朱桂玉 李自成 吳俞江 張?zhí)煳?朱俊丞

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 成都 614000）

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì)思路

本論文設(shè)計(jì)的煙霧檢測火災(zāi)報(bào)警器同傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器有著一定的升級，該報(bào)警器不僅可以很好地檢測環(huán)境周圍的煙霧濃度并對火情的發(fā)生做出報(bào)警，還可以通過無線模塊對使用環(huán)境周圍的煙霧濃度、溫度實(shí)施實(shí)時(shí)地監(jiān)控，盡可能地方便了我們對火情的掌握。該報(bào)警器的基本組成有：煙霧信號采集電路、溫度信號采集電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、LCD 顯示電路、按鍵電路、無線藍(lán)牙模塊電路及聲光報(bào)警電路。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 煙霧檢測火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為使煙霧報(bào)警器在火情發(fā)生之前做出報(bào)警，其設(shè)計(jì)必須使得該火災(zāi)報(bào)警器能夠在惡劣的環(huán)境下有效工作，這就需要該煙霧報(bào)警器有著相對較寬的溫度工作區(qū)間，另外還必須具備實(shí)時(shí)顯示、動作迅速的特點(diǎn)?？傊?，其目的就是為了盡可能減少人身財(cái)產(chǎn)的損失和火災(zāi)事故的發(fā)生。

1.2 MQ-2 系列煙霧傳感器的工作原理

MQ-2 煙霧傳感器是一種氣敏型半導(dǎo)體煙霧傳感器，其被廣泛地應(yīng)用于家用報(bào)警器之中。該煙霧傳感器的工作機(jī)理也很簡單，即利用傳感器上的二氧化錫對環(huán)境的敏感度而產(chǎn)生不同的電阻輸出來判斷煙霧情況[2]。該煙霧傳感器是根據(jù)二氧化錫電阻率的變化情況來判斷周圍環(huán)境的煙霧存在情況。

MQ-2 煙霧傳感器的 結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由結(jié)構(gòu)圖可知，該煙霧報(bào)警器的核心組成由3 部分組成，分別是微型的三氧化二鋁陶瓷層、二氧化錫敏感層和固定在塑料或不銹鋼體上的敏感元件。

1.3 MQ-2 煙霧傳感器的重要指標(biāo)

眾所周知，煙霧傳感器的工作環(huán)境都是易燃易爆炸的場所，如果說傳感元件的加熱絲發(fā)生電源短路故障或其他短路故障時(shí)，極有可能在元件端口處發(fā)生過熱和放電現(xiàn)象。一般情況下其供電電源選擇為（5±0.2）V，發(fā)熱電阻（31±3）Ω。MQ-2 煙霧傳感器工作的參數(shù)如表1 所示。

表1 煙霧報(bào)警器的工作參數(shù)

2 系統(tǒng)的硬件組成電路

2.1 STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路，分別由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和電源電路組成，下面將對單片機(jī)STC89C52 最小系統(tǒng)電路的基礎(chǔ)電路進(jìn)行簡要介紹。

1.電源電路：即負(fù)責(zé)給單片機(jī)的正常運(yùn)行供電。在實(shí)際選擇中STC89C52 有5V 和3V 的工作電壓，為使得設(shè)計(jì)更加簡單，故在本設(shè)計(jì)中選取5V 的STC89C52 單片機(jī)。

圖2 MQ-2 型煙霧傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路在單片機(jī)中有著極為重要的地位，時(shí)鐘電路是否正常運(yùn)行決定了單片機(jī)能否正常工作。

3.復(fù)位電路：在系統(tǒng)運(yùn)行中，單片機(jī)和計(jì)算機(jī)都會有異常運(yùn)行的情況出現(xiàn)，為避免異常工作持續(xù)，便給單片機(jī)設(shè)置了一個(gè)復(fù)位電路。

2.2 MQ-2 煙霧傳感及A/D 轉(zhuǎn)換電路

ADC0832 是一款常用的模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片，在工業(yè)控制等自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。另外，該芯片獨(dú)具特色的雙通道輸出還可作為數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，可更好地減小數(shù)據(jù)誤差。

ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片一共有8 個(gè)引腳，可實(shí)際情況下ADC0832 的DI、DO 并不是同時(shí)工作的，因引腳（DI）、引腳（DO）且同單片機(jī)之間的通信是雙向進(jìn)行的，故而在實(shí)際硬件接線時(shí)只需將DI 和DO 引腳的出線口聯(lián)與單片機(jī)連接，通過這樣的方式也極大地簡化了電路PCB 板的焊接。

2.3 溫度采集電路和無線藍(lán)牙電路

DS18B20 溫度采集電路采用DS18B20 溫度傳感器十分的方便，采集的溫度信號不用經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器便能直接送至單片機(jī)STC89C52。

在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中添加了如圖3 所示的無線藍(lán)牙模塊，該無線藍(lán)牙模塊的結(jié)構(gòu)簡單，一共有4 個(gè)引腳，其中引腳1 和引腳4 分別用于接地和接5V 的直流電源。引腳2 與單片機(jī)的P3.0 端口連接，用作數(shù)據(jù)信號的接收。引腳3 與單片機(jī)的P3.1 端口連接，用作數(shù)據(jù)信號的發(fā)送。在對HC-05 無線藍(lán)牙模塊硬件接線后再在PC端上進(jìn)行配置便能成功地將HC-05 無線藍(lán)牙模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能用于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)了。

圖3 無線藍(lán)牙模塊電路

2.4 聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路如圖4 所示，在火災(zāi)報(bào)警器系統(tǒng)[3]的運(yùn)用中十分重要，當(dāng)單片機(jī)對采集的煙霧和溫度信息處理分析后可知是否需要發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號[4]。

圖4 聲光報(bào)警電路

該火災(zāi)報(bào)警信號蜂鳴聲的觸發(fā)正是因?yàn)閱纹瑱C(jī)的P2.4 口由高電平變?yōu)榱说碗娖綇亩沟萌龢O管Q38550的基級得電，在三極管的放大作用下使得蜂鳴器發(fā)出刺耳的警報(bào)聲。

3 火災(zāi)報(bào)警器的實(shí)物調(diào)試

本文設(shè)計(jì)制作的火災(zāi)報(bào)警器，在使用該無線藍(lán)牙監(jiān)控火災(zāi)報(bào)警器時(shí)，須準(zhǔn)備好所需要的具體設(shè)備，即火災(zāi)報(bào)警器、手機(jī)、5V 的直流電源（直接連接電腦的USB 端）、可燃?xì)怏w模擬器（打火機(jī)），為使得本課題調(diào)試方便，故選擇USB 接口來為火災(zāi)報(bào)警器進(jìn)行供電。

首先，需要將火災(zāi)報(bào)警器的藍(lán)牙模塊插至火災(zāi)報(bào)警器的藍(lán)牙端，然后通過數(shù)據(jù)線給火災(zāi)報(bào)警器通上5V的直流電源，當(dāng)LCD1602 液晶顯示器亮屏?xí)r，火災(zāi)報(bào)警器便可以正常運(yùn)行了。

MQ-2 煙霧傳感器是一種用于檢測可燃?xì)怏w及烷烴類氣體的常用傳感器，在本設(shè)計(jì)的實(shí)物調(diào)試中，準(zhǔn)備好了待調(diào)試的火災(zāi)報(bào)警器，為待測準(zhǔn)備過程，通過LCD1602 液晶顯示器，可以清晰地看到我們預(yù)設(shè)的煙霧報(bào)警值為3000，實(shí)時(shí)煙霧值為300 近似于無煙霧濃度的初值。且當(dāng)煙霧濃度值超過3000 的那一刻起，一直都有聲光報(bào)警信號發(fā)出。

從硬件設(shè)計(jì)的角度看，單片機(jī)STC89C52 發(fā)揮著最為核心的作用，承擔(dān)著煙霧傳感器經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換后電壓信號和DS18B20 溫度傳感器信號的處理和分析，并判斷是否發(fā)出聲光火災(zāi)報(bào)警信號。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度看，該系統(tǒng)最先需采集煙霧和溫度信號，在與預(yù)先設(shè)定的報(bào)警值進(jìn)行分析對比后再做出是否報(bào)警。

在以單片機(jī)為主體，多種傳感器合理運(yùn)用的前提下，使得本設(shè)計(jì)成功地制造出了火災(zāi)煙霧報(bào)警系統(tǒng)。通過模擬火災(zāi)的溫度及煙霧條件，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警，相信在實(shí)際運(yùn)用中定能有效避免火災(zāi)的發(fā)生。