火災(zāi)報警系統(tǒng)單片機(jī)

基于單片機(jī)的火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計

全球每年發(fā)生的火災(zāi)數(shù)量逐年上升，其中住宅區(qū)火災(zāi)占的比重最大，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前，有很多火災(zāi)報警系統(tǒng)正被廣泛應(yīng)用于各種場所，但它們普遍存在不能及時將報警信號發(fā)送至管理人員的問題。因此，迫切需要設(shè)計一款反應(yīng)速度快且可自動報警的多路火災(zāi)報警系統(tǒng)，以便在火災(zāi)初期準(zhǔn)確探測災(zāi)情，及時發(fā)送報警短信至管理人員的手機(jī)。

一、火災(zāi)報警系統(tǒng)方案

火災(zāi)報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。整個系統(tǒng)可以分為兩部分。一是上位機(jī)接收端監(jiān)控顯示報警部分，二是下位機(jī)溫度和煙霧濃度測試子系統(tǒng)。在該設(shè)計系統(tǒng)中，測試子系統(tǒng)一共有三組。上位機(jī)子系統(tǒng)與下位機(jī)子系統(tǒng)采用NRF24 L01無線通信模塊進(jìn)行連接，通信模式是一對三。

在下位機(jī)各個子系統(tǒng)中，以單片機(jī)msp430為中央控制單元，憑借煙霧檢測模塊和溫度檢測模塊檢測周圍環(huán)境的溫度和煙霧濃度，通過無線通信模塊NRF24L01將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)子系統(tǒng)即監(jiān)控顯示端。監(jiān)控顯示端中的控制芯片亦采用msp430。當(dāng)系統(tǒng)接收到下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)后，通過液晶顯示屏12864顯示數(shù)據(jù)。若接收到的數(shù)據(jù)值高于系統(tǒng)的設(shè)定值，系統(tǒng)便發(fā)出警報聲，同時通過GSM模塊發(fā)送報警短信至管理員手機(jī)進(jìn)行提醒。其中，上位機(jī)可以通過鍵盤模塊調(diào)節(jié)報警的限位值。

二、火災(zāi)報警系統(tǒng)硬件設(shè)計

火災(zāi)報警系統(tǒng)包含的硬件部分主要有上位機(jī)接收端監(jiān)控顯示部分、NRF24L01無線通信模塊、下位機(jī)溫度和煙霧濃度采集單元。

2.1上位機(jī)接收端監(jiān)控顯示部分

上位機(jī)接收端硬件部分主要包括核心控制器、12864液晶顯示模塊、設(shè)置報警范圍的鍵盤模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、GSM通信模塊和NRF24L01接口電路。

（1）核心控制器：MSP430單片機(jī)是一種16位超低功耗的微處理器，具有強(qiáng)大的處理能力、高集成度、穩(wěn)定的工作狀態(tài)和豐富的片上外圍模塊等特點?；馂?zāi)報警系統(tǒng)選用msp430系列的msp430f169作為核心控制器，原因在于系統(tǒng)中不僅包含一對三的NRF24L01無線通信模塊，還加入了GSM通信模塊。這些模塊需要的輸入輸出口較多，且對程序處理能力要求較高，51單片機(jī)很難實現(xiàn)，而上位機(jī)子系統(tǒng)和下位機(jī)子系統(tǒng)通過采用msp430作為中央控制器可以解決這些問題。

（2）GSM通信模塊：GSM通信模塊采用SIM300，主要原因在于SIM300可以在EGSM 900MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz三種頻率下工作。SIM的外形結(jié)構(gòu)也很輕巧，幾乎所有的工業(yè)應(yīng)用場合其尺寸都適用。SIM也經(jīng)常被使用于移動設(shè)備，如智能手機(jī)和掌上電腦。另外，SIM具有語音通話和短信發(fā)送功能，且待機(jī)功耗低。該設(shè)計系統(tǒng)使用的正是其短信發(fā)送功能。GSM通信模塊的接收端和發(fā)送端需要分別接到單片機(jī)的P1.0和P1.1管腳。該模塊發(fā)送短信需要進(jìn)行三方面設(shè)置。第一，設(shè)置GSM工作方式；第二，發(fā)送中文短信需要設(shè)置PDU模式；第三，設(shè)置發(fā)送短信的長度。

