一種室內煙霧處理系統的設計

張兆民　狄思雨

摘要：針對室內煙霧對人體健康危害日益嚴重的問題，設計了一種新型的室內煙霧處理系統。該系統以STC12C5A60S2單片機為主控芯片，MQ-2煙霧傳感器為檢測器件，能夠實時檢測和顯示煙霧濃度并自動處理。系統的GSM模塊實現了人機交互的功能。當室內煙霧濃度高于設定值時，系統以鳴響蜂鳴器和發送短信的方式向用戶發出警告信號，同時驅動系統的吸煙電機將煙霧吸入系統自帶的活性炭盒中，達到吸除室內煙霧的目的。經測試，該系統設計合理，魯棒性高，可以應用于日常生活之中。

Abstract： A new indoor smoke treatment device was designed to solve the problem that indoor smoke is increasingly harmful to human health. The device adopts STC12C5A60S2 single-chip microcomputer as the main control chip， and the MQ-2 smoke sensor is the detection device， which can detect smoke in real time and automatically process it. The GSM module of the device communicates with the mobile phone of the Android platform to realize the function of human-computer interaction. The device can display the current indoor smoke value in real time. When the indoor smoke concentration is higher than the set value， the system sends a warning signal to the user by sounding the buzzer and sending a text message， and the smoking motor of the driving device sucks the smoke into the activated carbon box provided by the device， achieving the purpose of absorbing indoor smoke. After testing， the device has reasonable design and high robustness and can be applied in daily life.

關鍵詞：單片機；煙霧傳感器；煙霧處理

Key words： MCU；smoke sensor；smoke treatment

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0142-03

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對健康的關注程度日益增加。人們生活水平的提高，不僅體現在家居裝飾越來越精美，更體現在對生活環境空氣質量的重視。先前的研究證實[1]，室內煙霧（如香煙燃燒產生的煙霧、煤氣燃燒的殘留）已經成為威脅人類健康的四大殺手之一，其含有多種致癌物質。市面上的一些空氣凈化系統主要功能是檢測和吸附空氣中的苯和甲醛，并沒有考慮到室內煙霧的監控與清除，且人機交互性差，價格昂貴，性能不穩定，應用中存在著很多問題。

新型室內煙霧處理系統針對上述問題進行設計，其內部的活性炭系統能夠濾除室內煙霧中絕大多數的有害物質，系統的MQ-2傳感器能夠對室內煙霧中的主要成分進行有效地監控，在實現了室內煙霧實時監測的同時完成了對煙霧有害成分的消除。此外，安裝在系統中的SIM900A模塊可以與用戶的手機進行通信，對煙霧濃度值進行遠程傳輸，提高了系統的人機交互性，便于用戶使用，具有實際效用。

1 總體設計

系統以臺灣宏晶公司的STC12C5A60S2單片機作為主控芯片[2]。該系統主要由煙霧檢測電路、AD轉換電路、電機控制電路、液晶顯示電路以及短信通信系統組成：煙霧檢測系統以MQ-2煙霧傳感器為核心，信號調理電路進行輸出信號的處理；AD轉換電路由TLC549和晶體管電路組成；電機控制電路由L298N芯片和穩壓電路組成；液晶顯示電路以OLED顯示屏為主要器件；短信通信系統由SIM900A模塊和供電電路組成。系統初始化后，煙霧檢測系統不間斷地檢測環境中的煙霧濃度，并以模擬電壓的形式輸出，經A/D轉換后，與單片機內部設置的閾值進行比對，同時將轉換的濃度值以數字量形式顯示在OLED液晶屏上。若濃度值超出閾值，則驅動蜂鳴器響并控制電機反轉吸除環境中的煙霧。[3]當環境濃度值持續1分鐘大于閾值時，通過短信通信模塊以文本短信形式向用戶發送警告信號，告知用戶。系統總體結構如圖1所示。

2 系統的硬件設計

煙霧處理系統控制電路的核心是12單片機的最小系統，由復位電路、晶振電路電源電路以及時鐘電路構成。電機與液晶屏并行工作。在單片機的I/O引腳上連接L298N電路、OLED液晶顯示電路，A/D轉換電路，單片機的串口連接短信通信模塊。

2.1 煙霧檢測電路

煙霧檢測電路將外界環境的煙霧信號最終轉換成連續的模擬電壓信號輸出[4]，整個電路分為兩部分：MQ-2煙霧傳感器與信號調理電路前端（不含A/D轉換）。煙霧傳感器是物理量與電信號進行轉換的裝置，能夠輸出模擬電壓，其輸出電壓由于噪聲和傳感器器件特性等原因，是含有加性噪聲的弱信號，需要先輸入信號調理電路的前端進行放大、整流、濾波，以得到較好的大信號用于后續的A/D轉換。

