毕业论文-一种烟雾报警器设计

一种烟雾报警器设计.绪论1.1概述单片机,烟雾传感器及火焰传感器是烟雾报警器系统的三大大核心。单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。同样，它也广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。而传感器作为信息技术系统的“感官”器件，如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、高速度的控制系统。美国曾把二十世纪八十年代称为传感技术时代，日本更是把传感技术列为十大技术之首。所以，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器和单片机芯片是至关重要的。在本论文中的最主要的设计是选STC12C5A60S2单片机和MQ-2半导体气体烟雾传感器为核心器件[9]。STC12C5A60S2单片机兼容标准MCS-51指令系统，功能强大，可供许多高性价比的场合应用，能够灵活应用于各种控制领域。MQ-2半导体气体烟雾传感器在较宽的浓度范围内对液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等有良好的灵敏度，寿命长，成本低，非常适用于家庭使用的气体泄漏报警器。由这两个核心器件设计而成的整个烟雾报警器系统可实现声光报警、GSM模块短信传送检测现场实时情况、换气扇排烟的烟雾报警器应有的功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器，具有一定的实用价值[8]。目前，现代建筑都会有选择地安装不同功能的火灾自动报警系统。因为火灾自动报警系统是建筑物的神经系统，它能够感受、接收着发生火灾的早期信号并及时报警，发出警报同时告知用户和周边居民。它就像是一个个称职的更夫，给居住、忙碌或是休息在家庭中的人们以极大的安全感。在火灾的早期阶段，准确的探测到火情并迅速报警，对于及时组织有序快速疏散、积极有效地控制火灾的蔓延、快速灭火和减少火灾对居住人群的损失都具有重要的意义。随着通信，电子技术的发展，智能家居日益进入人们的视野。基于GSM网络覆盖区域广，保密性强，无距离障碍等优点，形成集实时数据采集和远程控制为一体的智能家居系统[11]。现在越来越多主流的烟雾报警器是通过无线传达客户检测信息，系统选用烟雾报警器采集家居信息，通过无线收发模块传递主控器件，运用信息融合技术，以期获得较为可靠的报警信息。1.2设计烟雾报警器的目的及意义在日常生活中越来越多人注重防火，现在不止商业，还有家居。传统的烟雾报警器是由两部分组成：一是用于检测烟雾的感应传感器，二是声音非常响亮的电子扬声器，一旦发生危险可以及时警醒人们。当今，世界上使用得最为普遍的烟雾报警器当属光电式烟雾报警器和电离式烟雾报警器[4]。对于预防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭转眼间毁于一旦,有的导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当、报警迟缓,是造成人员伤亡的主要原因。所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因,掌握防止发生火灾的知识和万一发生火灾时保护自己的方法,及时消除。英国每年发生严重家庭火灾，其中大部分火灾造成人员伤亡和重大的家庭财产损失，有的还连累左邻右舍，火灾损失更加惨重。在调查火灾起因的时候，绝大多数发生火灾家庭的当事人说，以前总觉得火灾是人家的事情，与自己离得很远，没有想到这一次竟然会发生在自己的头上。家庭火灾的主要原因是麻痹大意，没有及时采取预防措施据公安部消防局2011统计，近年，国内每年发生家庭火灾死亡800余人，占火灾死亡人数的70%以上。假如能根据实际情况预先采取更方便，快捷，直观，简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。现在几乎每个人都有一部可收发短信的手机，利用手机内置通讯GSM模块或者利用网络去监测建筑物的烟雾情况。无线烟雾报警器是由单片机电子元件做成的新型报警器，它利用手机GSM模块实现网络连接，实现远程监控房屋烟雾火灾安全。它的出现为人们的生活带来很大的方便，有很广阔的市场前景，相信随着社会的进一步发展，它的网络覆盖区域广，保密性强，无距离障碍，实时的特点会越来越得到人们的青睐.这对于越来越注重家庭防火安全的人们有莫大的帮助。1.3烟雾报警器的现状及特点消防报警产品是一个系列产品，包括\t"/2011/10/_blank"火灾\t"/2011/10/_blank"探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动。是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、\t"/2011/10/_blank"智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，像消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。

