智能环境监测及报警系统的设计

智能环境监测及报警系统的设计

摘要

本设计以单片机ATmage16为操作控制核心，以NRF905为信息远程无线传输，以液晶显示器显示现场相关信息(温湿度、有害气体、烟雾浓度)和报警信息。同时，回放电路被控制以报警相关信息。该系统具有一定的智能化、人性化和高精度。它还可以在此基础上扩展其他功能和应用。

摘要

本设计采用单片机ATmage16作为控制核心操作，应用信息NRF905作为远程无线传输。现场用液晶显示相关信息(温度、湿度、有害气体、烟雾浓度)和报警信息等。该系统具有一定的智能化和人性化水平，精度高，还可以基于其他功能和应用进行扩展。

关键词:单片机在系统中可编程点阵SPI

1

第一章前言

烟雾报警器包括离子型烟雾报警器、光电型烟雾报警器和对火型烟雾报警器(红外对火和激光对火)等。烟雾无线报警装置在世界各地有大量的产品。其特点是:

1.联网火灾自动报警系统联网是利用计算机技术将系统内部的控制器、探测器、各系统与城市的“ll9”报警中心通过一定的网络协议相互连接，实现远程数据的调用，实现火灾自动报警系统的网络监控和管理，使各独立系统形成一个大网络，实现网络内各系统之间的资源和

信息共享。使全市“ll9”报警中心人员及时准确地掌握各单位的相关信息，对各系统进行宏观管理，及时发现并及时指导相关单位处理各系统出现的问题，弥补目前一些擅自停用的火灾自动报警系统的不足，如责任心不强、专业素质低、出现问题处理不及时、不果断等。

2智能火灾自动报警系统智能化是使检测系统模仿人的思维，主动采集环境温度、湿度、灰尘、光波等数据的模拟量，并充分利用模糊逻辑和人工神经网络技术进行计算和处理，对各种环境数据进行对比判断，从而准确预测和检测火灾，避免误报警和漏报。当发生火灾时，它可以根据各种探测到的信息详细描述火灾现场的范围、火灾的大小、烟雾的浓度和火势蔓延的方向。它甚至可以与电子地图配合，对部署兵力和灭火方法给出直观的提示和合理的建议，从而实现各方面快速准确的反应联动，最大限度地减少人员伤亡和财产损失。此外，在火灾中检测到的各种数据可用作准确确定火灾原因和调查火灾事故责任的科学依据。

3多样化

(1)火灾探测技术的多样化。中国目前使用的火灾探测器，根据其响应和工作原理，基本上可分为烟雾探测器、温度探测器、火焰探测器、可燃气体探测器以及两种或两种以上探测器的组合。其中，感烟探测器是独一无二的，但光纤线性温度探测技术、自动火焰探测技术、气体探测技术、静电探测技术、燃烧声波探测技术和复合探测技术代表了火灾探测技术的发展和应用研究方向。此外，利用纳米粒子化学活性强、化学反应选择性好的特点，将纳米材料制成气体探测器或离子

感烟探测器，用于检测有毒气体、易燃易爆气体、蒸气和烟雾的浓度并进行预警。它们具有反应速度快、准确度高的特点，已被列为我国消防科研工作者的重点研发课题。

(2)设备连接方式多样化。随着无线通信技术的成熟和完善，以及新型有线通信材料的发展，可以根据具体的环境和地点在设备和系统之间选择方便可靠的通信方法和技术。设备可以通过无线技术连接，形成有线和无线互补。同时，新型通信材料的发展可以弥补铜线连接的缺陷。此外，检测器之间可以进行数据和信息的传输和通信，使得检测器的排列由枝状变为网状，检测器不再独立，系统和设备之间的信息传输更加方便可靠。

该环境监测系统的功能是检测小范围内的温度和有害气体(尤其是在小房间内，需要特殊保护的物体，如保险箱等)。)。根据有害气体的特点，利用有害气体传感器和温度传感器对现场气体和温度进行实时检测。传感器收集的数据被发送到单片机，单片机对数据进行处理和分析。然后通过控制无线传输模块来传输数据。无线接收模块接收数据，并将数据传输给单片机。单片机读取并判断数据。单片机输出不同的状态，并显示在液晶显示屏上。如果发生火灾，蜂鸣器也会发出报警声。该系统具有自动恢复功能。如果由于意外原因出现自报警，系统将在满足条件的情况下恢复系统的正常运行。例如，当有害气体(乙烷)泄漏时，系统将恢复正常运行。发出警报等。