信號調理前端電路如圖2所示，在模擬電路輸入A/D轉換芯片之前，經過該電路進行處理。原始信號含有高頻干擾，為了防止信號的干擾與混疊，首先要進行濾波[5]，使用TLC2272集成運放構成二階有源低通濾波器去除高次諧波。將去噪后的電壓經運放放大輸入TLC549芯片進行A/D轉換。

2.2 最小系統電路

硬件設計核心是單片機最小系統，stc12單片機抗干擾性強，成本較低，內部運算速度是傳統51系列單片機的8-12倍，廣泛的實驗證實該型單片機適宜于電機控制的設計。如圖3所示，單片機的18、19引腳接外部12MHz晶振，用于給單片機提供時鐘信號；9引腳接復位電路。系統的其他硬件通過I/O口與單片機進行信號的傳送。OLED的D0和D1分別于P1^0和P1^1相接，復位、DC、片選依次連接P1口的第2、3、4引腳；L298N的PWM波信號由單片機的P2^6、P2^7引腳提供。單片機的串行口與SIM900A模塊相連實現通信。

3 系統軟件設計

完成硬件電路的焊接與搭建后，根據預期目標，進行軟件設計。系統的軟件設計使用C語言在μvision4環境下完成。采用模塊化的設計方式，根據不同模塊實現的功能，分開進行代碼的編寫，最后進行整合與移植。

3.1 主程序設計

系統的復位方式是軟件上電復位，即每一次重新上點都會擦除之前記錄的煙霧濃度數值，避免無效的數據占用大量的存儲空間。系統上電后，首先進行初始化操作，主要是對I/O口、串行口以及定時器的初始化。初始化完成后煙霧傳感器開始不間斷地進行檢測并將數據實時輸入到TLC549A/D芯片，進行1s一次的轉換。轉換后的數字量通過單片機送至OLED進行顯示，最后進行一次閾值判斷，若濃度值大于閾值則驅動蜂鳴器與電機，同時啟動定時器2開始計時10s，此項操作通過定時器的循環中斷實現。定時完畢再進行判斷，若濃度值仍然大于閾值，則向用戶發送反饋短信提醒，整個系統流程如圖4所示。

3.2 串口通信程序設計

本系統的一個優勢在于能夠實現用戶與系統的遠程通信，通信以SIM900A模塊為平臺，以短消息的方式實現，需要進行相關的編程操作。在系統的初始化中對通信所需的串口1與定時器1進行配置并設置相應的短信中心號，進入通信程序后，就向串行口的發送緩沖區寫數據，寫入的數據通過TXD引腳送入SIM900A，再經模塊發出，完成一次單向通信，此時開始不斷地檢測串行口的接收緩沖區，等待用戶的信息，當接收緩沖區滿，則寫入單片機，至此，一次交互完成。系統的通信過程如圖5所示。

4 系統測試

從實用性的角度出發，設計對照試驗進行系統測試。測試的主要內容是實時檢測的煙霧濃度值。實驗組是室內煙霧處理裝置，對照組是煙霧檢測儀數據，一組實驗數據如表1所示。

其中，第3次測量時，無論儀表測量還是煙霧檢測系統測量，濃度值都發生了驟變，這是由于實驗環境中加入了煙霧的緣故，可以看見，系統測試得到的誤差在10%以內，具有較好的準確度，在環境中出現煙霧時，能靈敏地感應到，證明系統有較好的實用性與魯棒性。

5 結束語

為提高人們在室內的空氣質量，設計的室內煙霧處理系統，使用12單片機為核心芯片，MQ-2傳感器為檢測器件，具有極高的性價比。經過科學的測試，雖然檢測結果尚存誤差，但由于室內煙霧檢測所要求的精度并不嚴格，因此，該系統仍然具有較好地實用性。

參考文獻：

[1]周閏.香煙煙霧對室內空氣污染及其對健康影響的研究進展[J].職業與健康，2014，30（16）：2346-2348.

[2]張麗玉.基于ZigBee水產養殖水溫監控系統設計[J].電子制作，2014（07）：7-8.

[3]張敬東，楊超，傅悅，李桁，張振峰.哈爾濱市餐廳室內空氣煙草煙霧濃度監測分析[J].中國公共衛生管理，2012，28（01）：96.

[4]柳青.SimpliciTI在無線火災實時監測系統中的應用研究[D].蘇州大學，2012.

[5]李忠任，毛新權，劉慧潔，周艦.一種煙霧濃度監測及處理裝置[J].山東工業技術，2017（22）：109.