防火防爆安全監測系統設計

家庭廚房大都使用天然氣和液化氣，給生活帶來(lái)了方便。使用不當或者煤氣泄漏以及泄漏后引發(fā)火災，將會(huì )造成經(jīng)濟財產(chǎn)損失。防火、防爆設備對我們的家庭生活就尤為重要。

通過(guò)檢測和信號調理電路、單片機、顯示和報警電路、GSM模塊和通風(fēng)機等電路模塊構造一個(gè)家庭防火防爆安全自動(dòng)監測系統硬件電路，并設計相應的軟件程序，使之具有功能：1)防爆參數檢測，2)信號轉換與處理，3)顯示與報警。

1 總體硬件系統

1.1 單片機最小系統

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

片機從這個(gè)初始狀態(tài)開(kāi)始工作。對于整個(gè)系統來(lái)說(shuō)，復位操作是非常重要的，需要相關(guān)的外圍電路實(shí)現。復位電路如圖1所示。

1.1.2 單片機時(shí)鐘電路

單片機內部時(shí)鐘電路如圖1所示。單片機時(shí)鐘有兩種工作方式，第一種是內部R/C震蕩時(shí)鐘，第二種是外部晶振時(shí)鐘。本系統串行通信對時(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(guò)放大和調理。所以用電阻R6來(lái)調節輸出信號的大小。當環(huán)境中CO濃度比較低，H—H兩級電導率比較低，電壓比較小，而輸出電壓就比較大。根據CO濃度和輸出電壓關(guān)系知，當CO濃度為300 PPM，輸出電壓為1 V。設定濃度超過(guò)300 PPM，系統就報警。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(mǎn)足對家居環(huán)境溫度的測量要求?？梢灾苯訉囟绒D換值以16位數值碼的方式輸出。根據溫度和數字量的關(guān)系，當溫度為30℃時(shí)，輸出的16位數字碼是003BH。設定室內溫度超過(guò)30℃，系統就報警。溫度模塊電路連接如圖3所示。

1.4 可燃氣體傳感器電路

本設計中使用的可燃氣體傳感器為QM-N5。此傳感器是電阻型半導體氣體傳感器。原理是當有可燃氣體產(chǎn)生時(shí)，氣體就會(huì )在半導體表面發(fā)生化學(xué)反應。反應一旦發(fā)生，就會(huì )使相應的電阻發(fā)生變化?？扇細怏w檢測和調理電路如圖4所示。從U0輸出的電壓很小，因此必須經(jīng)過(guò)LM324進(jìn)行適當的放大。然后將所得電壓送入單片機中帶有A/D轉換功能的接口，進(jìn)行轉換和數據處理。根據可燃氣體濃度和輸出電壓關(guān)系，當可燃氣體濃度為200 PPM，輸出電壓為0.5 V。設定可燃氣體濃度超過(guò)200 PPM，系統就報警。

1.5 GSM模塊

本設計的GSM模塊采用Siemens公司的TC35i模塊，西門(mén)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(lèi)，即電源、數據輸入/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接負溫度系數的熱敏電阻，用于鋰電池充電保護控制。

15腳是啟動(dòng)腳IGT，系統加電后為使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，電平下降持續時(shí)間不可超過(guò)1 ms。

18腳RXD、19腳TXD為T(mén)TL的串口通訊腳，需要和單片機或者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LED熄滅時(shí)，表明TC35i處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài);當LED為600 ms亮/600 ms熄時(shí)，表明SIM卡沒(méi)有插入或TC35i正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )登錄;當LED為75 ms亮/3 s熄時(shí)，表明TC35i已登錄進(jìn)網(wǎng)絡(luò )，處于待機狀態(tài)。

35～38為語(yǔ)音接口，35、36接揚聲器放音。37、38可以直接與駐極體話(huà)筒連接來(lái)采集聲音。單片機通過(guò)I/O口控制TC35i的開(kāi)關(guān)機、復位等，通過(guò)串口與TC35i進(jìn)行數據通信。

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

1.6 通風(fēng)機控制電路

通風(fēng)機電路如圖6所示。主要由三極管、光電耦合器、發(fā)光二極管、線(xiàn)圈和通風(fēng)機組成。工作原理是單片機從P2.1輸出一個(gè)高電平使Q7導通，接著(zhù)光敏三極管導通，同時(shí)Q6導通，因而繼電器的線(xiàn)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)機開(kāi)始工作。反之，P2.1輸出低電平時(shí)，繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)。

2 軟件設計

2.1 系統主流程

本系統的軟件設計以C語(yǔ)言為基礎。系統主程序流程：開(kāi)始→系統初始化→{讀取三種傳感器參數→報警子程序→鍵盤(pán)掃描→判斷鍵值→調用顯示數據子程序}。

主程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的程序，通過(guò)對各個(gè)模塊的合理調用實(shí)現對參數的測量、比較、報警和顯示。工作原理是上電后系統初始化，單片機迅速檢測到被測參數，并存儲起來(lái)，在這個(gè)過(guò)程中包括A/D轉換。然后啟動(dòng)報警子程序，判斷是否越限，越限就報警30 s，同時(shí)發(fā)送短信到主人手機，接著(zhù)判斷鍵值。如不越限，直接判斷鍵值，顯示相應的數據。接著(zhù)返回繼續讀取三種傳感器的數值，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單片機的加強版。自帶8路10位高速A/D轉換，優(yōu)點(diǎn)是處理速度快、低功耗、超強抗干擾能力。

2)本設計選用的GSM模塊是西門(mén)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，被廣泛應用。

3)顯示器采用國產(chǎn)的4位動(dòng)態(tài)顯示數碼管3461LED。它的優(yōu)點(diǎn)是與單片機連接方便、占有的I/O口少、驅動(dòng)簡(jiǎn)單、穩定性好。