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MQ2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DESIGNOFSMOKEDENSITYWIRELESSDATATRANSMISSIONSYSTEMABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFTECHNOLOGY,MOREANDMOREFIREHAZARDSINOURLIFEFIREHAZARDSHOWEARLYDETECTION,EARLYWARNINGISTOREDUCEFIRELOSSESDOANIMPORTANTTOPICGIVENTHEDEVELOPMENTOFWIRELESSDATATRANSMISSION,WIRELESSNETWORKFOREARLYWARNINGOFFIREANDHASALITTLEMORECONVENIENT,SMOKEDENSITYWIRELESSDATATRANSMISSIONSYSTEMTOREDUCECOSTSANDMOREQUICKLYALERTTHEFIRE,REDUCETHELOSSOFLIFEANDPROPERTYCAUSEDBYFIRE,SOTHESMOKECONCENTRATIONOFWIRELESSDATATRANSMISSIONSYSTEMSTUDYHASIMPORTANTSIGNIFICANCETHESYSTEMISMAINLYTOACHIEVETHEDETECTIONOFSMOKECONCENTRATIONANDWIRELESSDATATRANSMISSIONTHROUGHTHESMOKECONCENTRATIONDATACOLLECTIONANDTRANSMISSIONTOTHERECEIVER,THUSTHESMOKECONCENTRATIONMONITORINGANDALARMSTHESYSTEMMICROCONTROLLERASTHECORE,THESYSTEMFROMTHEPOWERMODULE,SENSORMODULE,DIGITALTOANALOGCONVERSIONMODULE,DATAACQUISITIONMODULES,WIRELESSTRANSMISSIONANDRECEPTIONMODULES,ALARMMODULES,LCDDISPLAYMODULETHISDESIGNWILLUSESTC12C5A60S2MICROCONTROLLER,THEMICROCONTROLLERCOMESWITHA/DCONVERSION,MOREANDMORECONVENIENTTOUSETHANCONVENTIONALSINGLECHIPFUNCTIONALITYCANBEACHIEVEDDESIGNSYSTEM,THESMOKEDENSITYDETECTIONSENSORUSINGTHESENSORMODULEMQ2,WHICHISANIONICTYPESMOKESENSOR,AHIGHSENSITIVITY,CANALERTTHEFIREFASTERASNRF24L01WIRELESSDATATRANSMISSIONUSINGWIRELESSDATAMODULESTOCOMMUNICATEWITHAWIRELESSDATATRANSMISSIONKEYWORDSSMOKECONCENTRATIONDETECTIONWIRELESSDATATRANSMISSIONMUCSENSOR目录1概述32总体方案设计521方案比较与选择522方案总结523总体方案设计53硬件设计531无线模块简介5311红外传输5312蓝牙无线技术5313GSM无线传输模块6314WIFI无线网络技术6315无线传输模块632烟雾浓度传感器简介7321烟雾浓度传感器的分类7322MQ2烟雾浓度传感器模块733单片机的选取8331单片机介绍8332单片机引脚介绍9333单片机的选择1034电路原理图设计11341电路设计框图11342烟雾浓度检测模块设计11343无线数据模块电路设计13344液晶显示屏模块电路设计14345蜂鸣器报警电路15346串口电路设计16347总体电路原理图设计174烟雾报警程序1941程序设计方案1942程序的烧写步骤2143模块程序设计225实物调试266结束语29参考文献30致谢31附录32附录1程序清单33附录2设计图纸54附录3元器件目录表58附录31烟雾浓度无线传输系统元器件目录表58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MQ2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21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。22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。