基于Arduino的智能溫度報警器設(shè)計

繆世坤 趙霄浚 周衡毅 浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與控制工程學(xué)院

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種新型材料被廣泛應(yīng)用于各個生產(chǎn)及生活領(lǐng)域。作為一種新生事物，人民群眾對這些新型材料的材質(zhì)特點和性能目前尚未完全了解及掌握，這就使得我國的火災(zāi)事故顯現(xiàn)出頻繁化，嚴(yán)重化的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，我國的火災(zāi)事故每年約發(fā)生10萬起，造成10億多元的直接損失。

1 現(xiàn)行的傳統(tǒng)溫度報警器存在的問題

預(yù)防對抗火災(zāi)的經(jīng)驗證明，發(fā)現(xiàn)的越早，越容易將火災(zāi)撲滅于萌芽階段。因此，溫度報警器就成為了火災(zāi)預(yù)防的一個重要手段。但是現(xiàn)行的大多數(shù)溫度報警器的報警機(jī)制，依然是傳統(tǒng)的檢測-對比-報警機(jī)制：在投入使用之前為其設(shè)置一個固定的報警溫度，投入使用后，溫度報警器的傳感器不斷檢測當(dāng)前溫度并與設(shè)置好的報警溫度對比，當(dāng)檢測到的溫度到達(dá)或超過預(yù)先設(shè)置的報警溫度時，才發(fā)出警報。而此時火災(zāi)常常已經(jīng)形成一段時間，難以再迅速撲滅。如果想使這一類型的溫度報警器實現(xiàn)提前預(yù)警，唯一的方法就是將報警溫度設(shè)置得較低，而這又會使得溫度報警器經(jīng)常誤動作，不僅使得相關(guān)人員疲于奔命，還會把真正的火災(zāi)報警信息淹沒于無數(shù)的虛假報警信息之中。

2 Arduino控制器

作為目前全球最流行的開源硬件單片機(jī)電子設(shè)計平臺，Arduino的硬件部分包括一塊ATmega328芯片，可用于SPI通信的ICSP編程接口以及相關(guān)電路。軟件部分則包括一個標(biāo)準(zhǔn)的程序編譯器（IDE）和程序下載燒錄器，使用類似C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境[1]。Arduino具有相當(dāng)突出的特色：Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE文件和核心庫文件都是開源的，擁有眾多的外圍模塊，方便與溫度傳感器等電子組件進(jìn)行連接，也可以通過編程實現(xiàn)對測量信號的實時處理及對傳感器的操作，除此之外，在成本、耗電量、以及數(shù)據(jù)傳輸速率方面也擁有不可忽視的優(yōu)勢。

3 智能溫度報警器邏輯設(shè)計

在火災(zāi)發(fā)生形成的過程中，一般包括以下五個階段：潛伏、陰燃、明火燃燒、著火區(qū)擴(kuò)大以及火災(zāi)形成五個階段。在火災(zāi)的初期，最明顯的表現(xiàn)就是周圍環(huán)境溫度的迅速上升，這也是傳統(tǒng)溫度報警器的報警依據(jù)。但是，在實際使用過程中，種種其他原因，例如電壓波動和外界干擾等，會產(chǎn)生檢測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)波動，同樣也會引起溫度傳感器測得的數(shù)值迅速上升。

因此，就需要設(shè)計一種智能報警器，一方面能夠檢測出溫度迅速上升的趨勢，另一方面又能避免因為數(shù)據(jù)波動而產(chǎn)生的溫度誤報警。通過對溫度傳感器檢測數(shù)據(jù)的分析可知，這種由其他原因產(chǎn)生的溫度檢測數(shù)值的迅速上升，并不會維持很長時間，絕大多數(shù)溫度檢測數(shù)值在一秒鐘內(nèi)就會迅速下降。

由此，設(shè)計智能溫度報警器內(nèi)部邏輯如下：不斷將現(xiàn)在的溫度與上一秒的溫度進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)溫度有突然上升的趨勢，則提高溫度傳感器采集速率，判斷是數(shù)據(jù)波動還是真實溫度上升變化，如果確實為真實溫度上升變化，則立刻發(fā)出警報；如果只是其他原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)波動，則將溫度傳感器采集速率切換為一般狀態(tài)。

該智能溫度報警器內(nèi)部邏輯實現(xiàn)流程如下圖

圖1 智能溫度報警器內(nèi)部邏輯流程圖

4 智能溫度報警器的硬件及軟件設(shè)計

溫度檢測傳感器有很多種類型，其中LM35DZ是其中常用的一個型號，其檢測范圍為0～100℃，工作電流133μA，檢測精度0.5℃，能夠基本滿足溫度報警器的要求，Arduion有14個數(shù)字輸入/輸出端口，6個模擬輸入端口，由于LM35DZ輸出為模擬信號，故將其連接到Arduino的A0口。整體智能溫度報警器，設(shè)計硬件電路原理圖如下。

圖2 智能溫度報警器電路原理圖

通過對智能報警器內(nèi)部邏輯流程圖的分析，將其功能分解為兩個函數(shù)：首先是為對比函數(shù)，功能為實現(xiàn)前后兩個溫度傳感器測量數(shù)據(jù)間的對比，判斷溫度是否有突然變化；其次是驗證函數(shù)，當(dāng)接收到溫度突然變化信號時，提高溫度采樣頻率并傳遞給對比函數(shù)，驗證是否為其他原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)波動。

程序設(shè)計代碼如下：

int LM35 = A0；

int LED = 2；

void setup() {

Serial.begin(9600)；

}

void loop() {

float temp0 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(1000)；

float temp1 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(1000)；

if(temp1-temp0＞=1.0)

{

float temp0 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp1 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp2 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp3 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp4 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp5 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp6 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp7 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

if(temp7＞temp6&temp6＞temp5&temp5＞temp4&temp4＞temp3&temp3＞temp2&temp2＞temp1&temp1＞temp0)

{digitalWrite(LED,HIGH)；}

}

}

5 總結(jié)

本文利用Arduino的種種優(yōu)勢，采用軟件編程的方式實現(xiàn)了溫度報警器的智能檢測報警。整個設(shè)計電路簡單，成本低廉，靈敏度高。該溫度報警器的智能功能不僅適用于火災(zāi)報警，同樣適用于其他需要保持溫度恒定的場合，例如大棚，倉庫，生產(chǎn)車間等。同時，由于Arduino的高度擴(kuò)展性，只需要接入其他擴(kuò)展模塊，本智能報警器同樣可以用于檢測濕度、速度及加速度、光照等，可以說具有非常大的應(yīng)用范圍。