單片機煙霧氣體報警器的總體方案設(shè)計案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u31495單片機煙霧氣體報警器的總體方案設(shè)計案例概述 190511.1硬件電路 1215111.1.1系統(tǒng)總體設(shè)計 1158081.1.2控制模塊設(shè)計 2254231.1.3檢測電路設(shè)計 622121.1.4系統(tǒng)實物圖和電路圖 7235641.2系統(tǒng)主程序設(shè)計 9182521.1.1主程序設(shè)計 915561.1.2報警子程序設(shè)計及流程圖 11300321.1.3控制按鍵設(shè)計子程序及流程圖 12煙霧氣體報警器主要具備實時檢測周圍環(huán)境空氣中的各種煙霧氣體濃度以及空氣溫度的報警功能,并且當超過特定閾值時會進行聲光報警。同時也是出于產(chǎn)品安全性的角度考慮,我們精心設(shè)計的智能煙霧含量報警器具有能夠?qū)崟r顯示各種可燃物的煙霧含量濃度、故障自動預檢、延時各種報警顯示功能及各種可自動接入到計算機并可進行現(xiàn)場遠程監(jiān)測的報警功能。1.1硬件電路1.1.1系統(tǒng)總體設(shè)計智能化防火災煙霧報警控制系統(tǒng)的工作原理主要是指在火災事故發(fā)生時必定需要伴隨著氣體煙霧升高濃度以及煙氣溫度的不斷升高，所以當氣體煙霧升高濃度或煙氣溫度升高達到一定閾值時,煙霧濃度傳感器和溫度傳感器就會感應到一個信號源并進行數(shù)據(jù)處理模數(shù)將其轉(zhuǎn)化再到一個單片機板上進行信號處理,蜂鳴器就會發(fā)出刺耳的警告聲,紅燈隨后開始閃爍,系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2-1圖2-1系統(tǒng)總體設(shè)計框圖1.1.2控制模塊設(shè)計1.單片機類型選擇單片機是此設(shè)計的核心器件,可用于接收現(xiàn)場信號、命令報警和執(zhí)行相關(guān)操作。當報警系統(tǒng)正常運行時,檢測員和使用者應立刻記錄變化的煙霧濃度水平并對其進行需要的風險評估,以便進行處理。而且,在選擇能夠同時滿足數(shù)據(jù)報警器管理系統(tǒng)不同設(shè)計的數(shù)據(jù)計算運行速度及網(wǎng)絡接口管理功能不同要求的采用同一種類型商用單片化主機中,必須綜合考慮盡量選擇低成本價格和輕量大容量的單片機型。通過充分確保來電報警器的工作精度、可靠性和它的抗干擾性,可以在不需要提高設(shè)計成本的前提情況下大大縮小器件體積。由于現(xiàn)代信息電子科學技術(shù)的不斷飛速發(fā)展,單片機主控技術(shù)也逐漸開始廣泛運用推廣到現(xiàn)代人們的日常生產(chǎn)工作生活中,許多發(fā)達國家的數(shù)字集成電路生產(chǎn)廠商所推出的數(shù)字單片控主機系列產(chǎn)品種類齊全,然而,STM32系列數(shù)字單片控主機以其它集高性能、實時性、數(shù)字信號圖像處理[9]、低電壓等四大優(yōu)點于一身,同時由于保持著超高集成度和設(shè)計開發(fā)簡易的三大特點而已成為用戶首選。業(yè)界最強大的軟件產(chǎn)品線、基于多種工業(yè)設(shè)計標準的多核處理器、多個核心軟件和全套硬件支持開發(fā)工具將STM32單芯片微處理計算機軟件作為各種中小型公司大規(guī)模工業(yè)項目和滿足項目開發(fā)平臺需要的首選,故我們選擇使用STM32F103RCT6單片機。

以下是其引腳功能:VSS_2:接地端VDD_2:電源端為+5VVBAT:VBAT給RTC和備份區(qū)域供電USART/UART:進行異步通信TIM2-TIM7:無外部引腳與其相連,只有定時器功能1.單片機的最小系統(tǒng)單片機超微系統(tǒng)是指以最少數(shù)量的元器件構(gòu)成來使單片機正常運轉(zhuǎn)起來的系統(tǒng)[1]。其電路圖如圖所示。3.蜂鳴器模塊蜂鳴器通常是一種使用具有直流或高電壓電源供電或者一體模式構(gòu)造的小型電子信號蜂鳴器[2]。