基于STM32火災報警系統設計

摘 要：在現代社會，火災是普遍發生的，而且損失也越來越大，人們更加重視對火災的快速預警。現在有很多火災預警裝置，以紅外線探測器和單感應器為主，但其易受熱源、陽光等其他因素干擾引起誤報，且具有靈敏度低的缺點。針對這種情況，文章設計了基于STM32的火災報警系統，采用紫外線感應和煙霧感應組合的方式，該系統具有性能穩定、靈敏度高、探測方位廣等優點，火焰響應速度極快，可以探測185nm-260nm不同狹窄光譜敏感源。該系統應用范圍廣，可以用在倉庫、廠房、家庭等多種場合。

關鍵詞：STM32；紫外線；煙霧感應；自動報警；ADC

1 概述

現代社會中，火災發生的頻率越來越高，逐漸成為最經常、最普遍地威脅公眾安全和社會發展的主要災害之一。因此我們必須將火災消滅在萌芽狀態，最大限度地減少社會經濟的損失，盡可能地減少火災及其對人類造成的危害。由于火災的巨大危害，因此報警器得以應運而生，報警器在火災報警方面發揮著無可比擬的優勢。傳統的報警器采用紅外線感應或者單傳感器檢測的方式，誤報率高。針對這種情況，本設計是以Atmel公司的STM32單片機為主控核心，采用紫外線探測和QM2煙霧復合探測的方式。STM32通過紫外線感應和MQ2煙霧感應實時監控環境，當MQ2探測到煙霧時，進行預報警，當紫外線感應到火焰時，STM32通過繼電器控制蜂鳴器響鳴并報警。這種監控系統，功耗低，靈敏度與穩定性高，避免了許多誤報警狀況且應用范圍廣泛，可普遍應用各種場所。

2 系統硬件設計

2.1 STM32F103RCT6的選用

該芯片為嵌入式32位微控制器，程序存儲器容量256KB，RAM容量為48K最高運行速度可72MHz，采用64-LQFP的封裝形式，工作電壓為3.3V，工作溫度-40℃～85℃，達到工業級要求。對該芯片的設計包括芯片供電、配置晶振、配置引腳、設置復位功能等，設計其連通性能滿足CAN、IIC、SPI、UART/USART、USB 等多種總線及串口通信，多通道的選擇可以為后期的系統優化和升級提供可行性。

2.2 電源模塊設計

系統采用12V直流電源供電，其中12V轉5V采用LM2596開關電壓調節器，其屬于降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅動電流，同時具有很好的負載調節和線性特性。該器件內部具有集成頻率補償和固定頻率發生器功能，開關頻率為150KHz，在特定的輸入電壓和輸出負載的條件下，設計輸出電壓的誤差保證在±4%的范圍內，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內，設計待機電流僅為80μA的，可以實現外部斷電，并且具有一個兩級降頻限流保護和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護電路。其電路原理如圖1所示。

其中5V轉3.3V采用AMS1117開關電源芯片，AMS1117是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩壓電路，其內部集成過熱保護和限流電路，確保芯片和電源系統的穩定性。最高輸出電流可達1A，輸出電壓精度高達2%，溫度范圍：-20℃-120℃。其電路原理如圖2所示。

2.3 MQ2煙霧探測模塊設計

MQ2加熱電壓如果過大會導致的內部信號細線被燒斷而無法正常工作，因此需要串聯一個電阻分壓。MQ-2采用在空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）為半導體氣敏材料。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中煙霧濃度的增加而增大。設計簡單的電路將電導率的變化轉換為與煙霧濃度相對應的輸出電壓信號，濃度越高輸出電壓越高，通過電路轉換控制電壓為0～3.3V，輸入到STM32的ADC引腳進行信號處理。設計加熱電壓為5±0.2V（DC），靈敏度大于3dBV，響應時間小于10S，模塊回復時間小于30S，模塊功耗小于0.7W，使用壽命為5年。

