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单片机开发

火灾报警系统单片机


基于单片机的火灾报警系统设计

全球每年发生的火灾数量逐年上升,其中住宅区火灾占的比重最大,造成了严重的人员伤亡和经济损失。当前,有很多火灾报警系统正被广泛应用于各种场所,但它们普遍存在不能及时将报警信号发送至管理人员的问题。因此,迫切需要设计一款反应速度快且可自动报警的多路火灾报警系统,以便在火灾初期准确探测灾情,及时发送报警短信至管理人员的手机。

一、火灾报警系统方案

火灾报警系统的结构,如图1所示。整个系统可以分为两部分。一是上位机接收端监控显示报警部分,二是下位机温度和烟雾浓度测试子系统。在该设计系统中,测试子系统一共有三组。上位机子系统与下位机子系统采用NRF24 L01无线通信模块进行连接,通信模式是一对三。

图 1 火灾报警系统结构

在下位机各个子系统中,以单片机msp430为中央控制单元,凭借烟雾检测模块和温度检测模块检测周围环境的温度和烟雾浓度,通过无线通信模块NRF24L01将数据传输到上位机子系统即监控显示端。监控显示端中的控制芯片亦采用msp430。当系统接收到下位机传送的数据后,通过液晶显示屏12864显示数据。若接收到的数据值高于系统的设定值,系统便发出警报声,同时通过GSM模块发送报警短信至管理员手机进行提醒。其中,上位机可以通过键盘模块调节报警的限位值。

二、火灾报警系统硬件设计

火灾报警系统包含的硬件部分主要有上位机接收端监控显示部分、NRF24L01无线通信模块、下位机温度和烟雾浓度采集单元。

2.1上位机接收端监控显示部分

上位机接收端硬件部分主要包括核心控制器、12864液晶显示模块、设置报警范围的键盘模块、单片机最小系统模块、GSM通信模块和NRF24L01接口电路。

(1)核心控制器:MSP430单片机是一种16位超低功耗的微处理器,具有强大的处理能力、高集成度、稳定的工作状态和丰富的片上外围模块等特点。火灾报警系统选用msp430系列的msp430f169作为核心控制器,原因在于系统中不仅包含一对三的NRF24L01无线通信模块,还加入了GSM通信模块。这些模块需要的输入输出口较多,且对程序处理能力要求较高,51单片机很难实现,而上位机子系统和下位机子系统通过采用msp430作为中央控制器可以解决这些问题。

(2)GSM通信模块:GSM通信模块采用SIM300,主要原因在于SIM300可以在EGSM 900MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz三种频率下工作。SIM的外形结构也很轻巧,几乎所有的工业应用场合其尺寸都适用。SIM也经常被使用于移动设备,如智能手机和掌上电脑。另外,SIM具有语音通话和短信发送功能,且待机功耗低。该设计系统使用的正是其短信发送功能。GSM通信模块的接收端和发送端需要分别接到单片机的P1.0和P1.1管脚。该模块发送短信需要进行三方面设置。第一,设置GSM工作方式;第二,发送中文短信需要设置PDU模式;第三,设置发送短信的长度。

(3)12864液晶显示和按键电路设计:该系统采用三路数据采集模块采集温度和烟雾浓度。为方便在接收端显示三路检测值,特采用QC12864B液晶显示屏,在画面清楚的同时,可以显示4行数据。因为系统包含3个下位机测试系统,在进行上位机显示时设置为三行分别显示,每行显示一组的温度和烟雾浓度,如“1号:温度29浓10%”,在液晶屏中另有一行显示“设置:温度**浓**”。尽管QC12864液晶显示屏比LCD1602显示屏价格高,显示程序复杂,但其显示效果优势明显,可以完整显示信息。而LCD1602只方便显示数字和字母,且只能显示两行,显示字体的大小也有限制。

在上位机系统中加入按键电路,作用是调整温度和浓度的报警限位值。实际使用过程中,系统会遇到季节的变更,环境温度会相应发生改变。因此,需要调节报警温度值,如夏天环境温度很高,报警温度值需要适当上调,而冬天正常环境温度较低,需把报警温度值向下调节。由于使用时只需要增加、减少和确定三个功能键即可顺利工作,且矩阵式键盘编程较为复杂,按键电路在设计时并没有采用矩阵式按键,而是选用了3个独立的按键。

