张兆民　狄思雨

摘要：针对室内烟雾对人体健康危害日益严重的问题，设计了一种新型的室内烟雾处理系统。该系统以STC12C5A60S2单片机为主控芯片，MQ-2烟雾传感器为检测器件，能够实时检测和显示烟雾浓度并自动处理。系统的GSM模块实现了人机交互的功能。当室内烟雾浓度高于设定值时，系统以鸣响蜂鸣器和发送短信的方式向用户发出警告信号，同时驱动系统的吸烟电机将烟雾吸入系统自带的活性炭盒中，达到吸除室内烟雾的目的。经测试，该系统设计合理，鲁棒性高，可以应用于日常生活之中。

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.

关键词：单片机；烟雾传感器；烟雾处理

Key words： MCU；smoke sensor；smoke treatment

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0142-03

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，人们对健康的关注程度日益增加。人们生活水平的提高，不仅体现在家居装饰越来越精美，更体现在对生活环境空气质量的重视。先前的研究证实[1]，室内烟雾（如香烟燃烧产生的烟雾、煤气燃烧的残留）已经成为威胁人类健康的四大杀手之一，其含有多种致癌物质。市面上的一些空气净化系统主要功能是检测和吸附空气中的苯和甲醛，并没有考虑到室内烟雾的监控与清除，且人机交互性差，价格昂贵，性能不稳定，应用中存在着很多问题。

新型室内烟雾处理系统针对上述问题进行设计，其内部的活性炭系统能够滤除室内烟雾中绝大多数的有害物质，系统的MQ-2传感器能够对室内烟雾中的主要成分进行有效地监控，在实现了室内煙雾实时监测的同时完成了对烟雾有害成分的消除。此外，安装在系统中的SIM900A模块可以与用户的手机进行通信，对烟雾浓度值进行远程传输，提高了系统的人机交互性，便于用户使用，具有实际效用。

1 总体设计

系统以台湾宏晶公司的STC12C5A60S2单片机作为主控芯片[2]。该系统主要由烟雾检测电路、AD转换电路、电机控制电路、液晶显示电路以及短信通信系统组成：烟雾检测系统以MQ-2烟雾传感器为核心，信号调理电路进行输出信号的处理；AD转换电路由TLC549和晶体管电路组成；电机控制电路由L298N芯片和稳压电路组成；液晶显示电路以OLED显示屏为主要器件；短信通信系统由SIM900A模块和供电电路组成。系统初始化后，烟雾检测系统不间断地检测环境中的烟雾浓度，并以模拟电压的形式输出，经A/D转换后，与单片机内部设置的阈值进行比对，同时将转换的浓度值以数字量形式显示在OLED液晶屏上。若浓度值超出阈值，则驱动蜂鸣器响并控制电机反转吸除环境中的烟雾。[3]当环境浓度值持续1分钟大于阈值时，通过短信通信模块以文本短信形式向用户发送警告信号，告知用户。系统总体结构如图1所示。

2 系统的硬件设计

烟雾处理系统控制电路的核心是12单片机的最小系统，由复位电路、晶振电路电源电路以及时钟电路构成。电机与液晶屏并行工作。在单片机的I/O引脚上连接L298N电路、OLED液晶显示电路，A/D转换电路，单片机的串口连接短信通信模块。

2.1 烟雾检测电路

烟雾检测电路将外界环境的烟雾信号最终转换成连续的模拟电压信号输出[4]，整个电路分为两部分：MQ-2烟雾传感器与信号调理电路前端（不含A/D转换）。烟雾传感器是物理量与电信号进行转换的装置，能够输出模拟电压，其输出电压由于噪声和传感器器件特性等原因，是含有加性噪声的弱信号，需要先输入信号调理电路的前端进行放大、整流、滤波，以得到较好的大信号用于后续的A/D转换。

信号调理前端电路如图2所示，在模拟电路输入A/D转换芯片之前，经过该電路进行处理。原始信号含有高频干扰，为了防止信号的干扰与混叠，首先要进行滤波[5]，使用TLC2272集成运放构成二阶有源低通滤波器去除高次谐波。将去噪后的电压经运放放大输入TLC549芯片进行A/D转换。

