烟雾浓度无线报警器设计Word文件下载.docx

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烟雾浓雾无线数据传输系统设计

1.概述

随着科技的进展，生活中的安全隐患也愈来愈多，火灾和燃气爆炸即是生活中最大的安全隐患。

吉林宝源丰禽业有限公司在2013年6月3日发生火灾，这次火灾中有121人死亡，76人受伤。

事后调查火灾原因，是因为主厂房部份电气线路短路引发火灾，然后高温致使氨设备和管道发生爆炸。

逝者安息，生者长思，是什么原因致使了如此悲剧？

又该采取如何的方式和手腕来避免如此事故再次发生？

据不完全统计，2014年第一季度便有70余起燃气爆炸事故，大小火灾更是事故频发，咱们需要利用现代化的科技来保障咱们的人生财产安全。

火灾报警器即是专门好的一种及早发觉火灾隐患，避免火灾发生的一种科技产物。

有线火灾报警器一般由检测单元、报警单元、显示单元和火灾报警控制单元几个部份组成。

火灾报警器的数据通信是通过总线传输的，此刻常常利用的是两总线控制系统，两条总线既发送电源信号也发送数据信号。

但是伴随着人们的家庭和工厂电路的越发复杂，这种有线火灾报警器的一些短处也逐渐显露出来。

例如：

线路设计复杂、报警不够及时等等，若是报警线路第一被烧毁，那么火灾报警器便形同虚设。

面对有线报警器的这些不足，咱们必需要采用新的技术与方式来进行解决。

在此，我想到了无线数据传输技术在现今进展迅猛而且日趋成熟。

无线网络在咱们的生活中可谓是无处不在，所以我尝试着利用无线传输的便捷性和快速性来作为这次设计的课题：

烟雾浓度的无线数据传输，也能够说是无线火灾报警器。

用无线传输数据能够精简线路，避免没必要要的意外产生。

无线数据传输具有低本钱、传输速度快、传输范围广等长处，适合预警电路的设计。

美国是第一个进行无线火灾报警器的，利用无线通信的便捷性，能够减少对建筑的损坏。

这种无线烟雾传感器是依托现场烟雾检测，利用无线进行数据的发送。

可是由于一些客观原因，致使的无线烟雾系统所能利用的频率和功率都有限制，所以阻碍了其进一步的进展。

可是随着电子信息技术的日趋成熟，无线通信的迅速进展为无线报警装置的深切研究提供了便捷。

作为另外考虑到烟雾的产生是火灾的一个重要特点，所以采用烟雾浓度检测来实现对场所的监控。

现场控制对于烟雾传感器的种类很多，按照不同地方的不同需要能够灵活利用传感器类型，实现对不同烟雾的检测和监控。

无线烟雾报警器与有线相较，能够大大降低制造本钱。

在现场控制中，能够加倍速速、精准地进行数据的收集和发送。

作为无线系统，其安装方式加倍灵活，通信方式也能够采用多种通信方式结合，如此加倍方便利用。

尤其是在一些古代建筑中，安装无线报警器能够消除布线带来的损坏。

本设计想要通过烟雾传感器对现场进行控制，然后将收集到的现场信号通过无线发送到控制现场，进行故障分析。

当系统接收到故障信号以后会通过单片机发送到报警电路，发生报警。

