基于Arduino的簡單火焰報警器

作者/毛敏、王海梅，陜西國防工業職業技術學院

基于Arduino的簡單火焰報警器

作者/毛敏、王海梅，陜西國防工業職業技術學院

以檢測是否有火焰為目的，本文采用紅外接收二極管作為火焰檢測傳感器，把火焰光轉化為電信號，Arduino Uno微處理器根據紅外接收二極管輸入的火焰信號輸出相應的電信號來驅動大功率報警器報警。通過試驗，該系統2秒鐘可作出反應，適用于需要監測火焰的場合。

火焰；傳感器；檢測；報警器；Arduino

引言

生產、生活、戰略物資集中存儲的地方，會因為這些物資可能有易爆、易燃、有毒、易腐蝕等特點而存在不同程度的危險，特別是當這些物資含有易燃成分時，它們一旦發生火災，會造成嚴重危害，威脅到人們的生命安全。為了解決這個問題本文設計了火焰報警器，當有火焰光時發出警報，該報警器結構簡單，成本低，可利用小電流驅動大功率報警器。

1.系統設計

火焰光具有近紅外波長，可用紅外接收二極管來進行測量。當火焰光照射到紅外接收管PN結上時，受到一連串具有能量的光子的轟擊，PN結吸收光子能量產生電子空穴對，形成光電流并改變紅外接收二極管的正極電位，從而驅動報警器工作。

■1.1 硬件設計

1.1.1 紅外接收二極管

紅外接收二極管是將紅外線光信號變成電信號的半導體器件，工作在反向電壓下，它的核心部件是一個特殊材料的PN結，紅外接收二極管的PN結被設置在透明管殼頂部的正下方，可以直接受到光的照射。

沒有光照時，由于紅外接收二極管反向偏置，所以反向電流很小，稱為暗電流，相當于普通二極管的反向飽和漏電流。當合適波長的光照射在紅外接收二極管的PN結（又稱耗盡層）上時，原子中的電子吸收光子的能量，能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子—空穴對，稱為光生載流子。

光照增強，產生的電子-空穴對數量也隨之增加，在外加的反向電壓的作用下，電子漂移到N區，空穴漂移到P區，從而產生反向電流電流（稱為光電流），光電流與照度成正比。

1.1.2 Arduino Uno微處理器

Arduino Uno微處理器是一個開放原始代碼的軟硬件平臺，構建于開放原始碼simple I/O界面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境，體積小巧，功能強大。

Arduino Uno該系統包括硬件（Arduino電子板） 和軟件（Arduino IDE）兩部分，硬件部分可以用來做電路連接的Arduino電路板；軟件部分則是Arduino IDE，是軟件開發環境，在IDE中編寫程序代碼，并將程序上傳到Arduino Uno微控制器，Arduino Uno微控制器根據信號的變化做出相應的程序處理。

Arduino Uno由13個Digital I/O 數字輸入/輸出端口和6個Analog I/O 模擬輸入/輸出端口，支持5V 直流電壓輸出和3.3V 直流電壓輸出。

1.1.3 繼電器

繼電器是電控制開關，當輸入電流達到規定要求時，內部線圈產生電磁感應，吸引內部觸點開關從常閉端打向另一端，使其連接的電路閉合導通；當輸入電流小于規定要求時，內部線圈電磁感應消失，內部觸點開關打向常閉端，使其連接的電路斷開。繼電器常用于控制電路中，可用小電流去控制大電流工作。

1.1.4 硬件電路

所需元器件：紅外接收二極管、Arduino Uno控制板、大功率報警器、繼電器、二極管、三極管、2.2K和10K電阻、電路板、導線。

紅外接收二極管在電路中反向鏈接，將紅外二極管的負極接到5V端口，正極連接10KΩ的電阻，電阻的另一端連接GND，在二極管與電阻之間接一根導線接到模擬端口A1上，來讀取火焰的狀態數據。

大功率報警器通過繼電器與D7接口相連，并根據D7接口的輸出來控制報警器的通斷。

當有火焰光時，紅外接收二極管感知到火焰光，把火焰光的亮度轉換電信號，并輸入到Arduino Uno微處理器，數字端口D7輸出高電平信號，三極管導通，繼電器工作，從而驅動報警器報警。

硬件電路如圖1所示。

■1.2 軟件設計

在Arduino IDE中編寫程序代碼，并將程序上傳到Arduino Uno電路板，Arduino Uno通過模擬口1采集火焰光數據，并處理成字節數據，通過串口輸出到電腦上，可在串口助手看到結果，如果濃度高于預定值，則輸出信號來控制固態繼電器閉合和斷開進而驅動報警器工作。程序如下：

圖1 硬件電路圖

2.測試結果

當有火焰靠近時，紅外接收二極管感知到火焰光，把火焰光的亮度轉換成電信號，模擬1口讀入并輸入到Arduino Uno微處理器，數字端口D7輸出高電平信號，三極管導通，繼電器工作，報警器開始報警。

3.結論

本文結合紅外接收二極管和Arduino UNO控制器設計了火焰報警器，該報警器可以用小電流去控制大功率報警器工作，具有精度高、靈敏度高的優點。

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