烟雾浓度无线报警器设计.docx
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烟雾浓度无线报警器设计
烟雾浓度无线数据传输系统设计
摘要：
随着科技的发展，生活中的火灾隐患也越来越多，如何尽早发现火灾隐患，提前做好预警是减少火灾损失的一个重要课题。
鉴于无线数据传输的发展，无线网络对于预警火灾有着更多的优点和便利，烟雾浓度无线数据传输系统能够节约成本，更加快速地预警火灾发生，减少火灾带来的人生和财产损失，所以对于烟雾浓度无线数据传输系统的研究有着重要的意义。
本系统主要是实现检测烟雾浓度并且通过无线数据传输将烟雾浓度数据采集传输到接收端，从而对烟雾浓度进行监控和报警。
本系统主要以单片机为核心，系统由电源模块、传感器模块、数模转换模块、数据采集模块、无线传输与接收模块、报警模块、液晶屏显示模块组成。
本设计将使用STC12C5A60S2单片机，该单片机自带A/D转换功能，比普通单片机能够实现的功能更多，使用更加方便。
设计的系统中，烟雾浓度检测传感器则使用MQ-2传感器模块，这是一种离子式烟雾传感器，灵敏度高，能够更快地预警火灾发生。
作为无线数据传输则使用NRF24L01无线数据模块，以实现无线数据的通信与传输。
关键词：
烟雾浓度检测；无线数据传输；单片机；传感器
DesignofSmokeDensityWirelessData
TransmissionSystem
Abstract:
Withthedevelopmentoftechnology,moreandmorefirehazardsinourlife.firehazardshowearlydetection,earlywarningistoreducefirelossesdoanimportanttopic.Giventhedevelopmentofwirelessdatatransmission,wirelessnetworkforearlywarningoffireandhasalittlemoreconvenient,smokedensitywirelessdatatransmissionsystemtoreducecostsandmorequicklyalertthefire,reducethelossoflifeandpropertycausedbyfire,sothesmokeconcentrationofwirelessdatatransmissionsystemstudyhasimportantsignificance.
Thesystemismainlytoachievethedetectionofsmokeconcentrationandwirelessdatatransmissionthroughthesmokeconcentrationdatacollectionandtransmissiontothereceiver,thusthesmokeconcentrationmonitoringandalarms.Thesystemmicrocontrollerasthecore,thesystemfromthepowermodule,sensormodule,digitaltoanalogconversionmodule,dataacquisitionmodules,wirelesstransmissionandreceptionmodules,alarmmodules,LCDdisplaymodule.ThisdesignwilluseSTC12C5A60S2microcontroller,themicrocontrollercomeswithA/Dconversion,moreandmoreconvenienttousethanconventionalsingle-chipfunctionalitycanbeachieved.Designsystem,thesmokedensitydetectionsensorusingthesensormoduleMQ-2,whichisanionic-typesmokesensor,ahighsensitivity,canalertthefirefaster.AsNRF24L01wirelessdatatransmissionusingwirelessdatamodulestocommunicatewithawirelessdatatransmission.
KeyWords:
Smokeconcentrationdetection;Wirelessdatatransmission;MUC;Sensor
烟雾浓雾无线数据传输系统设计
1.概述
随着科技的发展，生活中的安全隐患也越来越多，火灾和燃气爆炸便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，此次火灾中有121人死亡，76人受伤。
事后调查火灾原因，是因为主厂房部分电气线路短路引发火灾，然后高温导致氨设备和管道发生爆炸。
逝者安息，生者长思，是什么原因导致了如此悲剧？
又该采取怎样的方法和手段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，我们需要利用现代化的科技来保障我们的人生财产安全。
火灾报警器便是很好的一种及早发现火灾隐患，防止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分组成。
火灾报警器的数据通信是通过总线传输的，现在常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。
然而伴随着人们的家庭和工厂电路的愈加复杂，这种有线火灾报警器的一些弊端也逐渐显露出来。
例如：
线路设计复杂、报警不够及时等等，如果报警线路首先被烧毁，那么火灾报警器便形同虚设。
面对有线报警器的这些不足，我们必须要采用新的技术与方法来进行解决。
在此，我想到了无线数据传输技术在当今发展迅猛并且日益成熟。
无线网络在我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此次设计的课题：
烟雾浓度的无线数据传输，也可以说是无线火灾报警器。
用无线传输数据可以精简线路，防止不必要的意外产生。
无线数据传输具有低成本、传输速度快、传输范围广等优点，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，可以减少对建筑的损坏。
这种无线烟雾传感器是依靠现场烟雾检测，利用无线进行数据的发送。
可是由于一些客观原因，导致的无线烟雾系统所能使用的频率和功率都有限制，所以阻碍了其进一步的发展。
可是随着电子信息技术的日益成熟，无线通信的迅速发展为无线报警装置的深入研究提供了便捷。
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，根据不同地方的不同需要可以灵活使用传感器类型，实现对不同烟雾的检测和监控。
无线烟雾报警器与有线相比，能够大大降低制造成本。
