【火災報警系統硬件電路設計5400字】

第PAGE火災報警系統硬件電路設計目錄TOC\o"1-3"\h\u21127火災報警系統硬件電路設計 1325291.1火災報警系統的功能 1312381.2系統總體設計 22861.1.1實物組成設計框圖 2165641.1.2硬件設計框圖 2173751.3單片機原理及接口技術 3165551.3.1單片機的選擇 3258071.3.2單片機的引腳及功能 3246941.3.3時鐘電路設計 5200291.3.4復位電路設計 6225021.4傳感器的選擇與應用 788011.4.1煙霧傳感器的選擇 7110651.4.2MQ-2煙霧傳感器的介紹 8153031.5LCD1602顯示電路 974311.6通信模塊 11174021.7A/D轉換電路 1294061.8報警電路 13本文設計的系統主要想實現的功能：通過煙霧傳感器對建筑物內的氣體濃度顆粒進行探測，將探測到的數據送入單片機，單片機對這個數據進行分析和處理，判斷此數據值是否會超過預設值，如果大于預設值，會自動開啟聲光報警系統。并通過通信模塊給事先設定的手機發送短信和撥打電話，并且打開噴淋設備。1.1火災報警系統的功能室內火災報警系統主要由煙霧傳感器、液晶顯示屏LCD1602、A/D轉換器、LED燈和蜂鳴器、GSM通信模塊構成。主要的傳感器是MQ－2，它可以收集被測室內等區域的煙霧數據。然后通過A/D轉換模塊處理后模擬量就轉換為成數字量，然后將此數字量傳遞到單片機。當單片機檢測到數據時，它將與預設值做對比。如果超出數據的閥值之后，則開啟報警電路，系統進行聲光報警，提醒居民群做好相關措施來應對火災。同時還會打開噴淋系統進行噴水，從而進行滅火。聲光報警，通信等模塊與單片機的I/O口相連，實現相應的數據處理功能。1.2系統總體設計1.1.1實物組成設計框圖本文設計的系統是火災時煙氣參數值的顯示，以及其聲光報警和與滅火功能于一身的室內建筑火災報警系統，實物系統模擬圖如圖1.1所示。報警模塊開啟報警模塊開啟煙霧值顯示煙霧值顯示室內煙霧值室內煙霧值打開噴淋系統打開噴淋系統AAVV供電電池組供電電池組圖1.1實物系統模擬圖1.1.2硬件設計框圖通過分析系統設計方案可以知道，本次設計的室內火災報警系統采用的是一種以單片機型號為STC89C52為核心，然后通過與煙霧傳感器，以繼電器模擬噴淋系統，GSM模塊，蜂鳴器與LED等組成的聲光報警等模塊組合來實現對煙霧值顯示和報警。其系統組成框圖如圖1.2所示。圖1.2總體設計框圖1.3單片機原理及接口技術1.3.1單片機的選擇一臺微型計算機的組成就是將CPU，RAM（ROM），中斷系統，定時器，計數器和IO接口的各種組件同時組合集成到一個半導體中。它因為擁有容積小，成本低，使用方便等優點，在工業控制領域備受青睞。單片機是本次設計的核心所在。它需要接收被轉換過的煙霧值，然后自身做出判斷，與預設值做出對比，然后執行相應的報警，噴淋，通信系統等。在本次設計中，我們對于單片機的要求極其苛刻。我們需要單片機快速運行，能對煙霧傳感器傳輸的數據及時做出相應的處理。同時，在滿足同樣的要求下，我們應優先考慮價格低、體積輕的型號。這樣可以確保系統更具實用性和普適性。隨著單片機被許多行業廣泛運用，各種類型的單片機在國內市場不斷涌現。其中，MCS系列單片機憑借在指令和運行速度快，可靠性高與性價比高，技術先進等優勢，受到了企業與個人的青睞。