23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31无线模块简介311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750NM1MM。而在我们使用的红外线中，一般使用的红外波长在850900NM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。312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。313GSM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。314WIFI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。315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24GHZ,。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1936V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/2FSK/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。32烟雾浓度传感器简介321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MQ2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。322MQ2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MQ2、MQ3、MQ7、MQ9等。这几款产品都有自己特定的检测气体。例如MQ3一般用于检测酒精气体，MQ7主要用于检测一氧化碳气体的浓度，MQ9也是主要用于一氧化碳气体浓度的检测。而MQ2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MQ2传感器，他是一种电化学传感器。MQ2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。MQ2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MQ2烟雾浓度传感器模块，模块结构与引脚如图31。图31MQ2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。MQ2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05V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。33单片机的选取331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LED0FC6KRPAGN3VOMQ8OMNET_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。332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（P00P07），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P10P17八个引脚，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P20P27八个引脚，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31。表31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P30RXD串行通信接收P31TXD串行通信发送P32/INT0外部中断0P33/INT1外部中断1P34T0定时/计数器0P35T1定时/计数器1P36/WR外部写选通信号P37/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。333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32所示。EA/VP31XTL928RS7D6WIN045OGCU图32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1K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。34电路原理图设计341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33和图34所示。单片机电源模块数据采集器无线数据发射器烟雾浓度传感器模块图33无线数据发射端单片机无线数据接收器液晶屏显示模块报警器电源模块图34无线数据接收端其中放大电路利用的是MQ2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。