Remote Smoke Alarm System Hardware Design
张桂贤 ZHANG Gui-xian；魏月昊 WEI Yue-hao；罗锦涛 LUO Jin-tao
（大连科技学院，大连 116000）
（Dalian University of Science and Technology，Dalian 116000，China）
摘要：无线烟雾报警系统是以烟雾传感器、温度传感器、无线传输技术以及单片机技术为核心并与其它电子技术相的结合，设计出的一款高性能的无线烟雾报警器。该系统选用了MQ-2型半导体烟雾传感器、DS18B20温度传感器、STC89C52RC单片机，AD0832芯片、LCD1602显示器等元器件。本无线烟雾报警系统以STC89C52RC单片机为核心，可实现无线数据传输、声光报警、相关数据的显示、报警限设置等功能。
Abstract: The wireless smoke alarm system is a high-performance wireless smoke alarm designed with smoke sensor, temperature sensor, wireless transmission technology and single-chip technology as the core and combined with other electronic technologies. The system uses MQ-2 semiconductor smoke sensor, DS18B20 temperature sensor, STC89C52RC microcontroller, AD0832 chip, LCD1602 display and other components. The wireless smoke alarm system takes the STC89C52RC MCU as the core, and can realize functions such as wireless data transmission, sound and light alarm, display of related data and alarm limit setting.
关键词:无线传输；烟雾报警；自动采集；自动报警；单片机
Key words: wireless transmission；smoke alarm；automatic acquisition；automatic alarm；MCU
中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）22-0241-04
1 远程烟雾报警系统现状
根据我国国家安全部门统计，火灾发生率及死亡人数呈现出显著上升态势，在2018年，由火灾直接导致人员伤亡的人数高达1493人，同比增长5.2%，对社会公共秩序及人员生命财产安全造成了严重威胁。
随着UL无线火灾报警系统标准的发展和在1987年N FPA 72的要求，商业火灾报警系统应运而生。它标志着火灾自动报警系统进入智能化时代。进入21世纪，无线火灾报警控制器在欧美国家进入黄金发展时期，如美国Notifier公司AM-2020AFP-400和AFP-3200智能火灾报警控制器。2015年美国Notifier公司发布了P900XN声光报警、JB-TG-NX30火灾报警控制器。
我国于2014年Bluebrid Fire推出了JTY-GD-JBF-4100点型光电感烟探测器。探测器可以存储和判断自身收集到的数据，并具有自我诊断功能。2018年推出四信联网型独立式烟感监测系统，该系统主要由独立式物联网感烟报警器和监控平台及手机APP组成。
智能火灾报警系统发展迅速，各种智能火灾报警系统相继出现。模拟寻址技术的应用，极大地提高了火灾报警系统的安全性、精准性和智能性。
2 系统硬件设计
2.1 STC89C52RC的最小系统
在STC89C52RC的最小系统中包括了：晶振电路、复位电路、单片机供电电路等。在最小系统的复位电路上，电容C1的容值大小是直接影响单片机复位时间的重要因素，且极性电容的容值越大，复位的时间越短。在最小系统中，晶体振荡器Y1选择12MHz的晶体振荡器，延时的时间为1ms。在最小系统中，晶体振荡器的振荡频率是直接影响单片机处理速度的主要因素，振荡频率越高，延时时间越长。
2.1.1 复位电路
复位电路的功能就是让单片机系统回到最初状态。复位操作有两种基本模式：一个是上电复位、另一个是上电复位和按钮复位均有效的复位，本系统设计使用的模式是上电复位与按键复位均有效。
2.1.2 晶振电路
在晶振电路中选择两个30pf的陶瓷电容和一个12MHz的晶振，并将他们连接到单片机的XTAL1和XTAL2。
2.2 MQ-2烟雾感器电路
本该设计的烟雾探测电路中选择了MQ-2烟雾传感器。当传感器处在烟雾中的时侯，该传感器中的气敏电阻会随烟雾的浓度而发生相应的变化。敏感元件是被固定在不锈钢制成的壳内，并且在壳内的加热器需要为气敏元件提供必不能少的工作条件。在检测到烟雾浓度之前，需要将传感器预热一定的时间。在MQ-2传感器的加热丝H-H添加上5V电压，有助于整个设备预热。将采集到电信号通过A/D模数转换转换成数字信号，并通过校准来获得准确的烟雾浓度。
2.3 温度检测电路
DS18B20可以使用两种供电方式：使用外部供电和使用内部寄生电源。无论使用外部电源还是内部寄生电源，都需将4.7KΩ/3.9Ω的上拉电阻连接到I/O端口。该温度采集电路采用的方式是外部电源供电方式。
DS18B20在外部电源供电模式下，工作电源是直接里连在其VCC引脚上。此时，电路中不存在供电不足的问题，而且可以确保转换精度。在外部供电模式下，应注意GND引脚不能处于悬空状态，否则温度值不能进行转换，读取温度始终是85℃。
2.4 无线传输模块电路