在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：类似于国外消防报警产品的大规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的\t"/2011/10/_blank"消防报警市场。1.4烟雾报警器的发展趋势随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题

为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。

烟雾检测报警装置是能够检测环境中的烟雾浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。烟雾报警器属于《工作计量器具目录》中第46项，它归类于物理化学计量器具。《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃烟雾、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置烟雾浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行新的烟雾探测器标准(GB15322-2003)《可燃烟雾探测器》，2004年10月国家颁布《可燃烟雾检测报警器规程JJG693-2004》，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。

目前国内已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，烟雾检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到极大的发展。到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，烟雾报警器具有十分广阔的市场前景。2系统的总体方案设计2.1烟雾报警器的工作结构和原理烟雾报警器是能够检测环境中的烟雾及易燃气体的浓度，并具有报警功能的仪器。该烟雾报警器的最基本部分有：烟雾传感器MQ-2，火焰传感器，单片机控制电路，声光报警电路和电源电路。结构图如图2-1：图2-1可燃烟雾报警器系统结构框图开机上电后，程序在主函数中运行，单片机和GSM模块分别进行初始化。单片机的初始化包括设置串口工作方式、波特率，并初始化变量参数和标志位。GSM模块初始化包括重新启动、关闭回显、设置在TEXT模式下在返回值中不显示详细的头信息、选择短信格式为TEXT模式、开发串口中断准备接收数据。该系统的工作由烟雾信号采集及放大电路将采集到的烟雾浓度信息转化为放大的模拟电信号。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析。当输入A/D转换器的放大信号达到设定阀值，启动报警电路。反之则为正常工作状态。系统采用蜂鸣器声音报警和LED闪烁状态作为警报信号。这种报警方法是在声音报警基础上，加入闪烁报警。因为变化的光信号引起用户和家庭邻居的注意，弥补了在嘈杂环境中声音报警的局限，使得报警装置更加完善。2.2烟雾传感器的选型烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。而烟雾报警器的信号采集由烟雾传感器负责。烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就能获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。换句话说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。图2-2烟雾传感器及其结构图2.2.1烟雾传感器的介绍(1) 烟雾传感器的分类烟雾传感器种类繁多，从检测原理上分为三大类：(a)利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。(b)利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。(c)利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。表2.2简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。表2.2各种烟雾传感器可检测的烟雾种类传感器种类COCO2H2SNH3HCNHCICOCI2CI2NOXSO2OCH4C3H2H2H2O半导体气体传感器○○○○○○○○○○固体电解质传感器○○○○○接触燃烧式传感器◎○○○电化学式传感器○○○○○○○○高分子电解质气体传感器◎○○○○注：○好◎不太好根据报警器检测烟雾种类的不同要求，很多场合都会选择使用半导体烟雾传感器。经过对比众多烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出。半导体烟雾传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，维护成本较低，因而得到广泛应用。因此，本设计中的烟雾传感器选用MQ-2半导体气体烟雾传感器[1]。` 图2-3MQ-2半导体气体烟雾传感器结构（2）烟雾传感器应满足的基本条件一个烟雾传感器是单功能的，是多功能的；是单一的实体，也是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：(a)能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；(b)对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；(c)对检测信号响应速度快，重复性好；(d)长期工作稳定性好；(e)使用寿命长；(f)制造成本低，使用与维护方便。2.2.2MQ-2半导体气体烟雾传感器MQ-2半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡(SnO2)为主体的N型半导体气敏元件。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大[1]。在设计报警器时只有使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。该传感器具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、抗干扰能力强、输出信号大、寿命长和工作稳定等优点，在市面上应用十分广泛。二氧化锡(SnO2)半导体气敏元件特点：(a)SnO2材料的物理、化学稳定性较好，与其他类型气敏元件相比，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。(b)SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱离时间短，可连续长时间使用。(c)SnO2气敏元件结构简单，成本低，可靠行较高，机械性能良好。MQ-2气敏元件的结构和外形如图2-3所示，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。封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提加热电流。MQ-2半导体气体烟雾传感器适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，对可燃性气体的（CH4、C4H10、H2等）的检测很理想。这种传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中。是一款便携式气体检测器，非常适合多种应用的低成本传感器。其技术指标表2.4。表2.4MQ-2的技术指标A标准时间符号参数名称技术条件备注VC回路电压≤15VACorDCVH加热电压5.0V±0.2VACorDCRL负载电压可调RH加热电阻31Ω±3Ω室温PH加热功耗≤900B环境条件O2符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-10℃-50℃Tas储存温度-20℃-70℃Rll相对湿度小于95％O2氧气浓度21％（标准条件）最小值大于2％C灵敏度特性符号参数名称技术参数备注RS敏感体表面电阻3KΩ-30KΩ(1000PPM异丁烷)探测浓度范围100ppm-10000ppmα（3000/1000）异丁烷浓度斜率≤0.6液化气和丙烷300ppm-5000ppm丁烷5000ppm-20000ppm甲烷标准工作条件温度：20℃±2℃相对温度：65%±5%VC：5.0V±0.1VVH：5.0V±0.1V300ppm-5000ppm氢气100ppm-2000ppm酒精预热时间不少于24小时由于物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常烟雾传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。所以MQ-2半导体气体烟雾传感器要想把采集到的烟雾浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过放大器进行放大处理，之后才能将模拟信号经过A/D转换器转化为可以识别的电信号给单片机。设计时应注意，气敏元件开机通电时，其内阻很小，但经过一段时间后，才能恢复到原来的稳定状态。因此，MQ-2气体传感器需开机预热几分钟，才可投入使用，以免造成误报。2.3火焰传感器的介绍图2-4烟雾传感器及其结构图用途：

