煙霧值室內(nèi)煙霧值打開(kāi)噴淋系統(tǒng)打開(kāi)噴淋系統(tǒng)AAVV供電電池組供電電池組圖1.1實(shí)物系統(tǒng)模擬圖1.1.2硬件設(shè)計(jì)框圖通過(guò)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以知道，本次設(shè)計(jì)的室內(nèi)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)采用的是一種以單片機(jī)型號(hào)為STC89C52為核心，然后通過(guò)與煙霧傳感器，以繼電器模擬噴淋系統(tǒng)，GSM模塊，蜂鳴器與LED等組成的聲光報(bào)警等模塊組合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧值顯示和報(bào)警。其系統(tǒng)組成框圖如圖1.2所示。圖1.2總體設(shè)計(jì)框圖1.3單片機(jī)原理及接口技術(shù)1.3.1單片機(jī)的選擇一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的組成就是將CPU，RAM（ROM），中斷系統(tǒng)，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器和IO接口的各種組件同時(shí)組合集成到一個(gè)半導(dǎo)體中。它因?yàn)閾碛腥莘e小，成本低，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域備受青睞。單片機(jī)是本次設(shè)計(jì)的核心所在。它需要接收被轉(zhuǎn)換過(guò)的煙霧值，然后自身做出判斷，與預(yù)設(shè)值做出對(duì)比，然后執(zhí)行相應(yīng)的報(bào)警，噴淋，通信系統(tǒng)等。在本次設(shè)計(jì)中，我們對(duì)于單片機(jī)的要求極其苛刻。我們需要單片機(jī)快速運(yùn)行，能對(duì)煙霧傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及時(shí)做出相應(yīng)的處理。同時(shí)，在滿足同樣的要求下，我們應(yīng)優(yōu)先考慮價(jià)格低、體積輕的型號(hào)。這樣可以確保系統(tǒng)更具實(shí)用性和普適性。隨著單片機(jī)被許多行業(yè)廣泛運(yùn)用，各種類型的單片機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)不斷涌現(xiàn)。其中，MCS系列單片機(jī)憑借在指令和運(yùn)行速度快，可靠性高與性價(jià)比高，技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)勢(shì)，受到了企業(yè)與個(gè)人的青睞。在這當(dāng)中C52系列因?yàn)閮r(jià)格低，IO口操作方便、硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)成為了行業(yè)佼佼者。因此，宏晶科技公司生產(chǎn)的STC89C52RC成為了我本次設(shè)計(jì)的選擇。因?yàn)椋?jīng)過(guò)宏晶公司的技術(shù)改進(jìn)，它成為了傳統(tǒng)51單片機(jī)的增強(qiáng)型。這讓我們使用起來(lái)更方便。而且，它引腳進(jìn)行了鍍鎳處理，不易被外界氧化，更經(jīng)久耐用。1.3.2單片機(jī)的引腳及功能該單片機(jī)是STC推出新一代速度快，能耗低，具有抗干擾強(qiáng)的微型控制器。此單片機(jī)的引腳個(gè)數(shù)合計(jì)為40個(gè)，有其中8個(gè)引出端點(diǎn)不具備雙向輸入，輸出功能。2個(gè)引腳擁有串行通信功能。3個(gè)端口擁有計(jì)數(shù)，定時(shí)的功能。同時(shí)它的程序空間比C51系列大4個(gè)字節(jié)。此芯片在掉電模式下，CPU不會(huì)工作，RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等模塊會(huì)繼續(xù)工作。該模塊以STC89C52RC為靈魂，在分別于復(fù)位電路、LED顯示電路、報(bào)警電路，GSM通信電路等子模塊相連接。該單片機(jī)的引腳如圖1.3所示：圖1.3單片機(jī)引腳圖該單片機(jī)引腳說(shuō)明：和：(1)（40）電源端為5V。(2)（20）接數(shù)字地。引腳XTAL1和XTAL2：XTAL1（19）是振蕩電路反向放大器輸入端。(2)XTAL2（18）是振蕩電路反向放大器輸入端。控制信號(hào)引腳：RST（9）——復(fù)位端口。如需復(fù)位，接入的高電平寬度應(yīng)大于24個(gè)時(shí)鐘周期寬度。ALE/（30）——用于對(duì)外輸出時(shí)鐘和定時(shí)。