PAGE5單片機(jī)控制的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u20204單片機(jī)控制的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證案例分析 1138661.1火災(zāi)預(yù)警整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15481.2硬件設(shè)施的選擇 1188891.2.1微控制器芯片的選擇 176981.2.2溫濕度模塊的選擇 2219511.2.3蜂鳴器的選擇 4119161.2.4無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊選擇 531551.2.5顯示模塊的選擇 6172541.2.6水泵 71.1火災(zāi)預(yù)警整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本章通過(guò)對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上的幾種報(bào)警方式方案進(jìn)行分析介紹，并最終確定方案，對(duì)方案進(jìn)行可行性分析。本設(shè)計(jì)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)使用的是STM32為控制芯片，它是一個(gè)性能優(yōu)越的控制芯片，顯示屏幕用LCD1602顯示參數(shù)。外圍環(huán)境數(shù)據(jù)采集電路模塊由DHT11采集環(huán)境溫濕度、MQ-2作為煙霧傳感器采集環(huán)境煙霧是否異常（采集層）、蜂鳴器作為報(bào)警模塊（應(yīng)用層），外加水泵滅火模塊。通訊模塊使用GSM模塊（傳輸層）。當(dāng)監(jiān)測(cè)到環(huán)境異常有火災(zāi)發(fā)生的險(xiǎn)情時(shí)，煙霧傳感器和溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境異常，微處理器處理異常數(shù)據(jù)，并控制蜂鳴器發(fā)出刺耳警報(bào)聲，同時(shí)開(kāi)啟水泵。微處理器控制GSM模塊發(fā)送預(yù)警信息到指定手機(jī)，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)警功能。設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖如2-1所示。圖2-1系統(tǒng)總體框圖1.2硬件設(shè)施的選擇1.2.1微控制器芯片的選擇方案一:選用AT89S52單片機(jī)。該單片機(jī)的外用可編程引腳并不多，只有32個(gè)，雖然他的價(jià)格較低，但是其內(nèi)部資源少，其主頻更是很低，片上只有一個(gè)串口和兩個(gè)定時(shí)器，flash也少，八位機(jī)的性能限制了其工作的運(yùn)行速度，無(wú)不能進(jìn)行高頻率的工作和數(shù)據(jù)采集。可編程資源有限。實(shí)物圖如2-2所示。方案二:選用STM32F103芯片。內(nèi)核是M3，架構(gòu)是ARM，32bit的性能大大提升了其在程序上的運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)采集處理速度，相對(duì)于八位機(jī)有了更深層次的提高。同時(shí)，其具有豐富的片上資源和外設(shè)、編程有強(qiáng)大的資源庫(kù)，大大降低了編程的難度。實(shí)物圖如2-3所示。圖2-2AT89S52單片機(jī)圖2-3STM32F103芯片表2-1微控制器芯片對(duì)比表型號(hào)參數(shù)AT89S52單片機(jī)STM32F103芯片工作效率0Hz~33MHz72MHz存儲(chǔ)器8k64k16位定時(shí)器3個(gè)4個(gè)I\O口3237對(duì)比了表2-1的兩種單片機(jī)性能，由于本設(shè)計(jì)需連外設(shè)較多，對(duì)于微處理器的性能有一定的要求，使用8bit的單片機(jī)性能和引腳數(shù)目上都不滿足需求，故微控制器芯片選擇方案二。1.2.2溫濕度模塊的選擇方案一：SHT20高精度的傳感器。這個(gè)傳感器采用的也是IIC的常規(guī)接口電路，其原理是將空氣中的溫濕度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并通過(guò)數(shù)據(jù)腳發(fā)送到和它通信的單片機(jī)上，SHT20的工作電壓也很寬，精度更是可以高達(dá)0.3℃，溫度和濕度的測(cè)量范圍為+10-60℃，+20-90％。但是市場(chǎng)上其所售的價(jià)格偏高，而且他與單片機(jī)通信需要兩根線。一定程度上有了很大的資源占用，產(chǎn)生了局限性。成本高。實(shí)物圖如2-4所示。方案二：使用DHT數(shù)字溫濕度采集模塊。他使用的是One—wine的單總線的協(xié)議，只需要一根線就可以和微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溄印Ｍ瑫r(shí)，他也有較高的測(cè)量精度。也可以將溫度和濕度的量直接轉(zhuǎn)換成通信單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字量，溫濕度測(cè)量范圍分別是-40°-80°，10%-95%，測(cè)量的范圍很寬，再者DHT11價(jià)格低廉，大大提高了性價(jià)比和節(jié)省了成本。實(shí)物圖如2-5所示。圖2-4SHT20傳感器圖2-5DHT11傳感器表2-2傳感器參數(shù)對(duì)比表型號(hào)參數(shù)SHT20傳感器DHT11傳感器輸出I2C數(shù)字/PWM,SDM輸出/模擬電壓接口3.3~5.5VDC