2

第二章硬件及电路各部分介绍

该系统主要采用ATmega16单片机作为控制芯片，无线传输模块由NRF905芯片、DS18B20温度传感器、MQ6有害器件体传感器OCM12864液晶显示器等组成。

2.1 Atmega 16单片机简介

图2.1 ATmega16引脚图

ATmega16是一款基于增强型A VR RISC架构的低功耗8位CMOS微控制器。由于先进的指令集和单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而减少了系统功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega16 A VR内核拥有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有寄存器都直接连接到算术逻辑单元(ALU)，因此一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了编码效率，数据吞吐量比普通CISC微控制器高10倍。

ATmega16具有以下特点:16k字节可编程闪存(RWW)、512字节EEPROM、1k字节SRAM、32个通用I/O端口、32个通用工作寄存器、用于边界扫描的JTAG接口、片内调试和编程支持，以及三个具有比较模式的接口

3

灵活的定时器/计数器(T/C)、片内/片外中断、可编程串行USART、带启动条件检测器的通用串行接口、带可选差分输入级可编程增益的8通道10位模数转换器(TQFP封装)、带片内振荡器的可编程看门狗定时器、一个SPI串行端口和六种可通过软件选择的省电模式。

当在空闲模式下工作时，中央处理器停止工作，而通用串行端口、双线接口、模数转换器、静态随机存取存储器、时钟/时钟、串行接口端口和中断系统继续工作。在掉电模式下，晶振停止振荡，除中断和硬件复位外，所有功能都停止工作。在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户在其余功能模块处于睡眠状态时保持时间基准；在模数转换器噪声抑制模式下，除异步定时器和模数转换器外，中央处理器和所有输入/输出模块均被端接，以降低模数转换器转换期间的开关噪声。在待机模式下，只有晶振或谐振振荡器工作，其他功能模块处于睡眠状态，因此该器件消耗的电流非常小，并且具有快速启动能力。扩展待机模式允许振荡器和异步定时器继续工作。

该芯片由Atmel高密度非易失性存储器技术生产。片上ISP闪存允许通过ISP串行接口或通用编程器或通过运行在A VR内核中的引导程序对程序存储器进行编程。引导程序可以使用任何接口将应用程序下载到应用闪存。当更新应用闪存区域时，引导闪存区域继续运行的程序实现RWW操作。通过将系统中的8位RISC CPU和可编程闪存集成到一个芯片中，ATmega16已经成为一个功能强大的单芯片计算机，为许多嵌入式控制应用提供灵活和低成本的解决方案。ATmega16拥有一套完整的编程和系统开发工具，包括:C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器和评估板。

2.2 NRF 905简介

4

图2.2 nRF905引脚和应用图

nrf905概述

NRF905是挪威北欧公司推出的单片射频发射机芯片。它采用32引脚QFN封装(5mm×5mm)，工作电压为1.9-3.6V，采用433/868/915 MHz三个ISM通道(可免费使用)。能自动完成字头和循环冗余码校验的处理。曼彻斯特编码/解码可由片上硬件自动完成。SPI接口用于与微控制器通信。配置非常方便，功耗非常低。当以-10分贝的输出功率发射时，电流仅为11毫安，而当以接收模式发射时，电流为12.5毫安。NRF905单片无线收发器由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成。冲击脉冲串工作模式的特点是自动产生前同步码和循环冗余码，可通过串行接口轻松编程和配置。

2 . 2 . 2 NRF 90工作模式

NRF905采用北欧的超大规模集成电路冲击波技术。冲击波技术使nRF905能够提供高速数据传输，而无需昂贵的高速微控制器进行数据处理/时钟覆盖。通过将与射频协议相关的高速信号处理放入芯片，nRF905为应用的微控制器提供了一个SPI接口，其速度由微控制器自身设置的接口速度决定。当射频以最大速率通过电击穿工作模式连接时，NRF905通过降低数字应用部分的速度来降低应用中的平均电流消耗。在肖克突发接收模式下，地址匹配调幅和数据就绪dr信号5

通知微控制器已分别收到有效地址和数据包。在冲击脉冲发送模式下，nRF905自动产生一个前同步码和一个循环冗余校验码，数据就

绪灾难恢复信号通知微控制器数据传输已经完成。总之，这意味着降低单片机的内存需求，即降低单片机的成本，同时缩短软件开发时间。nrf905的配置

nRF905的所有配置均通过SPI接口。SPI接口由五个寄存器组成，一条SPI指令用于决定要执行的操作。SPI接口仅在掉电模式和待机模式下有效。

1.状态-注册

该寄存器包含数据就绪状态和地址匹配状态。2.射频配置寄存器包含配置信息，如收发器的频率和输出功率。3.发送地址(发送地址)

