煙霧酒精報警器的設計與制作

2019-07-13 01:45:46郭占苗

長沙航空職業技術學院學報 2019年2期

郭占苗

（蘇州大學應用技術學院，江蘇蘇州 215325）

燃爆災情時有發生，人類防患于未然的意識越來越強，在很多生產現場禁煙，杜絕酒精等易燃氣體泄漏，以保證生產及人身的安全。在科技日新月異的今天，設計一種智能煙霧酒精報警系統用于高危生產現場顯得尤為重要。煙霧酒精報警器是用來監測環境中煙霧和酒精的濃度，當環境酒精濃度或煙霧濃度超過設定閾值后，報警器就會調取相應的語音模塊中提前存儲的語音信息進行報警，這樣就可以使值班工作人員及早發現事故隱患，及時采取安全措施，避免燃爆事故發生[1]。同時，該煙霧酒精報警系統不但價格低廉，而且具有智能化，在油庫、化工場所和燃氣等容易發生可燃煙霧和酒精泄露的高危場所均具有較大的實用價值。

1 電路整體設計

如圖1所示，智能煙霧酒精報警系統以STC15F2K60S2作為核心控制器件，傳感器選用MQ-2 型氣體傳感器實現對煙霧的檢測，MQ-3對酒精濃度進行檢查。傳感器將采集到的相關信息通過PCF8591芯片進行AD轉換，經單片機處理后把信號傳給LCD12864顯示屏顯示。當超過煙霧和酒精閾值時，播放MY2490-16P 語音模預設的聲音信息，通過揚聲器輸出報警提示語音[2]。

圖1 煙霧酒精報警器原理框圖

圖2 主程序流程圖

系統主程序流程圖如圖2所示，系統在初始化結束后，自動執行主程序并調用各個功能模塊子程序，完成對煙霧酒精濃度參數檢測、參數設置、顯示、報警等功能。當系統上電開機初始化之后，煙霧酒精傳感器檢測周圍環境煙霧和酒精濃度，通過A/D轉換，在單片機中運算處理數據，當超過閾值時，系統執行報警程序。

2 軟件程序設計

2.1 傳感器數據采集與按鍵模塊設計

傳感器MQ-2通常被用在家庭或工廠的氣體泄漏監測裝置，并適用于對液化天然氣，丁烷，丙烷，甲烷，乙醇，氫氣和煙霧等化學物品的檢測。MQ-3型傳感器是酒精傳感器，當檢測到所處環境中存在酒精蒸汽時，傳感器的電導率隨空氣中酒精氣體濃度的增加而增加[3]，其模擬端（A0）的輸出電壓信號與酒精濃度的特性曲線近似為線性關系，輸出端連接到AD轉換器的2腳將模擬量轉化為與傳感器檢測濃度相對應的數字量。無論是酒精傳感器還是煙霧傳感器的濃度檢測，程序設計上限調節數值范圍設置均為“100”，根據實際需求可以對參數進行修改設置。

在按鍵模塊中，單片機P42接的是設置鍵，P35是“+”鍵，按下一次按鍵數值加1，P34是“-”鍵，按下一次按鍵數值減1，可以用來調整閾值參數的范圍。初始值將煙霧的上限設置為“72”，酒精的濃度上限設置為“80”。在按鍵掃描函數中，首先對設置鍵進行按鍵判斷，按鍵按下一次，執行“key1n++;”，因為有煙霧和酒精兩種傳感器的初值和閾值共四個參數可以進行設置，所以執行語句“if(key1n==4) key1n=1;”，可以通過按鍵設置四個參數的值[4]。進一步，利用“if”和“switch”語句，對閾值和初值進行修改，最后調用LCD12864液晶寫數據函數

