基于STC89C52單片機(jī)控制的智能滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱貴憲

摘要：該文以STC89C52單片機(jī)為主控芯片，從硬件和軟件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)了一款智能滅火系統(tǒng)，系統(tǒng)以MQ-2煙霧傳感器為探測器件，對室內(nèi)煙霧進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣分析后，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)所帶動的灑水噴頭對著火區(qū)域噴淋，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對著火區(qū)域快速識別，快速熄滅的目的。

關(guān)鍵詞：智能滅火系統(tǒng)；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；煙霧傳感器

1背景

針對目前火災(zāi)易發(fā)高發(fā)態(tài)勢，尤其是高層建筑著火給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來的嚴(yán)重危害，本文設(shè)計(jì)了一款智能滅火系統(tǒng)，可應(yīng)用于家庭廚房、各類型倉庫（不適用于油庫）、電動自行車充電房等易發(fā)火災(zāi)的地方，系統(tǒng)基于單片機(jī)智能控制，對于著火點(diǎn)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)撲滅，本設(shè)計(jì)力求穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，滅火效果好。

2系統(tǒng)主要構(gòu)成框圖及工作原理

如圖1所示，系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊，電源模塊，煙霧傳感器模塊，電磁閥模塊，電機(jī)驅(qū)動電路，步進(jìn)電機(jī)組成。煙霧傳感器模塊探測到因火災(zāi)造成煙霧超限后，發(fā)信號給單片機(jī)，單片機(jī)接收到該信號后，首先啟動電磁閥，打開水管，然后發(fā)驅(qū)動信號控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)下方安裝有聯(lián)動桿，聯(lián)動桿上安裝有灑水管，對著火區(qū)域進(jìn)行反復(fù)噴淋，直到熄滅，等著火區(qū)域火源徹底熄滅后，關(guān)閉電磁閥，滅火工作完成。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)選型

系統(tǒng)選用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)作為控制核心，并由其構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，片內(nèi)帶有8KB的Flash ROM和512B的RAM，32個(gè)通用I/O口，1個(gè)全雙工的串行接口，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），集成看門狗定時(shí)器和MAX810復(fù)位電路，工作頻率范圍0-40MHz，工作電壓范圍5.5V-3.3V。

3.2煙霧傳感器模塊

系統(tǒng)采用MQ-2煙霧傳感器作為區(qū)域環(huán)境監(jiān)測模塊，MQ-2煙霧傳感器是具備較高靈敏度、性能穩(wěn)定、長壽命、低成本的傳感器，可用于監(jiān)測火災(zāi)和燃?xì)庑孤?，傳感器?nèi)部采用的氣敏材料是二氧化錫，其在清潔空氣中電導(dǎo)率較低，當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，空氣中會出現(xiàn)較濃的煙霧，致使傳感器的電導(dǎo)率變大，使用簡單的電路可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成與氣體濃度向?qū)?yīng)的輸出信號，MQ-2煙霧傳感器對可燃?xì)怏w及煙霧的檢測范圍約為300-10000ppm。煙霧傳感器集成模塊如圖2所示，模塊內(nèi)集成了MQ-2煙霧傳感器和LM393電壓比較器，共有4個(gè)輸出端口，VCC接5V電源正極，GND接電源負(fù)極，AOUT為模擬電壓輸出端，DOUT為TTL高低電平輸出端，此外，傳感器模塊上安裝有電位器，可以針對TTL輸出靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，TTL輸出有效信號為低電平，系統(tǒng)選擇該模塊的數(shù)字量輸出端DOUT與單片機(jī)的P1.6端口直接相連，通過單片機(jī)來檢測DOUT端口的高低電平來判斷環(huán)境氣體的濃度是否超限，當(dāng)氣體濃度超過設(shè)定閾值時(shí)，DOUT口輸出低電平并把它送到單片機(jī)的P1.6口。

3.3電磁閥工作模塊

如圖3所示，單片機(jī)P0.6端口輸出為低電平時(shí)，光電耦合器PC817輸入端接通，發(fā)光二極管發(fā)光，從而使PC817的輸出端接通，為電磁閥通電，電磁閥選用直動式水用電磁閥，工作電壓為24伏直流電壓，工作原理為：通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開流體通過，可以對著火區(qū)域進(jìn)行噴淋；等到著火點(diǎn)熄滅后，電磁閥斷電，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉流體不能通過，噴淋過程結(jié)束。

3.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

單片機(jī)直接輸出的脈沖不足以驅(qū)動電機(jī)正常工作，所以需要ULN2003給步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動信號來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正常工作，ULN2003是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)，ULN2003有16個(gè)引腳，7個(gè)輸入引腳，7個(gè)輸出引腳，1個(gè)GND端，1個(gè)COM端，其連線如圖4所示，由單片機(jī)P1端口的P1.0-P1.3輸出的驅(qū)動信號，分別與驅(qū)動芯片ULN2003的1-4腳相連，ULN2003的輸出接24V步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的作用是帶動灑水管道對著火區(qū)域進(jìn)行環(huán)繞噴淋，為了避免水管纏繞，可以控制步進(jìn)電機(jī)反復(fù)進(jìn)行較小角度的旋轉(zhuǎn)，工作過程如圖5所示，先正向旋轉(zhuǎn)180度，然后再逆向旋轉(zhuǎn)180度回到初始點(diǎn)。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示：在程序開始運(yùn)行后，首先通過調(diào)用煙霧子程序來判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，如果有火災(zāi)發(fā)生，那么單片機(jī)發(fā)出指令信號，打開水管上的電磁閥，調(diào)用電機(jī)驅(qū)動模塊子程序，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動的水管轉(zhuǎn)動到著火區(qū)域，然后對著火區(qū)域進(jìn)行噴淋，直到明火全部被熄滅、煙霧消散為止。

煙霧傳感器子程序流程圖如圖7所示：程序開始運(yùn)行后，煙霧傳感器模塊首先要對室內(nèi)煙霧濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理后，向單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)，只有煙霧濃度達(dá)到設(shè)定的上限值時(shí)（本系統(tǒng)設(shè)置的報(bào)警閾值為300ppm），單片機(jī)才能發(fā)出指令驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行下一步的滅火工作。

電機(jī)驅(qū)動模塊子程序如圖8所示，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧傳感器探測到煙霧超限，單片機(jī)發(fā)指令信號，打開電磁閥，水管中有水流出，在步進(jìn)電機(jī)的帶動下，先正向旋轉(zhuǎn)180度，然后再反向旋轉(zhuǎn)180度，通過煙霧傳感器采集的數(shù)據(jù)來判斷火源是否被熄滅，如果熄滅，則關(guān)閉電磁閥，否則，步進(jìn)電機(jī)帶動水管繼續(xù)灑水，直到火源熄滅或煙霧傳感器的探測數(shù)據(jù)不超限為止。

5結(jié)束語

系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，以MQ-2煙霧傳感器模塊為檢測器件，以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的灑水管道作為滅火機(jī)構(gòu)，改變了過去火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)只能報(bào)警，不能自行滅火的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對火災(zāi)事故及早發(fā)現(xiàn)，快速撲滅的目的，有效地保護(hù)了人民的財(cái)產(chǎn)和人身安全，經(jīng)測試，本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，成本低廉，安裝方便，比較適用于高層建筑、易燃倉庫等場所。