基于单片机无线烟雾报警系统设计.docx

1、基于单片机无线烟雾报警系统设计教学单位 信息工程系学生学号孝感学院信息工程学院本科毕业论文(设计)题 目 基于单片机无线烟雾报警系统设计学生姓名 李 琪专业名称 电子信息科学与技术指导教师 叶建勇教师职称 教 授2008年12月20日基于单片机无线烟雾报警系统设计摘要：随着人民大众对因火灾而威胁到自身财产生命安全的日益重视，烟雾报警器运用得越来越广泛，本报警系统采用无线反馈报警原理，由两大部分组成：第一部分由烟雾检测器（采用MQ-2气敏传感器），单片机（AT89S51），编码器（PT2262）和微型幅度键控（ASK）无线报警发射机组成；第二部分为无线报警接收器，主要有：接收模块，解码器（PT2

2、272），单片机（AT89S51），显示模块（液晶1602）。使用时第一部分安装在储藏室，车库，卧室等；第二部分则安装在小区警务室内。当有烟雾产生时，经过单片机处理和编码后，信号经无线传输由接收模块解调，解码后经过单片机处理，显示模块显示出具体的事发地点发出报警。关键词：单片机；编码器；发射机；接收机；解码器；显示模块；幅度键控The design of Wireless fog alarm system based on MCUAbstract: With the mass of the people pay more attention on fire to threaten the li

3、ves and property security, smoke detectors are becoming more and more widespread use, the alarm system using wireless alarm feedback principle on the two major parts: the first part of the smoke detector (MQ-2 using gas sensors), single-chip (AT89S51), encoders (PT2262) and the range of micro-keying

4、 (ASK) wireless alarm transmitter components; the second part is the police radio receiver, the main modules are: receiver,decoder (PT2272), single-chip (AT89S51), display module (LCD 1602). The first part is installed in the storage room,garage and bedroom when using, the second part is installed i

5、n the interior district police. When the smoke produced , after a single-chip processing and coding, the signal from the wireless receiver module demodulation, decoding then send to single-chip processing, display module showing the specific site of the incident issued and alarming.Key words:MCU; En

6、coder; transmitter; receiver; Decoder; Display Modules1.引言随着人民大众对自身财产生命安全的日益重视，如何在突发情况下保障自身财产生命安全已经成为一个急待解决的课题，每年因房屋起火，却没有及时得到报警而酿成惨剧的事件屡有发生，大多数人由于疏忽大意对于火灾产生的征兆缺乏判断，往往在无法看到明火的情况无法及时的做出报警，而延误最佳的灭火时机。为了解决这个问题，我经过了长时间的开发，研究出了这项烟雾报警系统，能有效的解决了以上的问题此系统采用了烟雾检测和单片机智能控制，编码和解码模块，无线发射和接收，应用了最新的液晶显示技术，实现了远程的监视。

7、该系统不仅应用于单个用户，也可以扩展到整个楼宇，在发射功率满足的情况下，甚至整个生活小区，可同时监视多个地点，实现点对点的监视，通过无线电将报警信号发送到监控区的接收端，直接指示出现事故的方位，同时在用户现场发出报警声，能有效的解决传统的防盗器具所带来的弊端，给人们的工作，生活提供安全保障。2系统的功能和基本原理2.1系统的功能本系统共有四大基本功能：（1）烟雾检测，此系统利用MQ-2气敏传感器实现其烟雾检测功能。（2）多点监视，利用编码和解码模块实现多点的一一对应，从而达到多点监视的功能。（3）远程监视，利用ASK对315MHZ的声表晶振所产生的高频信号进行100%调幅，实现远程监视的功能。

8、（4）显示，采用单片机处理数据并通过液晶显示具体的事故方位。2.2系统的基本原理该系统由8个模块组成：烟雾检测电路，单片机，编码控制模块，发射模块，接收模块，解码控制模块，单片机，液晶显示模块（系统框图如图1）。烟雾检测电路由MQ-2气敏传感器，串联分压电阻，LM339电压比较器组成，当有烟雾产生时，气敏传感器阻值急速下降，使其串联分压电阻分压急速增大，当分压超过预定值时，LM339产生高电平并传送至单片机P2.0口，使单片机执行报警程序，从而发出声音报警，同时将编码芯片的14脚置零以启动编码模块，使预设好地址码，同步码和数据码经发射模块中所产生的315MHZ高频载波进行ASK调幅，发出报警信