在系统设计当中，需要考虑到对现场信号收集的及时性和准确性，而且要保证无线信号的快速性，如此才能使报警器发挥其最佳功能。

本设计说明书第一对方案的整体设计进行了对比和选择，肯定方案以后对各个功能模块进行选择和设计。

系统设计主如果从硬件设计和软件设计两个方面进行介绍的，对于硬件的主电路图进行设计和说明，对各个功能段的软件设计也进行了详细的说明。

以后进行软硬件调试，将程序烧进电路当中，运行调试程序。

在本设计说明书当中会详细介绍烧写程序的进程。

本设计是基于51单片机的烟雾浓度检测无线数据传输系统。

以51单片机为核心，通过烟雾传感器检测烟雾浓度，通过A/D转换以后传送给单片机数据，然后通过无线进行发送和接收，最终完成烟雾浓度的检测与报警。

本设计利用AltiumDesigner10软件设计电路图，该软件功能壮大，具有很全的元件库。

也能够利用该软件画出所需元件进行封装，利用方便。

电路原理图设计出来以后进行PCB板的封装。

本设计利用的是MQ-2烟雾浓度检测模块，能够检测一氧化碳等气体浓度。

其检测到烟雾浓度以后通过MUC自带的A/D转换功能将模拟量信号转换为数字量信号，而且由NRF24L01无线发射模块发送到无线接收端。

无线模块接收端收到数据以后通过单片机发送给液晶屏显示模块，从而显示烟雾浓度。

当烟雾浓度超过设定值时，蜂鸣器将报警，提示用户有火灾危险。

对烟雾浓度无线数据传输系统的研究是基于现今无线传输技术的进展，无线传输具有方便、简捷等长处，是未来信息传输技术研究的重点。

所以本设计通过无线数据传输技术，使传统的烟雾浓度检测报警变得加倍便利，能够实时检测烟雾浓度数据，而且能够提前预警，为人们的安全提供了保障。

2.整体方案设计

2.1方案比较与选择

烟雾浓度的无线数据传输系统需要实现多种功能。

第一是烟雾浓度的检测，然后是无线数据的传输，继而是报警电路。

关于这次设计，我制定了两套设计方案：

方案一：

利用烟雾传感器进行烟雾的检测，利用放大电路和A/D转换模块，将模拟量信号转换为数字量信号。

通过无线模块接收到的发射端发送的数据，然后在LED数码管上进行显示。

设定好给定值，当超过设定值时报警。

方案二：

利用烟雾浓度检测模块，模块集成了对比电路和预热电路，以此来完成对烟雾浓度的检测，而且能够使检测值显示在显示屏上。

采用LCD液晶显示屏，使其显示更多的信息，而且显示加倍清楚。

综合来看以上两个方案，大致思路都是差不多的。

可是方案二利用的是集成模块，在制作时更方便一些。

若是运用放大电路，放大器的延时会比较长，对于实际功能的实现会有必然的影响。

利用对比电路，缩短了延时，能够使检测到的数值传输加倍及时，减少没必要要的误差。

2.2方案总结

从上面的比较能够看出来，方案二从灵敏度、准确性和便捷性都要优于方案一。

方案一中的放大电路延时较长，难以将收集到的信号及时传送到单片机进行处置。

而且放大器与A/D芯片会占用更多的引脚，为实物制作带来不便。

方案二则能够节省更多引脚，是电路变得简练，而且具有更高的稳固性与及时性。

所以通过比较，最终我决定选用方案二作为本次设计的设计思路。