它的內(nèi)部發(fā)聲原理過程也并不復雜,通過控制外部環(huán)境可以提供額定的直流輸出電壓,將聲音能量快速傳遞反饋給多諧頻率振蕩器,從而可以使內(nèi)部電容器產(chǎn)生共鳴,然后將內(nèi)部產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成作為外部機械的動能,發(fā)出聲音能量傳到了人耳中。圖2-3蜂鳴器模塊電路圖4.GSM模塊短信信號發(fā)送控制模塊是在一個巨大的電路板上將GSM中的射頻核心芯片、基帶信號處理核心芯片、儲存器以及一個功率信號放大器整合到一起[3]。此處理模塊能夠?qū)崟r發(fā)送GSM射頻短信，進行數(shù)字語音射頻通話和GPRS射頻數(shù)據(jù)在線傳輸?shù)?，這等同于使用GSM通過網(wǎng)絡連接進行射頻通信的所有幾個基本功能?；蛘呖梢該Q個新的說法，GSM控制模塊只要加上手機外殼，顯示屏和內(nèi)置電池，就是構(gòu)成一部基本的無線智能手機，本文的作品通過無線串口通信使得一臺單片機與一個GSM控制模塊進行通信并且可以使用一種編程程式語言執(zhí)行命令生成控制模塊GSM，該模塊可用來直接實現(xiàn)各種類的無線通信控制功能，我們使用的是SIM800L的芯片，STM32通過發(fā)送AT指令讓GSM模塊發(fā)送信息。圖2-4短信發(fā)送模塊電路圖5.WI-FI模塊本系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)，通過Wi-Fi模塊實現(xiàn)煙霧濃度數(shù)據(jù)記錄的功能并繪制變化圖，此系統(tǒng)將濃度數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，實現(xiàn)環(huán)境的監(jiān)測，通過串口接收實物檢測到的溫度值，每隔一秒繪制一個溫度點，記錄一天內(nèi)的溫度變化圖，如圖所示,如果出現(xiàn)火災，就會彈出報警框。當插上SIM卡之后，就會收到短信提醒用戶。其中用到的上位機軟件我使用的是C++語言調(diào)用qt框架，這是一個C++的圖形應用框架，開發(fā)起來比較簡單方便。圖2-5記錄圖6.溫濕度模塊DS18B20被廣泛用作一種溫度變化測量集成電路的溫度傳感器[5]。DS18B20的一個數(shù)字信號溫度總線輸出由“一條線”數(shù)字總線線路實現(xiàn)(一條數(shù)字線路就是獨特的一個數(shù)字信號溫度總線傳輸協(xié)議)[4]。DS18B20便于用戶構(gòu)建無線傳感器管理網(wǎng)絡。而且，它為未來整體質(zhì)量測定處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)建立和技術(shù)組合應用提供了更大的發(fā)展可能性。與其他溫度傳感器產(chǎn)品相比,溫度計的測量工作精度，轉(zhuǎn)換過程時間，傳輸溫度距離和圖像分辨率大大提高，為用戶提供了便利。DQ:數(shù)字信號輸入／輸出端。GND:電源地端。VDD:用于外接寄生供電回路電源進出輸入端(在外接寄生回路電源輸入接線時此一引腳應用于接地)DHT11是一款有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器，其精度濕度±5%RH，溫度±2℃，量程濕度5-95%RH，溫度0~+50℃，供電電壓是3.3V接到傳感器的1號引腳。2號引腳為串行數(shù)據(jù)，單總線，4號引腳接地，為負極，圖2-6溫濕度傳感器電路1.1.3檢測電路設(shè)計1.溫度檢測電路溫度信號獲取控制模塊主要功能就是用來選擇溫度傳感器。對于溫度傳感器，DHT11數(shù)字信號溫度和微量濕度數(shù)字傳感器主要是通過輸入校準的溫度數(shù)字信號來將輸出后所產(chǎn)生的數(shù)字溫度和微量濕氣作為復合物質(zhì)的傳感器[5]。為了有效確保公司產(chǎn)品的質(zhì)量高可靠性和優(yōu)良的長期運行穩(wěn)定性，采用了特殊的智能數(shù)字控制模塊信號獲取控制技術(shù)和智能溫濕度自動傳感控制技術(shù)。DS18B20也可以作為溫度測量電路的溫度傳感器使用。而且，它為系統(tǒng)的建立和組合提供了更多的可能性。