智能火災報警系統的設計和開發

王亞勝 王景

【摘 要】近年來，在我國人們生活水平提高的同時，石油能耗也隨之加大。而在石油工業生產中的防火工作也越來越重要，目前國內的許多研發都側重于大型工業場所的火災報警，造價高昂，成本較大。因此，有必要研制一種結構簡單、更經濟實用的報警器以適應市場的需求，在不影響工業產值的情況下節約成本。基于工業使用的火災報警器應該具備的基本要求和功能，適合火災前期煙霧探測的報警器。

【關鍵詞】石油工業生產；經濟實用；單片機；火災報警系統

一、引言

國外從上世紀30年代開始研究及開發煙霧傳感器，且發展迅速，日本也在六十年代開發完成第一臺家用燃氣泄漏報警器，報警器可以檢測燃氣、一氧化碳等氣體，我國在70年代初期就才開始了對火災報警器研究，一方面是由于社會的需要，另外一方面也為了減少國家的經濟損失，應用范圍從單一到種類繁多，產品數量也在不斷增加。不過從發展的角度來看，我們大都是在引進國外先進的傳感器技術，并且在國外先進的生產工藝基礎之上，對其進行研究從而大力開發屬于自己的特色火災報警器。隨著國家的大力發展，近年來，我國在煙霧選擇性和產品穩定性上都有很大進步。具備高度集成化、智能化的單片機得到了廣泛的應用，它的發展前景巨大，在社會大生產中，單片機無處不在，本設計是單片機聯系實際的一個應用，基于單片機的火災報警器是通過檢測可燃性氣體濃度作為條件判斷報警；若這類氣體泄漏達到爆炸極限時，可讓單片機經過反應發出聲光警報，同時起動流風機等通風設備，預防并阻礙火災事故的發生。

二、設計思路與方案的選擇

（一）整體設計思路

本次設計是基于STC89C52的火災報警器，能夠檢測環境中的煙霧濃度，并具有報警功能。該報警系統的最基本組成部分包括：信號采集模數轉換模塊、單片機控制電路、流風機電路、聲光報警電路和比較器電路等部分。設計的火災報警器具有顯示報警狀態，為適應工業生產場所對可燃性易爆煙霧安全性等要求。報警器以STC89C52單片機為控制核心，延時的工作方式，選用MQ-2半導體氣體煙霧傳感器，用來采集煙霧濃度信息，配合外圍電路以構成火災報警系統，從而達到自己設計的目的。

（二）設計方案的選擇

1.煙霧檢測傳感器選型

煙霧傳感器作為報警器中不可缺少的核心器件，它決定了所采集的煙霧濃度信號的準確性和可靠性，MQ-2煙霧傳感器內部結構如圖所示。現在的市面上有很多種煙霧探測傳感器，有接觸燃燒式傳感器、半導體煙霧傳感器、離子感煙傳感器、光電式感煙傳感器等等，在眾多煙霧傳感器的應用特性的對比之下，發現半導體煙霧傳感器的優點更加突出。比如靈敏度高、響應快、體積小、結構簡單等優良特性，而且還兼具使用方便、價格便宜等優點，并且在報警的過程中，不具有其他傳感器所具備的缺陷，比如探頭阻緩及中毒現象，而且在維護成本方面，也是比較低廉的，因而得到廣泛應用。因此，本方案中的煙霧傳感器采用選用MQ-2半導體氣體煙霧傳感器。 【1】

三、系統概述與硬件方案的設計

（一）系統總體框架

火災報警器是能夠檢測環境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器。該報警系統的最基本組成部分應包括：信號采集模數轉換電路、單片機控制電路、字符顯示電路、聲光報警電路等部分組成。

為適應工業等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設計的火災報警器具有顯示報警狀態。煙霧檢測報警器以STC89C52單片機為控制核心，選用MQ-2半導體氣體煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，配合外圍電路構成火災報警系統。本設計包括硬件和軟件設計兩個部分。

從設計的要求來分析該設計須包含如下結構：煙霧檢測電路、STC89C52單片機主控部分、報警部分、數碼輸入輸出部分。電路總體設計框圖如圖4所示：

處理器采用51系列單片機STC89C52。整個系統是在系統軟件控制下工作的。設置在監測點上的煙霧檢測探頭將檢測到的煙霧變換成電信號，送出模擬信號，給AD采集電路采集。在單片機內，經軟件查詢、識別判決等環節實時發出火災報警狀態控制信號。驅動蜂鳴器及報警指示燈報警。【2】

（二）電源模塊

由于本系統采用電池供電，考慮了如下幾種方案為系統供電。

方案1：采用5V蓄電池為系統供電。蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，在報警器上使用極為不方便。因此放棄了此方案。

方案2：采用4節1.5 V干電池共4.5V做電源，經過實驗驗證系統工作時，單片機、傳感器的工作電壓穩定能夠滿足系統的要求，而且電池更換方便。

綜上所述采用方案2，電源模塊原理圖如圖5所示，其中P1為電池接口，SW1為電源開關。

（三）單片機最小系統

單片機如果需要工作起來，構成為單片機最小系統的基本構成如圖所示。單片機是智能火災報警器的控制中心，單片機最小系統的合理設計是系統平穩運行的前提，所謂最小系統，就是能夠保證單片機運行的最精簡的硬件設計。【3】

單片機最小系統大致由三部分構成，第一部分包含單片機，第二部分包含復位電路，最后一部分由時鐘電路構成，這三部分每一部分都有其獨立功能，能夠單獨工作卻又互相協作。

四、結束語

本篇設計對火災報警系統做了明確的闡述，從選題背景與意義出發，擬定初步設計方案，確定設計思路來實現所制定的功能，雖然基本完成了該系統所要求實現的功能，但仍然存在著諸多不足之處，出于仿真的角度考慮，對單元電路的仿真設計與實際有一定的差別，仿真電路中主要針對的是功能的直觀表現，簡化了對單元電路的設計，本設計只是火災報警器中一個比較典型的設計，設計功能還有欠缺，此設計方案也提供一種專業類的教程，在現實生產與操作中更能對現場一線工人進行技術指導，利于設備的維護與保養。我們也將繼續在工作生產中進行專業的知識的實際應用與學習，并對后續的系統進行升級與完善。

【參考文獻】

[1] Chen，S-J，Hovde，使用煙霧和氣體傳感器火災探測，消防安全J.2007，42，507-515

[2] 劉迎春.傳感器原理設計及應用，哈爾濱：哈爾濱工業大學出社.2001.89-100

[3] 余成波.傳感器與自動檢測技術[M].高等教育出版社.2004.34-25