火災報警器的設計與實現(xiàn)

北京信息科技大學自動化院，北京 100101

一、引言

隨著人們生活水平的提高，家庭用火、用電量在逐漸增加，家庭火災發(fā)生的頻率也越來越高。在家庭火災中，滅火不及時、缺乏滅火器材以及在場人員驚慌失措、逃生遲緩的現(xiàn)象很容易出現(xiàn)，最終可能會導致重大生命財產(chǎn)的損失，帶來不可預測的后果。為了能及時檢測到火災的發(fā)生，避免火災所產(chǎn)生的嚴重后果，火災報警器越來越受到人們的重視。而設計一種成本低，簡單實用，安全可靠，維修方便的家用火災報警器在市場上會占據(jù)更大的競爭力。

本文主要針對家庭住宅設計了基于單片機的火災報警器，它利用煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鲗Νh(huán)境進行檢測，對超過報警限的情況進行聲光報警并且吸合繼電器啟動換氣扇和水泵工作。并且設計了顯示模塊來顯示相應的檢測結果和設定值。此報警器不僅成本低，體積小，功耗低，可靠性高，而且簡單實用。

二、系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體結構如圖1所示。本系統(tǒng)主要由煙霧和火焰探測模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機電路、液晶顯示模塊、報警模塊和按鍵模塊組成[1,4]。

火災報警器安裝在室內(nèi)容易發(fā)生火災的地方，傳感器將檢測到的煙霧和火焰信息轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后將轉(zhuǎn)換的電信號送到A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送到單片機，單片機進行處理后，然后進行相應的報警。按鍵模塊是用來設定報警限的。

三、系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)硬件有直流電源、單片機最小系統(tǒng)、信號采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、按鍵電路、狀態(tài)指示燈電路、聲音報警電路、繼電器電路。下面就對其中一些重要的電路做簡單介紹[1]。

1、單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)主要由電源、復位、振蕩電路以及擴展部分等部分組成。最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2、信號采集電路及A/D轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)中的煙霧檢測選擇了MQ-2傳感器，火焰的檢測選擇了紅外接收管，傳感器將檢測到的煙霧和火焰信息轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后把電壓信號送到ADC0832，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給單片機，單片機再讀取相應的數(shù)值進行處理[2]。其電路如圖3所示。

MQ-2型氣體傳感器可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。其優(yōu)點是靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單。

由于著火后，燃燒產(chǎn)生的熱量使液體或液體的表面繼續(xù)放出可燃氣體，并形成擴散燃燒。同時，發(fā)出含有紅、紫外線的火焰，散發(fā)出大量的熱量。所以火焰?zhèn)鞲衅鬟x用紅外線接收管來檢測火焰。

ADC0832是串行接口8位A/D轉(zhuǎn)換器，通過三線接口與單片機連接，功耗低，性能價格比較高，適宜在袖珍式的智能儀器儀表中使用[3]。

3、繼電器電路

當檢測到現(xiàn)場煙霧濃度超限時，繼電器K1吸合，啟動換氣扇工作，當檢測到煙霧和火焰值同時超現(xiàn)時，繼電器K2吸合，綠色指示燈亮，同時啟動水泵進行灑水滅火。水泵的連接電路與換氣扇是相似的，這里只給出繼電器K1與換氣扇的連接電路，如圖4所示。

4、狀態(tài)指示燈電路

狀態(tài)指示燈電路如圖5所示，紅色指示燈與單片機的P2.2相連，黃色指示燈與單片機的P2.1相連。當煙霧濃度超限時，黃色指示燈亮；當火焰濃度超限時，紅色指示燈亮。

5、聲音報警電路

聲音報警電路如圖6所示，包括一個三極管、一個蜂鳴器、一個限流電阻。三極管Q1起開關作用，其基極的低電平使三極管飽和導通，使蜂鳴器發(fā)聲；而基極高電平則使三極管關閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。

四、系統(tǒng)軟件的設計

報警器通電之后，先進行初始化工作，然后傳感器進行火焰和煙霧濃度的采集，再判斷火焰和煙霧濃度是否達到報警限，如果達到報警限則執(zhí)行相應的報警程序。如果有按鍵按下，則進行報警限參數(shù)的設置。主程序流程如圖7所示。

五、測試結果與結論

1、測試結果

此報警器初始設定的火焰和煙霧報警限都是20，液晶屏可顯示的火焰值和煙霧值都是0～255。液晶屏上第一行顯示的是當前火焰值（HY）和當前煙霧值（YW），第二行顯示的是設定的火焰值報警限（HH）和設定的煙霧報警限（HY）。

報警器下方有三個按鍵，從左至右依次是，第一個按鍵是調(diào)節(jié)

火焰和煙霧報警限設定值的選擇鍵，第二個按鍵是加1鍵，第三個按鍵是減1鍵。按一下第一個按鍵，HH的個位變成浮動狀，可以重新設定火焰報警限，此時按下第二個按鍵火焰報警限的值加1，按下第三個按鍵火焰報警限的值減1。按兩下第一個按鍵，HY的個位變成浮動狀，可以重新設定煙霧報警限，此時按下第二個按鍵煙霧報警限的值加1，按下第三個按鍵煙霧報警限的值減1。按三下時保存設定好的值。再重新按下第一個按鍵時，又可以依次循環(huán)上述的設定。

檢測煙霧的結果如圖8所示。用打火機放氣，當前煙霧值為44，超過煙霧報警上限20，黃燈亮，蜂鳴器響，啟動風扇驅(qū)散毒氣。

檢測火焰的結果如圖9所示，當前火焰值為54，超過火焰報警上限20，紅燈亮，蜂鳴器響。

同時檢測火焰和煙霧的結果如圖10所示，當前火焰值為22，當前煙霧值為213，都超過火焰和煙霧的上限值20，紅燈和綠燈都亮，蜂鳴器響，啟動風扇和水泵。

2、結論

本論文設計的火災報警器由煙霧和火焰信號采集電路與單片機控制電路兩大部分構成，用系統(tǒng)方框圖、硬件電路圖和軟件流程圖，全面、具體地闡述了系統(tǒng)中各個部分的原理和功能。測試結果表明，該火災報警器可以有效的進行報警，并且具有體積小、功耗低、安裝調(diào)試簡單、可靠性高等優(yōu)點。