2.4 火災紫外線檢測模塊設計

紫外線檢測模塊采用R9533紫外線特隆管，可以探測185nm- 260nm不同狹窄光譜敏感源，模塊的驅動電路結構如圖3所示。該電路作為紫外線特隆管驅動電路，也被用作信號處理電路。電源采用+12V直流供電，通過恒壓電路轉換為+5V通過高壓轉換電路升至+350V驅動R9533工作以及為信號處理電路供電，當有紫外線接收到時會產生+3.3V的脈沖波，然后通過集電極開路輸出輸入到STM32的ADC引腳進行信號處理。該模塊緊湊、重量輕、低電流消耗。

2.5 報警模塊

當監測到有火情發生時STM32會發出電壓信號，三極管8050導通繼而繼電器吸合，使報警燈電路導通并報警。其電路原理如圖4所示。

3 系統軟件設計

3.1 ADC_CR1寄存器的操作

STM32擁有的ADC，可以獨立使用也可以使用雙重模式（提高采樣率），是12位逐次逼近型的模擬數字轉換器。它有18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源。各通道的A/D轉換采用掃描模式執行，SCAN位設置為1。將各傳感器測試數據結果以右對齊方式（ALIGN位設置為0）存儲在16位數據寄存器中。模擬看門狗特性允許應用程序檢測輸入電壓是否超出報警的高/低閥值。寄存器的各位描述如圖5所示。

3.2 軟件程序設計

該系統的軟件部分的程序設計分為3個部分：MQ2煙霧檢測程序、紫外線檢測程序、報警模塊程序。

MQ2煙霧檢測程序：MQ2在沒有煙霧狀態下輸出電壓為0，且電壓值會隨煙霧濃度的增大而升高。測試過程中，使用香煙產生的煙霧為檢測量，設置一個閾值。當達到此閾值時，IO口觸發中斷，節點退出休眠狀態，并向STM32上傳異常狀態即判斷有煙霧產生，此時會預報警相應指示燈閃爍。

紫外線檢測程序：紫外線傳感器正常情況下輸出電壓為0V，傳感器輸出電壓會隨火焰強度的增大而增大。利用紫外線探測火焰中特定波段的紫外線所發出的脈沖量及持續發生時間為檢測量，當火焰中特定波段的紫外線所發出的脈沖量及持續發生時間達到預定值時，喚醒模塊進入工作狀態并向STM32輸出脈沖信號。

報警模塊程序：當STM32控制器檢測到火災發生時，會向控制繼電器的STM32引腳輸出電壓使繼電器導通，進而報警燈報警。該模塊實現了以低電壓控制高電壓的功能。系統的流程圖如圖6所示。

4 測試

MQ2煙霧監測模塊在無煙的房間內，煙霧傳感器測試的返回值大概在0V左右。點燃香煙距離煙霧50CM左右時，煙霧傳感器測試的返回值在2.5V左右，濃煙時MQ2煙霧傳感器測試的返回值在3.3V左右。

紫外線傳感器的正常工作電壓在12V，檢測方式采用蠟燭的火焰，經測量紫外線傳感器最遠監測距離為16M。測得紫外線傳感器工作電流為0.025A，報警電流為0.036A，可得最大功率為0.432W，耗電量低。

以紫外線傳感器的特隆管為零點，以其正面180°內進行角敏感度測量，并繪制圖形如圖7所示。從中可以看出傳感器的有效感應角度為其正面120°左右范圍。

5 結束語

通過對文章中所設計的報警系統進行實驗， 初步驗證了其報警功能。當有煙霧、火焰產生，系統能夠迅速響應，啟動報警燈報警。設計的系統具有性能穩定、靈敏度高、探測方位廣、功耗低的特點。基本可以證明本火災報警系統的設計是可行可靠的。

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作者簡介：張偉（1989，11-），男，漢族，河北工業大學，碩士研究生。

段萍（1973，6-），女，漢族，河北工業大學，副教授，碩士生導師，主要從事智能機器人方向研究。

丁承君（1973，9-），男，漢族，河北工業大學，教授，博士生導師，主要從事移動機器人智能控制、嵌入式計算機系統研究。