2.2 最小系统电路

硬件设计核心是单片机最小系统，stc12单片机抗干扰性强，成本较低，内部运算速度是传统51系列单片机的8-12倍，广泛的实验证实该型单片机适宜于电机控制的设计。如图3所示，单片机的18、19引脚接外部12MHz晶振，用于给单片机提供时钟信号；9引脚接复位电路。系统的其他硬件通过I/O口与单片机进行信号的传送。OLED的D0和D1分别于P1^0和P1^1相接，复位、DC、片选依次连接P1口的第2、3、4引脚；L298N的PWM波信号由单片机的P2^6、P2^7引脚提供。单片机的串行口与SIM900A模块相连实现通信。

3 系统软件设计

完成硬件电路的焊接与搭建后，根据预期目标，进行软件设计。系统的软件设计使用C语言在μvision4环境下完成。采用模块化的设计方式，根据不同模块实现的功能，分开进行代码的编写，最后进行整合与移植。

3.1 主程序设计

系统的复位方式是软件上电复位，即每一次重新上点都会擦除之前记录的烟雾浓度数值，避免无效的数据占用大量的存储空间。系统上电后，首先进行初始化操作，主要是对I/O口、串行口以及定时器的初始化。初始化完成后烟雾传感器开始不间断地进行检测并将数据实时输入到TLC549A/D芯片，进行1s一次的转换。转换后的数字量通过单片机送至OLED进行显示，最后进行一次阈值判断，若浓度值大于阈值则驱动蜂鸣器与电机，同时启动定时器2开始计时10s，此项操作通过定时器的循环中断实现。定时完毕再进行判断，若浓度值仍然大于阈值，则向用户发送反馈短信提醒，整个系统流程如图4所示。

3.2 串口通信程序设计

本系统的一个优势在于能够实现用户与系统的远程通信，通信以SIM900A模块为平台，以短消息的方式实现，需要进行相关的编程操作。在系统的初始化中对通信所需的串口1与定时器1进行配置并设置相应的短信中心号，进入通信程序后，就向串行口的发送缓冲区写数据，写入的数据通过TXD引脚送入SIM900A，再经模块发出，完成一次单向通信，此时开始不断地检测串行口的接收缓冲区，等待用户的信息，当接收缓冲区满，则写入单片机，至此，一次交互完成。系统的通信过程如图5所示。

4 系统测试

从实用性的角度出发，设计对照试验进行系统测试。测试的主要内容是实时检测的烟雾浓度值。实验组是室内烟雾处理装置，对照组是烟雾检测仪数据，一组实验数据如表1所示。

其中，第3次测量时，无论仪表测量还是烟雾检测系统测量，浓度值都发生了骤变，这是由于实验环境中加入了烟雾的缘故，可以看见，系统测试得到的误差在10%以内，具有较好的准确度，在环境中出现烟雾时，能灵敏地感应到，证明系统有较好的实用性与鲁棒性。

5 结束语

为提高人们在室内的空气质量，设计的室内烟雾处理系统，使用12单片机为核心芯片，MQ-2传感器为检测器件，具有极高的性价比。经过科学的测试，虽然检测结果尚存误差，但由于室内烟雾检测所要求的精度并不严格，因此，该系统仍然具有较好地实用性。

参考文献：

[1]周闰.香烟烟雾对室内空气污染及其对健康影响的研究进展[J].职业与健康，2014，30（16）：2346-2348.

[2]张丽玉.基于ZigBee水产养殖水温监控系统设计[J].电子制作，2014（07）：7-8.

[3]张敬东，杨超，傅悦，李桁，张振峰.哈尔滨市餐厅室内空气烟草烟雾浓度监测分析[J].中国公共卫生管理，2012，28（01）：96.

[4]柳青.SimpliciTI在无线火灾实时监测系统中的应用研究[D].苏州大学，2012.

[5]李忠任，毛新权，刘慧洁，周舰.一种烟雾浓度监测及处理装置[J].山东工业技术，2017（22）：109.