煙霧檢測電路煙霧測量傳感器系統(tǒng)是煙霧測量驅(qū)動裝置和煙霧控制驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分[7]。煙霧中毒警報的自動信號采集取得控制是使用煙霧警報傳感器的一個充分功能煙霧濃度傳感器系統(tǒng)可以將關(guān)于噴射氣體質(zhì)量種類和煙霧濃度的數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成無線電信號并根據(jù)這些無線電信號的測量強度,可以同時獲得與在特定環(huán)境中可能存在的有毒氣體含量有關(guān)的各種測量物理數(shù)據(jù),并且它還可以同時獲得用于檢測、監(jiān)視和監(jiān)測警告的多種功能?？梢哉f沒有精確可靠的安全危險傳感器,就沒有精確可靠的安全危險自動檢測、控制和自動安全報警信息處理控制系統(tǒng)，這兩者是唇亡齒寒的關(guān)系。作為煙霧警報不可或缺的一個核心檢測設(shè)備煙霧氣體傳感器，直接決定著我們收集檢測到的特定煙霧氣體濃度及該信號的警報精度和檢測可靠性。1.1.4系統(tǒng)實物圖和電路圖設(shè)計出實驗方案之后，建立工程，保存項目文件為“PCB_Project”，選擇文件夾放置項目文件，在項目里新建并保存上述原理圖，在項目中新建并保存PCB，從而建立出原理圖文件，如圖2-8所示。圖2-8煙火報警器電路圖然后根據(jù)原理圖生成PCB圖，并進行布線和敷銅。如圖2-9所示2-9敷銅圖然后根據(jù)電路圖連接實物圖，連接好的實物圖如圖所示：②②圖2-10實物圖主要元器件組成：STM32F103RCT6單片機GSM模塊：用于收發(fā)短信蜂鳴器：煙霧超過閾值發(fā)出滴滴的報警煙霧傳感器：接收煙霧信號SIM卡槽：放置SIM卡24C02芯片：掉電保存功能溫濕度傳感器：接收環(huán)境溫濕度信號1.2系統(tǒng)主程序設(shè)計1.1.1主程序設(shè)計首先必須要用5V電壓供電給本設(shè)備進行預熱，否則無法立即收集到有關(guān)煙霧的信息，因此在預熱期間，蜂鳴器會鳴叫，紅色LED發(fā)光，在預熱期間按下K1鍵就可以直接關(guān)閉蜂鳴器，預熱期間結(jié)束后，單片機會通過模數(shù)轉(zhuǎn)化功能讀取煙霧濃度并與自己設(shè)定的2200的煙霧濃度閾值作比較。主程序流程圖如下表所示。圖2-10主程序設(shè)計圖延時函數(shù)初始化里面配置時鐘和延時函數(shù)，接著配置中斷分組，接著初始化串口和上位機通信波特率為115200，然后初始化LED燈，配置OLED屏幕初始化，接著就是OLED屏幕清屏，接著在屏幕頂端顯示smokedetctor，等待DHT11初始化結(jié)束，等待過程中LED燈閃爍，蜂鳴器一段一段的發(fā)聲，接著出示ADC功能用來測量煙霧傳感器信號，OLED屏幕顯示溫度，濕度煙霧這三個英文。主程序初始化代碼如圖所示：圖2-11主程序初始化代碼圖屏幕顯示數(shù)據(jù)以及ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換收集數(shù)據(jù)代碼如下：圖2-12煙霧顯示代碼圖1.1.2報警子程序設(shè)計及流程圖當蜂鳴器的煙霧濃度超過設(shè)定的閾值時。蜂鳴器就會長鳴并發(fā)出尖銳的聲音刺耳蜂鳴器，相應位置的LED燈也會采取安全措施，或者蜂鳴器會通過閃爍一個發(fā)紅光提示操作人員進行自動控制的相關(guān)安全裝置。同時也可以進行自我測試。在電源被接通時。D2燈被點亮的情況下，意味著蜂鳴器正常，D2燈斷開，意味著蜂鳴器被禁止。為了有效防止系統(tǒng)錯報，在應用程序的設(shè)計過程中對系統(tǒng)進行了高精度的快速、重復性的檢測及對煙霧氣體濃度的糾錯警報。圖2-13報警子系統(tǒng)設(shè)計圖1.1.3控制按鍵設(shè)計子程序及流程圖為了使報警器能夠應對突發(fā)狀況，我在本設(shè)計設(shè)置了K1緊急報警鍵，以及復位鍵RST，如果0代表K1按鍵被按下過，蜂鳴器不報警，K1鍵就是取消蜂鳴器報警功能，在系統(tǒng)預熱過程中，我們可以按下K1來停止報警，接著煙霧濃度和濕度顯示在屏幕上，延時100ms之后讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，最