该寄存器包含目标器件的地址，字节长度由配置寄存器设置。4.发送有效数据(发送-有效负载)

该寄存器包含发送的有效肖克突发包数据，字节长度由配置寄存器设置。5.接收有效数据(发射-有效载荷)

该寄存器包含接收到的有效肖克突发包数据，字节长度由配置寄存器设置。寄存器中的有效数据由数据就绪状态指示

nrf905的接口

1.模式控制界面:

该接口由压水堆、TRX中心和发射中心组成，用于控制由nRF905组成的高频头的四种工作模式:关断和SPI编程模式。待机和串行接口编程模式；启动模式；接收模式。

2.SPI接口:

SPI接口由CSN、SCK、MOSI和味噌组成。配置模式下，单片机通

过SPI接口配置高频头的工作参数；在发送/接收模式下，单片机的SPI接口发送和接收数据。

3.状态输出接口:

提供载波检测输出光盘、地址匹配输出调幅和数据就绪输出灾难恢复3.2.5外围射频信息

6

1.晶体规格

为了实现晶振低功耗和快速启动的解决方案，建议使用低值晶振负载电容。指定CL=12pF是可以接受的。然而，它也可以增加到16pF。指定一个晶体并联等电容也是好的，并且Co=1.5pF，但是这将增加晶体本身的成本。一个典型的设置晶体电容Co=1.5pF，一个规定的co _ max = 7.0pf

2.外部参考时钟

外部参考时钟，如单片机时钟，可以用来取代晶体振荡器。该时钟信号应直接连接到XC1引脚，并且XC2引脚处于高阻抗状态。当使用外部时钟代替晶振时钟时，必须始终在待机模式下工作，以降低功耗。如果在不使用外部时钟或晶振时钟的情况下将器件设置为待机模式，则功耗最高可达1mA。

3.微处理器输出时钟

默认情况下，微处理器提供输出时钟。在待机模式下提供输出时钟会增加电流消耗。待机模式下的功耗取决于频率和外部晶振负载、输出时钟频率以及提供输出时钟的容性负载。

4.天线输出

ANT1和ANT2输出引脚为天线提供稳定的射频输出。两条腿必须有一个DC路径连接到VDD _帕，要么通过一个射频扼流圈或通过天线偶极子的中心点。ANT1和ANT2之间的负载阻抗应在200-700ω范围内，通过简单的匹配网络或射频变压器(巴伦)可以获得较低的阻抗。

2.3 DS-18B 20简介

图2.3 DS18B 20引脚图

7

2.3.1技术性能描述

1.独特的单线接口。当DS18B20连接到微处理器时，只需要一条端口线就可以实现微处理器和DS18B20之间的双向通信。

2.温度测量范围-55℃~+125℃，固有温度测量分辨率0.5℃。

3.支持多点联网功能。多个DS18B20只能在三条线路上并联，最多可并联8条线路。如果数量太大，电源电压就会过低，造成信号传输不稳定，实现多点测温。

4.工作电源:DC电压3~5V。

5.使用时不需要外围组件。

6.测量结果以9-12位数字的形式串行传输。

应用范围

1.本产品适用于冷库、粮仓、储罐、电信机房、电力机房、电缆槽等温度测控领域。

2.狭窄空间内工业设备的温度测量和控制，如轴瓦、缸体、纺纱机、

空调等。3、汽车空调、冰箱、冰柜和低温干燥箱等。

4.供暖/制冷管道的热计量、中央空调的分户热计量以及工业领域的温度测量和控制。

2.3.3接线说明

DS18B20采用单线通信接口。由于是单线通信接口，必须先完成只读存储器设置，否则存储器和控制功能将不可用。首先，提供以下功能命令之一:1 .读只读存储器，2。匹配只读存储器，3。搜索只读存储器，4。跳过只读存储器，5。警报检查。这些命令操作作用于没有设备的64位光刻只读存储器序列号，并且可以从挂在线上的多个设备中选择一个设备。同时，公共汽车也可以知道有多少和什么样的设备挂在公共汽车上。

如果指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器中。控制功能指示DS18B20执行温度测量。测量结果将被放置在DS18B20存储器中，片上存储器可以让读取器发出存储器功能命令并读取内容。温度报警触发器th和TL都有一个字节的可编程只读存储器数据。如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可用于一般用户存储器目的。配置字节也加载到芯片上，以理想地解决温度数字转换。写入TH和TL指令以及配置字节由具有存储功能的指令完成。通过缓冲器读取寄存器。所有数据都是从最低位开始读写的。