342烟雾浓度检测模块设计MQ2烟雾浓度传感器模块引脚图如图35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P26口连接，来输入电平信号。1AO2D3GN4CMQ图35MQ2烟雾浓度检测模块引脚图对于MQ2烟雾传感器的一些特性，可以见下图36图36MQ2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，RL5K。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。MQ2与单片机连接电路图如图37所示图37MQ2电路连接图从图中可以看出，D0口输出的电平信号通过P15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。343无线数据模块电路设计NRF24L01无线数据模块引脚图如图38所示。8IRQ6MOS4CN2V75K3E1GDFL0图38NRF24L01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为0DBM时电流消耗为113MA，接收模式时为123MA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。A/PXT9W值得注意的是，NRF24L01无线模块是33V供电，电压过大将烧毁芯片，所以在连接电路的时候需要加一个5V转33V的芯片AMS1117。在设计电路中本设计使用AMS1117芯片来转换电压，为无线模块供电。NRF24L01与单片机的接线图如下图39所示。图39NRF24L01电路接线图无线发射端与接收端的连线方式相同，各引脚与单片机的P1口连接，控制无线模块的发送与接收。对于单片机的P1口，其内部已经自带了上拉电阻，所以不需要外加电阻，可以直接将NRF24L01的各引脚与其连接，方便实物的焊接与使用。当POWUP1，POWRX1，CE1时NRF24L01处于接收模式；当POWWP1，POWRX0，CE1时，NRF24L01处于发射状态。在发射状态下，如果CE10，则NRF24L01一直处于发射模式，直到数据全部发射完成为止。另外，NRF24L01还有待机模式和节电模式，这两种模式可以使系统在不需要运行的时候处于待机或节电状态，减少了损耗。344液晶显示屏模块电路设计本设计使用的是QC12864B1液晶显示屏用于显示，其引脚图如图310所示。EA/VP31XTL928RS7D6WIN045OGCQMKFV2VD304RS5/W6E7B1PNCRST8OU9AK图310液晶显示屏模块引脚图本设计使用到的引脚为VSS、VDD、V0、RS、RW、E、PSB、A、K，其中VSS、VDD为电源接口，V0用于亮度调节，A、K为背光灯的电源端，PSB是串口方式，可以将其固定为低电平，在本设计电路中采取将其接地。RS、RW、E是三个使能端，RS是指令和数据选择端，R/W是读写选择端，E是信号使能端。通过图中的滑动变阻器可以调节液晶显示屏的亮度，让显示屏能够处于最佳显示状态。RS、RW、E与单片机P2口连接，用来控制显示屏的显示内容。液晶显示屏的电路接线图如图311所示图311QC12864B1液晶屏电路接线图从图上可以看出来，该液晶屏是串行口，一次接收一个数据。RS、R/W、E三个使能端与单片机的P2口连接，由P2口的电平信号对显示屏进行控制。通过调节变频器的大小，可以调节显示屏的显示亮度。XTLIOG345蜂鸣器报警电路当检测到的烟雾浓度超过给定值时，本设计将产生报警，以预防火灾发生。其报警由蜂鸣器来完成，原理图如图312所示。EA/VP31XTL928RS7D6WIN045OGCBUZERKSACK图312报警器接线图346串口电路设计本设计为了完成与上位机的通信，使用的是MAX232芯片，该芯片引脚如图313所示UM图313MAX232引脚图其电路设计接线图如图314所示1C2U34567TO8RINVGD09MAXFJBVP图314MAX232电路接线图347总体电路原理图设计本设计使用的是ALTIUMDESIGNER10进行电路原理图的设计，该软件具有丰富的元件库，绘图方便，能够自动生成PCB板并且自动布局布线。本设计的总体电路设计原理图如图315和316所示EA/VP31XTL928RS7D6WIN045OGCPFESTBFQMKV图315无线发射电路总原EA/VP31XTL928RS7D6WIN045OGCMUKYPFAESTBFQVUZROJ图316无线接收端电路总原理图设计本设计由无线发射和接收两个部分组成，在接收端接有烟雾浓度传感器用于检测烟雾浓度，并且根据D0口发送给单片机的电平来计算烟雾浓度，然后将数据传输给无线发射端。当无线数据接收端接收到数据之后会通过单片机再将数据发送给液晶显示屏，用于数据的显示。当烟雾浓度值超过设定值时蜂鸣器产生报警信号，提示烟雾浓度值过量。4烟雾报警程序41程序设计方案该程序设计当中主要分为以下几个部分烟雾检测及A/D转换、无线数据传送与接收、显示与报警。