球團生產(chǎn)火災(zāi)報警系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

刀剛　劉元宇　潘廷文

【摘 要】球團生產(chǎn)目的是通過燒結(jié)球團的方式為冶金高爐提供強度適中、化學(xué)成分穩(wěn)定和冶金性能良好的爐料，球團的生產(chǎn)經(jīng)歷了配料、造球、轉(zhuǎn)運、煤氣加壓和豎爐焙燒等過程，生產(chǎn)過程工藝復(fù)雜，火災(zāi)隱患始終困擾著球團生產(chǎn)廠的發(fā)展?；谝陨显颍馂?zāi)報警系統(tǒng)的研究和設(shè)計是球團生產(chǎn)廠必須考慮的問題，為此文章以攀枝花水鋼紅發(fā)礦業(yè)有限公司球團生產(chǎn)為例，采用AT89C51系列單片機作為系統(tǒng)的主控芯片、DS18B20作為數(shù)字溫度傳感器、MQ-2作為煙霧傳感器、ADC0832作為AD轉(zhuǎn)換電路等對球團生產(chǎn)廠火災(zāi)報警系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行設(shè)計，該系統(tǒng)的設(shè)計為保障球團的安全生產(chǎn)和火災(zāi)預(yù)警具有十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】火災(zāi)報警系統(tǒng);硬件電路;設(shè)計

【中圖分類號】TU892 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）07-0046-03

0 引言

球團生產(chǎn)目的是通過燒結(jié)球團的方式為冶金高爐提供強度適中、化學(xué)成分穩(wěn)定和冶金性能良好的爐料，球團的生產(chǎn)經(jīng)歷了配料、烘干、潤磨、造球、生篩、轉(zhuǎn)運、煤氣加壓和豎爐焙燒等過程，由于球團生產(chǎn)工藝復(fù)雜，火災(zāi)隱患始終困擾著球團生產(chǎn)的發(fā)展，因此為了消除生產(chǎn)過程中的火災(zāi)隱患，保障球團正常的生產(chǎn)，避免球團生產(chǎn)過程中火災(zāi)的發(fā)生，研究火災(zāi)報警系統(tǒng)對球團的安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

球團生產(chǎn)的防火災(zāi)報警系統(tǒng)由硬件電路和軟件編程兩個部分構(gòu)成，本研究以系統(tǒng)硬件設(shè)計為主，在軟件設(shè)計的支持下，實現(xiàn)球團企業(yè)的火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計。

1 球團生產(chǎn)火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計要求和設(shè)計方案

1.1 火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計要求

基于攀枝花水鋼紅發(fā)礦業(yè)有限公司球團生產(chǎn)廠的特點，對火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計要求如下：？①對廠區(qū)的溫度和煙霧濃度的監(jiān)控適實顯示在顯示屏上;②采用聲（蜂鳴器）和光（二極管）報警方式;③煙霧濃度分為0～160等級，溫度范圍可以在0～99 ℃變化，并且這兩個參數(shù)可以根據(jù)使用的環(huán)境進(jìn)行自動設(shè)置;④在進(jìn)行報警或者實現(xiàn)其他的功能時，系統(tǒng)不會對溫度和煙霧濃度的采集產(chǎn)生影響。

1.2 球團企業(yè)火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計方案

基于球團生產(chǎn)的火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計要求，本系統(tǒng)采用的設(shè)計方案如圖1所示，圖1中采用DS18B20作為溫度傳感器，MQ-2作為煙霧傳感器，通過按鍵電路對報警的閾值參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過LCD1602對溫度和煙霧濃度進(jìn)行顯示，通過蜂鳴器和LED燈實現(xiàn)聲光報警。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)電路的設(shè)計

單片機的最小系統(tǒng)通常由晶振、復(fù)位電路和單片機組成，它是火災(zāi)報警系統(tǒng)的控制核心，其中復(fù)位電路所產(chǎn)生的復(fù)位信號確定微控制器的初始操作狀態(tài)，它分為自動復(fù)位和手動復(fù)位兩種方式，對于手動復(fù)位電路來說，其按鍵開關(guān)必須連接到上拉電阻R2上端，以保證復(fù)位信號電平為高電平。時鐘電路又稱晶體振蕩電路，它由STC89C51的XTAL1和XTAL2管腳的內(nèi)外電路組成，它以正弦信號為參考來決定微控制器的運行速度，它控制著單片機的整個工作過程，具體電路如圖2所示。