各种火焰，火源探测

模块特色：

1、检测火焰或者波长在760纳米～1100纳米范围内的光源，打火机测试火焰距离为80cm，对火焰越大，测试距离越远

2、探测角度60度左右，对火焰光谱特别灵敏3、灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节）

4、比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA

5、配可调精密电位器调节灵敏度

6、工作电压3.3V-5V

7、输出形式：数字开关量输出（0和1）

8、设有固定螺栓孔，方便安装

9、小板PCB尺寸：3.2cmx1.4cm

10、使用宽电压LM393比较器

模块使用说明：

1、火焰传感器对火焰最敏感，对普通光也是有反应的，一般用做火焰报警等用途。

2、小板输出接口与单片机IO口直接相连

3、传感器与火焰要保持一定距离，以免高温损坏传感器，对打火机测试火焰距离为80cm，对火焰越大，测试距离越远功能说明：

火焰传感器是机器人专门搜寻火源的传感器，当然火焰传感器检测光线的亮度，只是本传感器对火焰特别灵敏。火焰传感器利用红外线对对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接受管检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器中，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理。功能用途：远红外火焰传感器探测火源或其它一些波长在700纳米～1000纳米范围内的热源。在机器人比赛中，远红外火焰探头起着非常重要的作用，它可以用作机器人的眼睛寻找火源或足球。它可以制作灭火机器人、足球机器人等。