2.2NRF24L01无线通信模块

该火灾报警系统由上位机子系统和下位机子系统两部分组成。上位机与下位机之间的通信采用NRF24L01无线通信模块。NRF24L01与中央控制器以SPI通信方式进行连接。NRF24L01的工作频率是2.4~2.5GHz,通用性强,可以连接到各种单片机芯片完成无线数据传送工作。此外,它的电流功耗低,在发送模式时电流消耗约为11.3 mA,接收模式约为12.3 mA,而待机模式下功耗更低。

在上位机子系统线路连接中,24L01芯片要与单片机的6个管脚相连接。其中,CSN是无线模块的片选信号,需要连接到P1.2,由单片机发出信号来控制是否允许向24L01输写数据。MOSI是输入信号,与单片机的P1.3相接,由单片机向无线模块发送数据。MISO是模块的输出信号,是无线模块向单片机发送数据的接口,与单片机的P1.4相接。IRQ是模块输出接口,是无线模块产生中断信号并发送给单片机的接口,与单片机的P1.5相连接。SCK是无线模块的输入接口,串行时钟信号与单片机的P1.6相连接,由单片机发出信号来控制无线模块的读或写的运作节拍。CE是无线模块的输入信号,与单片机的P1.7相接,由单片机给出信号控制24L01内部射频电路是否开始工作。下位机子系统中,无线通信模块的管脚连接单片机的P2.0~P2.5。在整个火灾报警系统中,采用一对三的通信模式,即一个节点接收,三个节点发送。上位机工作在接收模式,而3个下位机中的无线模块都工作在发送模式,然后将检测到的温度和烟雾浓度数据发送到上位机系统并显示出来。

2.3下位机温度和烟雾浓度采集单元

(1)烟雾浓度检测电路设计:烟雾浓度检测电路采用HIS-07传感器。它是一种离子式烟雾传感器,性能远优于气敏电阻类传感器,对微小烟雾粒子的感应尤为灵敏。此外,该线路使用了Motorola公司的MC14468。MC14468是一款离子感烟探测报警专用芯片,报警响应时间短。它的1管脚为输信号端,当检测到烟雾浓度发生变化时,从1号脚输出高电平到单片机的P1.1管脚,原理如图2所示。

图 2 烟雾浓度检测原理图

(2)温度检测电路设计:温度检测电路中使用DS18B20传感器,可以准确有效地采集周围环境温度。它的优点是灵敏度高,数据精确。DS18B20有3个管脚,两边的管脚分别接地和电源正极,中间管脚是数据输出口,与msp430单片机的P1.2端口连接。单片机将温度传感器检测到的温度通过P1.2端口输入到内部。DS18B20采集到的温度数据为模拟量信号,而msp430单片机内部具有模数转换单元,电路不需另外再接入模数转换芯片。模拟量信号经内容转换为数字量信号,进而在显示屏上显示出来。

(3)下位机数据显示:下位机检测系统显示电路应用LCD1602显示屏。由于在下位机采集系统中只需要观察系统的温度和烟雾浓度,用LCD1602即可完整显示。LCD1602的电路接线和驱动程序较12864都相对简单,是下位机系统的不二之选。

三、火灾报警系统软件设计

系统的软件程序分为上位机程序和下位机程序。其中,上位机程序部分包括液晶显示、按键程序、上位机通信程序与GSM报警程序。下位机程序包括温度传感器数据采集、烟雾传感器烟雾检测和无线通信程序。

GSM报警程序的执行过程:进入警报程序,输入1则显示屏输出测试组A警报,输入2则显示屏输出B警报,输入3则显示屏输出显示测试组C警报信号。所有警报信号都需传送到SMS发送程序,最后结束程序。

结论

该系统创新之处在于以下几个方面。第一,烟雾传感器的使用。系统选用离子式烟雾传感器HIS-07和离子感烟探测报警专用芯片,可以更快、更灵敏地检测到火灾的发生。第二,主控芯片选用msp430单片机。msp430单片机与51单片机相比,具有更低的功耗和更强的处理能力,且系统使用场所为火灾现场,在火灾导致室内断电时,小系统功耗的msp430单片机是最佳的选择。第三,设计使用GSM模块进行短信报警,第一时间将火灾情况发送至检测者,从而及时救援受害者。

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