張薔 張朝龍 李楠 江善和 李彥梅

摘要：隨著城市化進(jìn)程的加快和人口的迅速增長，我國火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)、頻率、造成的損失都不斷上升。因此，如何在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并控制災(zāi)情，使人民生命、財(cái)產(chǎn)損失降到最小就顯得尤為重要。該文采用STC89C52單片機(jī)為中央控制單元，應(yīng)用MQ-2 型半導(dǎo)體氣敏式煙霧傳感器和DS18B20數(shù)字溫度傳感器為檢測單元，外加4個(gè)功能設(shè)置按鍵，4位一體數(shù)碼管顯示屏，設(shè)計(jì)出的可以對火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可自動(dòng)報(bào)警的智能火災(zāi)報(bào)警器。

關(guān)鍵詞：煙霧傳感器；溫度傳感器；自動(dòng)報(bào)警；單片機(jī)

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）12-0210-03

Design of Intelligent Fire Alarm Based on Singlechip

ZHANG Qiang， ZHANG Chao-long， LI Nan， JIANG Shan-he， LI Yan-mei

（School of Physics and Electronic Engineering， Anqing Normal University， Anqing 246011， China）

Abstract： Along with the acceleration of urbanization and the rapid growth of the population， the numbers， frequency， causing losses of fire in our country are rising. Therefore， it is particularly important to find fire and control the disaster in the shortest time and minimize the loss of people's life and property. Singlechip STC89C52 is selected as the central control unit in the paper， where detection unit is composed of a MQ-2 type semiconductor gas sensitive smoke sensor and a DS18B20 digital temperature sensor. Four function setting keys and the four bit digital tube display screen are included in the design. Intelligent fire alarm can be used to real-time monitor fire and automatically alarm.

Key words： smoke sensor； temperature sensor； automatic alarm； singlechip

1 背景

當(dāng)今社會(huì)，隨著城市化的深入發(fā)展，城市人口密度的增加，讓火災(zāi)越來越成為人們關(guān)注的重要安全隱患之一。為了減少火災(zāi)造成的損失，有必要加強(qiáng)對火災(zāi)的監(jiān)控，最大限度地減少社會(huì)財(cái)富的損失[1，2]。鑒于此，本文提出了一種智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，采用STC89C52單片機(jī)作為主控核心，由溫度傳感器模塊[3]、煙霧傳感器模塊[4]等組成，從而對溫度和煙霧進(jìn)行雙重自動(dòng)檢測。一旦溫度或煙霧值超標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)準(zhǔn)確、及時(shí)自動(dòng)報(bào)警，可以較為準(zhǔn)確的探測火災(zāi)災(zāi)情。用戶可以根據(jù)需要，自行設(shè)置報(bào)警值，并可以手動(dòng)開啟報(bào)警。本設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，易操作，成本低，適用于各類生產(chǎn)環(huán)境中的火災(zāi)檢測。

2 火災(zāi)檢測原理

對火災(zāi)的檢測，主要是檢測火災(zāi)產(chǎn)生的溫度和煙霧。本設(shè)計(jì)使用數(shù)字溫度傳感器、氣敏式煙霧傳感器來實(shí)現(xiàn)對溫度和煙霧的檢測。氣敏式煙霧傳感器的檢測原理如下：氣敏式煙霧傳感器對煙霧的檢測主要利用了氣敏式煙霧傳感器中的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率隨可燃?xì)怏w的濃度發(fā)生變化而變化這一原理，當(dāng)可燃?xì)怏w與氣敏式煙霧傳感器中的半導(dǎo)體材料接觸時(shí)，可燃?xì)怏w自身釋放電子變成正離子，然后吸附在半導(dǎo)體表面，其釋放的電子進(jìn)入半導(dǎo)體，使半導(dǎo)體材料內(nèi)部可移動(dòng)電子數(shù)量增加，即使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率下降。用電路將半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率的變化與氣體濃度變化一一對應(yīng)，便可實(shí)現(xiàn)對煙霧的檢測[5]。

3 設(shè)計(jì)總體規(guī)劃

火災(zāi)探測器檢測現(xiàn)場的溫度和煙霧濃度后送至控制器。經(jīng)控制器分析處理后將數(shù)據(jù)送至數(shù)碼管進(jìn)行顯示，并控制報(bào)警器是否發(fā)出報(bào)警。設(shè)置按鍵可以對煙霧濃度和溫度值進(jìn)行預(yù)設(shè)。當(dāng)控制器接收的現(xiàn)場數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)，控制器立即控制報(bào)警器報(bào)警，并在LED數(shù)碼管顯示器上顯示現(xiàn)場檢測的煙霧級別和溫度值。

4 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件部分共有8個(gè)模塊，分別為STC89C52最小系統(tǒng)模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、MQ-2煙霧傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警器模塊、狀態(tài)指示燈模塊、控制鍵模塊、七段數(shù)碼管顯示模塊。

4.1 STC89C52最小系統(tǒng)模塊

STC89C52最小系統(tǒng)模塊由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和單片機(jī)三個(gè)主要部分組成。當(dāng)按下復(fù)位開關(guān)，STC89C52單片機(jī)的RST引腳出現(xiàn)高電平，單片機(jī)內(nèi)部就開始復(fù)位。STC89C52單片機(jī)提供了上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式，本設(shè)計(jì)中采用按鍵復(fù)位電路[4]。STC89C52提供了外部時(shí)鐘電路和內(nèi)部時(shí)鐘電路兩種方式，本設(shè)計(jì)采用12MHz晶振的內(nèi)部時(shí)鐘電路方式，在晶振兩端接2個(gè)30pf的陶瓷電容，作用是穩(wěn)定頻率和快速起振。

