智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

王亞勝 王景

【摘 要】近年來(lái)，在我國(guó)人們生活水平提高的同時(shí)，石油能耗也隨之加大。而在石油工業(yè)生產(chǎn)中的防火工作也越來(lái)越重要，目前國(guó)內(nèi)的許多研發(fā)都側(cè)重于大型工業(yè)場(chǎng)所的火災(zāi)報(bào)警，造價(jià)高昂，成本較大。因此，有必要研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的報(bào)警器以適應(yīng)市場(chǎng)的需求，在不影響工業(yè)產(chǎn)值的情況下節(jié)約成本?；诠I(yè)使用的火災(zāi)報(bào)警器應(yīng)該具備的基本要求和功能，適合火災(zāi)前期煙霧探測(cè)的報(bào)警器。

【關(guān)鍵詞】石油工業(yè)生產(chǎn)；經(jīng)濟(jì)實(shí)用；單片機(jī)；火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

一、引言

國(guó)外從上世紀(jì)30年代開(kāi)始研究及開(kāi)發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，日本也在六十年代開(kāi)發(fā)完成第一臺(tái)家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，報(bào)警器可以檢測(cè)燃?xì)?、一氧化碳等氣體，我國(guó)在70年代初期就才開(kāi)始了對(duì)火災(zāi)報(bào)警器研究，一方面是由于社會(huì)的需要，另外一方面也為了減少國(guó)家的經(jīng)濟(jì)損失，應(yīng)用范圍從單一到種類繁多，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。不過(guò)從發(fā)展的角度來(lái)看，我們大都是在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的傳感器技術(shù)，并且在國(guó)外先進(jìn)的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)之上，對(duì)其進(jìn)行研究從而大力開(kāi)發(fā)屬于自己的特色火災(zāi)報(bào)警器。隨著國(guó)家的大力發(fā)展，近年來(lái)，我國(guó)在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上都有很大進(jìn)步。具備高度集成化、智能化的單片機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，它的發(fā)展前景巨大，在社會(huì)大生產(chǎn)中，單片機(jī)無(wú)處不在，本設(shè)計(jì)是單片機(jī)聯(lián)系實(shí)際的一個(gè)應(yīng)用，基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警器是通過(guò)檢測(cè)可燃性氣體濃度作為條件判斷報(bào)警；若這類氣體泄漏達(dá)到爆炸極限時(shí)，可讓單片機(jī)經(jīng)過(guò)反應(yīng)發(fā)出聲光警報(bào)，同時(shí)起動(dòng)流風(fēng)機(jī)等通風(fēng)設(shè)備，預(yù)防并阻礙火災(zāi)事故的發(fā)生。

二、設(shè)計(jì)思路與方案的選擇

（一）整體設(shè)計(jì)思路

本次設(shè)計(jì)是基于STC89C52的火災(zāi)報(bào)警器，能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報(bào)警功能。該報(bào)警系統(tǒng)的最基本組成部分包括：信號(hào)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制電路、流風(fēng)機(jī)電路、聲光報(bào)警電路和比較器電路等部分。設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警器具有顯示報(bào)警狀態(tài)，為適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性等要求。報(bào)警器以STC89C52單片機(jī)為控制核心，延時(shí)的工作方式，選用MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器，用來(lái)采集煙霧濃度信息，配合外圍電路以構(gòu)成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，從而達(dá)到自己設(shè)計(jì)的目的。

（二）設(shè)計(jì)方案的選擇

1.煙霧檢測(cè)傳感器選型

煙霧傳感器作為報(bào)警器中不可缺少的核心器件，它決定了所采集的煙霧濃度信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性，MQ-2煙霧傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。現(xiàn)在的市面上有很多種煙霧探測(cè)傳感器，有接觸燃燒式傳感器、半導(dǎo)體煙霧傳感器、離子感煙傳感器、光電式感煙傳感器等等，在眾多煙霧傳感器的應(yīng)用特性的對(duì)比之下，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出。比如靈敏度高、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)良特性，而且還兼具使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，并且在報(bào)警的過(guò)程中，不具有其他傳感器所具備的缺陷，比如探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，而且在維護(hù)成本方面，也是比較低廉的，因而得到廣泛應(yīng)用。因此，本方案中的煙霧傳感器采用選用MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器。 【1】