但對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程的時(shí)候，該端口還具備輸入編程脈沖的能力。（29）——外部程序存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)通信號(hào)端。低電平有效，內(nèi)部ROM讀取時(shí)，不會(huì)發(fā)生動(dòng)作。而外部RAM讀取時(shí)，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作，并且一周期內(nèi)動(dòng)作兩次。（31）——此端口為外部允許端口，當(dāng)此端口不接入高電平時(shí)，處理器有且只能執(zhí)行處理外部存儲(chǔ)器的指令。相反，當(dāng)接入高電位時(shí)，處理器只能處理內(nèi)部存儲(chǔ)器的程序。I/O口P0，P1，P2，P3口都是8位雙向I/O口。其中P1,P3口還具備一些復(fù)用功能，具體介紹如下表：表1.1為P1口輸入端的復(fù)用功能。表1.2為P3口輸入端的復(fù)用功能。表1.1P1口輸入端的復(fù)用功能引腳的編號(hào)功能P1.0T2，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的外部輸入，時(shí)鐘電路接口的輸入P1.1T2EX,控制和捕捉觸發(fā)信號(hào)P1.5三個(gè)引腳的第二功能，主要都是在軟件系統(tǒng)編程時(shí)候，才使用P1.6P1.7表1.2P3口輸入端的復(fù)用功能引腳的編號(hào)功能P3.0RXD輸入口P3.1TXD輸出口P3.2INT0在主程序中打開(kāi)中斷0后,此端口來(lái)低電平,就會(huì)觸發(fā)中斷P3.3INT1外部請(qǐng)求1，中斷申請(qǐng)標(biāo)志為IE1P3.4T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0外部中斷P3.5T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0外部中斷P3.6WR存儲(chǔ)器的讀控制端P3.7RD存儲(chǔ)器寫(xiě)控制端1.3.3時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路是單片機(jī)的內(nèi)心臟所在。它對(duì)單片機(jī)的運(yùn)行速度，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著重要的影響作用。一個(gè)時(shí)鐘電路由兩個(gè)微調(diào)的電容和一個(gè)石英諧振器等器件構(gòu)成。對(duì)于電路中兩個(gè)電容值的取值，我們通常選擇30pf。而對(duì)于石英諧振器的頻率，因?yàn)榇讼到y(tǒng)中，我們并不需要一個(gè)準(zhǔn)確的定時(shí)時(shí)間。所以我們選擇的頻率為11.0592MHz，這樣我們就能得到一個(gè)準(zhǔn)確的通信波特率。我們使用AD軟件和visio繪制了時(shí)鐘電路圖，如圖1.4和1.5所示。圖1.4AD繪制時(shí)鐘電路圖1.5Visio繪制時(shí)鐘電路1.3.4復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路由+5V電源電壓,一個(gè)電容C和一個(gè)電阻R組成。它的工作過(guò)程如下：電源電壓給系統(tǒng)供電，然后對(duì)電容C給予充電，這個(gè)過(guò)程會(huì)給單片機(jī)上的RST引腳一個(gè)高電平信號(hào)。但這個(gè)信號(hào)不是一直不變的。它會(huì)隨著電源電壓對(duì)電容充電過(guò)程而漸漸削弱。而削弱的這段時(shí)間就是電路復(fù)位的時(shí)間。所以，我們也可以這樣理解:一個(gè)復(fù)位電路時(shí)間的長(zhǎng)短與電容C的充電時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。圖1.7是visio軟件繪制復(fù)位電路。圖1.6復(fù)位電路圖1.7復(fù)位電路1.4傳感器的選擇與應(yīng)用1.4.1煙霧傳感器的選擇煙霧傳感器是通過(guò)探測(cè)一定區(qū)域內(nèi)氣體濃度，然后將此數(shù)據(jù)傳遞給中央處理器處理的一種元器件。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更迭，越來(lái)越多的煙霧傳感器出現(xiàn)在人們的視線中。目前，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，出現(xiàn)的煙霧傳感器有離子式、光電式和氣敏式等。它們各有千秋，但都被相關(guān)技術(shù)人員運(yùn)用到各個(gè)環(huán)境下檢測(cè)煙霧值。表1.3就對(duì)各個(gè)煙霧傳感器可檢測(cè)的煙霧種類進(jìn)行了對(duì)比，方便我們能夠選出最適合本次設(shè)計(jì)的那款煙霧傳感器。