在程序设计中我采用由简入难的方式，先使各个模块能够实现简单的功能。烟雾浓度传感器检测到数据的时候DO脚将输出低电平，然后通过无线传输数据产生报警。在简单的功能调试成功之后，再进行所需功能的调试工作。具体的程序设计流程图如图41所示。开始程序初始化烟雾传感器检测AD转换程序烟雾浓度数据通过无线模块发送无线数据接收数据开始程序初始化送LCD显示是否超过设定值结束蜂鸣器报警图41程序设计流程图在进行程序编写时，需要注意无线模块的工作模式的选择。无线模块工作模式在切换时需要进行延时处理。我们要了解无线的几种工作方式和可能遇到的问题。因为无线在发射时，也许会有多个接收端在接收数据。好比我们听的收音机，就是由一个发射台发射，然后很多用户一起接收，所以这种发射方式也称为无线广播（RADIO）。还有一种就是在数据接收时，也许会接收到其它的发射信号，这就好像我们在上网时正在浏览网页，突然弹出了其它的一些垃圾广告，这种通信方式被称为RFID。在本设计中要尽量避免其它发射和接收信号的干扰，保证点对点的通信的完成。另外就是对烟雾浓度传感器进行软件控制，无线烟雾浓度传感器接收到的模拟量信号，我们要通过软件实现从模拟量到数据量的转换，进而才能显示数据在液晶显示屏上。对于报警电路，要通过程序控制其在什么样的情况下才进行报警，以提高报警的准确性和及时性。42程序的烧写步骤程序完成之后就要考虑将程序烧写进单片机中，以实现硬件的功能调试，具体步骤如下首先，我们要使用KEIL软件编写程序。在新建工程文件的时候选择我们所用的单片机型号，然后新建一个TXT文本文件进行程序的编写。编写完成之后要注意的是我们还要生成一个HEX文件，因为烧入单片机的程序将是HEX格式的。如何生成HEX文件呢打开KEIL完成之前的工作，然后点击PROJECT，选择里面的OPTIONFORTAGRET，然后打开OUTPUT选项，进行设置，设置如图42所示。图42生成HEX文件设置接下来，我们用程序烧写器接入单片机对应的位置。主要有四个接口，两个电源接口，还有RXD、TXD接口，对应接入。然后通过程序烧写器连接电脑，进行程序下载。以上工作完成之后，我们要做的就是将该文件烧入单片机当中。我选择使用的烧写工具是STC_IPS。打开该工具，进行设置，选择对应的HEX文件。特别注意的是要选择对应的端口，端口查看在电脑的设备管理器。设置如图43。图43程序下载器设置全部设置完成之后，然后点击下载就可以将程序下载到单片机当中去了。43模块程序设计本设计的部分程序如下A无线模块子程序设计对于无线模块子程序的设计流程图如图44所示无线模块初始化子程序设定无线模块首发地址无线模块寄存器设置无线模块使能端定义图44无线模块子程序设计流程图对于无线模块进行程序编写时要注意，发射和接收端的寄存器地址是相同的，而且本地地址和接收地址要相同，这样才能保证接收与发送能够对应。NRF24L01的SPI时序图如图45所示图45无线模块SPI时序图B液晶显示模块程序设计液晶显示模块子程序设计流程图如图46所示液晶显示初始化子程序延时子程序液晶屏显示寄存器地址设定接收数据显示程序图46液晶屏显示程序设计流程图QC12864B1液晶显示屏是串行口通信，一次接收一帧数据，所以要依次从寄存器中读取数据，然后显示在液晶屏上。在程序中可以设定显示数字的位置，利用坐标确定其位置所在。C报警子程序设计报警子程序设计流程图如图47所示初始化子程序读取烟雾浓度蜂鸣器报警是否超过上限否否图47报警子程序设计流程图D烟雾浓度检测模块程序设计对烟雾检测模块的程序设计要注意，首先设定八位计数器，在检测到信号之后再将数据发送出去，将数据发送给单片机。烟雾浓度检测模块程序设计流程图如图48所示初始化子程序设置计数器延时等待发送数据图49烟雾浓度检测模块程序设计流程图5实物调试完成以上硬件设计和软件调试之后，进行实物的制作。在制作过程中考虑到元件的大小和数量，无线发射和接收端都使用90CM15CM的通用板。实物的制作与原理图的设计不同，需要考虑更多的实际情况。对于单片机、烟雾传感器、无线模块、液晶显示模块的焊接都使用底座焊接，然后用排针连接，这样可以减少电路出现问题后的损失。在实物焊接完成之后，通过程序烧写器将程序烧写进单片机中，使其能够运行程序。烧写时将烧写器的四个引脚分别通过杜邦线与单片机的电源、RX、TX引脚连接，这样可以将程序顺利烧写进单片机中。设计实物完成后如图51所示图51烟雾浓度无线数据传输系统实物图与上位机通信串口调试显示数据如图52所示图52串口通信上位机界面6结束语以上是本设计的内容与步骤。本设计主要利用了单片机的强大性能与实用功能来完成的，其中运用了所学过的单片机、传感器、工业计算机网络等多门课程的知识。本设计的主要价值在于对无线通信技术的研究。无线通信如今运用广泛，是因为其具有布线简单、传输不受距离限制、实时性好、稳定性高等多种优点。在今后的研究中，无线通信技术将是一个热点和重点。如今手机3G和4G网络的发展，更是为无线通信技术带来了良好的功能体验。在今后，无线通信技术将越来越成熟，也将在人们的生活和工业生产上发挥更加巨大的作用。所以本设计有着广泛的应用价值与研究价值。