（3）12864液晶顯示和按鍵電路設(shè)計：該系統(tǒng)采用三路數(shù)據(jù)采集模塊采集溫度和煙霧濃度。為方便在接收端顯示三路檢測值，特采用QC12864B液晶顯示屏，在畫面清楚的同時，可以顯示4行數(shù)據(jù)。因為系統(tǒng)包含3個下位機(jī)測試系統(tǒng)，在進(jìn)行上位機(jī)顯示時設(shè)置為三行分別顯示，每行顯示一組的溫度和煙霧濃度，如“1號：溫度29濃10%”，在液晶屏中另有一行顯示“設(shè)置：溫度**濃**”。盡管QC12864液晶顯示屏比LCD1602顯示屏價格高，顯示程序復(fù)雜，但其顯示效果優(yōu)勢明顯，可以完整顯示信息。而LCD1602只方便顯示數(shù)字和字母，且只能顯示兩行，顯示字體的大小也有限制。

在上位機(jī)系統(tǒng)中加入按鍵電路，作用是調(diào)整溫度和濃度的報警限位值。實際使用過程中，系統(tǒng)會遇到季節(jié)的變更，環(huán)境溫度會相應(yīng)發(fā)生改變。因此，需要調(diào)節(jié)報警溫度值，如夏天環(huán)境溫度很高，報警溫度值需要適當(dāng)上調(diào)，而冬天正常環(huán)境溫度較低，需把報警溫度值向下調(diào)節(jié)。由于使用時只需要增加、減少和確定三個功能鍵即可順利工作，且矩陣式鍵盤編程較為復(fù)雜，按鍵電路在設(shè)計時并沒有采用矩陣式按鍵，而是選用了3個獨立的按鍵。

2.2NRF24L01無線通信模塊

該火災(zāi)報警系統(tǒng)由上位機(jī)子系統(tǒng)和下位機(jī)子系統(tǒng)兩部分組成。上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信采用NRF24L01無線通信模塊。NRF24L01與中央控制器以SPI通信方式進(jìn)行連接。NRF24L01的工作頻率是2.4～2.5GHz，通用性強(qiáng)，可以連接到各種單片機(jī)芯片完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。此外，它的電流功耗低，在發(fā)送模式時電流消耗約為11.3 mA，接收模式約為12.3 mA，而待機(jī)模式下功耗更低。

在上位機(jī)子系統(tǒng)線路連接中，24L01芯片要與單片機(jī)的6個管腳相連接。其中，CSN是無線模塊的片選信號，需要連接到P1.2，由單片機(jī)發(fā)出信號來控制是否允許向24L01輸寫數(shù)據(jù)。MOSI是輸入信號，與單片機(jī)的P1.3相接，由單片機(jī)向無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。MISO是模塊的輸出信號，是無線模塊向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的接口，與單片機(jī)的P1.4相接。IRQ是模塊輸出接口，是無線模塊產(chǎn)生中斷信號并發(fā)送給單片機(jī)的接口，與單片機(jī)的P1.5相連接。SCK是無線模塊的輸入接口，串行時鐘信號與單片機(jī)的P1.6相連接，由單片機(jī)發(fā)出信號來控制無線模塊的讀或?qū)懙倪\作節(jié)拍。CE是無線模塊的輸入信號，與單片機(jī)的P1.7相接，由單片機(jī)給出信號控制24L01內(nèi)部射頻電路是否開始工作。下位機(jī)子系統(tǒng)中，無線通信模塊的管腳連接單片機(jī)的P2.0～P2.5。在整個火災(zāi)報警系統(tǒng)中，采用一對三的通信模式，即一個節(jié)點接收，三個節(jié)點發(fā)送。上位機(jī)工作在接收模式，而3個下位機(jī)中的無線模塊都工作在發(fā)送模式，然后將檢測到的溫度和煙霧濃度數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)并顯示出來。