2.3整体方案设计

本设计的思路是以单片机为核心，搭建烟雾浓度检测模块、A/D转换模块、无线数据传输与接收模块、液晶屏显示模块及蜂鸣器报警模块。

3.硬件设计

3.1无线模块简介

3.1.1红别传输

红别传输技术是较早开始利用的无线传输方式，在家电遥控器当中有着普遍的利用，所以大家对其熟悉比较早。

红外无线传输方式是依托红外线作为介质的，利用的电磁波的波长为750nm~1mm。

而在咱们利用的红外线中，一般利用的红外波长在850~900nm之间。

但是红外线对于障碍物的衍射能力差，所以难以实现长距离无线通信，一般利用在短距离无线数据传输当中。

初期电话也是利用过红外进行数据的传输和互换，可是后来逐渐被另一项技术替代，那即是咱们下面要介绍的蓝牙无线技术。

3.1.2蓝牙无线技术

早起提出蓝牙概念的是爱立信公司，后来由爱立信公司联合英特尔、IBM、诺基亚和东芝等公司一路开展了研究。

蓝牙技术此刻的用途可谓十分普遍，尤其是在移动电子设备当中，从电话蓝牙的应用，衍生出了蓝牙耳机、蓝牙智能腕表、蓝牙智能手环等一系列的智能设备。

蓝牙技术以其低本钱、高靠得住性等长处，成了电子产品的宠儿。

蓝牙的传输范围可能在十米左右，所以也适用于短距离数据传输当中。

3.1.3GSM无线传输模块

提及大家比较熟知的无线传输技术，GSM也是尤其常见的。

该技术主要应用于移动电话当中。

电话在手，走遍全世界，正是GSM技术的出现，使这一想法得以实现。

GSM以其稳固性强、信息灵敏、网络容量大等长处在移动通信中取得了普遍应用。

3.1.4wifi无线网络技术

Wifi无线网络技术以其散布范围广、传输速度快、传输距离远等长处取得了现代人的亲睐。

WiFi技术普遍应用于工业运算机网络和家庭网络当中，是一种全新的无线网络传输技术，令人们能够享受到加倍速捷方便的无线网络。

3.1.5无线传输模块

无线传输模块在单片机的无线传输系统设计中也是比较常常利用的，因为其与单片机的电路连接设计更简单，具有简单、方便等长处。

此刻许多公司也开始进行无线模块的研发，在技术上也有了许多的创新，使咱们的选择也变得加倍多样化，能够按照需要选择不同的无线模块进行设计，常常利用的无线模块型号有nRF90五、nRF2401AG、CC2500、BK2411和nRF24L01等。

nRF905是挪威NORDIC公司研发的低于1GHz无线数传芯片，该芯片是一种低功耗低本钱的无线芯片。

nRF2401AG也是挪威的Nordic研发的的另一种型号的无线模块，与nRF905的不同在于工作频率的不同，其工作频率范围为2.4GHz,。

该模块传输数据的速度为高速度1Mbit/s,如此一个传输数据是优于蓝牙的。

其工作频率和发射频率等都能够通过软件设定。

其工作电压为1.9～3.6V低电压,是一种低功耗的传输模块。

CC2500无线模块是由美国TI公司进行研发并投入生产利用的，其有多种调制方式，包括ASK/OOK/2-FSK/MSK等，可按照需要的不同选择不同调制方式，如此使其工作小笼包大大提高。