本设计的优点和特色在于将无线烟雾报警装置与无线数据传输相结合，与传统的烟雾报警装置相比具有更广泛的应用意义。传统的烟雾浓度报警装置线路容易老化，也是火灾产生的一个原因。并且传统烟雾报警器由于技术的局限性，在烟雾的报警和解决上没有很好地稳定性与实时性。而本设计使用无线通信方式，将烟雾浓度实时传送到监控端，可以让人们可以随时注意到烟雾浓度的变化，能够及早的完成对火灾的预防和报警。本设计所制作的报警器能够实现对烟雾浓度的监控和火灾的预警，在性能上已经基本上可以实现在家庭和工厂中的使用，安全性和稳定性程度都很高。另外，本设计也不是十分完美的，其中还存在许多的问题。首先就是对于无线的传输速度，可以选择更稳定更快速地其它的无线传输模块。并且该设计无线传输的距离不是很远，在今后的改进中可以选择使用WIFI无线网络或者最新的4G高速移动网络来完成无线的传输，毕竟它们的传输速度和传输距离明显高于无线传输模块。在烟雾浓度显示方面，在后续的研究中应该在发射端和接收端都要放上显示屏，这样方便对烟雾浓度的检测。而报警电路还可以加上光声配合，利用声音和光线共同完成报警将会让人们对于报警更加敏感。可以在系统中加入音乐播放模块，使其可以选择不同的铃声报警。另外，在发生危险时我们需要第一时间知道事故发生地，所以可以结合GPS定位系统，同时在显示屏上显示危险地区的坐标，方便快速锁定目标，提前做好事故的预防与处理。以上便是我对本设计的研究总结与后续研究的建议。参考文献1张兰红，邹华单片机原理及应用M北京机械工业出版社,20122刘同法，肖志刚，彭继位C51单片机C程序模板与应用工程实践M北京北京航空航天大学出版社,20103刘坤51单片机应用系统典型模块开发大全M北京中国铁道出版社,2011第2版4南新志无线数据传输系统的实现J电子设计应用，2002，（1）13145吴景志对当今无线数据传输技术的研究J电子测试，2013，（6）1531546裴一帆，张轮基于WIFI的无线网状网J科技情报开发与经济，2005，12）2242267陈光荣，李晓琴W24WIFI模块编程及其应用J应用奇葩，2013（2）93958胡汉才单片机原理及其接口技术2版M北京清华大学出版社，20049王悦铭，岳敏，黄文基于单片机的温度及烟雾浓度报警设计J工业控制计算机,2013，（1）10310410李全利单片机原理与接口技术M北京高等教育出版社，200411宋国珍，张立明纺织厂火灾探测器的选择J浙江建筑，2005，22（6）545512曹瑞升关于火灾报警控制器功能方面的几个问题J消防技术与产品信息，2000，（9）101313李宏文，张向阳建筑物火灾监控系统的智能化发展J工程设计CAD与智能建筑，2002，（2）212514程晓舫，王瑞芳火灾探测的原理和方法J中国安全科学学报，1994，9（1）252915李引擎，边久荣等建筑安全防火设计手册M河南科学技术出版社，1998186187，19420016孔令成,王华烟雾检测芯片MC144671和MC14468在火灾自动探测报警中的应用J电子技术,1998,0425054致谢关于本设计的完成，我要感谢我的毕业设计指导老师辅老师，是他给予了我毕业设计的指导与帮助。此外我要感谢学校和学院对我毕业设计的各方面的支持，感谢各位老师含辛茹苦的培养。在此毕业设计完成之时，大学四年时光也将结束。感谢所有在生活上和学习上给我帮助过的所有人。希望所有的老师、同学和各位领导能够身体健康，万事顺利。在这个鸟语花香的季节，希望能够永久保存在我的记忆当中。（手写签名、日期）附录附录1程序清单附录2设计图纸附录3元器件目录表附录1程序清单附录11无线发送模块程序清单INCLUDEINCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEULONGUNSIGNEDLONG/ADCDEFINEFOSC18432000LDEFINEBAUD9600/DEFINEADCOPERATIONCONSTFORADC_CONTR/DEFINEADC_POWER0X80/ADCPOWERCONTROLBITDEFINEADC_FLAG0X10/ADCCOMPLETEFLAGDEFINEADC_START0X08/ADCSTARTCONTROLBITDEFINEADC_SPEEDLL0X00/420CLOCKSDEFINEADC_SPEEDL0X20/280CLOCKSDEFINEADC_SPEEDH0X40/140CLOCKSDEFINEADC_SPEEDHH0X60/70CLOCKSTYPEDEFUNSIGNEDCHARBYTETYPEDEFUNSIGNEDINTWORD/DECLARESFRASSOCIATEDWITHTHEADC/SFRADC_CONTR0XBC/ADCCONTROLREGISTERSFRADC_RES0XBD/ADCHIGH8BITRESULTREGISTERSFRADC_LOW20XBE/ADCLOW2BITRESULTREGISTERSFRP1ASF0X9D/P1SECONDARYFUNCTIONCONTROLREGISTER/NRF24L01寄存器指令DEFINEREAD_REG0X