原理介绍：远红外火焰传感器能够探测到波长在700纳米～1000纳米范围内的红外光，探测角度为60，其中红外光波长在880纳米附近时，其灵敏度达到最大。远红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为0～255范围内数值的变化。外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。2.4单片机的选型单片机是烟雾自动报警系统的心脏，接收火灾信号并启动报警装置显示和执行相应的保护和消防动作。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。2.4.1STC12C5A60S2系列1T单片机的功能比较89C51：图2-4STC12C5A60S2引脚图STC12C5A60S2系列1T单片机的功能比较89C51得出的优势如下：1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统80512.工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.3VSTC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V-2.2V3.工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz4.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节5.片上集成1280字节RAM6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)9.看门狗10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%12.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内)用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz～15.5MHz3.3V单片机为：8MHz～12MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准13.共4个16位定时器：两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器，做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器14.2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2),CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)16.PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）也可用来当2路D/A使用也可来再实现2个定时器也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)17.A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)18.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口19.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)20.工作温度范围：-40-+85℃(工业级)/0-75℃(商业级)21.封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合[2]。2.5SIM900AGSM模块的介绍2.5.1SIM900A概要：SIM900A模块采用串口（UART）通信，所有的SIM900A开发板都含有TTL接口（V3.7版本还含有一组RS232电平接口）。使用标准的AT指令对SIM900A模块进行控制，实现打电话发短信等功能。所以，做的是：使用控制器（包括单片机、电脑等）连接SIM900A模块的TTL接口或是RS232接口[3]。硬件连接完毕后，通过串口发送AT指令了。通过AT指令，SIM900A可以与手机无线连接或与电脑有线连接，以达到双方交换数据的功能。双方数据交流原理图如下2-5-1图2-5双方数据交流原理图2.5.2串口控制SMS的工作原理单片机与GSM模块一般采用串行异步通信接口，通信速度可设定，通常为19200bps。采用这种RS232电缆方式进行连接时，数据传输的可靠性较好。RS232接口方式连接，通过串行接口集成电路和电平转换电路与GSM模块连接，电路比较简单，所涉及的芯片包括单片机89C52和电平转换芯片MAX232，是非常常见的接口电路。GSM的短信息业务SMS利用信令信道传输，这是GSM通信网所特有的。它不用拨号建立连接，把要发的信息加上目的地址发送到短信息服务中心，经短信服务中心完成存储后再发送给最终的信宿。所以当目的GSM终端没开机时信息不会丢失。每个短信的信息量限制为160字节。