4.2 DS18B20溫度傳感器模塊

本設(shè)計(jì)所采用的用于溫度測量的PR-35封裝方式DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該封裝僅有3個(gè)引腳：用于給芯片供電的正負(fù)端VCC、GND和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄Q。接線時(shí)可采用外部電源供電或內(nèi)部寄生電源供電方式，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄Q引腳需要外接上拉電阻，電阻值通6.8KΩ[5]使用第一種供電方式，在使用時(shí)VCC、GND與電源相連接，為芯片供電，DQ引腳接6.8KΩ左右的上拉電阻后再與單片機(jī)的P3.3引腳連接，為單片機(jī)提供數(shù)據(jù)輸入。

4.3 MQ-2煙霧傳感器模塊

本設(shè)計(jì)使用的是用二氧化錫半導(dǎo)體材料作為主要器件制成的MQ-2型氣敏式煙霧傳感器。MQ-2煙霧傳感器由于其內(nèi)部特殊的結(jié)構(gòu)，使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，故要先預(yù)熱一定的時(shí)間才能進(jìn)行煙霧檢測。

4.4 報(bào)警器模塊

報(bào)警電路蜂鳴器的負(fù)極接地，正極與PNP型三極管的集電極相連；三極管的發(fā)射極與電源VCC相連；基極經(jīng)1KΩ的電阻后接至單片機(jī)的P3.7引腳，當(dāng)P3.7引腳為低電平時(shí)三極管導(dǎo)通，在延時(shí)程序的作用下，P3.7引腳往復(fù)發(fā)出高低電平，從而蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲報(bào)警。

4.5 控制鍵模塊

控制鍵電路包括4個(gè)按鍵S1、S2、S3、S4一端同時(shí)接電源負(fù)極，另一端與單片機(jī)的P0.0至P0.3四個(gè)引腳相連。4個(gè)控制按鍵有以下幾個(gè)功能，S1：手動(dòng)報(bào)警鍵，按下后進(jìn)入手動(dòng)報(bào)警功能。S2：報(bào)警值設(shè)置鍵，對煙霧濃度和溫度報(bào)警值進(jìn)行設(shè)定。S3：報(bào)警值減鍵，減小當(dāng)前設(shè)定項(xiàng)的報(bào)警值。S4：報(bào)警值加鍵，增大當(dāng)前設(shè)定項(xiàng)的報(bào)警值。

4.6 整體電路圖

整體電路圖如圖2所示。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程如圖3所示，系統(tǒng)初始化后不斷執(zhí)行以下四種基本功能：1、顯示數(shù)據(jù)，由單片機(jī)處理采集的數(shù)據(jù)后送到數(shù)碼管中進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。2、判斷是否開啟手動(dòng)報(bào)警，若開啟手動(dòng)報(bào)警，則進(jìn)行聲音報(bào)警和狀態(tài)顯示，同時(shí)判斷是否取消手動(dòng)報(bào)警，若不取消，則蜂鳴器發(fā)聲、紅黃綠三燈循環(huán)閃爍；若取消手動(dòng)報(bào)警或不開啟手動(dòng)報(bào)警，則進(jìn)行第三功能。3、判斷是否設(shè)置報(bào)警值，若是則進(jìn)行報(bào)警值的設(shè)置，同時(shí)判斷是否結(jié)束設(shè)置，若不結(jié)束，則繼續(xù)設(shè)置，若結(jié)束或不開啟設(shè)置報(bào)警值，則進(jìn)行第四功能。4、判斷是否顯示精確值，若顯示，則顯示濃度的值和溫度的三位有效數(shù)值，同時(shí)判斷是否退出精確值的顯示，若不退出則繼續(xù)顯示，若退出或不顯示精確值，則循環(huán)主程序的四項(xiàng)功能。

7 測試

圖4是在室內(nèi)的測試圖，室內(nèi)溫度為15攝氏度，均低于預(yù)設(shè)的報(bào)警值，此時(shí)綠色LED指示燈亮起。

圖5是在按下S4按鍵后，顯示屏僅顯示溫度的精確值，用火源靠近溫度傳感器時(shí)測得的瞬時(shí)溫度為57.1攝氏度，高于20攝氏度的預(yù)設(shè)溫度值，此時(shí)紅色LED指示燈亮起，蜂鳴器發(fā)出滴滴聲報(bào)警。

圖6是在按下S3按鍵后，顯示屏僅顯示煙霧的濃度，然后用霧源靠近煙霧傳感器測得的煙霧濃度值為68，高于預(yù)設(shè)煙霧等級，此時(shí)黃色LED燈亮起，蜂鳴器發(fā)出滴滴聲報(bào)警。

8 總結(jié)

本設(shè)計(jì)是以STC89C52單片機(jī)為核心的可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、聲光報(bào)警、濃度顯示、溫度顯示、報(bào)警值設(shè)置、精確數(shù)據(jù)顯示等功能的智能火災(zāi)報(bào)警器。本設(shè)計(jì)采用Altium Designer13繪制電路原理圖，Keil uVision3和stc-isp-15xx-v6.86I進(jìn)行軟件編寫和程序燒制， Visio 2007進(jìn)行流程圖與原理框圖的繪制。本設(shè)計(jì)的軟件部分是用C語言進(jìn)行編寫，與匯編語言相比，具有編寫簡單、模塊清晰等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)還可以進(jìn)一步創(chuàng)新，比如可以添加一個(gè)自動(dòng)滅火的裝置，當(dāng)檢測到發(fā)生火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)通過控制馬達(dá)打開水閥，達(dá)到滅火的目的。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】