该模块电路主要由NRF24l01芯片、16MHz晶振电路，50obm的天线等组成，并且留有6个外接接口于单片机相连分别是IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE。这六个引脚依次连接在单片机的P2.0~P2.5的I/O端口上。该模块电路在使用时，其电源电压为3.3-3.6V。如图1 NRF24L01模块电路。
2.5 LCD1602显示电路
LCD1602模块电路的RS（数据/命令选择）、R/W（读/写选择）、和E（使能），并且显示器的数据传输采用8位并行传输，其传输端口为P0端口。VL端口是一个偏压信号，连接到10K滑动变阻器，来实现显示屏亮度调节。
2.6 报警器电路
在该电路中采用的是无源蜂鸣器、NPN三极管和限流电阻R10。在电路中蜂鸣器的负极接地，并将其正极连接到三极管的输出端口。当无P13处于低电平时蜂鸣器产生声音。在检测到烟雾浓度大于设定的报警值时，单片机会把P13引脚拉低，以便三极管处于导通状态使得蜂鸣器报警。当工作人员把电路断开或烟雾浓度低于预设报警值时，就会停止报警。
2.7 电源电路
在3.3V电源电路中选用AMS1117-3.3这一款低电压差的电压调节芯片。该电路中的R1电阻是D1限压电阻，用于分摊二极管D1上的电压，使其达到正常的工作电压。滤波电容的作用是减少电压的纹波并抑制ASM1117的自激振荡。该电路的作用就是能够稳定的将5V直流电源降压成稳定的3.3V电源，给无线模块NRF24L01提供3.3V电压。
在主机系统中包括：单片机最小系统，电源电路、无线传输模块、LCD1602显示模块和信号指示灯模块。在主机系统中主要实现对从机系统发送过来的数据进行处理，来实现当烟雾浓度和温度值大于预设报警之时，进行报警。在从机系统中包括：单片机最小系统，电源电路、无线传输模块、温度检测模块、烟雾探测模快和信号指示灯模块。在从机系统中主要实现的是对烟雾浓度和温度值的实时检测并将数据发送到主机系统上。
3 软件设计
3.1 主函数的程序
当主机系统启动后首先进行主机系统的初始化，其次进行无线模块状态的判断，判断其是否处于接收状态。最后开启中断，在中断中来判断无线模块是否连接，当连接后指示灯闪烁未连接则指示灯常亮。
当连接到无线模块后，就可以进行数据的接收与存储。进入系统主程序的无限循环后，程序就不断循环执行四个功能：判别是否手动报警、显示数据、判别是否设定报警值以及判断报警。如图2为主机程序流程图。
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从机系统启动后，首先初始化从机系统。然后开启中断，中断程序中不停地读取烟雾值和温度值。其次进行无线模块的状态判断，判断是否为发送模式。当连接到无线模块后，就进行数据的发送。最后，进入从机系统主程序的无限循环，并连续执行三个功能：读取数据、判别是否按下手动报警按键和数据发送如图3为从机流程图。
3.2 报警程序
报警程序有手动报警和自动报警两种方式，用户可以进行手动报警，也可以由系统检测到烟雾值和温度值大于报警值后进行自动报警。当按下手动报警按键后，从机会发送紧急报警标志使得主机报警，在按下手动报警按键后紧急报警标志反转使得报警停止。
当检测到烟雾浓度或温度值大于报警值时，系统就会自动产生报警，蜂鸣器产生报警声，使得对应的指示灯亮红灯，来提示人采取相应对策，从而避免发生火灾和爆炸事故。为了实时处理烟雾数据和温度数据，在报警程序设计中，将采集烟雾浓度和温度数据处理程序放入到中断服务程序，然后在中断程序中进行定时检测和报警。如图4为报警程序流程图。
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4 调试
4.1 从机调试
在硬件方面，包含电源模块、单片机最小系统、按键模块、无线传输模块、温度检测模块和烟雾检测模块。
为了检测烟雾模块和温度采集模块是否正常，在从机上需要外连一个LCD1602显示器来帮助判断，将编译成功的程序烧入单片机内，观察显示器上是否出现检测到的烟雾浓度以及温度值，当显示数据正常则表明这两个检测模块正常。如图5为从机实物图。
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4.2 主机调试
在主机硬件方面，包括了电源模块、单片机最小系统、按钮模块LCD1602显示模块和无线传输模块。
无线模块的调试，在本系统中采用的方式为一发一收。把从机系统作为发送端，主机系统作为接收端。当检查完硬件无误后将编译好的程序分别烧入到主机和从机上。当主机接收到从机信号时，指示灯从长亮变为闪烁。这样就表示无线模块连接成功。如图6为主机实物图。
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5 结束语
本文采用STC89C52RC单片机、MQ-2烟雾传感器和DBS18B20温度检测器还有nrf24L01无线模块。基于本文开发的报警系统，可以执行适当的功能扩展，使远程烟雾报警系统的功能得以完善，安全性能更高。在实际测试中实际分析烟雾浓度和温度实验数据后，报警系统显示的数据与实际环境数据之间的误差很小。
本位设计的远程烟雾报警系统的优点是可以解决有线类烟雾报警器的布局繁琐，工作量大，布置成本高等问题。
参考文献：
[1]张秋菊，李丽芬.家庭防火防盗技术的研究[J].燕京理工学院，2016，21：164-165.
[2]文莎，邢立强.火灾监测预警发展及其标准化的规范作用研究[J].中国标准化研究院，2017，4：49-53.
[3]涂晓凯.消防火灾自动报警系统相关问题探讨[J].中国汽车工业工程有限公司，2016，10.
[4]郑佳康.智能建筑火灾探测器的分析[J].中煤邯郸设计工程有限责任公司，2017，6.
[5]谷灵莉.一种远程数据采集和火灾自动报警系统[J].南京师范大学，2017.
[6]徐昆良.家庭可燃气体报警器的设计与仿真[J].曲靖师范学院计算机科学与工程学院，2015，16：171-173.
[7]李忠任，毛新权，刘慧洁，周舰.一种烟雾浓度监测及处理装置[J].沈阳工程学院，2017，22.
[8]葛雅清.基于NRF24L01无线监控系统的设计[D].兰州大学，2015. |