8

2.3.4内部只读存储器结构

64位光刻只读存储器的前8位是DS18B20自身代码，接下来的48位是连续数字代码，最后8位是前56位的循环冗余校验。64位光刻只读存储器还包括5个只读存储器功能命令:读只读存储器、匹配只读存储器、跳过只读存储器、搜索只读存储器和报警搜索。64位光刻只读存储器的结构图如图4.7所示。

2.3.5温度读数

DS18B20出厂时配置为12位，读取温度时读取16位。因此，在将最后11位的二进制转换成十进制后，测量温度乘以0.0625，需要判断正负。前5位是符号位。当当前5位数字为1时，读取温度为负。当当前5位为0时，读取温度为正。16位数字从低到高排列。

2.4 MQ6的引入

图2.4 MQ6引脚和应用图

2.4.1传感器结构

MQ-6传感器由气敏层、电极、测量电极引线、加热器、陶瓷管、防爆网、卡环、底座和销钉组成。

工作原理

上部电加热器开始加热，当加热到一定程度时，如果遇到有害气体AB之间的电阻，此时RL的负载电压将上升，读取RL的负载电压完成信号采集。

2.5 ocm 1284简介

OCM12864是一个点阵液晶显示模块，用于显示汉字和图形。它有8192个汉字(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)和64X256点阵显

示内存(GDRAM)。电源电压为3.3V-5V。

可以调节发光二极管背光和各种软件功能:光标显示，图片移动，自定义字符，睡眠

9

睡眠模式等。OCM12864有两种工作模式:串行和并行。串口可以节省单片机的输入输出端口，但数据传输速度慢。并行占用的单片机输入输出端口数量较多，但数据传输速度较快。

2.5各部分电路图2.5.1电源模块

图2.5电源电路示意图

电源模块使用7805提供5V电压，使用ASM11173.3提供3.3V电压..它为单片机、液晶显示器和nRF905提供电压。nRF905的工作电压为3.3V，单片机和液晶显示器的工作电压为5V。电容器C11、C12、C13和C16充当滤波器，滤除电路中的高频部分。如图2.5所示，电容器C9、C10、C14和C15可减少纹波并防止过大的电路负载影响电压稳定性。

2.5.2主控制模块

10

图2.6主控制部分电路图

主控模块采用ATmega16单片机，包括复位电路、外部振荡电路和ISP 下载接口。D1、D2和D3组成一个发光二极管指示模块，方便程序调试。AN1、AN2、AN3、AN4、AN5和AN6构成关键模块，为整个系统预留资源，便于程序调试和测试。如图2.6所示

2.5.3液晶显示模块

11

图2.7液晶显示器电路图

液晶显示模块使用并行端口数据传输，但也可以使用串行端口。R2用于调整背光，使液晶显示器正常显示，如图2.7所示。

2.5.4蜂鸣器驱动模块

图2.8报警电路图

蜂鸣器由9013 PNP三极管驱动，蜂鸣器加到集电器上。当P2以很高的电平连接到Q1的基地时，蜂鸣器就会发出声音。当Q1的基极处于很低的电平时，三极管关闭，蜂鸣器停止发声，如图2.8所示。

12

第三章软件介绍

3.1 icca var简介

ICCA VR是一个使用ANSI标准C语言开发微控制器程序的工具。它是一个集成的工作环境，集成了编辑和工程经理。源文件都被组织成项目。文件的编辑和项目的构建也在集成开发环境中完成。编译错误显示在状态窗口中。当您用鼠标单击编译错误时，光标将自动跳到错误行。该项目经理还可以直接生成可以在A VR工作室中调试的英特尔HEX格式和COFF格式调试文件。在工具栏中选择

“应用程序文件夹”或直接单击快捷工具栏中的“应用程序文件夹”图标，打开“应用程序体系结构向导”对话框。您可以设置芯片类型、每个端口的初始值、是否使用定时器、中断、UART等。选择后点击“确

定”获得所需的硬件初始化程序段，非常可靠方便。

创建和编译工程文件的简单步骤:

1.创建新的源文件

从文件菜单中选择新建，创建一个新文件，在修改后的文件中输入源程序，编辑并修改，然后保存。保存文件时，必须指定文件类型，如try.c。要编写新文件，首先用Biulder初始化所需的硬件资源，生成初始化程序，然后编写实现所需功能所需的代码。