9、号；在接收控制装置中，单片机通过对编码芯片的控制不断更改地址码，以达到一对多点的接收控制，当地址码相同，同时发射端有报警信号时，编码芯片的17脚产生高电平，并将此高电平传送至单片机的P3.2，使单片机执行中断报警程序，发出声音报警并通过单片机处理数据经液晶显示模块显示出具体的事故方位。工作原理如：将预设好编码地址的烟雾检测装置安装在室内通风处。当无烟雾产生时，气敏传感器阻值无明显变化，使其串联电阻分压无法达到预定值而不能使单片机执行烟雾报警程序，烟雾检测装置不会产生声音报警也不会发送报警信号，而接收控制装置此时因没有接收到任何报警信号，在单片机的控制下，液晶显示器显示“all right”，表

10、示无报警，一切正常；当有烟雾产生时，随着烟雾浓度的增加，使气敏传感器阻值不断下降，其串联分压电阻分压急速增大，当分压超过预定值时，LM339产生高电平并传送至单片机P2.0口，使单片机执行报警程序，从而发出声音报警，同时将编码芯片的14脚置零以启动编码模块，使预设好地址码，同步码和数据码经发射模块中所产生的315MHZ高频载波进行ASK调幅，发出报警信号；在接收控制装置中，单片机通过对编码芯片的控制不断更改地址码，以达到一对多点的接收控制，当地址码相同，同时发射端有报警信号时，编码芯片的17脚产生高电平，并将此高电平传送至单片机的P3.2，使单片机执行中断报警程序，发出声音报警并通过单片机将接

11、收到报警信号时的接收编码地址处理后通过液晶显示器显示出来，如“41：Alarming”，表示41号地点有报警。图1系统框图3方案的设计与论证3.1总体设计方案与比较方案一：在发射端完全采用硬件,对PT2262和PT2272预置相同的地址编码，报警时只需将预置的数据码与地址码，同步码经发射模块中所产生的315MHZ高频载波进行ASK调幅，发出报警信号，而接收端只需通过单片机对数据码的处理来确定事发地点，其缺点在于发射端无单片机控制，当有烟雾产生时，会持续不断的发送报警信号，堵塞接收端，同时PT2262和PT2272中数据码最多为6位，无法满足系统对大量检测点的数量需求。方案二：由单片机控制烟雾检

12、测装置，接收控制装置也采用软件解码。检测到烟雾后由单片机控制报警信号的时长，以及此后一段时间内禁止发送报警信号，避免重复发送造成接收端堵塞。在接收控制装置中，单片机通过对编码芯片的控制不断更改地址码，以达到一对多点的接收控制，使其最多可以接收212个烟雾检测装置发射的信号，大大提升了系统的接收容量。本方案通过对单片机的巧妙运用，提高了整个系统的性能，更加适用于大型烟雾报警系统。比较以上两种设计方案，方案二整体性能较好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二。4.单元电路的设计4.1硬件电路的设计本系统的硬件部分包括烟雾检测电路，编码电路，发射接收电路，解码电路和显示报警电路。4.1.1器件的选型

13、及功能烟雾检测电路由气敏元件MQ-2对周围环境进行检测，只要有极少量烟雾时其阻值就迅速减小，而其串联电阻分压迅速增大，通过比较器LM339对分压结点的监测，当其超过预定值时，产生高电平，起到烟雾检测的功能。以下是MQ-2的相关介绍。（1）特性l、对烟雾有很高的灵敏度。MQ2型半导体气敏元件是锡类半导体元件。采用对可然气体有感度的SnO2材料制成的，使用于丁烷、酒精、烟雾、液化石油气等易燃易爆的检测。2、抗干扰，对酒精气体有很好的选择性。3、具有良好的重复性和长期的稳定性。4、灵敏度高、稳定性好、响应恢复特性好、重复性良好、适用范围广等优点。（2）应用范围可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置， 适

14、宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。（3）特性参数l、回路电压：(Vc) 5-24V 2、取样电阻：(RL) 0.5-20K3、加热电压：(VH)50.1V 4、加热功率：(P)约750mW5、灵敏度：R0(air)/RS (100ppmC2H5OH)56、响应时间：Tres10秒 7、恢复时间：Trec30秒典型参考数据如下图所示：图2 MQK-2阻值图（4）外型和结构MQ-2气敏元件的结构和外形如图3所示(结构 A or B), 由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。

15、封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。图3 MQ-2结构图图4 MQ-2外形图（5）注意事项 气敏元件开始工作时，需预热3-5分钟后方可正常使用。不要在腐蚀性气体环境下工作。要避免油浸，长期使用在防止灰尘堵住防爆网。工作环境：温度-10-+50、相对湿度0-90RH。在公共场所中, 如果灰尘堵住防爆网,MQK-2就不容易接触到烟雾,可能无法正常工作,这一点管理人员要注意。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较