用单片机控制GSM模块收发短信息所涉及到的AT指令见表2-6。表2-6AT指令AT指令功能描述AT+OFF关机并重新启动AT+CSDH=0在TEXT模式下在返回值中不显示详细的头信息ATE0关闭回显AT+CMGF=1选择短信格式为TEXT模式AT+CMGS发送短信息AT+CMGR读取短信息AT+CMGD=0删除全部短信息 2.5.3SIM900A常用的AT指令1.拨打/接听电话使用SIM900A模块进行拨打和接听电话，要用到的指令有：ATE1/ATD/ATA/ATH/AT+COLP/AT+CLIP/AT+VTS等7条AT指令。ATE1，用于设置回显，即模块将收到的指令完整的返回给发送设备，方便调试。ATD，用于拨打任意电话号码，格式为：ATD+号码+;，末尾的’;’一定要加上，否则不能成功拨号，如发送：ATD10086;，即可实现拨打10086。ATA，用于应答电话，当收到来电的时候，给模块发送：ATA，即可接听来电。ATH，用于挂断电话，要想结束正在进行的通话，只需给模块发送：ATH，即可挂断。AT+COLP，用于设置被叫号码显示，通过发送：AT+COLP=1，开启被叫号码显示，当成功拨通的时候（被叫接听电话），模块会返回被叫号码。AT+CLIP，用于设置来电显示，通过发送：AT+CLIP=1，可以实现设置来电显示功能，模块接收到来电的时候，会返回来电号码。AT+VTS=*，产生DTMF音，该指令只有在通话进行中才有效，用于向对方发送DTMF音，比如在拨打10086查询的时候，通过发送AT+VTS=1，模拟发送按键1。2拨打电话SIM900A模块来拨打10086，并进行话费查询。首先发送：ATE1，设置回显，再发送：AT+COLP=1，设置被叫号码显示。如图2-7所示：图2-7SIM900A发送AT指令电脑通讯软件的回答图然后，发送：ATD10086;，拨打10086，在接通后，SIM900A模块返回：+COLP:"10086",129,"",""，此时，待一堆话结束后，发送：AT+VTS=1，即可查询本机电话号码。最后，通过发送：ATH，挂断，结束本次通话。查询话费余额至此，完成一次拨号、发送DTMF音、结束通话的操作。十分简单，所以用SIM900A模块实现打电话，那实在是小菜一碟。3短信的读取与发送介绍如何使SIM900A模块进行短信的读取与发送。将要用到的指令有：AT+CNMI/AT+CMGF/AT+CSCS/AT+CSMP/AT+CMGR/AT+CMGS/AT+CPMS等7条AT指令。AT+CNMI，用于设置新消息指示。发送：AT+CNMI=2,1，设置新消息提示，当收到新消息，且SIM卡未满的时候，SIM900A模块会返回数据给串口，如：+CMTI:"SM",2，表示收到接收到新消息，存储在SIM卡的位置2；存满了就不会提示，通过删除短信解决。AT+CMGF，用于设置短消息模式，SIM900A支持PDU模式和文本（TEXT）模式等2种模式，发送：AT+CMGF=1，即可设置为文本模式。AT+CSCS，用于设置TE字符集，默认的为GSM7位缺省字符集，在发送纯英文短信的时候，发送：AT+CSCS="GSM"，设置为缺省字符集即可。在发送中英文短信的时候，需要发送：AT+CSCS="UCS2"，设置为16位通用8字节倍数编码字符集。AT+CSMP，用于设置短消息文本模式参数，在使用UCS2方式发送中文短信的时候，需要发送：AT+CSMP=17,167,2,25，设置文本模式参数。AT+CMGR，用于读取短信，比如发送：AT+CMGR=1，则能读取SIM卡存储在位置1的短信。AT+CMGS，用于发送短信，在"GSM"字符集下，最大可以发送180个字节的英文字符，在"UCS2"字符集下，最大可以发送70个汉字（包括字符/数字）。该指令后面详细介绍。AT+CPMS，用于查询/设置优选消息存储器，通过发送：AT+CPMS?，可以查询当前SIM卡最大支持多少条短信存储，以及当前存储了多少条短信等信息。如返回：+CPMS:用户手册"SM",1,50,"SM",1,50,"SM",1,50，表示当前SIM卡最大存储50条信息，目前已经有1条存储的信息。4英文短信的读取用其他手机先发送一条英文短信到SIM900A模块上，然后读取模块接收到的这条英文短信。首先，发送：AT+CMGF=1，设置为文本模式，然后发送：AT+CSCS="GSM"，设置GSM字符集，然后发送:AT+CNMI=2,1，设置新消息提示。接着，用别的手机发送一条英文短信“SIM900AModule”到模块上（如果不知道模块号码，可以发送：AT+CNUM，查询模块号码）。模块接收到短信后，会提示如：+CMTI:"SM",2，表明收到了新的短信，存放在SIM卡位置2。然后，发送AT+CMGR=2，即可读取该短信。注意：某些时候，模块收到了短信，但却不发送提示，原因是：模块存储容量有限，不能继续存储短信。解决方法：删除一些短信，例如发送：AT+CMGD=1，删除全部短信命令。7英文短信的发送利用SIM900A模块给指定手机号码发送一条英文短信。这里，AT+CMGS指令发送短信，发送全英文/数字短信的时候，设置为："GSM"字符集（AT+CSCS="GSM"），文本模式（AT+CMGF=1）要给手机号：发送一条短信，则发送：AT+CMGS=,然后模块返回：>，输入需要发送的内容:SIM900ATEST,注意，不用发送回车。