可是与nRF2401AG相较，其传输速度为500kbit/s，低于nRF2401AG，可是若是对传输速度要求不是太高，能够考虑选择。

BK2411是国产研发的，由上海博通生产研发并投入利用的。

其传输速度能够高达1Mbit/s乃至2Mbit/s。

该模块具有价钱低廉的长处，可是在同样误码的情形下，距离具有明显的不足、

nRF24L01也是Nordic公司研发的，是在nRF2401AG的基础上进行升级的产品。

该模块具有较低的功耗，与蓝牙无线传输相较，具有更高的传输速度，是新型的无线传输模块。

其也具有价钱低廉的长处，在此刻的一些无线传输系统中应用中比较普遍。

综合比较以上几种无线传输模块，本设计选择的是NRF24L01无线模块。

在本设计说明书的后面将会主要介绍该模块的功能。

3.2烟雾浓度传感器简介

3.2.1烟雾浓度传感器的分类

烟雾浓度传感器的研究由来已久，而且在技术上取得了很多的创新与冲破，烟雾浓度传感器此刻比较常常利用的有三种：

离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感器和气敏式烟雾传感器。

离子式传感器是此刻比较先进，在消防报警系统中应用比较普遍的一种烟雾浓度传感器，而且工作稳固，性能优于气敏电阻类的传感器。

光电式烟雾传感器则是靠内部的光学迷宫按照红外光的折射反射来智能检测烟雾的浓度。

气敏式烟雾传感器则主要用于检测一些特定气体，按照它的特点，其中应用较多的是半导体技术。

在本设计当选择的是MQ-2型号的烟雾浓度传感器模块，该传感器模块主要用于检测丁烷、甲烷、酒精、液化气等浓度的检测，适合家庭生活中的烟雾浓度检测。

3.2.2MQ-2烟雾浓度传感器模块

在设计中比较常常利用的烟雾传感器一般是MQ系列的，主要包括MQ-二、MQ-3、MQ-7、MQ-9等。

这几款产品都有自己特定的检测气体。

例如MQ-3一般用于检测酒精气体，MQ-7主要用于检测一氧化碳气体的浓度，MQ-9也是主要用于一氧化碳气体浓度的检测。

而MQ-2是一种基础性的气体浓度传感器，能够检测一氧化碳、酒精、氨气等多种气体浓度的检测。

在本设计中将利用的是MQ-2传感器，他是一种电化学传感器。

MQ-2烟雾浓度传感器具有普遍的探测范围，而且其还有灵敏度高、稳固性强、驱动电路简单等长处，适合在家庭和工厂的烟雾浓度检测中利用。

MQ-2烟雾浓度传感器模块能够通过电压的改变来实现对检测到烟雾浓度的转达，由于本设计要将烟雾浓度值显示在液晶屏上，所以利用了MQ-2烟雾浓度传感器模块，模块结构与引脚如图3-1。

图3-1MQ-2传感器模块内部电路引脚图

由图能够看出，该模块由预热电路和对比电路组成。

MQ-2要想实现烟雾浓度的

AD转换，必需要进行预热，这即是预热电路的作用。

而对比电路则是为了实现信号的放大，使咱们观测到的数据加倍准确，让报警加倍及时。

图中1端口接电源正极，供5V电源；

4端口是接地端，与单片机的GND端口连接即可；

2端口是DOUT端口，输出电平信号。

随着烟雾浓度的增加，DOUT端口输出的电压降低，范围0-5V之间。

AOUT则是模拟量信号输出端口，输出模拟量信号，此端口与单片机的P1口连接。

3.3单片机的选取

3.3.1单片机介绍

单片机在先此生活中应用普遍，从电子设备如MP3、MP4抵家用电器如电冰箱、全自动洗衣机，再到工业现场的自动化设备，单片机的身影无处不在。

第一介绍一下单片机，简单的说单片机就是一种微型的运算机，在单片机中有寄放器、计数器和处置器等。

能够举个简单的例子，咱们来看一下咱们接触最多的智能电话。

现在的安卓电话功能堪比运算机，仔细研究一下能够发觉智能机也是由寄放器、处置器、计数器等组成的。

解剖一下智能电话，能够发觉电话内部有许多分区，常见的分区有DATA（数据）分区和system（系统）分区，这两个分区是来存储数据和系统应用的。

而咱们比较关注的电话的处置器，也就是用来处置电话数据的。

单片机也能够类比于智能机，地址和数据寄放器用来存储地址和数据。

对于地址与数据的作用与关系，咱们再举一个简单地例子，此刻咱们要去找一个朋友，那么第一咱们要明白他的地址，这其中包括直行、左转、右转，在什么地方进行什么样的动作，这也就是地址与数据。

下面介绍一下单片机的作用，咱们仍是用智能机来做例子，咱们如何让智能机具有蓝牙传输功能呢？

第一咱们要在电话主板上接上一个蓝牙，然后通过软件系统来控制蓝牙的利用。

单片机也是一样，当咱们想要做一个蓝牙模块的时候，咱们只需要将蓝牙接入单片机，然后通进程序来实现蓝牙的功能。

3.3.2单片机引脚介绍

我学习的主如果C51系列的单片机，这也是咱们比较常见的单片机，该系列单片机具有内部处置器和寄放器，由四十个引脚组成，其中包括电源、时钟、并行I/O口、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP。