單總線數(shù)字信號(hào)供電電壓1.1至3.6V3.3~5.5V相對(duì)濕度工作范圍0%-100%5%–95%溫度工作范圍-40°C-+125°C-20°C~+60℃響應(yīng)時(shí)間8s6s根據(jù)方案的大致分析和表2-2的對(duì)比，在可以實(shí)現(xiàn)功能的前提下，使用方案二作作為環(huán)境溫濕度的采集，價(jià)格更優(yōu)，效果也好。1.2.3煙霧傳感器模塊方案一：DART傳感器，傳感器測(cè)試在293K,1個(gè)大氣壓下，相對(duì)濕度為35%。傳感器儲(chǔ)存在密封的塑料袋中，環(huán)境溫度20℃,以使其壽命達(dá)到最大。有兩種版本滿足不同的市場(chǎng)需求。優(yōu)異型版本是針對(duì)較高性能要求的應(yīng)用中，例如科學(xué)儀表中或者安全危機(jī)應(yīng)用中。經(jīng)濟(jì)型版木是簡(jiǎn)化的版本，在成本因素比較關(guān)鍵，對(duì)精度要求不是很高的情況下，能夠提供足夠的性能。DART傳感器實(shí)物圖如2-6所示。方案二：MQ-2煙霧傳感器是比較受青睞的煙霧傳感器，這種傳感器性能都是比較優(yōu)越的，而且抗干擾能力也很不錯(cuò)，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測(cè)。故因此，MQ-2可以準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是一個(gè)多種氣體探測(cè)器。且MQ-2傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。MQ-2傳感器實(shí)物圖如2-6所示。圖2-6DART傳感器圖2-7MQ-2傳感器表2-3傳感器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表DART傳感器MQ-2傳感器1.靈敏度和恢復(fù)響應(yīng)特性都達(dá)到了一定的高度，但選擇性不高，主要是甲醇、乙醇、苯、甲苯、硫化氫、氨氣、酒精、液化氣、汽油等的干擾。1.傳感器受溫度、濕度影響，要進(jìn)行溫度、濕度補(bǔ)償，選擇性和靈敏度都不高。1.具有信號(hào)輸出指示。1.雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）。3.TTL輸出有效信號(hào)為低電平。（當(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮）。4.模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高。5.對(duì)液化氣，天然氣，城市煤氣等有較好的靈敏度。通過(guò)具體分析和對(duì)照表2-3傳感器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，故選用MQ-2煙霧傳感器作為檢測(cè)空氣中的濃煙霧，其檢測(cè)濃煙是電化學(xué)檢測(cè)原理，輸出模式是TLL電平輸出。故采用MQ-2作為該系統(tǒng)的煙霧傳感器。1.2.3蜂鳴器的選擇目前市面上的蜂鳴器種類大致可以分為有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器兩種,所謂有源蜂鳴器是帶震蕩源的蜂鳴器，其內(nèi)部有個(gè)震蕩電路，接通電源的時(shí)候，有源蜂鳴器并不能發(fā)出聲音，需要一定頻率的電平信號(hào)才能發(fā)聲；無(wú)源蜂鳴器則不同，其內(nèi)部沒(méi)有震蕩電路，其只要通上電壓即可發(fā)出刺耳類似蜂鳴一樣的聲音，其實(shí)質(zhì)上等于揚(yáng)聲器。市面上的無(wú)源蜂鳴器比有源的蜂鳴器貴得多，但在本設(shè)計(jì)中，以實(shí)現(xiàn)功能為前提，考慮到成本以及控制難度，故選擇無(wú)源蜂鳴器作為報(bào)警器，其實(shí)物圖如圖2-8所示。圖2-8蜂鳴器實(shí)物圖1.2.4無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊選擇方案一:ESP8266模塊ESP8266是一種UART的無(wú)線模塊，類似于WIFI。他是一種集成度比較高，可編程的無(wú)線模塊，他板載上有MCU，是可編程。