在发送完内容以后，最后以十六进制（HEX）格式单独发送:1A(即0X1A)，即可启动一次短信发送。注1：0X1A,”CTRL+Z”的键值，即用于告诉SIM900A，要执行发送操作。另外发送:0X1B，即”ESC”的键值，用于告诉SIM900A,取消本次操作，不执行发送。稍等片刻，在短信成功发送后，模块返回如：+CMGS:156，的确认信息，表示短信发送成功，其中156为模块内部的短信计数器，一般不用理会。3系统的硬件电路3.1STC12C5A60S2的时钟电路STC12C5A60S2单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接晶体振荡器Y，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHZ，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。时钟电路如图3-1。图3-1时钟电路3.2烟雾传感器原理图及分析在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。只有传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整，才能满足单片机对输入信号的要求。图3-2LM393四运放引脚图和结构图 设计中采用LM393作为电路的运算放大器。LM393是价格便宜的带差动输入功能的高增益四运算放大器。LM393的静态功耗小、价格低廉，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。如图3-3所示，通过滑动变阻器Rp产生的参考电压Vref接入LM393的同相输入端，从传感器输出的信号经过运算放大器LM393的反相输入端，由此组成比较运算电路[6]。 图3-3信号采集及前置放大电路图由于放大电路还增加入了参考电压，引入了零点调节功能，这样更方便地调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用通过滑动变阻器Rp产生的参考电压Vref和传感器的输出电压分别输入到运算放大电路的两个输入端，由此得到的输出电压Uo与两个输入端之差成正比而实现差分比例电路。所以调节滑动变阻器Rp，就可以直接改变放大电路的参考电压值，使报警系统可以在可燃烟雾气体的不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对不同烟雾浓度的测量[5]。3.3声光报警器原理图及分析图3-6声光报警器原理图单片机一开始运行时，先闭合自锁开关，当烟雾传感器的AD值超过某气体（液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等）安全值时，MCU核心就自动发送指令，令P1.0及P1.1低电平使PNP三极管导通，LED灯亮，蜂鸣器响，当气体浓度在安全浓度时，P1.0及P1.1高电平，LED灯与PNP管截止3.5火焰传感器原理图及分析图3-8火焰传感器原理图如图3-8所示，通过滑动变阻器IN产生的参考电压Vref接入LM393的同相输入端，从传感器输出的信号经过运算放大器LM393的反相输入端，由此组成比较运算电路3.6烟雾报警器整体原理图及分析图3-10烟雾报警器原理图如图3-10所示，烟雾报警器电路主要由单片机最小系统电路、报警电路、SIM900A电路和传感器电路组成。开机上电后，程序在主函数中运行，单片机和GSM模块分别进行初始化。单片机的初始化包括设置串口工作方式、波特率，并初始化变量参数和标志位。GSM模块初始化包括重新启动、关闭回显、设置在TEXT模式下在返回值中不显示详细的头信息、选择短信格式为TEXT模式、开发串口中断准备接收数据。该系统的工作由烟雾信号采集及放大电路将采集到的烟雾浓度信息转化为放大的模拟电信号。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析。当输入A/D转换器的放大信号达到设定阀值，启动报警电路。反之则为正常工作状态。系统采用蜂鸣器声音报警和LED闪烁状态作为警报信号。这种报警方法是在声音报警基础上，加入闪烁报警。4烟雾报警器系统的软件的设计4.1系统主程序设计及流程图主程序流程图如下图所示。首先要给传感器预热，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。系统总体流程如下图4-1：图4-1主程序流程图在整个报警器系统工作中，STC12C5A60S2的A/D转换处理后，由单片机进行分析处理，判断系统是否启动声光报警及排气扇。4.2GSM程序设计及流程图本系统的软件设计主要包括GSM短消息程序设计、GPS定位信息采集程序设计和系统主程序设计。通过向SIM900A写入不同的AT指令，能完成多种功能，实现各种GSM业务如网络登录、删除SMS消息、列出短消息、读取SIM卡上的电话号码、发送SMS消息、接收SMS消息等。GSM模块发信息短信流程图如下图4-1所示[7]。图4-1短信发送流程图如图4-2所示函数在完成单片机和GSM模块的初始化后，将立即开放串口中断，实时接收GSM模块返回的参数以及上位机模块发的短信数据.