VCC、GND：

这两个引脚是用于供电的，能够将它们接在5v电源的两极，为单片机提供电源。

P0口：

P0口具有八个引脚（P0.0~P0.7），P0口具有数据总线口和分时复用8位地址总线两个功能。

在接该口时需要接上拉电阻。

P1口：

具有P1.0~P1.7八个引脚，该口能够用做位处置，可用来数据的输入和输出。

P1口内部具有上拉电阻，所以在连接该口时不需要接上拉电阻。

P2口：

具有P2.0~P2.7八个引脚，该口能够用做通用I/O端口，也能够在扩展外部存储器时用做高八位地址线。

P3口：

该口和上面三个I/O串行口差不多，可是其具有第二功能，其第二功能能够参考表3-1。

表3-1单片机P3口第二功能引脚

I/O引脚名称

第二功能引脚名称

第二功能

P3.0

RXD

串行通信接收

P3.1

TXD

串行通信发送

P3.2

/INT0　

外部中断0

P3.3

/INT1

外部中断1

P3.4

T0

定时/计数器0

P3.5

T1

定时/计数器1

P3.6

/WR

外部写选通信号

P3.7

/RD

外部读选通信号

RST：

复位功能引脚。

ALE/PROG：

能够作为地址锁存使能端口，也能够作为编程脉冲输入端口。

PSEN：

其是单片机在访问外部程序存储器时的读选通信号端口。

EA/VPP：

该引脚也具有两个功能，它能够作为访问内部或外部程序存储器的选择信号，也为编程提供电压。

3.3.3单片机的选择

综合该设计所要利用到的单片机的功能，本设计采用的是STC12C5A60S2单片机。

该单片机与普通的C51单片机大体相似，具有40个引脚。

其中包括两个电源引脚（VCC、GND），两个时钟引脚（XTAL一、XTAL2），三十二个个并行I/O引脚（P0、P一、P二、P3各八个引脚），ALE/PROG引脚，PSEN引脚，EA/VPP引脚。

对于常见的单片机的引脚以上介绍过了，这里主要讲一下STC12C5A60S2的新功能引脚。

单片机引脚如图3-2所示。

图3-2单片机引脚图

由图可见，该单片机增加了P4口，而且自带AD转换模块。

将模拟量输出口接到单片机的P1端口即可利用单片机自带的A/D转换模块，实现模拟量到数字量的转换。

这方便了用户的利用，没必要再去外接扩展口和外接A/D转换芯片。

该单片机内部自带复位电路，那时钟频率低于12MHz时能够直接将RST口连接1KΩ的电阻接地。

本设计则是利用第二复位功能较进行复位电路的设计。

对于晶振电路，本设计则是采用外接有源晶振，晶振频率为12MHz。

由于烟雾传感器收集到的是模拟量信号，在数据显示的时候显示的是数字量信号，所以中间有一个A/D转换的进程，咱们采用该型号的单片性能够实现A/D转换功能，所以利用起来更方便一些。

所以咱们选用该型号的单片机。

3.4电路原理图设计

3.4.1电路设计框图

本设计的思路是以单片机为核心，搭建烟雾浓度检测模块、A/D转换模块、无线数据传输与接收模块、液晶屏显示模块及蜂鸣器报警模块，设计流程图如图3-3和图3-4所示。

图3-3无线数据发射端

图3-4无线数据接收端

其中放大电路利用的是MQ-2模块自带的对比电路，A/D转换模块则是利用单片机自带的A/D转换。

3.4.2烟雾浓度检测模块设计

MQ-2烟雾浓度传感器模块引脚图如图3-5所示，四个引脚别离为VCC、AOUT、DOUT和GND。

其中AOUT接单片机的P1端口，作为模拟量的输入端。

VCC、GND别离与单片机的VCC和GND连接，作为电源端口。

DOUT与P2.6口连接，来输入电平信号。

图3-5MQ-2烟雾浓度检测模块引脚图

对于MQ-2烟雾传感器的一些特性，能够见下图3-6：

图3-6MQ-2灵敏度特性曲线

由图能够看出，在温度20℃、相对湿度65%、氧气浓度21%的条件下，RL=5KΩ。

其中Rs是元件在不同气体、不同浓度下的电阻值；

R0是元件在干净空气中的电阻值。

MQ-2与单片机连接电路图如图3-7所示：

图3-7MQ-2电路连接图

从图中能够看出，D0口输出的电平信号通过P1.5口，按照其电平大小计算出所测得的烟雾浓度，而且显示在液晶显示屏上。

3.4.3无线数据模块电路设计

NRF24L01无线数据模块引脚图如图3-8所示。

图3-8NRF24L01无线数据模块

NRF24L01无线模块共有八个引脚，其中两个是电源引脚。

CE口是发送或接收模式选择端，CSN是SPI片选信号选择端，SCK是SPI时钟，MOSI是从无线模块向单片机发送数据，MISO是单片机端口向无线模块发送数据，IRQ是可屏蔽中断请求（低电平有效）。

极低的电流消耗：

当