三、系統(tǒng)概述與硬件方案的設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)總體框架

火災(zāi)報(bào)警器是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報(bào)警功能的儀器。該報(bào)警系統(tǒng)的最基本組成部分應(yīng)包括：信號(hào)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、字符顯示電路、聲光報(bào)警電路等部分組成。

為適應(yīng)工業(yè)等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警器具有顯示報(bào)警狀態(tài)。煙霧檢測(cè)報(bào)警器以STC89C52單片機(jī)為控制核心，選用MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，配合外圍電路構(gòu)成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

從設(shè)計(jì)的要求來(lái)分析該設(shè)計(jì)須包含如下結(jié)構(gòu)：煙霧檢測(cè)電路、STC89C52單片機(jī)主控部分、報(bào)警部分、數(shù)碼輸入輸出部分。電路總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示：

處理器采用51系列單片機(jī)STC89C52。整個(gè)系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。設(shè)置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的煙霧檢測(cè)探頭將檢測(cè)到的煙霧變換成電信號(hào)，送出模擬信號(hào)，給AD采集電路采集。在單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)軟件查詢、識(shí)別判決等環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警狀態(tài)控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)蜂鳴器及報(bào)警指示燈報(bào)警?！?】

（二）電源模塊

由于本系統(tǒng)采用電池供電，考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。

方案1：采用5V蓄電池為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過(guò)于龐大，在報(bào)警器上使用極為不方便。因此放棄了此方案。

方案2：采用4節(jié)1.5 V干電池共4.5V做電源，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。

綜上所述采用方案2，電源模塊原理圖如圖5所示，其中P1為電池接口，SW1為電源開(kāi)關(guān)。

（三）單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)如果需要工作起來(lái)，構(gòu)成為單片機(jī)最小系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖所示。單片機(jī)是智能火災(zāi)報(bào)警器的控制中心，單片機(jī)最小系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提，所謂最小系統(tǒng)，就是能夠保證單片機(jī)運(yùn)行的最精簡(jiǎn)的硬件設(shè)計(jì)。【3】

單片機(jī)最小系統(tǒng)大致由三部分構(gòu)成，第一部分包含單片機(jī)，第二部分包含復(fù)位電路，最后一部分由時(shí)鐘電路構(gòu)成，這三部分每一部分都有其獨(dú)立功能，能夠單獨(dú)工作卻又互相協(xié)作。

四、結(jié)束語(yǔ)

本篇設(shè)計(jì)對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)做了明確的闡述，從選題背景與意義出發(fā)，擬定初步設(shè)計(jì)方案，確定設(shè)計(jì)思路來(lái)實(shí)現(xiàn)所制定的功能，雖然基本完成了該系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)的功能，但仍然存在著諸多不足之處，出于仿真的角度考慮，對(duì)單元電路的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)際有一定的差別，仿真電路中主要針對(duì)的是功能的直觀表現(xiàn)，簡(jiǎn)化了對(duì)單元電路的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)只是火災(zāi)報(bào)警器中一個(gè)比較典型的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)功能還有欠缺，此設(shè)計(jì)方案也提供一種專業(yè)類的教程，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)與操作中更能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一線工人進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，利于設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)。我們也將繼續(xù)在工作生產(chǎn)中進(jìn)行專業(yè)的知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用與學(xué)習(xí)，并對(duì)后續(xù)的系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)與完善。

【參考文獻(xiàn)】

[1] Chen，S-J，Hovde，使用煙霧和氣體傳感器火災(zāi)探測(cè)，消防安全J.2007，42，507-515

[2] 劉迎春.傳感器原理設(shè)計(jì)及應(yīng)用，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出社.2001.89-100

[3] 余成波.傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].高等教育出版社.2004.34-25