烟雾酒精报警器的设计与制作

郭占苗

（苏州大学应用技术学院，江苏 苏州 215325）

燃爆灾情时有发生，人类防患于未然的意识越来越强，在很多生产现场禁烟，杜绝酒精等易燃气体泄漏，以保证生产及人身的安全。在科技日新月异的今天，设计一种智能烟雾酒精报警系统用于高危生产现场显得尤为重要。烟雾酒精报警器是用来监测环境中烟雾和酒精的浓度，当环境酒精浓度或烟雾浓度超过设定阈值后，报警器就会调取相应的语音模块中提前存储的语音信息进行报警，这样就可以使值班工作人员及早发现事故隐患，及时采取安全措施，避免燃爆事故发生[1]。同时，该烟雾酒精报警系统不但价格低廉，而且具有智能化，在油库、化工场所和燃气等容易发生可燃烟雾和酒精泄露的高危场所均具有较大的实用价值。

1 电路整体设计

如图1所示，智能烟雾酒精报警系统以STC15F2K60S2作为核心控制器件，传感器选用MQ-2 型气体传感器实现对烟雾的检测，MQ-3对酒精浓度进行检查。传感器将采集到的相关信息通过PCF8591芯片进行AD转换， 经单片机处理后把信号传给LCD12864显示屏显示。 当超过烟雾和酒精阈值时，播放MY2490-16P 语音模预设的声音信息，通过扬声器输出报警提示语音[2]。

图1 烟雾酒精报警器原理框图

图2 主程序流程图

系统主程序流程图如图2所示，系统在初始化结束后，自动执行主程序并调用各个功能模块子程序，完成对烟雾酒精浓度参数检测、参数设置、显示、报警等功能。当系统上电开机初始化之后，烟雾酒精传感器检测周围环境烟雾和酒精浓度，通过A/D转换，在单片机中运算处理数据，当超过阈值时，系统执行报警程序。

2 软件程序设计

2.1 传感器数据采集与按键模块设计

传感器MQ-2通常被用在家庭或工厂的气体泄漏监测装置，并适用于对液化天然气，丁烷，丙烷，甲烷，乙醇，氢气和烟雾等化学物品的检测。MQ-3型传感器是酒精传感器，当检测到所处环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增加[3]，其模拟端（A0）的输出电压信号与酒精浓度的特性曲线近似为线性关系，输出端连接到AD转换器的2脚将模拟量转化为与传感器检测浓度相对应的数字量。无论是酒精传感器还是烟雾传感器的浓度检测，程序设计上限调节数值范围设置均为“100”，根据实际需求可以对参数进行修改设置。

在按键模块中，单片机P42接的是设置键，P35是“+”键，按下一次按键数值加1，P34是“-”键，按下一次按键数值减1，可以用来调整阈值参数的范围。初始值将烟雾的上限设置为“72”，酒精的浓度上限设置为“80”。在按键扫描函数中，首先对设置键进行按键判断，按键按下一次，执行“key1n++;”，因为有烟雾和酒精两种传感器的初值和阈值共四个参数可以进行设置，所以执行语句“if(key1n==4) key1n=1;”，可以通过按键设置四个参数的值[4]。进一步，利用“if”和“switch”语句，对阈值和初值进行修改，最后调用LCD12864液晶写数据函数

进行显示，液晶显示烟雾传感器值的十位和个位，同理可以显示酒精传感器的值。

2.2 A/D转换模块设计

传感器输出的数据要通过A/D转换模块PCF8591进行转换再传给单片机控制扬声器播放相应的报警音乐。A/D转换模块的核心器件PCF8591的通信协议是I2C，其主要内容包括起始信号，数据传输，应答部分和结束信号程序的编写，在编程时要符合I2C协议[5]。根据I2C协议的通信流程图可知，编写起始信号程序时，要求在SCL为高电平期间，SDA由高到低产生一个下降沿，数据传输时，与UART不同的是，按照高位在前低位在后的顺序传输，而且数据在SCL低电平时候变化，SCL为高电平时读取数据[6]。由PCF8591地址字节可知，写地址字节是“0X90”，读字节地址是“0X91”，当SDA为低电平时，表示有应答，为高电平时无应答，最后，在SCL为高电平期间，SDA由低到高产生一个上升沿表示信号结束。根据设计原理图，MQ-3酒精报警器接PCF8591的AIN1，MQ-2烟雾报警器的输出端接PCF8591的AIN0，通过调用函数“Pcf8591_Send(1)”发送通道1转换命令，再调取“Pcf8591_Read( );”读函数，将读出的值送给变量“MQ-3”与提前设定的阈值进行比较，超过阈值时报警。因为PCF8591是8位逐次逼近型ADC，液晶显示的最大可调参数为“100”，所以通过“MQ_3=(MQ_3*100/255”语句将其转换为显示数值范围为“0-100”之间，同样的思路可以编写对MQ-2烟雾报警器的参数进行A/D转换。

2.3 语音报警模块设计

语音报警设计主要采用MY2490-16P语音模块，该模块的10脚和11脚连接扬声器，其7脚（RX）和8脚（TX）分别于单片机的P3.1和P3.0相连进行UART串口通信[7]。串口发送数据函数：

