防火防爆安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

家庭廚房大都使用天然氣和液化氣，給生活帶來了方便。使用不當(dāng)或者煤氣泄漏以及泄漏后引發(fā)火災(zāi)，將會造成經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。防火、防爆設(shè)備對我們的家庭生活就尤為重要。

通過檢測和信號調(diào)理電路、單片機(jī)、顯示和報(bào)警電路、GSM模塊和通風(fēng)機(jī)等電路模塊構(gòu)造一個(gè)家庭防火防爆安全自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件程序，使之具有功能：1)防爆參數(shù)檢測，2)信號轉(zhuǎn)換與處理，3)顯示與報(bào)警。

1 總體硬件系統(tǒng)

1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖1所示。它主要由三部分構(gòu)成，分別是STC12C5A60S2單片機(jī)、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。復(fù)位電路由電阻、復(fù)位按鈕和電容組成。時(shí)鐘電路由兩個(gè)30PF的電容和11.059 2 M的晶振組成。

片機(jī)從這個(gè)初始狀態(tài)開始工作。對于整個(gè)系統(tǒng)來說，復(fù)位操作是非常重要的，需要相關(guān)的外圍電路實(shí)現(xiàn)。復(fù)位電路如圖1所示。

1.1.2 單片機(jī)時(shí)鐘電路

單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘電路如圖1所示。單片機(jī)時(shí)鐘有兩種工作方式，第一種是內(nèi)部R/C震蕩時(shí)鐘，第二種是外部晶振時(shí)鐘。本系統(tǒng)串行通信對時(shí)鐘要求高，采用外部晶振時(shí)鐘。時(shí)鐘電路兩個(gè)端口分別接單片機(jī)XTAL1和XTAL2引腳。

1.2 煙霧傳感器電路

檢測CO的濃度用MQ-2傳感器。檢測得到的信號比較小，必須經(jīng)過放大和調(diào)理。所以用電阻R6來調(diào)節(jié)輸出信號的大小。當(dāng)環(huán)境中CO濃度比較低，H—H兩級電導(dǎo)率比較低，電壓比較小，而輸出電壓就比較大。根據(jù)CO濃度和輸出電壓關(guān)系知，當(dāng)CO濃度為300 PPM，輸出電壓為1 V。設(shè)定濃度超過300 PPM，系統(tǒng)就報(bào)警。煙霧傳感器電路如圖2所示。

1.3 溫度傳感器電路

溫度模塊由DS18B20、R3組成，其中R3屬于上拉電阻。溫度傳感器屬于數(shù)字式傳感器，可以直接讀出溫度值。DS18B20測量溫度范圍為-55～+125℃，測溫精度0.5 ℃，完全滿足對家居環(huán)境溫度的測量要求?？梢灾苯訉囟绒D(zhuǎn)換值以16位數(shù)值碼的方式輸出。根據(jù)溫度和數(shù)字量的關(guān)系，當(dāng)溫度為30℃時(shí)，輸出的16位數(shù)字碼是003BH。設(shè)定室內(nèi)溫度超過30℃，系統(tǒng)就報(bào)警。溫度模塊電路連接如圖3所示。

1.4 可燃?xì)怏w傳感器電路

本設(shè)計(jì)中使用的可燃?xì)怏w傳感器為QM-N5。此傳感器是電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器。原理是當(dāng)有可燃?xì)怏w產(chǎn)生時(shí)，氣體就會在半導(dǎo)體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)一旦發(fā)生，就會使相應(yīng)的電阻發(fā)生變化?？扇?xì)怏w檢測和調(diào)理電路如圖4所示。從U0輸出的電壓很小，因此必須經(jīng)過LM324進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆Ｈ缓髮⑺秒妷核腿雴纹瑱C(jī)中帶有A/D轉(zhuǎn)換功能的接口，進(jìn)行轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。根據(jù)可燃?xì)怏w濃度和輸出電壓關(guān)系，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度為200 PPM，輸出電壓為0.5 V。設(shè)定可燃?xì)怏w濃度超過200 PPM，系統(tǒng)就報(bào)警。