在這當中C52系列因為價格低，IO口操作方便、硬件設計簡單等優勢成為了行業佼佼者。因此，宏晶科技公司生產的STC89C52RC成為了我本次設計的選擇。因為，經過宏晶公司的技術改進，它成為了傳統51單片機的增強型。這讓我們使用起來更方便。而且，它引腳進行了鍍鎳處理，不易被外界氧化，更經久耐用。1.3.2單片機的引腳及功能該單片機是STC推出新一代速度快，能耗低，具有抗干擾強的微型控制器。此單片機的引腳個數合計為40個，有其中8個引出端點不具備雙向輸入，輸出功能。2個引腳擁有串行通信功能。3個端口擁有計數，定時的功能。同時它的程序空間比C51系列大4個字節。此芯片在掉電模式下，CPU不會工作，RAM、定時器/計數器等模塊會繼續工作。該模塊以STC89C52RC為靈魂，在分別于復位電路、LED顯示電路、報警電路，GSM通信電路等子模塊相連接。該單片機的引腳如圖1.3所示：圖1.3單片機引腳圖該單片機引腳說明：和：(1)（40）電源端為5V。(2)（20）接數字地。引腳XTAL1和XTAL2：XTAL1（19）是振蕩電路反向放大器輸入端。(2)XTAL2（18）是振蕩電路反向放大器輸入端。控制信號引腳：RST（9）——復位端口。如需復位，接入的高電平寬度應大于24個時鐘周期寬度。ALE/（30）——用于對外輸出時鐘和定時。但對FLASH存儲器編程的時候，該端口還具備輸入編程脈沖的能力。（29）——外部程序存儲器的讀寫通信號端。低電平有效，內部ROM讀取時，不會發生動作。而外部RAM讀取時，會產生動作，并且一周期內動作兩次。（31）——此端口為外部允許端口，當此端口不接入高電平時，處理器有且只能執行處理外部存儲器的指令。相反，當接入高電位時，處理器只能處理內部存儲器的程序。I/O口P0，P1，P2，P3口都是8位雙向I/O口。其中P1,P3口還具備一些復用功能，具體介紹如下表：表1.1為P1口輸入端的復用功能。表1.2為P3口輸入端的復用功能。表1.1P1口輸入端的復用功能引腳的編號功能P1.0T2，定時器/計數器的外部輸入，時鐘電路接口的輸入P1.1T2EX,控制和捕捉觸發信號P1.5三個引腳的第二功能，主要都是在軟件系統編程時候，才使用P1.6P1.7表1.2P3口輸入端的復用功能引腳的編號功能P3.0RXD輸入口P3.1TXD輸出口P3.2INT0在主程序中打開中斷0后,此端口來低電平,就會觸發中斷P3.3INT1外部請求1，中斷申請標志為IE1P3.4T0定時器/計數器T0外部中斷P3.5T1定時器/計數器T0外部中斷P3.6WR存儲器的讀控制端P3.7RD存儲器寫控制端1.3.3時鐘電路設計時鐘電路是單片機的內心臟所在。它對單片機的運行速度，系統的穩定性有著重要的影響作用。一個時鐘電路由兩個微調的電容和一個石英諧振器等器件構成。對于電路中兩個電容值的取值，我們通常選擇30pf。而對于石英諧振器的頻率，因為此系統中，我們并不需要一個準確的定時時間。所以我們選擇的頻率為11.0592MHz，這樣我們就能得到一個準確的通信波特率。我們使用AD軟件和visio繪制了時鐘電路圖，如圖1.4和1.5所示。圖1.4AD繪制時鐘電路圖1.5Visio繪制時鐘電路1.3.4復位電路設計復位電路由+5V電源電壓,一個電容C和一個電阻R組成。它的工作過程如下：電源電壓給系統供電，然后對電容C給予充電，這個過程會給單片機上的RST引腳一個高電平信號。