表1.3各種傳感器可檢測(cè)的煙霧種類傳感器種類C0O2H2SNH3HCNHCICOCI2CI2NOXSO2O2CH4C3H2H2H2O半導(dǎo)體氣體傳感器○○○○○○○○○○接觸燃燒式傳感器◎○○○電化學(xué)式傳感器○○○○○○○○高分子電解質(zhì)氣體傳感器◎○○○○注：○好◎不太好通過(guò)對(duì)以上應(yīng)用特點(diǎn)的比較，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體氣體傳感器的優(yōu)勢(shì)還是比較明顯。所以我也決定采用一種半導(dǎo)體類型的煙霧傳感器—MQ－2型煙霧傳感器。通過(guò)對(duì)此煙霧傳感器實(shí)物的觀察以及商家的介紹，發(fā)現(xiàn)MQ－2型煙霧傳感器實(shí)物，做工精細(xì)，經(jīng)久耐用。而且安裝方便，操作簡(jiǎn)單。是這種短時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不二選擇。而且它采用雙面板的設(shè)計(jì)。讓我們進(jìn)行設(shè)計(jì)師：布線方便，簡(jiǎn)潔，減小我們布線的工作量。它還具有電源指示與數(shù)字輸出端口開(kāi)關(guān)信號(hào)的指示。更縮短我們對(duì)系統(tǒng)故障排查的時(shí)間。1.4.2MQ-2煙霧傳感器的介紹在我們現(xiàn)實(shí)生活中，MQ-2煙霧傳感器也經(jīng)常出現(xiàn)在我們視野中。如果仔細(xì)觀察，可以發(fā)現(xiàn)我們家中和一些化工廠里面都會(huì)出現(xiàn)它的身影。它主要用于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測(cè)。因此也被人們稱為多種氣體探測(cè)器。在我們?nèi)粘Ｉ畎l(fā)生的火災(zāi)中最常見(jiàn)的氣體有：一氧化碳、氯氣、光氣、氨氣、二氧化硫、液化氣等。MQ-2煙霧傳感器猶如警犬一樣，能在第一時(shí)間就能嗅到火災(zāi)中的氣體的氣息，準(zhǔn)確探測(cè)，它是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的第一道防線。也是構(gòu)成我們防火減災(zāi)關(guān)鍵防線。實(shí)物圖如1.8所示。圖1.8傳感器實(shí)物圖MQ-2煙霧傳感器還具備以下優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)精度高，響應(yīng)快，抗干擾性強(qiáng)，特別是對(duì)一些高濃度的非燃燒類氣體的探測(cè)能準(zhǔn)確識(shí)別，不受到干擾，這為系統(tǒng)的精準(zhǔn)報(bào)警與噴淋系統(tǒng)的開(kāi)啟奠定了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。MQ-2具有靈敏度特性。靈敏度特性是指MQ-2在工作在最佳環(huán)境下，它去探測(cè)同種類型的煙霧，它內(nèi)部阻值RS隨煙霧濃度變化的一種特性。用K來(lái)表示靈敏度特性：(1.1)式中R0的含義是指在干凈清潔的空氣環(huán)境下煙霧傳感器內(nèi)部的電阻值。RS含義是指在具有煙霧的環(huán)境下，傳感器開(kāi)始工作，其內(nèi)部電阻值的大小。判斷靈敏度特性的好與否，與兩種環(huán)境下的電阻值有關(guān)。其中RS的獲取需要遵循以下式子:(1.2)式中m叫做氣體分率度。對(duì)于一般生活中的煙霧，m的選擇，我們都是在1/2與1/3這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。C為傳感器檢測(cè)出來(lái)并顯示的煙霧值。n是一個(gè)常數(shù)值。它的取值又與探測(cè)到的煙霧值，元器件材料屬性有關(guān)。除此之外，它具體值的得來(lái)還與外界溫度的大小以及元器件材料中是否有含義敏感劑有關(guān)。MQ-2型傳感器的具體指標(biāo)如表1.4。在我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)際使用過(guò)程中，我們電源電壓給系統(tǒng)上電之前，我們需要先對(duì)MQ-2進(jìn)行一個(gè)預(yù)熱處理，且預(yù)熱時(shí)間應(yīng)為20秒左右。這樣的目的是為了傳感器輸出的電阻與電壓是一個(gè)準(zhǔn)確的值。避免造成系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行誤報(bào)的局面產(chǎn)生。