單片機(jī)智能火災(zāi)報(bào)警器

焦金偉 張述勇 張屹帆

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，黑龍江 大慶163319）

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，防火工作越來越重要，但國(guó)內(nèi)許多研究開發(fā)都集中在大型火災(zāi)報(bào)警器上。因此，我們需要開發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的家用煙霧報(bào)警器，以滿足市場(chǎng)需求。

世界上首個(gè)接觸燃燒家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器在日本面世，而該產(chǎn)品第二年就大量出口并成為全國(guó)各大相關(guān)設(shè)備廠家的青睞產(chǎn)品，當(dāng)然火災(zāi)報(bào)警設(shè)備也在不斷的升級(jí)，升級(jí)過的報(bào)警設(shè)備可以適配多種需要檢測(cè)的氣體。我國(guó)于20 世紀(jì)70 年代初開始著手開發(fā)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，主要緣由最開始的煉油系統(tǒng)需要更高的安全標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)的設(shè)備生產(chǎn)模式多樣，品類也較為齊全，使用范圍也從最開始的單一煉油系統(tǒng)逐漸擴(kuò)展到所有的危險(xiǎn)操作環(huán)境中的報(bào)警器，同時(shí)產(chǎn)品的數(shù)量也在不斷增加。從最開始的引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)，逐漸學(xué)習(xí)研發(fā)并形成了適用于自己國(guó)家現(xiàn)狀的設(shè)備。近些年來，設(shè)備的多樣性和在不同環(huán)境中的工作穩(wěn)定性也取得了較為長(zhǎng)足的進(jìn)步。[2]

本文主要研究火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及功能，對(duì)檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行整體功能分析，主要實(shí)現(xiàn)硬件和軟件程序方面的設(shè)計(jì)，并對(duì)所選用的主要芯片進(jìn)行介紹，分模塊來實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分的功能。最終制作出一個(gè)可以實(shí)際使用的火災(zāi)檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)。

2 方案設(shè)計(jì)

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的基本元件構(gòu)成有傳感器電路、單片機(jī)電路、顯示電路、聲光報(bào)警電路等組成，這些元件構(gòu)成的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)事故進(jìn)行及時(shí)的報(bào)警。

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一般的處理方式為工作延時(shí)方式，同時(shí)以STC89C52 單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，而在煙霧傳感器上選擇MQ-2 半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器來收集場(chǎng)景內(nèi)的煙霧情況，溫度傳感器選擇DS18B20 溫度傳感器來對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行溫度檢測(cè)，并與外部電路構(gòu)成一個(gè)整體的火災(zāi)報(bào)警器。

設(shè)計(jì)包含了以下幾部分：電源、煙霧傳感器、按鍵控制、溫度傳感器、STC89C52 單片機(jī)、顯示電路、報(bào)警部分。電路框圖如圖1 所示：

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

該設(shè)備采用單片機(jī)STC89C52 來作為整個(gè)設(shè)備核心組件。整個(gè)系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件控制。通過火災(zāi)報(bào)警設(shè)備煙霧傳感器和溫度傳感器將檢測(cè)到的相應(yīng)的環(huán)境信息轉(zhuǎn)換為設(shè)備可識(shí)別的信息。在單片機(jī)中，經(jīng)軟件識(shí)別并處理，之后發(fā)送相應(yīng)火災(zāi)報(bào)警狀態(tài)控制信號(hào)，之后驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和指示燈進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)提供環(huán)境預(yù)警值可視化設(shè)置功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主控芯片選擇STC89C52,單片機(jī)的供電電壓和USB接口提供的電壓都是5V。所以使用USB正好滿足此次設(shè)計(jì)的電源電壓的需求，而且USB提供的電壓很穩(wěn)定，所以此次設(shè)計(jì)本人采用相對(duì)穩(wěn)定的USB來給單片機(jī)進(jìn)行供電。復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路是必不可缺少的，我們用的最多的其實(shí)也是復(fù)位電路，但是單片機(jī)的復(fù)位電路比較簡(jiǎn)單。

3.1 煙霧檢測(cè)電路

煙霧檢測(cè)采用MQ-2 傳感器。經(jīng)過采集計(jì)算處理后就可以得到各種煙霧濃度下的和濃度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的值。根據(jù)這個(gè)值從而設(shè)定出符合當(dāng)前環(huán)境下的煙霧強(qiáng)度報(bào)警值。煙霧傳該器的4 個(gè)引腳輸出隨煙霧濃度變化的直流電流信號(hào)，之后通到比較器U1A中的2腳，Rp 構(gòu)成比較器的接收門檻電壓。當(dāng)接收高濃度輸出電壓高于門檻電壓，比較器輸出的為低電平。相反，輸出的為高電平。而傳感器的靈敏度是非線性的，所以轉(zhuǎn)換也是非線性的。電路如圖2 所示，封裝好的氣敏元件有6 只功能針狀管腳，其中4 個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流。中間相互對(duì)稱的引腳是H 和H'為加熱引腳，1 腳和2 腳是A 和A'.4 腳和6 腳是B 和B'.A-A'和B-B'管腳在電路中是短接的。加熱絲接電源和地，兩側(cè)的引腳任意一個(gè)接電源，另一個(gè)做輸出，而且同時(shí)都是兩個(gè)腳引出。

圖2 煙霧濃度采集電路

3.2 報(bào)警電路

設(shè)計(jì)要求有燈光和聲音報(bào)警裝置，所以在電路中加入了蜂鳴器和二極管，單片機(jī)P3.6 端口和對(duì)應(yīng)的電阻和三極管基極串聯(lián)用來控制蜂鳴器和二極管的工作狀態(tài)，正常狀態(tài)時(shí)，蜂鳴器和二極管都處于不工作狀態(tài)。當(dāng)周圍環(huán)境滿足報(bào)警參數(shù)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)參數(shù)使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音和使二極管發(fā)亮，來達(dá)到報(bào)警的要求。電路圖如圖3 所示，D1 為二極管、B1 為蜂鳴器。

圖3 聲音、燈光報(bào)警電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，傳感器的初始化加載是設(shè)備運(yùn)行的第一步。傳感器進(jìn)行初始化加載時(shí)，因?yàn)镸Q-2 型煙霧傳感器在非電源的時(shí)候有自己的化學(xué)狀態(tài)這個(gè)狀態(tài)對(duì)我們使用會(huì)產(chǎn)生一些影響，在重新的通入電流后，傳感器因?yàn)樵诜请娫聪碌臓顟B(tài)原因并不能立即收集周圍環(huán)境的煙霧信息，所以需要一些工作時(shí)間來對(duì)其進(jìn)行初始化加載的操作。在程序初始化執(zhí)行完畢后，MQ-2 型半導(dǎo)體煙霧傳感器正式進(jìn)入工作狀態(tài)為整個(gè)設(shè)備提供硬件支持，同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)監(jiān)控狀態(tài)。主程序流程框圖如圖4 所示。

圖4 溫度傳感器接口電路圖

5 結(jié)論

在整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)工作流程中，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取周圍煙霧的具體需要檢測(cè)的信息后，通過ADC0832 芯片進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算處理并轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的邏輯分析處理，判斷系統(tǒng)是否要啟動(dòng)報(bào)警模塊，最后傳出值控制報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。在基本的設(shè)計(jì)功能完成后，高溫預(yù)警值和煙霧預(yù)警值的設(shè)置使的報(bào)警器更能適用于他所適用的環(huán)境，這也使得火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)更加完善。