但這個信號不是一直不變的。它會隨著電源電壓對電容充電過程而漸漸削弱。而削弱的這段時間就是電路復位的時間。所以，我們也可以這樣理解:一個復位電路時間的長短與電容C的充電時間長短有關。圖1.7是visio軟件繪制復位電路。圖1.6復位電路圖1.7復位電路1.4傳感器的選擇與應用1.4.1煙霧傳感器的選擇煙霧傳感器是通過探測一定區域內氣體濃度，然后將此數據傳遞給中央處理器處理的一種元器件。隨著科學技術的不斷更迭，越來越多的煙霧傳感器出現在人們的視線中。目前，在國內市場上，出現的煙霧傳感器有離子式、光電式和氣敏式等。它們各有千秋，但都被相關技術人員運用到各個環境下檢測煙霧值。表1.3就對各個煙霧傳感器可檢測的煙霧種類進行了對比，方便我們能夠選出最適合本次設計的那款煙霧傳感器。表1.3各種傳感器可檢測的煙霧種類傳感器種類C0O2H2SNH3HCNHCICOCI2CI2NOXSO2O2CH4C3H2H2H2O半導體氣體傳感器○○○○○○○○○○接觸燃燒式傳感器◎○○○電化學式傳感器○○○○○○○○高分子電解質氣體傳感器◎○○○○注：○好◎不太好通過對以上應用特點的比較，發現半導體氣體傳感器的優勢還是比較明顯。所以我也決定采用一種半導體類型的煙霧傳感器—MQ－2型煙霧傳感器。通過對此煙霧傳感器實物的觀察以及商家的介紹，發現MQ－2型煙霧傳感器實物，做工精細，經久耐用。而且安裝方便，操作簡單。是這種短時間系統設計的不二選擇。而且它采用雙面板的設計。讓我們進行設計師：布線方便，簡潔，減小我們布線的工作量。它還具有電源指示與數字輸出端口開關信號的指示。更縮短我們對系統故障排查的時間。1.4.2MQ-2煙霧傳感器的介紹在我們現實生活中，MQ-2煙霧傳感器也經常出現在我們視野中。如果仔細觀察，可以發現我們家中和一些化工廠里面都會出現它的身影。它主要用于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。因此也被人們稱為多種氣體探測器。在我們日常生活發生的火災中最常見的氣體有：一氧化碳、氯氣、光氣、氨氣、二氧化硫、液化氣等。MQ-2煙霧傳感器猶如警犬一樣，能在第一時間就能嗅到火災中的氣體的氣息，準確探測，它是火災報警系統的第一道防線。也是構成我們防火減災關鍵防線。實物圖如1.8所示。圖1.8傳感器實物圖MQ-2煙霧傳感器還具備以下優點：檢測精度高，響應快，抗干擾性強，特別是對一些高濃度的非燃燒類氣體的探測能準確識別，不受到干擾，這為系統的精準報警與噴淋系統的開啟奠定了強有力的基礎。MQ-2具有靈敏度特性。靈敏度特性是指MQ-2在工作在最佳環境下，它去探測同種類型的煙霧，它內部阻值RS隨煙霧濃度變化的一種特性。用K來表示靈敏度特性：(1.1)式中R0的含義是指在干凈清潔的空氣環境下煙霧傳感器內部的電阻值。RS含義是指在具有煙霧的環境下，傳感器開始工作，其內部電阻值的大小。判斷靈敏度特性的好與否，與兩種環境下的電阻值有關。其中RS的獲取需要遵循以下式子:(1.2)式中m叫做氣體分率度。對于一般生活中的煙霧，m的選擇，我們都是在1/2與1/3這個范圍內進行選擇。C為傳感器檢測出來并顯示的煙霧值。n是一個常數值。它的取值又與探測到的煙霧值，元器件材料屬性有關。除此之外，它具體值的得來還與外界溫度的大小以及元器件材料中是否有含義敏感劑有關。MQ-2型傳感器的具體指標如表1.4。