表1.4MQ-2的具體指標(biāo)具體指標(biāo)詳細(xì)說(shuō)明Vh(加熱電壓）5±0.2VRl（負(fù)載電阻）可調(diào)RH（加熱電阻）31±3Ω（室溫）PH(加熱功耗)不超過(guò)0.9W恢復(fù)時(shí)間不超過(guò)30s響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)10s探測(cè)煙霧的范圍100~10000ppm1.5LCD1602顯示電路在我們?nèi)粘５纳a(chǎn)與生活中，我們隨處可見(jiàn)液晶顯示屏的身影，計(jì)算器，電子手表，電視機(jī)等一些常用電子產(chǎn)品上都存在它的模塊。它所能顯示的數(shù)據(jù)也比較廣泛，比如數(shù)字，字母，還有一些特有的符號(hào)及圖片都能被它清晰地呈現(xiàn)出來(lái)。在液晶顯示屏的一系列產(chǎn)品中，LCD憑借功耗低，重量輕，壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)而脫穎而出。我本次設(shè)計(jì)就決定選用LCD1602作為室內(nèi)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中顯示煙霧濃度的測(cè)量結(jié)果。它的技術(shù)參數(shù)如下：顯示容量高達(dá)16×2個(gè)字符，工作電壓在4.5V—5.5V這個(gè)范圍內(nèi)，工作電流為1.0mA(5.0V）。即5V為此顯示器的最佳工作電壓。圖1.9為此液晶顯示器的實(shí)物。圖1.10為AD軟件繪制的LCD1602顯示電路圖。表1.5是此顯示器各個(gè)引腳的功能介紹。圖1.9LCD1602實(shí)物圖圖1.10LCD1602顯示電路表1.5LCD1602的各個(gè)引腳功能引腳圖符號(hào)狀態(tài)功能1電源地2電源5V3對(duì)比端控制4輸入選擇寄存器5輸入讀寫(xiě)操作6輸入使能信號(hào)7三態(tài)LSB8三態(tài)LSB9三態(tài)LSB10三態(tài)LSB11三態(tài)LSB12三態(tài)LSB13三態(tài)LSB14三態(tài)MSB(數(shù)據(jù)總線）15輸入背光+5v16輸入背光1.6通信模塊本次室內(nèi)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的通信模塊采用的是GSM模塊。它是一種接入設(shè)備，通過(guò)它可以將手機(jī)卡集成到通信中，然后實(shí)現(xiàn)發(fā)送短信，語(yǔ)音通話等一系列數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｕf(shuō)簡(jiǎn)單來(lái)就是：它與我們生活常用的通信工具—手機(jī)就相差一個(gè)鍵盤(pán)，一個(gè)顯示屏以及一塊可充電電池。它憑借小巧的外觀，高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)已逐漸運(yùn)用于各種工業(yè)場(chǎng)合。本次設(shè)計(jì)采用的GSM產(chǎn)品是SIM800C。它是一款SIMCOM公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)四頻GSM/GPRS模塊。它工作頻率低。它相比于SIM900A產(chǎn)品只支持雙頻來(lái)說(shuō)，SIM800C支持四頻。所以SIM800C的使用區(qū)域相比而言更加廣泛。實(shí)物如圖1.11所示。圖1.11GSM模塊實(shí)物圖該模塊有SMA天線接口，TTL電平串口，SIM卡卡座等。它與單片機(jī)只需連接發(fā)送線，地線，接收線這三根線就能完成自身功能。它還擁有一組鋰電池供電接口并且支持5V-18V寬電壓供電。同時(shí)模塊還有兩個(gè)指示燈，這樣讓我們?cè)谙到y(tǒng)調(diào)試時(shí)，更方便檢測(cè)出故障所在。GSM的輸入引腳如圖1.12所示。系統(tǒng)給GSM上電后，它會(huì)自動(dòng)開(kāi)機(jī)，無(wú)需按鍵來(lái)控制開(kāi)機(jī)。在室內(nèi)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，GSM正常工作后，單片機(jī)對(duì)GSM進(jìn)行控制。如果當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)煙霧值達(dá)到報(bào)警值，將此信號(hào)傳遞給單片機(jī)之后。GSM就會(huì)通過(guò)撥打電話和發(fā)短信給指定人員，提醒人們火災(zāi)即將來(lái)臨。圖1.12GSM引腳圖1.7A/D轉(zhuǎn)換電路總線是由荷蘭飛利浦公司開(kāi)發(fā)的一種串行總線。整個(gè)系統(tǒng)僅使用兩根線：數(shù)據(jù)線（SDA）和時(shí)鐘線（SCL）就可以讓信息在連接總線上的元器件之間發(fā)生傳遞。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：就是中間處理器與外界設(shè)備之間信息的傳遞只需這兩根線即可。這大大提高了交換速度，這種總線系統(tǒng)與其他系列的總線相比，結(jié)構(gòu)