2.创建新项目

当您从项目菜单中选择新命令时，集成开发环境将弹出一个对话框，用户可以在其中指定存储项目的文件夹和项目的名称。建立新项目后，项目经理的窗口中会出现三个子目录:文件、标题、文档，然后可以将要编译的文件添加到项目中。

3.要将文件添加到项目中，可以在项目文件中单击鼠标右键，然后选择要添加的文件。您也可以在编辑窗口中单击鼠标右键，在弹出窗口中选择“添加到项目”命令。

4.编译源文件

在编译之前，应特别注意选择与项目选项中的硬件相对应的芯片。选择“在项目中制作项目”，或直接单击快捷键F9。如果有错误，将弹出一条错误消息。修改和调试正确后，点击快捷键ISP，即可将其刻录到硬件上。

13

3.2 Altium设计师冬季09游戏攻略

Altium Designer Winter 09提供了集成电子产品集成开发所需的唯一统一应用方案和所有必要的技术和功能。Altium Designer Winter 09在单一设计环境中集成了板级和现场可编程门阵列系统设计、基于现场可编程门阵列和分立处理器的嵌入式软件开发以及印刷电路板布局设计、编辑和制造。它还集成了现代设计数据管理功能。

altium设计师冬季

Altium创新电子设计平台集成了广受欢迎的Altium设计师Winter 09集成电子设计软件和Altium可重构硬件平台NanoBoard系列。这种方法将设备智能置于设计过程的核心。这样，一个完整的集成电子设计环境已经形成，智能相关电子产品也以一种全新的方式被创造和推出。电路板设计

Altium Designer Winter 09的板级设计功能可以充分定义和实现设计中的物理元素。强大的规则驱动的设计、布局和编辑环境可以在直观高效的环境中完全控制设计的所有方面。管理图书馆

Altium Designer Winter 09提供了全面的设备数据管理和库资源来控制组件的使用，而不管您组织的规模或需求如何。设计和制造Altium Designer Winter 09作为设计和制造之间的桥梁，可以管理所有制造数据的生成和验证。

14

第4章编程

4.1发射部分

程序流程图:

图4.1发送部分流程图

在发射部分，nRF905被初始化并设置为发射。该程序每隔一段时间通过计时器对每个点的温度和有害气体的值进行采样，将采集和转换的值存储到一个数组中，最后通过nRF905传输数据，如图4.1所示。

4.2接收部分

程序流程图:

15

图4.2接收部分流程图

接收部分首先初始化nRF905和液晶显示器，然后全力以赴检测载波。如果检测到载波，将液晶显示器设置为屏幕显示，并继续检测数据是否成功接收。如果是，则读取数据，并判断数据是否包含火灾信息。如果是，则发出火警，如果不是，则显示状态数据。如图4.2所示，如果检测到载波，但没有接收到数据，则在一段时间后将发送断开消息。

16

第五章系统测试

5.1系统测试

程序编写完成后，对整个系统进行测试，主要测试系统的反应速度、自恢复和稳定性。

当外部条件发生变化时，系统能够迅速做出反应。在测试过程中，DS18B20的温度升高，有害气体传感器用烟蒂抽吸，以查看系统的显示状态。移除外部条件时，查看系统是否能够正常恢复。此外，断

开发射部分的电源，查看接收部分的状态，然后连接发射部分的电源，查看接收部分是否能成功连接，并返回系统的正常运行状态。当反应速度和自我恢复能力没有问题时，将测试系统的稳定性，使系统连续运行一段时间，看看系统是否能保持设定的程序运行，是否有任何飞行和坠毁。

在整个系统的测试过程中，经过多次程序修改，系统能够及时响应状态的变化，能够自动恢复到各种状态，系统能够稳定运行。

5.2系统性能指标

该系统可以检测烟雾和预设温度，实现主机的无线传输、报警和显示。检测点的数量可以达到255个；环境报警温度为50度(温度可从-55℃修改为+125℃)，工作电压为3V-5V (DC)。测量结果以9-12位数字量的形式串行传输。MQ-6有害气体传感器的工作电压为5V；适用气体:液化气、异丁烷、丙烷；检测范围:300~10000ppm。灵敏度(再空气/再典型)气体≥ 5

17

附录1:

1.系统检测发射模块的部分程序源代码。# include # include uchar zh12 = 0；无效延迟(uint ms) {

uint x；uchar y；

对于(x = msx > 0；(y = 110y > 0；y-)；}

//-spi写函数void spiwrite(无符号charsend)

无符号字符I；数据_缓冲器=发送；对于(I = 0；i