通过中断方式进行ADC数值采集检测，若超过阈值则单片机通过串口连接GSM模块发送分别两次信息到客户手机进行报警，信息重复发送，预防第一次信息有误，增强烟雾报警器的可靠性。图4-2串口传送GSM模块流程图5烟雾报警器的实测与数据分析5.1烟雾报警器的实验结果实验用具:蚊香，打火机试验烟雾报警器部分：通过蚊香烟熏，当到达烟雾浓度超过阈值200PPM时，烟雾报警器开始工作，排气扇开始排气蜂鸣器与led灯工作，SIM900A发送短信到用户手机上。当烟雾浓度阈值低于200PPM时，风扇及LED灯及蜂鸣器停止工作。单片机经过串口通讯软件显示接受短信成功指令，显示中英文短信内容实验结果如图5-1。图5-1烟雾实测图及相应SIM900A在串口通讯显示结果截图试验火焰报警器部分：通过打火机明显的火光，在距离火焰传感器4到7厘米，火焰传感器工作，单片机识别，控制蜂鸣器及led灯工作，SIM900A拨打火警电话到用户手机上面，让用户及时通知火警。当没有明显火光时，蜂鸣器与LED灯停止工作。单片机经过串口通讯软件显示拨打电话指令成功，并显示所拨打电话number如图5-2。图5-2火焰报警实测图及相应SIM900A在串口通讯显示结果截图5.2烟雾浓度的阈值确定分析烟雾浓度值与电压模拟量关系见表5-11,5-13及相应的散点回归方程坐标轴见图5-12,5-14（根据厂家烟雾浓度曲线）.X/PPM023050080010001260135014402000Y/V0.10.450.71.71.8表5-11烟雾浓度值与电压模拟量图5-12烟雾浓度值与电压模拟量散点回归方程坐标轴（根据厂家烟雾浓度曲线）表5-13烟雾浓度值与电压模拟量X/PPM300040005000800010000Y/V52.82.95图5-14烟雾浓度值与电压模拟量散点回归方程坐标轴（根据厂家烟雾浓度曲线）根据厂家实际烟雾浓度曲线数据手册可知，输出电压与大气烟雾浓度成对数函数关系。据此，拟合回归方程时，将大气烟雾浓度分为两段直线方程拟合，0~2000ppm范围内拟合直线回归方程一如图5-12，2000~10000ppm范围内拟合直线回归方程二如图5-14。根据厂家数据，按照回归方程可知，设置烟雾浓度阈值为200PPM时，超过阈值时，烟雾传感器的数据脚输出TTL低电平，烟雾传感器的绿灯亮起。6结论根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器。该传感器是对以烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、不易受环境温湿度带来的影响等优点。火焰传感器，又称感光式火灾探测器，它是用于响应火灾的光特性，即探测火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。是探测在物质燃烧时，产生烟雾和放出热量的同时，也产生可见的或大气中没有的不可见的光辐射。烟雾传感器及火焰传感器两个一起作用，这对于实现火灾预防，保护人身安全起到双重保障。本文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，详细地阐述了基于单片机控制的烟雾报警器的设计目的和实现方法。通过系统方框图、硬件电路图和软件流程图的表示，全面、具体地阐述了系统中各个部分的原理和功能。设计简单易懂，功能齐全，十分适合在家庭生活中使用。附录烟雾报警器整体实物图及烟雾报警器整体原理图如图5-10：图5-10烟雾报警器整体实物图及烟雾报警器整体原理图2.烟雾报警器部分程序如下：/************************************************************程序说明：本程序运行后gprs模块找到服务商信号，实现烟雾、火焰的远程监控。作者：cheng版本：1.0时间：2015.04.21*************************************************************/#include<reg52.h>#include"STC_NEW_8051.h"#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//以下是你的51单片机的晶振大小#defineFOSC_110592M//#defineFOSC_12MsbitKEY1=P0^0; //打电话sbitKEY2=P0^1;floatADC_VCC=0,ADC=0;ucharppm_sum[]={""};//烟雾浓度值ppm//注意，无论接收到信号还是发送完信号，都会进中断服务程序的voidSerialInit()//初始化程序（必须使用，否则无法收发）{ TMOD=0x20;//定时器1操作模式2:8位自动重载定时器#ifdefFOSC_12M //在这里根据晶振大小设置不同的数值初始化串口 TH1=0xf3;//装入初值，波特率2400 TL1=0xf3; #else TH1=0xfd;//装入初值，波特率9600 TL1=0xfd;#endif//endofSOC_12M TR1=1;//打开定时器 SM0=0;//设置串行通讯工作模式，（10为一部发送，波特率可变，由定时器1的溢出率控制） SM1=1;//(同上)在此模式下，定时器溢出一次就发送一个位的数据 REN=1;//串行接收允许位（要先设置sm0sm1再开串行允许） EA=1;//开总中断 ES=1;//开串行口中断 }/*//串行通讯中断，收发完成将进入该中断voidSerial_interrupt()interrupt4{// a=SBUF; P2=SBUF; RI=0;//接收中断信号清零，表示将继续接收// flag=1;//进入中断的标志符号}*///串行口连续发送char型数组，遇到终止号/0将停止voidUart1Sends(uchar*str){ while(*str!