系统上电显示为烟雾和酒精浓度均未超过阈值时，扬声器播报存储卡里面的指定合成语音“欢迎使用烟雾酒精报警系统”，该语音信息存储在“03”号歌曲中，如果传感器检测到的数据超过了阈值就会播放语音模块中存储的相应音乐信息，当执行语句“if(MQ_2>=yanwu_num )”时，说明烟雾值超过阈值，则播报“02”号歌曲中语音信息，同理，当执行条件满足“if(MQ_3>=jiujing_num)”时，则播报“01”歌曲中的信息，共三首歌曲均存放在“01”号文件夹中。根据MY2490-16P语音模块协议的控制命令格式可知，起始码为“0X7E”，结束码为“0XEF”。每隔20 ms延时串口分别依次往出发送“起始码”“长度”“操作码”“文件夹号”“歌曲名”“校验码”和“结束码”数据，其中校验码为“长度”“操作码”“文件夹号”和“歌曲名”数值的异或值[8]，通过该方式可实现指定文件夹曲目播放功能。

2.4 LCD12864液晶显示模块设计

为节省单片机的IO口，LCD12864的15引脚接低电平，工作为串行模式。串行数据传送共分为三个字节，第一个字节的格式“1111ABC”（A为数据传送方向控制，B为数据类型选择，C固定为0），第二个字节是并行八位数据传送的高四位，第四位补零，第三个字节是并行八位数据传送的低四位。并行操作时，向液晶写的八位数据[9]。

编写液晶程序时，先进行液晶初始化，初始化液晶先延时大于40毫秒的时间，选择基本指令集，写入“write_com(0x30);”进行选择8bit的数据流，写入“write_com(0x0c);”实现整体显示，游标关，不反白功能，通过写入“write_com(0x01);”实现清除显示，并且设定地址指针为00H（即光标恢复到起点）功能。其中调用到写指令函数，则编写写指令“void write_com(uchar com )”函数，

写指令时，将“RS=0;”“RW=0;”“E”由高变低，送命令参数给写字节函数，最后进行延时操作。同样思路可编写写数据函数，与写指令不同之处就是将“RS=1;”，然后将数据送给写字节函数。写字节时，数据分两次发送，先发送高位数据再发送低位数据，并且一个字节分高低四位分别发送，通过命令地址或者数据先与“0XF0”相与发送高四位，然后右移4位后与“0XF0”相与发送低四位的顺序进行传输。

根据LCD12864的汉字显示坐标，第一行到第四行的起始地址分别是“0X80”“0X90”“0X88”“0x98”，每行可写8个汉字或者16个字符（ASCII码），注意在编写时，如果一个地址为一个字符时，则要再加一个空格，否则会显示乱码。系统上电后显示通过调用程序“lcd_pos(1,0); chinese("初始化中...");”让液晶显示汉字“初始化化中...”延时很短时间后，接着显示主界面，第一行显示“烟雾酒精报警系统”，第二行为MQ-2烟雾报警的初值和阈值，第三行为MQ-3酒精报警的初值与阈值，此时也可以操作按键调节初值或阈值参数。其中编写写汉字程序时，用指针指向每行的首地址，当一行没结束时，指针加加，指向下一个字的地址的方式实现[10]，主要代码是“while(*p!='') {write_data(*p); p++; } ”。

3 硬件实物制作

报警器系统原理图如图3所示，因为在焊接实物电路时用的是转接板，所以原理图中单片机采用DIP20封装。A/D转换PCF8591的SCL接单片机的P2.0引脚，SDA接P2.1，与单片机进行I2C通信。连接语音模块时，特别注意MY2490-16P的RX引脚要和单片机ST15F2K60S2的11脚TXD相接，MY2490-16P的8脚TX与单片机的10脚RXD连接进行通信。液晶LCD12864属于点阵型的液晶，1脚接地，2脚接5V电源，4脚RS(CS)接高电平选择数据寄存器，本电路中为串行片选信号接高电平。当液晶为串行时，LCD12864的5脚R/W则为串行数据口（SID串行数据口）接单片机P1.1，串行模式时6脚为时钟信号CLK，引脚7-14为并行的8位引脚（DB0-DB7），本系统使用液晶串行模式，所以不接[11]。15脚PSB接低电平让LCD12864工作于串行模式。

实物制作如图4所示，液晶第二行和第三行分别显示烟雾浓度和酒精浓度的初值和阈值参数，传感器MQ-2的模拟输出引脚接PCF8591的AIN0，MQ-3的输出接PCF8591的AIN1，当出现烟雾或酒精超标时，即前面的初始数值会增加，直到增加到阈值，读取存储卡的音乐信息通过蜂鸣器报警。

图3 报警器原理图

图4 烟雾酒精报警器实物图

4 结论

为预防因酒精和烟雾泄漏引起的燃爆事故，设计制作了一种基于STC15F2K60S2单片机的烟雾酒精报警器，该系统利用MQ-2检测烟雾浓度，利用MQ-3检测酒精浓度，将报警器放置在易发生相应气体泄漏的地方，当任意一种气体泄漏超标时，都会实现对应气体的报警功能，另外，环境的酒精和烟雾浓度可以通过LCD12864液晶显示，使工作人员能够实时了解工作场所环境的安全情况[12]。该系统使用简单，操作方便，可根据不同使用环境要求通过按键来设置阈值浓度参数，对预防火灾和减少燃爆事故具有重要的应用价值。