因此能夠和其他微處理器建立數(shù)據(jù)通信，他工作時(shí)，需要靠AT指令進(jìn)行控制，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)利用了WIFI的功能特點(diǎn)。他的優(yōu)勢(shì):很好的集成度、效率高等。缺點(diǎn):ESP8266由于是類似于WIFI的原因，因此它并不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)和注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)。而且也受到距離的限制，當(dāng)沒(méi)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，便無(wú)法工作。數(shù)據(jù)進(jìn)而無(wú)法收發(fā)。其實(shí)物圖如圖2-9所示。方案二:GSM無(wú)線模塊GSM模塊，能夠構(gòu)建蜂窩網(wǎng)，GSM網(wǎng)絡(luò)能夠運(yùn)行在多個(gè)不同的無(wú)線電頻率上，GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器功放器件等集合在一塊線路板上，具有獨(dú)立的功能和操作系統(tǒng)。同時(shí)他還具有發(fā)送短信，語(yǔ)音通話、GPRS地理位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功。GSM有幾大優(yōu)勢(shì)，（1）覆蓋非常廣，其能夠構(gòu)建蜂窩網(wǎng)。（2）超低的使用功耗。（3）開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，使用AT命令即可控制。（4）便于集成，重量小。相對(duì)于ESP8266比較，GSM不需要受到WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的限制。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋廣，模塊信號(hào)增益強(qiáng)。能夠隨時(shí)接入附近的蜂窩網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)效率通信，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，數(shù)據(jù)不丟包。其實(shí)物圖如圖2-10所示。圖2-9ESP8266模塊實(shí)物圖圖2-10GSM模塊實(shí)物圖表2-4無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊比較圖型號(hào)參數(shù)ESP8266模塊GSM無(wú)線模塊相對(duì)比較1.ESP8266支持softAP模式，station模式，softAP+station共存模式三種。1.ESP8266的透?jìng)鞴δ?.可以通過(guò)串口發(fā)送AT命令和數(shù)據(jù)1.支持符合GSM07.10協(xié)議的串口復(fù)用功能3.支持從1200bps到115200bps的自適應(yīng)波特率檢測(cè)功能4.可編程的通用輸入輸出接口（GPIO）。本設(shè)計(jì)要求對(duì)用戶發(fā)送報(bào)警信息，而且需要穩(wěn)定可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)表2-4無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊比較圖分析，因此選擇方案二更符合本設(shè)計(jì)的需求。最終選擇GSM模塊用于無(wú)線通信。1.2.5顯示模塊的選擇方案一：OLED顯示屏。OLED的是一種有激光發(fā)的半導(dǎo)體。OLED的顯示技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如對(duì)比度好，亮度好，廣角散光低等特點(diǎn)。最重要一點(diǎn)是，他的顯示并不需要背燈光就可顯示。OLED的亮度其實(shí)取決于給他通的電流，電流大就越亮。但是他的制造技術(shù)高，成本材料貴。目前并不普及于所有電子產(chǎn)品使用。實(shí)物圖如圖2-11所示。方案二：LCD1602顯示屏。其是一種字符型液晶顯示模塊，它是由字符型液晶顯示屏（LCD）、控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成。LCD1602顯示屏幕在電子設(shè)備上也有用處，使用在多種小型電子設(shè)備上。如手表，電子萬(wàn)年歷等。且價(jià)格低廉。實(shí)物圖如2-12所示[3]。圖2-11OLED顯示屏圖2-12LCD-1602顯示屏表2-5顯示模塊比較圖型號(hào)參數(shù)OLED顯示屏LCD1602顯示屏1.功耗低1.響應(yīng)速度快3.較寬的視角4.能實(shí)現(xiàn)高分辨率顯示5.寬溫度特性1.顯示容量：16×2個(gè)字符。1.芯片工作電壓：4.5~5.5V。3.工作電流：1.0mA（5.0V）。4.模塊最佳的工作電壓：5.0V5.字