進行顯示，液晶顯示煙霧傳感器值的十位和個位，同理可以顯示酒精傳感器的值。

2.2 A/D轉換模塊設計

傳感器輸出的數據要通過A/D轉換模塊PCF8591進行轉換再傳給單片機控制揚聲器播放相應的報警音樂。A/D轉換模塊的核心器件PCF8591的通信協議是I2C，其主要內容包括起始信號，數據傳輸，應答部分和結束信號程序的編寫，在編程時要符合I2C協議[5]。根據I2C協議的通信流程圖可知，編寫起始信號程序時，要求在SCL為高電平期間，SDA由高到低產生一個下降沿，數據傳輸時，與UART不同的是，按照高位在前低位在后的順序傳輸，而且數據在SCL低電平時候變化，SCL為高電平時讀取數據[6]。由PCF8591地址字節可知，寫地址字節是“0X90”，讀字節地址是“0X91”，當SDA為低電平時，表示有應答，為高電平時無應答，最后，在SCL為高電平期間，SDA由低到高產生一個上升沿表示信號結束。根據設計原理圖，MQ-3酒精報警器接PCF8591的AIN1，MQ-2煙霧報警器的輸出端接PCF8591的AIN0，通過調用函數“Pcf8591_Send(1)”發送通道1轉換命令，再調取“Pcf8591_Read( );”讀函數，將讀出的值送給變量“MQ-3”與提前設定的閾值進行比較，超過閾值時報警。因為PCF8591是8位逐次逼近型ADC，液晶顯示的最大可調參數為“100”，所以通過“MQ_3=(MQ_3*100/255”語句將其轉換為顯示數值范圍為“0-100”之間，同樣的思路可以編寫對MQ-2煙霧報警器的參數進行A/D轉換。

2.3 語音報警模塊設計

語音報警設計主要采用MY2490-16P語音模塊，該模塊的10腳和11腳連接揚聲器，其7腳（RX）和8腳（TX）分別于單片機的P3.1和P3.0相連進行UART串口通信[7]。串口發送數據函數：

系統上電顯示為煙霧和酒精濃度均未超過閾值時，揚聲器播報存儲卡里面的指定合成語音“歡迎使用煙霧酒精報警系統”，該語音信息存儲在“03”號歌曲中，如果傳感器檢測到的數據超過了閾值就會播放語音模塊中存儲的相應音樂信息，當執行語句“if(MQ_2>=yanwu_num )”時，說明煙霧值超過閾值，則播報“02”號歌曲中語音信息，同理，當執行條件滿足“if(MQ_3>=jiujing_num)”時，則播報“01”歌曲中的信息，共三首歌曲均存放在“01”號文件夾中。根據MY2490-16P語音模塊協議的控制命令格式可知，起始碼為“0X7E”，結束碼為“0XEF”。每隔20 ms延時串口分別依次往出發送“起始碼”“長度”“操作碼”“文件夾號”“歌曲名”“校驗碼”和“結束碼”數據，其中校驗碼為“長度”“操作碼”“文件夾號”和“歌曲名”數值的異或值[8]，通過該方式可實現指定文件夾曲目播放功能。

2.4 LCD12864液晶顯示模塊設計

為節省單片機的IO口，LCD12864的15引腳接低電平，工作為串行模式。串行數據傳送共分為三個字節，第一個字節的格式“1111ABC”（A為數據傳送方向控制，B為數據類型選擇，C固定為0），第二個字節是并行八位數據傳送的高四位，第四位補零，第三個字節是并行八位數據傳送的低四位。并行操作時，向液晶寫的八位數據[9]。

編寫液晶程序時，先進行液晶初始化，初始化液晶先延時大于40毫秒的時間，選擇基本指令集，寫入“write_com(0x30);”進行選擇8bit的數據流，寫入“write_com(0x0c);”實現整體顯示，游標關，不反白功能，通過寫入“write_com(0x01);”實現清除顯示，并且設定地址指針為00H（即光標恢復到起點）功能。其中調用到寫指令函數，則編寫寫指令“void write_com(uchar com )”函數，

寫指令時，將“RS=0;”“RW=0;”“E”由高變低，送命令參數給寫字節函數，最后進行延時操作。同樣思路可編寫寫數據函數，與寫指令不同之處就是將“RS=1;”，然后將數據送給寫字節函數。寫字節時，數據分兩次發送，先發送高位數據再發送低位數據，并且一個字節分高低四位分別發送，通過命令地址或者數據先與“0XF0”相與發送高四位，然后右移4位后與“0XF0”相與發送低四位的順序進行傳輸。

根據LCD12864的漢字顯示坐標，第一行到第四行的起始地址分別是“0X80”“0X90”“0X88”“0x98”，每行可寫8個漢字或者16個字符（ASCII碼），注意在編寫時，如果一個地址為一個字符時，則要再加一個空格，否則會顯示亂碼。系統上電后顯示通過調用程序“lcd_pos(1,0); chinese("初始化中...");”讓液晶顯示漢字“初始化化中...”延時很短時間后，接著顯示主界面，第一行顯示“煙霧酒精報警系統”，第二行為MQ-2煙霧報警的初值和閾值，第三行為MQ-3酒精報警的初值與閾值，此時也可以操作按鍵調節初值或閾值參數。其中編寫寫漢字程序時，用指針指向每行的首地址，當一行沒結束時，指針加加，指向下一個字的地址的方式實現[10]，主要代碼是“while(*p!='