2.2 煙霧檢測電路設(shè)計

在煙霧檢測電路設(shè)計過程中，根據(jù)球團生產(chǎn)的特點，選用MQ-2半導(dǎo)體傳感器作為氣體檢測元件，它能比較敏感地探測到煙氣、天然氣、氫氣、烷烴、煤氣、乙炔、氨等可燃?xì)怏w，是以導(dǎo)電率低的金屬氧化物（SnO2）為主體結(jié)構(gòu)封裝而成的，當(dāng)環(huán)境的煙霧濃度增加，其電導(dǎo)率也隨之增加。利用這種性質(zhì)在設(shè)計報警器時，只需通過簡單的電路就可以實現(xiàn)將MQ-2的電導(dǎo)率變化值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的氣體濃度輸出信號，該傳感器具有穩(wěn)定性好、耐用、靈敏度高、電導(dǎo)率變化大、響應(yīng)和恢復(fù)時間短、輸出信號穩(wěn)定等特點，其管腳如圖3所示，圖3中，2、5管腳為加熱電極，（1、3）/（4、6）管腳為測試電極。

2.3 煙霧檢測信號轉(zhuǎn)換處理電路設(shè)計

煙霧檢測信號的處理電路是通過ADC0832完成的，它是將MQ-2型煙霧傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)值信號后卷入到單片機中（如圖4所示），其具體原理如下：當(dāng)MQ-2型煙霧傳感器輸出模擬信號的值符合A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832的輸入電平時（檢測到的煙霧濃度達(dá)到要求時），ADC0832就將模擬信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號，直接傳遞給單片機，STC89C52便發(fā)出相應(yīng)的報警控制指令，報警系統(tǒng)就發(fā)出煙霧報警信息，完成系統(tǒng)的聲光報警過程。

2.4 溫度傳感器（DS18B20）電路的設(shè)計

DS18B20是最新的智能改進(jìn)型溫度傳感器，它具有以下特點：①DS18B20溫度的測量范圍為-20～100 ℃;②DS18B20的數(shù)字溫度輸出基于“一線總線”方式（“一線總線”是一種特殊的數(shù)字信號總線協(xié)議，它將獨特的電源線和信號線結(jié)合在一起;每個芯片都支持網(wǎng)絡(luò)尋址、零功率等待等），這種特殊的方式可以使多個DS18B20能夠方便地形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)的測量效率;③總線自身可以供電，不需要其他的電源供電;④DS18B20在測量溫度、時間轉(zhuǎn)換、傳輸時間距離和分辨率等方面較其他的傳感器（如PT100熱電阻溫度傳感器）具有更加突出的優(yōu)勢。在本系統(tǒng)中，由DS18B20溫度傳感器構(gòu)成的接口電路如圖5所示。

2.5 按鍵控制電路

按鍵控制電路由4個按鍵組成，它們分別為S2緊急報警鍵、S3設(shè)置減鍵、S4設(shè)置加鍵、S5功能選擇設(shè)置鍵。當(dāng)遇到系統(tǒng)出現(xiàn)問題時、火災(zāi)發(fā)生時或者其他緊急情形時，就可以按下緊急報警鍵，此時指示燈和蜂鳴器進(jìn)行警報。按鍵控制電路如圖6所示。

2.6 顯示模塊的設(shè)計

在傳感器檢測到外界溫度信號和煙霧濃度信號超過閾值電壓時，單片機對所檢測的信號進(jìn)行計算，并將檢測的數(shù)據(jù)傳送到顯示模塊進(jìn)行顯示，而顯示屏的讀/寫等操作是通過程序?qū)崿F(xiàn)的。由于本設(shè)計需要顯示的內(nèi)容比較多，所以選用LCD1602液晶顯示器作為環(huán)境狀態(tài)顯示，該模塊的工作電壓為5 V，工作電流為2 mA，有16個引腳，VSS（1號引腳）為地電源，VDD（2號引腳）接5 V電源，RS（4號引腳）為寄存器選擇端口，當(dāng)RS為高電平時，系統(tǒng)選擇數(shù)據(jù)寄存器，當(dāng)RS為低電平時，系統(tǒng)選擇指令寄存器，7～14號引腳是雙向傳輸數(shù)據(jù)線，其電路如圖7所示。