2.3下位機(jī)溫度和煙霧濃度采集單元

（1）煙霧濃度檢測電路設(shè)計：煙霧濃度檢測電路采用HIS-07傳感器。它是一種離子式煙霧傳感器，性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類傳感器，對微小煙霧粒子的感應(yīng)尤為靈敏。此外，該線路使用了Motorola公司的MC14468。MC14468是一款離子感煙探測報警專用芯片，報警響應(yīng)時間短。它的1管腳為輸信號端，當(dāng)檢測到煙霧濃度發(fā)生變化時，從1號腳輸出高電平到單片機(jī)的P1.1管腳，原理如圖2所示。

（2）溫度檢測電路設(shè)計：溫度檢測電路中使用DS18B20傳感器，可以準(zhǔn)確有效地采集周圍環(huán)境溫度。它的優(yōu)點是靈敏度高，數(shù)據(jù)精確。DS18B20有3個管腳，兩邊的管腳分別接地和電源正極，中間管腳是數(shù)據(jù)輸出口，與msp430單片機(jī)的P1.2端口連接。單片機(jī)將溫度傳感器檢測到的溫度通過P1.2端口輸入到內(nèi)部。DS18B20采集到的溫度數(shù)據(jù)為模擬量信號，而msp430單片機(jī)內(nèi)部具有模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，電路不需另外再接入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。模擬量信號經(jīng)內(nèi)容轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，進(jìn)而在顯示屏上顯示出來。

（3）下位機(jī)數(shù)據(jù)顯示：下位機(jī)檢測系統(tǒng)顯示電路應(yīng)用LCD1602顯示屏。由于在下位機(jī)采集系統(tǒng)中只需要觀察系統(tǒng)的溫度和煙霧濃度，用LCD1602即可完整顯示。LCD1602的電路接線和驅(qū)動程序較12864都相對簡單，是下位機(jī)系統(tǒng)的不二之選。

三、火災(zāi)報警系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件程序分為上位機(jī)程序和下位機(jī)程序。其中，上位機(jī)程序部分包括液晶顯示、按鍵程序、上位機(jī)通信程序與GSM報警程序。下位機(jī)程序包括溫度傳感器數(shù)據(jù)采集、煙霧傳感器煙霧檢測和無線通信程序。

GSM報警程序的執(zhí)行過程：進(jìn)入警報程序，輸入1則顯示屏輸出測試組A警報，輸入2則顯示屏輸出B警報，輸入3則顯示屏輸出顯示測試組C警報信號。所有警報信號都需傳送到SMS發(fā)送程序，最后結(jié)束程序。

結(jié)論

該系統(tǒng)創(chuàng)新之處在于以下幾個方面。第一，煙霧傳感器的使用。系統(tǒng)選用離子式煙霧傳感器HIS-07和離子感煙探測報警專用芯片，可以更快、更靈敏地檢測到火災(zāi)的發(fā)生。第二，主控芯片選用msp430單片機(jī)。msp430單片機(jī)與51單片機(jī)相比，具有更低的功耗和更強(qiáng)的處理能力，且系統(tǒng)使用場所為火災(zāi)現(xiàn)場，在火災(zāi)導(dǎo)致室內(nèi)斷電時，小系統(tǒng)功耗的msp430單片機(jī)是最佳的選擇。第三，設(shè)計使用GSM模塊進(jìn)行短信報警，第一時間將火災(zāi)情況發(fā)送至檢測者，從而及時救援受害者。

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