在现场控制中，能够更加快速、精准地进行数据的采集和发送。
作为无线系统，其安装方式更加灵活，通信方式也可以采用多种通信方式结合，这样更加方便使用。
尤其是在一些古代建筑中，安装无线报警器可以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，然后将采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之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采集的及时性和准确性，并且要保证无线信号的快速性，这样才能使报警器发挥其最佳功能。
本设计说明书首先对方案的整体设计进行了对比和选择，确定方案之后对各个功能模块进行选择和设计。
系统设计主要是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。
之后进行软硬件调试，将程序烧进电路当中，运行调试程序。
在本设计说明书之中会详细介绍烧写程序的过程。
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，经过A/D转换之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。
本设计使用AltiumDesigner10软件设计电路图，该软件功能强大，具有很全的元件库。
也可以使用该软件画出所需元件进行封装，使用方便。
电路原理图设计出来之后进行PCB板的封装。
本设计使用的是MQ-2烟雾浓度检测模块，能够检测一氧化碳等气体浓度。
其检测到烟雾浓度之后通过MUC自带的A/D转换功能将模拟量信号转换为数字量信号，并且由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之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，提醒用户有火灾危险。
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发展，无线传输具有方便、简捷等优点，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更加便利，能够实时检测烟雾浓度数据，并且可以提早预警，为人们的安全提供了保障。
2.总体方案设计
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。
首先是烟雾浓度的检测，然后是无线数据的传输，继而是报警电路。
关于此次设计，我制定了两套设计方案：
方案一：
使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，并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，并且显示更加清晰。
综合来看以上两个方案，大致思路都是差不多的。
但是方案二使用的是集成模块，在制作时更方便一些。
如果运用放大电路，放大器的延时会比较长，对于实际功能的实现会有一定的影响。
使用对比电路，缩短了延时，能够使检测到的数值传输更加及时，减少不必要的误差。
2.2方案总结
从上面的比较可以看出来，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，难以将采集到的信号及时传送到单片机进行处理。
并且放大器与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，是电路变得简洁，而且具有更高的稳定性与及时性。
所以经过比较，最终我决定选用方案二作为本次设计的设计思路。
2.3总体方案设计
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红外传输
红外传输技术是较早开始使用的无线传输方式，在家电遥控器当中有着广泛的使用，所以大家对其认识比较早。
红外无线传输方式是依靠红外线作为介质的，利用的电磁波的波长为750nm~1mm。
而在我们使用的红外线中，一般使用的红外波长在850~900nm之间。
然而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，一般使用在短距离无线数据传输当中。
早期手机也是使用过红外进行数据的传输和交换，但是后来逐渐被另一项技术替代，那便是我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、诺基亚以及东芝等公司共同开展了研究。
蓝牙技术现在的用处可谓十分广泛，尤其是在移动电子设备当中，从手机蓝牙的应用，衍生出了蓝牙耳机、蓝牙智能手表、蓝牙智能手环等一系列的智能设备。
蓝牙技术以其低成本、高可靠性等优点，成为了电子产品的宠儿。
蓝牙的传输范围大概在十米左右，所以也适用于短距离数据传输当中。
3.1.3GSM无线传输模块
说起大家比较熟知的无线传输技术，GSM也是尤为常见的。
该技术主要应用于移动电话当中。
手机在手，走遍全球，正是GSM技术的出现，使这一想法得以实现。
GSM以其稳定性强、信息灵敏、网络容量大等优点在移动通信中获得了广泛应用。
3.1.4wifi无线网络技术
Wifi无线网络技术以其分布范围广、传输速度快、传输距离远等优点得到了现代人的亲睐。
WiFi技术广泛应用于工业计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，使人们能够享受到更加快捷方便的无线网络。
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、方便等优点。
现在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，使我们的选择也变得更加多样化，可以根据需要选择不同的无线模块进行设计，常用的无线模块型号有nRF905、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成本的无线芯片。
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率1Mbit/s,这样一个传输数据是优于蓝牙的。
其工作频率和发射频率等都可以通过软件设定。
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使用的，其有多种调制方式，包括ASK/OOK/2-FSK/MSK等，可根据需要的不同选择不同调制方式，这样使其工作小笼包大大提高。
但是与nRF2401AG相比，其传输速度为500kbit/s，低于nRF2401AG，但是如果对传输速度要求不是太高，可以考虑选择。
BK2411是国产研发的，由上海博通生产研发并投入使用的。
其传输速度可以高达1Mbit/s甚至2Mbit/s。
该模块具有价格低廉的优点，但是在同等误码的情况下，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。