16、宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339集成块采用C-14型封装，5为外型及管脚排列图。图5 LM339外型及管脚排列图编码芯片能够对输入的数据进行相应的编码，可靠性高，速度快，并能由对应的解码芯片将接收到的编码信号解码后输出对应的数据，准确度高。本系统中采用台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码芯片PT2262/PT2272，PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码,PT2262

17、最多可有6位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。编码芯片PT2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为

18、低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100的调幅。PT2262特点：1）CMOS工艺制造，低功耗；2）外部元器件少；3）RC振荡电阻；4）工作电压范围宽：2.6-15v；5）数据最多可达6位；6）地址码最多可达531441种。应用范围：1）车辆防盗系统；2）家庭防盗系统；3）遥控玩具；4）其他电器遥控。图6 PT2262引脚图表1 PT2262管脚说明：名称管脚说明A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”(悬空)D0-D57-

19、8、10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉Vcc18电源正端（）Vss9电源负端（）TE14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效；OSC115振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；OSC216振荡电阻振荡器输出端；Dout17编码输出端（正常时为低电平）在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。PT2262参数：表2 极限参数（Ta=25C）参数符号参数范围单位电源电压Vcc2 15.0V输入电压Vi-0.3 Vcc+0.3V输出电压Vo-0.3 Vcc+0.3V最大功耗（Vcc=12V

20、）Pa300mW工作温度Topr-20 +70C贮存温度Tstg-40 +125C表3 电气参数（Tamb=25C VDD=12.0V）参数符号测试条件最小值典型值最大值单位电源电压Vcc212V电源电流IccVcc=12V振荡器停振 A0-A11开路0.020.3uADout输出驱动电流IohVcc=5V, Voh=3V-3mAVcc=8V, Voh=4V-6mAVcc=12V, Voh=6V-10mADout输出陷电流IolVcc=5V, Vol=3V2mAVcc=8V, Vol=4V5mAVcc=12V, Vol=6V9mA解码芯片：图7 PT2272 引 脚 图表3 PT2272管脚说

21、明：名字管脚说明A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”(悬空),必须与2262一致,否则不解码D0-D57-8、10-13地址或数据管脚,当做为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换Vcc18电源正端（）Vss9电源负端（）DIN14数据信号输入端，来自接收模块输出端OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；OSC215振荡电阻振荡器输出端；VT17解码有效确认 输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）地址码和数据码都用宽度不同的

22、脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”。图8 状态时序图2262每次发射时至少发射4组字码，2272只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。PT2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示锁存输出，数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态，直到下次遥控数据发生变化时改变。M表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应，可以用于类似点动的控制。后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，当采

23、用4路并行数据时（PT2272-M4），对应的地址编码应该是8位，如果采用6路的并行数据时(PT2272-M6)，对应的地址编码应该是6位。PT2262/2272芯片的地址编码设定和修改：在通常使用中，我们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第18脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可

24、以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的18脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262的第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要也第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。图9 PT2262和PT2272的时序图：设置地址码的原则是：同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分12。PT2262和PT2272除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，否则接收距离会变近甚至无

25、法接收，随着技术的发展市场上出现一批兼容芯片，在实际使用中只要对振荡电阻稍做改动就能配套使用2，下面的参数匹配效果较好：表4 PT2262/PT2272电阻匹配值编码发射芯片编码接收芯片PT2262PT2260SC2260SC2262CS5211PT2272/SC2272/CS52121.2M无3.3M1.1M1.3M200K1.5M无4.3M1.4M1.6M270K2.2M无6.2M2M2.4M390K3.3M无9.1M3M3.6M680K4.7M无12M4.3M5.1M820K本系统中采用1.2M/200K的匹配电阻。 AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能COMS8位单片

26、机，片内含4Kbytes的可系统编程的Flash的只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：与MCS-51产品指令系统完全兼容；4K字节在性同编程(ISP)Flash闪速存储器；1000次擦写周期；4.0-5.5V的工作电压范围；全静态工作模式：0HZ-33MHZ；三级程序加密锁；128*8字节内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；6个中断源；全双向

27、串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式；中断可从空闲模式唤醒系统；看门狗(WDT)及双数据指针；掉电标识和快速编程特性；图10 AT89S51引脚图引脚功能说明：Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口

28、，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（Ia）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。表5 引脚功能：端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MISO（用于ISP编程）P1.7SCK（用于ISP编程）P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因

29、为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（Ia）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作为输入时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（Ia）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更

30、重要的用途是它的第二功能，如下表所示：P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表6 引脚功能：端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外中断0）P3.3（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE/:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。