在我們設計實際使用過程中，我們電源電壓給系統上電之前，我們需要先對MQ-2進行一個預熱處理，且預熱時間應為20秒左右。這樣的目的是為了傳感器輸出的電阻與電壓是一個準確的值。避免造成系統對火災進行誤報的局面產生。表1.4MQ-2的具體指標具體指標詳細說明Vh(加熱電壓）5±0.2VRl（負載電阻）可調RH（加熱電阻）31±3Ω（室溫）PH(加熱功耗)不超過0.9W恢復時間不超過30s響應時間不超過10s探測煙霧的范圍100~10000ppm1.5LCD1602顯示電路在我們日常的生產與生活中，我們隨處可見液晶顯示屏的身影，計算器，電子手表，電視機等一些常用電子產品上都存在它的模塊。它所能顯示的數據也比較廣泛，比如數字，字母，還有一些特有的符號及圖片都能被它清晰地呈現出來。在液晶顯示屏的一系列產品中，LCD憑借功耗低，重量輕，壽命長等優勢而脫穎而出。我本次設計就決定選用LCD1602作為室內火災報警系統中顯示煙霧濃度的測量結果。它的技術參數如下：顯示容量高達16×2個字符，工作電壓在4.5V—5.5V這個范圍內，工作電流為1.0mA(5.0V）。即5V為此顯示器的最佳工作電壓。圖1.9為此液晶顯示器的實物。圖1.10為AD軟件繪制的LCD1602顯示電路圖。表1.5是此顯示器各個引腳的功能介紹。圖1.9LCD1602實物圖圖1.10LCD1602顯示電路表1.5LCD1602的各個引腳功能引腳圖符號狀態功能1電源地2電源5V3對比端控制4輸入選擇寄存器5輸入讀寫操作6輸入使能信號7三態LSB8三態LSB9三態LSB10三態LSB11三態LSB12三態LSB13三態LSB14三態MSB(數據總線）15輸入背光+5v16輸入背光1.6通信模塊本次室內火災報警系統中的通信模塊采用的是GSM模塊。它是一種接入設備，通過它可以將手機卡集成到通信中，然后實現發送短信，語音通話等一系列數據傳輸的功能。說簡單來就是：它與我們生活常用的通信工具—手機就相差一個鍵盤，一個顯示屏以及一塊可充電電池。它憑借小巧的外觀，高性價比的優勢已逐漸運用于各種工業場合。本次設計采用的GSM產品是SIM800C。它是一款SIMCOM公司生產的工業級四頻GSM/GPRS模塊。它工作頻率低。它相比于SIM900A產品只支持雙頻來說，SIM800C支持四頻。所以SIM800C的使用區域相比而言更加廣泛。實物如圖1.11所示。圖1.11GSM模塊實物圖該模塊有SMA天線接口，TTL電平串口，SIM卡卡座等。它與單片機只需連接發送線，地線，接收線這三根線就能完成自身功能。它還擁有一組鋰電池供電接口并且支持5V-18V寬電壓供電。同時模塊還有兩個指示燈，這樣讓我們在系統調試時，更方便檢測出故障所在。GSM的輸入引腳如圖1.12所示。系統給GSM上電后，它會自動開機，無需按鍵來控制開機。在室內火災報警系統中，GSM正常工作后，單片機對GSM進行控制。如果當探測器檢測煙霧值達到報警值，將此信號傳遞給單片機之后。GSM就會通過撥打電話和發短信給指定人員，提醒人們火災即將來臨。圖1.12GSM引腳圖1.7A/D轉換電路總線是由荷蘭飛利浦公司開發的一種串行總線。整個系統僅使用兩根線：數據線（SDA）和時鐘線（SCL）就可以讓信息在連接總線上的元器件之間發生傳遞。簡單來說：就是中間處理器與外界設備之間信息的傳遞只需這兩根線即可。這大大提高了交換速度，這種總線系統與其他系列的總線相比，結構