该模块具备较低的功耗，与蓝牙无线传输相比，具有更高的传输速度，是新型的无线传输模块。
其也具有价格低廉的优点，在现在的一些无线传输系统中应用中比较广泛。
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突破，烟雾浓度传感器现在比较常用的有三种：
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。
离子式传感器是现在比较先进，在消防报警系统中应用比较广泛的一种烟雾浓度传感器，并且工作稳定，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根据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，根据它的特点，其中应用较多的是半导体技术。
在本设计中选择的是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
在设计中比较常用的烟雾传感器一般是MQ系列的，主要包括MQ-2、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。
在本设计中将使用的是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广泛的探测范围，而且其还有灵敏度高、稳定性强、驱动电路简单等优点，适合在家庭和工厂的烟雾浓度检测中使用。
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传达，由于本设计要将烟雾浓度值显示在液晶屏上，所以使用了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
由图可以看出，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，必须要进行预热，这便是预热电路的作用。
而对比电路则是为了实现信号的放大，使我们观测到的数据更加准确，让报警更加及时。
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
单片机在先今生活中应用广泛，从电子设备如MP3、MP4到家用电器如电冰箱、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。
首先介绍一下单片机，简单的说单片机就是一种微型的计算机，在单片机中有寄存器、计数器和处理器等。
可以举个简单的例子，我们来看一下我们接触最多的智能手机。
如今的安卓手机功能堪比计算机，仔细研究一下可以发现智能机也是由寄存器、处理器、计数器等组成的。
解剖一下智能手机，可以发现手机内部有许多分区，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。
而我们比较关注的手机的处理器，也就是用来处理手机数据的。
单片机也可以类比于智能机，地址和数据寄存器用来存储地址和数据。
对于地址与数据的作用与关系，我们再举一个简单地例子，现在我们要去找一个朋友，那么首先我们要知道他的地址，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，我们还是用智能机来做例子，我们如何让智能机具有蓝牙传输功能呢？
首先我们要在手机主板上接上一个蓝牙，然后通过软件系统来控制蓝牙的使用。
单片机也是一样，当我们想要做一个蓝牙模块的时候，我们只需要将蓝牙接入单片机，然后通过程序来实现蓝牙的功能。
3.3.2单片机引脚介绍
我学习的主要是C51系列的单片机，这也是我们比较常见的单片机，该系列单片机具有内部处理器和寄存器，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，可以将它们接在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，该口可以用做位处理，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，该口可以用做通用I/O端口，也可以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，但是其具有第二功能，其第二功能可以参考表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：
可以作为地址锁存使能端口，也可以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，它可以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
综合该设计所要使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单片机基本相似，具有40个引脚。
其中包括两个电源引脚（VCC、GND），两个时钟引脚（XTAL1、XTAL2），三十二个个并行I/O引脚（P0、P1、P2、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端口即可使用单片机自带的A/D转换模块，实现模拟量到数字量的转换。
这方便了用户的使用，不必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，当时钟频率低于12MHz时可以直接将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。
由于烟雾传感器采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转换的过程，我们采用该型号的单片机可以实现A/D转换功能，所以使用起来更方便一些。
所以我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，四个引脚分别为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分别与单片机的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，可以见下图3-6：
图3-6MQ-2灵敏度特性曲线
由图可以看出，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是元件在洁净空气中的电阻值。
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
从图中可以看出，D0口输出的电平信号通过P1.5口，根据其电平大小计算出所测得的烟雾浓度，并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：
当工作在发射模式下发射功率
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