基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬欣如

（遼寧科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

通常人們會受到火災(zāi)的威脅，因此為了有效避免潛在火災(zāi)以及盡量減少潛在火災(zāi)災(zāi)害帶來的人身安全以及其他經(jīng)濟(jì)社會層面的重大損失，必須不斷設(shè)計(jì)和制造完善對潛在火災(zāi)進(jìn)行自動消防報(bào)警的控制系統(tǒng)，將潛在火災(zāi)危險(xiǎn)扼殺在搖籃之中。

1 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

（1）能對室內(nèi)空氣中煙霧（CO2，CO等）含量及室內(nèi)溫度變化突變現(xiàn)象進(jìn)行自動報(bào)警，具有聲、光雙重自動報(bào)警控制功能。

（2）使用系統(tǒng)故障自動報(bào)警設(shè)置功能。當(dāng)操作系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)重要硬件系統(tǒng)故障時(shí)，能自動發(fā)出硬件故障狀態(tài)報(bào)警提示信號。

（3）異常事件報(bào)警設(shè)置功能。當(dāng)現(xiàn)場環(huán)境出現(xiàn)異常（如果有煙霧濃度變化過大或是空氣溫度較高）時(shí)，能自動發(fā)出異?；馂?zāi)報(bào)警提示信號，引起現(xiàn)場人們充分注意，避免此類火災(zāi)的再次發(fā)生。

（4）增加火災(zāi)檢測報(bào)警設(shè)置功能。一旦出現(xiàn)重大火災(zāi)（例如煙霧和空氣溫度同時(shí)出現(xiàn)異常）時(shí)，能及時(shí)發(fā)出自動聲、光提示警報(bào)。

2 火災(zāi)監(jiān)測報(bào)警控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)工作原理

MQ-2煙霧濃度傳感器、DS18B20溫度傳感器和AT89C51微控制器被選為該設(shè)計(jì)的基本組件，并與其他電子技術(shù)集成在一起。利用AT89C51微控制器控制MQ-2煙霧濃度傳感器和DS18B20溫度傳感器對檢測地點(diǎn)的煙霧濃度、溫度變化及時(shí)進(jìn)行檢測[1]，并把實(shí)時(shí)檢測到的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析信息處理，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種聲光電一體化報(bào)警、濃度測量顯示、溫度測量顯示等檢測功能。

煙霧-溫度報(bào)警系統(tǒng)的重要組成部分有：MQ-2煙霧信號采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、DS18B20溫度信號自動采集控制電路、單片機(jī)自動控制電路、繼電器電路、聲光報(bào)警顯示電路以及一些其他部分的控制、顯示電路。煙霧-溫度報(bào)警系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 煙霧-溫度報(bào)警系統(tǒng)的系統(tǒng)框架

3 系統(tǒng)的硬件選擇

3.1 單片機(jī)的選擇

AT89C51單片機(jī)是報(bào)警系統(tǒng)的核心部件，一方面它要接收來自傳感器檢測到的煙霧濃度信號、溫度變化的信號和故障檢測信號。應(yīng)用AT89C51單片機(jī)的另一種用途是要對兩種信號分別進(jìn)行處理，來更好地控制后續(xù)其他電路的相應(yīng)工作。該芯片可以按照常規(guī)方法或在線編程方式進(jìn)行編程，將通用微處理器與閃存結(jié)合在一起，可以有效降低開發(fā)成本。AT89C51引腳圖如圖2所示。

圖2 AT89C51引腳圖

3.2 溫度傳感器的選擇

3.2.1 溫度傳感器的選擇條件

在溫度傳感器的選型過程中考慮的因素：

（1）被測對象的溫度是否需要被記錄、報(bào)警和實(shí)時(shí)控制，是否需要遠(yuǎn)距離進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)傳送。

（2）測溫范圍的大小和精度要求。

（3）測溫元件大小是否適當(dāng)。

（4）在被測對象室內(nèi)溫度隨時(shí)間變化而變化的場合，測溫傳感元件的滯后是否能夠適應(yīng)測溫要求。

綜合以上多種不同原因，經(jīng)多次對比，本文溫度傳感器使用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器[2]。

3.2.2 DS18B20數(shù)字溫度傳感器介紹

DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器，即“單總線器件”，其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

（1）當(dāng)使用單個(gè)總線接口連接到微處理器時(shí)，只需一條端口線即可在微處理器和DS18B20之間進(jìn)行雙向通信。唯一的總線具有節(jié)約成本，抗中斷能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于各種條件下的溫度測量，即使是條件惡劣的情況下也能夠使用。它使用戶可以輕松構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，引入用于構(gòu)建測量系統(tǒng)的新概念[3]。

（2）測量溫度范圍寬，測量精度特別高，DS18B20傳感器的測量范圍為-55℃～+125℃；在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5 ℃。

