基于单片机的家居烟雾检测系统设计

2022-11-11陈家敏顾捷

电子测试 2022年20期

陈家敏，顾捷

（1.云南机电职业技术学院，云南昆明，650201；2.云南交通职业技术学院，云南昆明，650500）

0 引言

高楼火灾逐渐成为了城市中最为危险因素，火灾安全成为了一个重要问题[1]。为了能够及时发现和通报火灾，让人们提前知道可能会发生火灾，减少和防止火灾危害，提前做好各种预防或扑救措施，因此家居烟雾检测系统显得极为重要，该系统能够在第一时间检测家居环境中烟雾浓度、温度等，发现异常启动声光报警，从而有效减少火灾造成的损失。

1 烟雾检测系统介绍

本系统由STC90C52单片机为核心，由烟雾检测模块、温度检测模块、声光报警模块、按键模块和LCD显示模块组成。烟雾检测模块和温度检测模块分别通过烟雾传感器、温度传感器实时检测家居环境烟雾、温度，STC90C52单片机为主控制器，读取烟雾传感器、温度传感器检测数据，并与阈值进行比较，若检测数据高于阈值，单片机启动声光报警模块，蜂鸣器发生、LED灯闪烁，发出报警。按键模块用于设置阈值，解除报警等。LCD模块用于显示实时检测的烟雾值和温度值[2-3]，如系统收到上位机主控制器模块传送当前采集烟雾数据和温度数据的指令，系统通过串行口将烟雾数据和温度数据传送给上位机主控制器。系统框图如图1所示。

图1 烟雾检测系统框图

2 系统硬件设计

2.1 单片机模块

STC90C52系列单片机是宏晶科技推出的一款高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期任意选择，并且内部集成了MAX810专用复位电路。STC90C52系列单片机具有成本低、性能高的特点，支持ISP（在系统编程）及IAP（在应用编程）技术。使用ISP技术可不需要编程器，而直接在用户系统板上烧录用户程序，修改调试非常方便。利用IAP技术能将内部部分专用Flash当作EEPROM使用，实现停电后保存数据的功能，擦写次数为100000次以上，可省去外接EEPROM。STC90C52单片机最小系统由电源、晶振和复位电路构成。STC90C52需要5V的直流供电系统，可使用USB口输出的5V直流直接供电；晶振电路为单片机系统提供基准时钟信号，单片机内部所有的工作都是以这个时钟信号为步调基准来进行工作的。STC90C52单片机的18脚和19脚是晶振引脚，本系统中接了一个11.0592M的晶振（它每秒钟振荡11,059,200次），外加两个20pF的电容，电容的作用是帮助晶振起振，并维持振荡信号的稳定；复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。单片机的复位有上电复位和按钮手动复位两种[4]。

2.2 烟雾传感器MQ-2模块

MQ-2型烟雾传感器常用做家庭和工厂的气体泄漏监测装置中，适用于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。准确来说MQ-2是一个多种气体探测器。MQ-2的探测范围极其广泛，它对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感，具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息。它具有灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单等特点。

MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200-300摄氏度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的调至而变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得烟雾存在的信息，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号越大[5]。

MQ-2常用的电路有两种，一种使用采用比较器电路监控，另一种为ADC电路检测。本设计中采用ADC电路检测，将MQ-2型烟雾传感器采集的模拟电压信号经ADC0832转化为数字信号，进而转化为精确的烟雾浓度值，MQ-2烟雾传感器信号采集电路如图2所示。实现对MQ-2烟雾浓度的采集，只需实现ADC0832采集函数便可完成信号的采集。但通过ADC0832采集到的信号只为原始信号，要转换为实际的烟雾浓度，还需要根据MQ-2的特性进行校正和公式转换，最终得到实际的浓度值。

图2 MQ-2烟雾传感器信号采集电路

2.3 温度传感器模块

环境温度检测使用DS18B20单线数字温度传感器，DS18B20与单片机微处理器连接时仅需要一条口线，即可实现单片机与DS18B20的双向通讯。这种单总线接口方式具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点。设计中DS18B20引脚1GND接地，引脚3VCC与电源相连，引脚2为数据线，与单片机I/O口相连，实现温度传感器与单片机之间的双向通讯，进行环境温度数据的采集[1]。

2.4 LCD显示模块

LCD显示模块用于显示采集到的烟雾传感器数据和温度传感器数据，本设计中的烟雾检测系统作为家居环境中的一个采集节点，需要显示的内容不多，所以采用LCD1602液晶显示器即可满足显示需求。LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。LCD1602液晶显示器显示容量为16×2个字符；芯片工作电压：4.5-5.5V；工作电流：2.0mA（5.0V）。它有 3个控制引脚RS（寄存器选择端）、R/W（读/写信号线）、E（使能端）和8个数据引脚D0-D7，本设计中8个数据引脚接在单片机的同一个I/O（P0口）上，方便软件程序编写；该系统只需要向LCD1602中写入烟雾传感器数据和温度传感器数据，即只需要写的操作，可将R/W（读/写信号线）直接接低电平，而使能端E直接接高电平，保证1602显示器能够正常工作。

2.5 声光报警模块及按键模块

声光报警模块由LED灯、蜂鸣器、晶体管构成。当系统烟雾传感器检测到液化气、丙烷、氢气等可燃气体浓度过高时[6]，单片机将驱动蜂鸣器发声、LED灯闪烁，做出声光报警，以提示用户当前室内可燃性气体浓度或温度过高。本系统设置两个功能按键，一个用来设置烟雾传感器和温度传感器的阈值，另一个用来做解除报警，使系统恢复正常工作状态。

3 系统软件设计

系统软件程序设计使用C语言编程，采用keil uvision4编辑器。系统上电后进行单片机初始化，烟雾传感器、温度传感器采集相应环境烟雾数据和温度值，判断是否超过上限值，若超过上限值则启动声光报警，在LCD模块指定位置显示当前采集烟雾数据和温度值，检测系统是否收到上位机主控制器模块传送当前采集烟雾数据和温度数据的指令，如接收到指令则将当前采集的烟雾数据和温度值通过单片机串行口传送给主控制器模块。系统软件设计的主程序流程图如图3所示。