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單片機開發

火災報警系統單片機


基于單片機的火災報警系統設計

全球每年發生的火災數量逐年上升,其中住宅區火災占的比重最大,造成了嚴重的人員傷亡和經濟損失。當前,有很多火災報警系統正被廣泛應用于各種場所,但它們普遍存在不能及時將報警信號發送至管理人員的問題。因此,迫切需要設計一款反應速度快且可自動報警的多路火災報警系統,以便在火災初期準確探測災情,及時發送報警短信至管理人員的手機。

一、火災報警系統方案

火災報警系統的結構,如圖1所示。整個系統可以分為兩部分。一是上位機接收端監控顯示報警部分,二是下位機溫度和煙霧濃度測試子系統。在該設計系統中,測試子系統一共有三組。上位機子系統與下位機子系統采用NRF24 L01無線通信模塊進行連接,通信模式是一對三。

圖 1 火災報警系統結構

在下位機各個子系統中,以單片機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境的溫度和煙霧濃度,通過無線通信模塊NRF24L01將數據傳輸到上位機子系統即監控顯示端。監控顯示端中的控制芯片亦采用msp430。當系統接收到下位機傳送的數據后,通過液晶顯示屏12864顯示數據。若接收到的數據值高于系統的設定值,系統便發出警報聲,同時通過GSM模塊發送報警短信至管理員手機進行提醒。其中,上位機可以通過鍵盤模塊調節報警的限位值。

二、火災報警系統硬件設計

火災報警系統包含的硬件部分主要有上位機接收端監控顯示部分、NRF24L01無線通信模塊、下位機溫度和煙霧濃度采集單元。

2.1上位機接收端監控顯示部分

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

(1)核心控制器:MSP430單片機是一種16位超低功耗的微處理器,具有強大的處理能力、高集成度、穩定的工作狀態和豐富的片上外圍模塊等特點。火災報警系統選用msp430系列的msp430f169作為核心控制器,原因在于系統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單片機很難實現,而上位機子系統和下位機子系統通過采用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的外形結構也很輕巧,幾乎所有的工業應用場合其尺寸都適用。SIM也經常被使用于移動設備,如智能手機和掌上電腦。另外,SIM具有語音通話和短信發送功能,且待機功耗低。該設計系統使用的正是其短信發送功能。GSM通信模塊的接收端和發送端需要分別接到單片機的P1.0和P1.1管腳。該模塊發送短信需要進行三方面設置。第一,設置GSM工作方式;第二,發送中文短信需要設置PDU模式;第三,設置發送短信的長度。

(3)12864液晶顯示和按鍵電路設計:該系統采用三路數據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行數據。因為系統包含3個下位機測試系統,在進行上位機顯示時設置為三行分別顯示,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,顯示程序復雜,但其顯示效果優勢明顯,可以完整顯示信息。而LCD1602只方便顯示數字和字母,且只能顯示兩行,顯示字體的大小也有限制。

在上位機系統中加入按鍵電路,作用是調整溫度和濃度的報警限位值。實際使用過程中,系統會遇到季節的變更,環境溫度會相應發生改變。因此,需要調節報警溫度值,如夏天環境溫度很高,報警溫度值需要適當上調,而冬天正常環境溫度較低,需把報警溫度值向下調節。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雜,按鍵電路在設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

該火災報警系統由上位機子系統和下位機子系統兩部分組成。上位機與下位機之間的通信采用NRF24L01無線通信模塊。NRF24L01與中央控制器以SPI通信方式進行連接。NRF24L01的工作頻率是2.4~2.5GHz,通用性強,可以連接到各種單片機芯片完成無線數據傳送工作。此外,它的電流功耗低,在發送模式時電流消耗約為11.3 mA,接收模式約為12.3 mA,而待機模式下功耗更低。

在上位機子系統線路連接中,24L01芯片要與單片機的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,由單片機發出信號來控制是否允許向24L01輸寫數據。MOSI是輸入信號,與單片機的P1.3相接,由單片機向無線模塊發送數據。MISO是模塊的輸出信號,是無線模塊向單片機發送數據的接口,與單片機的P1.4相接。IRQ是模塊輸出接口,是無線模塊產生中斷信號并發送給單片機的接口,與單片機的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的P1.6相連接,由單片機發出信號來控制無線模塊的讀或寫的運作節拍。CE是無線模塊的輸入信號,與單片機的P1.7相接,由單片機給出信號控制24L01內部射頻電路是否開始工作。下位機子系統中,無線通信模塊的管腳連接單片機的P2.0~P2.5。在整個火災報警系統中,采用一對三的通信模式,即一個節點接收,三個節點發送。上位機工作在接收模式,而3個下位機中的無線模塊都工作在發送模式,然后將檢測到的溫度和煙霧濃度數據發送到上位機系統并顯示出來。

2.3下位機溫度和煙霧濃度采集單元

(1)煙霧濃度檢測電路設計: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,性能遠優于氣敏電阻類傳感器,對微小煙霧粒子的感應尤為靈敏。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,報警響應時間短。它的1管腳為輸信號端,當檢測到煙霧濃度發生變化時,從1號腳輸出高電平到單片機的P1.1管腳,原理如圖2所示。

圖 2 煙霧濃度檢測原理圖

(2)溫度檢測電路設計:溫度檢測電路中使用DS18B20傳感器,可以準確有效地采集周圍環境溫度。它的優點是靈敏度高,數據精確。DS18B20有3個管腳,兩邊的管腳分別接地和電源正極,中間管腳是數據輸出口,與msp430單片機的P1.2端口連接。單片機將溫度傳感器檢測到的溫度通過P1.2端口輸入到內部。DS18B20采集到的溫度數據為模擬量信號,而msp430單片機內部具有模數轉換單元,電路不需另外再接入模數轉換芯片。模擬量信號經內容轉換為數字量信號,進而在顯示屏上顯示出來。

(3)下位機數據顯示:下位機檢測系統顯示電路應用LCD1602顯示屏。由于在下位機采集系統中只需要觀察系統的溫度和煙霧濃度,用LCD1602即可完整顯示。LCD1602的電路接線和驅動程序較12864都相對簡單,是下位機系統的不二之選。

三、火災報警系統軟件設計

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

GSM報警程序的執行過程:進入警報程序,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發送程序,最后結束程序。

結論

該系統創新之處在于以下幾個方面。第一,煙霧傳感器的使用。系統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的發生。第二,主控芯片選用msp430單片機。msp430單片機與51單片機相比,具有更低的功耗和更強的處理能力,且系統使用場所為火災現場,在火災導致室內斷電時,小系統功耗的msp430單片機是最佳的選擇。第三,設計使用GSM模塊進行短信報警,第一時間將火災情況發送至檢測者,從而及時救援受害者。

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