（3）在使用中不需要任何外圍元件。

（4）外部供電連接方式靈活，DS18B20可以通過內(nèi)部數(shù)據(jù)寄生接收電路從外部數(shù)據(jù)線上直接獲取數(shù)據(jù)電源。因此，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)線上的自動時(shí)序系統(tǒng)滿足一定的性能要求時(shí)，可以不需連接外部交流電源。

（5）根據(jù)自動測量處理程序配置參數(shù)要求可自動精確配置為基于DS18B20的各種自動測量程序參數(shù)以及分辨率設(shè)定值，同時(shí)可通過自動測量處理程序自動精確設(shè)定9～12位。

（6）電源負(fù)壓燃燒特性，當(dāng)電源電壓極性與其接觸相反時(shí)，溫度計(jì)數(shù)器不會因電源發(fā)熱而發(fā)生燒毀，但不能正常運(yùn)行工作。

（7）具有掉電保護(hù)功能，DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)中含有EEPROM部分，在報(bào)警系統(tǒng)突發(fā)掉電情況以后，它仍可保存分辨率以及相關(guān)報(bào)警溫度的實(shí)際設(shè)定值。

DS18B20溫度傳感器具有體積更小、適用的電壓范圍更寬、較經(jīng)濟(jì)、可供選擇的更小封裝模式、更廣泛適應(yīng)范圍等優(yōu)勢，它能很好地適合于設(shè)計(jì)和構(gòu)建具有實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)可靠的測溫控制系統(tǒng)。DS18B20溫度傳感器引腳圖如圖3所示。

圖3 DS18B20溫度傳感器引腳圖

4 電路設(shè)計(jì)與仿真分析

4.1 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)仿真原理圖（見圖4）

圖4 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)仿真原理圖

4.2 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)操作及設(shè)計(jì)說明

4.2.1 設(shè)計(jì)說明

由于Proteus軟件沒有MQ-2煙霧傳感器模型，仿真中用滑動變阻器代替。

MQ-2煙霧傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大，其電阻是電導(dǎo)率的倒數(shù)，所以電阻是隨之減小的。其特性就相當(dāng)于一個(gè)滑動變阻器。所以在仿真中用滑動變阻器替代。而在實(shí)際運(yùn)用中，原理圖中，MQ-2接線方式如圖5所示。

圖5 MQ-2原理圖中接線方式

4.2.2 仿真及操作

（1）雙擊單片機(jī)加載：“報(bào)警.hex”文件，運(yùn)行仿真。LCD第一行顯示當(dāng)前煙霧等級和溫度值，第二行顯示煙霧報(bào)警等級和溫度上下限；煙霧等級有5檔，每檔等級對應(yīng)的電壓范圍如表1所示。

表1 MQ-2測量煙霧等級

（2）系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)時(shí)（煙霧等級小于報(bào)警等級，溫度值在上下限設(shè)定范圍內(nèi)），綠色LED燈點(diǎn)亮，蜂鳴器和繼電器處于停止工作狀態(tài)。繼電器作用：在實(shí)際應(yīng)用中，繼電器可以用來控制電閘、噴淋設(shè)施和消防設(shè)施等。

（3）通過DS18B20傳感器和RV3滑動變阻器上下紅色箭頭，改變溫度大小和煙霧報(bào)警等級，使系統(tǒng)達(dá)到報(bào)警狀態(tài)。

（4）系統(tǒng)處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)，紅色LED燈點(diǎn)亮，蜂鳴器鳴叫，繼電器工作，實(shí)現(xiàn)聲光電一體化報(bào)警。

（5）可以通過“調(diào)整”“調(diào)大”和“調(diào)小”按鍵，設(shè)置煙霧報(bào)警等級和溫度報(bào)警上下限。按下“調(diào)整”鍵，進(jìn)入煙霧報(bào)警等級設(shè)置，LCD光標(biāo)閃爍，通過“調(diào)大”和“調(diào)小”鍵設(shè)置等級大??；煙霧報(bào)警等級設(shè)置好后，再次按下“調(diào)整”鍵，進(jìn)入溫度報(bào)警下限設(shè)置，同樣操作。當(dāng)3個(gè)參數(shù)都設(shè)置好后，按下“調(diào)整”鍵，即可退出系統(tǒng)設(shè)置。

（6）當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，按下“呼叫”鍵，此時(shí)系統(tǒng)立刻進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)：紅色LDE燈點(diǎn)亮，蜂鳴器鳴叫，繼電器動作?！昂艚小辨I用于模擬系統(tǒng)失效或者出現(xiàn)緊急情況時(shí)，巡檢人員手動操作直接報(bào)警。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款基于AT89C51單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作起來簡單方便，安全可靠，適用于大范圍地推廣。火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)使得程序結(jié)構(gòu)更加清晰，便于日后添加模塊優(yōu)化系統(tǒng)?？萍嫉牟粩噙M(jìn)步就是為了更好地服務(wù)于人，產(chǎn)品的不斷創(chuàng)新優(yōu)化也是為了讓人們生活在更安全的環(huán)境中。