1.5 GSM模塊

本設(shè)計(jì)的GSM模塊采用Siemens公司的TC35i模塊，西門子GSM模塊是支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8 V。TC 35i模塊有40個(gè)引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。

TC35i的第13為對外輸出電壓(供外電路使用)，14為ACCU—TEMP接負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，用于鋰電池充電保護(hù)控制。

15腳是啟動腳IGT，系統(tǒng)加電后為使TC35i進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT加一個(gè)大于100 ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過1 ms。

18腳RXD、19腳TXD為TTL的串口通訊腳，需要和單片機(jī)或者PC通訊。

TC35i的第32腳SYNC引腳有兩種工作模式，本模塊使用的是指示TC35i的工作狀態(tài)。當(dāng)LED熄滅時(shí)，表明TC35i處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài);當(dāng)LED為600 ms亮/600 ms熄時(shí)，表明SIM卡沒有插入或TC35i正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)登錄;當(dāng)LED為75 ms亮/3 s熄時(shí)，表明TC35i已登錄進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，處于待機(jī)狀態(tài)。

35～38為語音接口，35、36接揚(yáng)聲器放音。37、38可以直接與駐極體話筒連接來采集聲音。單片機(jī)通過I/O口控制TC35i的開關(guān)機(jī)、復(fù)位等，通過串口與TC35i進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

TC35i與SIM的連接圖如圖5所示，它可以實(shí)現(xiàn)短信的收發(fā)。

1.6 通風(fēng)機(jī)控制電路

通風(fēng)機(jī)電路如圖6所示。主要由三極管、光電耦合器、發(fā)光二極管、線圈和通風(fēng)機(jī)組成。工作原理是單片機(jī)從P2.1輸出一個(gè)高電平使Q7導(dǎo)通，接著光敏三極管導(dǎo)通，同時(shí)Q6導(dǎo)通，因而繼電器的線圈K1通電，繼電器接觸點(diǎn)閉合，使交流220 V電源接通，通風(fēng)機(jī)開始工作。反之，P2.1輸出低電平時(shí)，繼電器觸點(diǎn)斷開。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主流程

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以C語言為基礎(chǔ)。系統(tǒng)主程序流程：開始→系統(tǒng)初始化→{讀取三種傳感器參數(shù)→報(bào)警子程序→鍵盤掃描→判斷鍵值→調(diào)用顯示數(shù)據(jù)子程序}。

主程序是一個(gè)無限循環(huán)的程序，通過對各個(gè)模塊的合理調(diào)用實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的測量、比較、報(bào)警和顯示。工作原理是上電后系統(tǒng)初始化，單片機(jī)迅速檢測到被測參數(shù)，并存儲起來，在這個(gè)過程中包括A/D轉(zhuǎn)換。然后啟動報(bào)警子程序，判斷是否越限，越限就報(bào)警30 s，同時(shí)發(fā)送短信到主人手機(jī)，接著判斷鍵值。如不越限，直接判斷鍵值，顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。接著返回繼續(xù)讀取三種傳感器的數(shù)值，依次循環(huán)。

2.2 本方案優(yōu)點(diǎn)

在元器件選擇方面：

1)主控制器選用STC12C5A60S2，是8051單片機(jī)的加強(qiáng)版。自帶8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換，優(yōu)點(diǎn)是處理速度快、低功耗、超強(qiáng)抗干擾能力。

2)本設(shè)計(jì)選用的GSM模塊是西門子生產(chǎn)的TC35i。它是一款高度集成的短信模塊，其體積小且重量輕，被廣泛應(yīng)用。

3)顯示器采用國產(chǎn)的4位動態(tài)顯示數(shù)碼管3461LED。它的優(yōu)點(diǎn)是與單片機(jī)連接方便、占有的I/O口少、驅(qū)動簡單、穩(wěn)定性好。