00/读寄存器指令DEFINEWRITE_REG0X20/写寄存器指令DEFINERD_RX_PLOAD0X61/读取接收数据指令DEFINEWR_TX_PLOAD0XA0/写待发数据指令DEFINEFLUSH_TX0XE1/冲洗发送FIFO指令DEFINEFLUSH_RX0XE2/冲洗接收FIFO指令DEFINEREUSE_TX_PL0XE3/定义重复装载数据指令DEFINENOP0XFF/保留/SPINRF24L01寄存器地址DEFINECONFIG0X00/配置收发状态，CRC校验模式以及收发状态响应方式DEFINEEN_AA0X01/自动应答功能设置DEFINEEN_RXADDR0X02/可用信道设置DEFINESETUP_AW0X03/收发地址宽度设置DEFINESETUP_RETR0X04/自动重发功能设置DEFINERF_CH0X05/工作频率设置DEFINERF_SETUP0X06/发射速率、功耗功能设置DEFINESTATUS0X07/状态寄存器DEFINEOBSERVE_TX0X08/发送监测功能DEFINECD0X09/地址检测DEFINERX_ADDR_P00X0A/频道0接收数据地址DEFINERX_ADDR_P10X0B/频道1接收数据地址DEFINERX_ADDR_P20X0C/频道2接收数据地址DEFINERX_ADDR_P30X0D/频道3接收数据地址DEFINERX_ADDR_P40X0E/频道4接收数据地址DEFINERX_ADDR_P50X0F/频道5接收数据地址DEFINETX_ADDR0X10/发送地址寄存器DEFINERX_PW_P00X11/接收频道0接收数据长度DEFINERX_PW_P10X12/接收频道1接收数据长度DEFINERX_PW_P20X13/接收频道2接收数据长度DEFINERX_PW_P30X14/接收频道3接收数据长度DEFINERX_PW_P40X15/接收频道4接收数据长度DEFINERX_PW_P50X16/接收频道5接收数据长度DEFINEFIFO_STATUS0X17/FIFO栈入栈出状态寄存器设置/NRF24L01端口定义SBITCEP15/CHIPENABLEPINSIGNALOUTPUTSBITCSNP14/SLAVESELECTPIN,OUTPUTTOCSN,NRF24L01SBITIRQP10/INTERRUPTSIGNAL,FROMNRF24L01INPUTSBITMISOP11/MASTERIN,SLAVEOUTPININPUTSBITMOSIP12/SERIALCLOCKPIN,OUTPUTSBITSCKP13/MASTEROUT,SLAVEINPINOUTPUTSBITDQP36/DS18B20数据输入输出口VOIDINITADCVOIDDELAY_AWORDNBYTECH0/24L01VOIDDELAYUINTSVOIDINERDELAY_USUCHARNVOIDINIT_NRF24L01VOIDUCHARSPI_RWUCHARBYTEUCHARSPI_READUCHARREG/VOIDSETRX_MODEVOIDUCHARSPI_RW_REGUCHARREG,UCHARVALUEUCHARSPI_READ_BUFUCHARREG,UCHARPBUF,UCHARUCHARSUCHARSPI_WRITE_BUFUCHARREG,UCHARPBUF,UCHARUCHARSUCHARNRF24L01_RXPACKETUCHARRX_BUFVOIDNRF24L01_TXPACKETUCHARTX_BUF/函数功能MQ2写字节函数函数说明向MQ2写1字节数据入口参数要写入MQ2的1字节数据出口参数无/VOIDMQ2_WRITEBYTEUCHARDATCHARIFORI0I1/送出数据DQCYDELAYXUS60/等待时间片结束DQ1/恢复数据线DELAYXUS1/恢复延时/UCHARBDATASTA/状态标志SBITRX_DRSTA6SBITTX_DSSTA5SBITMAX_RTSTA4/延时函数/VOIDINERDELAY_USUCHARNFORN0N_NOP_NOP_/NRF24L01初始化/VOIDINIT_NRF24L01VOIDINERDELAY_US100CE0/CHIPENABLECSN1/SPIDISABLESCK0/SPI_WRITE_BUFWRITE_REGTX_ADDR,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH/写发射端地址SPI_WRITE_BUFWRITE_REGRX_ADDR_P1,RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH/写接收端地址SPI_WRITE_BUFWRITE_REGRX_ADDR_P0,RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTHSPI_RW_REGWRITE_REGEN_AA,0X03/频道1自动ACK应答允许SPI_RW_REGWRITE_REGEN_RXADDR,0X