='\0') { SBUF=*str; while(!TI);//等待发送完成信号（TI=1）出现 TI=0; str++; }}//发送短信命令0X1avoidUart1Send(ucharc){ SBUF=c; while(!TI);//等待发送完成信号（TI=1）出现 TI=0; }//ADC转换初始化voidInit_ADC(){P1ASF=0x84;//10000100P1.7和P1.2作为模拟口使用 ADC_CONTR|=0xE0;//ADC_POWER=1，开启AD模块的电源转换时间为180个周期 _nop_(); //设置ADC_CONTR寄存器时需要4个时间延时，确保数值设置成功 _nop_(); _nop_(); _nop_(); AUXR1|=0x04;//ADRJ=1设置ADC数据格式为高2位低八位 ADC_RES=0; //数据高2位清零 ADC_RESL=0; //数据低8位清零}//P1.2基准电压为2.5，实测2.465VuintADC_ref(){ uchark;uintADval=0; for(k=0;k<10;k++) //采集10次数字做软件滤波 { ADC_RES=0; //数据高2位清零 ADC_RESL=0; //数据低8位清零 ADC_CONTR|=0x02|0x08;//选择P1.2做通道开始ADC转换 _nop_(); //设置ADC_CONTR寄存器时需要4个时间延时，确保数值设置成功 _nop_(); _nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&0x10));//等待ADC转换结束ADC_FLAG=1 ADC_CONTR&=0xE7; //将ADC_FLAG清零 ADval=ADC_RES; //读取高两位 ADval=ADval<<8|ADC_RESL;//将高两位数据左移8位，或上低8位等于ADC数值 ADC_sum=ADC_sum+ADval;//取10次的和 ADval=0; } //ADC_VCC=25242/ADC_sum;//2.465*1024*10/ADC_sum准确的单片机VCC参考值}//烟雾浓度的ADC转换uintADC_yanwu(){ ucharn;uintAD_val=0,ADC_all=0; floatADC=0; for(n=0;n<10;n++) //采集10次数字做软件滤波 { ADC_RES=0; //数据高2位清零 ADC_RESL=0; //数据低8位清零 ADC_CONTR|=0x07|0x08;//选择P1.7做通道开始ADC转换 _nop_(); //设置ADC_CONTR寄存器时需要4个时间延时，确保数值设置成功 _nop_(); _nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&0x10));//等待ADC转换结束ADC_FLAG=1 ADC_CONTR&=0xE7; //将ADC_FLAG清零 AD_val=ADC_RES; //读取高两位 AD_val=AD_val<<8|ADC_RESL;//高两位数据左移8位，或上低8位等于ADC数值 ADC_all=ADC_all+AD_val; //取10次的和 AD_val=0; } ADC=2.465*ADC_all/ADC_sum;//ADC_all/（1024*10）*ADC_VCC准确的烟雾浓度电压值 if(ADC<1.6) { ADC_ppm=922*ADC-125;//公式简化标定ADC数值，转换成PPM值 } else{ADC_ppm=6185*ADC-9306;}}//adc数字值转换成字符串 5位数uintSum_ppm(inta){ucharj;for(j=5;j>0;j--){ppm_sum[j-1]=a%10+0x30;a=a/10;}}//延时函数大概是1s钟，不过延时大的话不准...voidDelaySec(intsec){ uinti,j=0; for(i=0;i<sec;i++) { for(j=0;j<65535;j++) { } }}voiddelay()//延时10ms{unsignedchara,b,c;for(c=193;c>0;c--)for(b=114;b>0;b--)for(a=1;a>0;a--);}voidmain(){ uchari=0; SerialInit(); while(1) { if(KEY1==0) { delay();//延时10ms if(KEY1==0) { ucharj; for(j=0;j<3;j++) { Uart1Sends("AT\r\n");//拨打的