基于電阻式傳感器的火災報警器設計

王康 張 強 楊志強 黃朝亮 阮鵬鳴 陳偉

摘 要：本文設計了一種火災報警器，它能對溫度、火光、煙霧等進行實時監測，一旦達到預警值將發出警報，利用GSM通信模塊，自動向戶主發送短信通知、撥打電話，并打開滅火裝置。51系列單片機為核心，采用多種電阻式傳感器對溫度、火光、煙霧等情況進行數據采樣，是一種結構簡單，性能穩定，使用方便，智能化的火災報警器。

關鍵詞：電阻式傳感器；火災報警器；GSM；單片機

1硬件電路設計

本報警器使用溫度傳感器檢測溫度，火焰傳感器檢測火焰，使用煙霧傳感器檢測可燃氣體，使用STC89C52單片機作為系統控制核心。室內溫度變化、光照強度與煙霧濃度等變化引起傳感器中電阻值變化，轉換為電壓量的變化，模擬信號經過A/D轉換器數字化，最后數字信號傳送到單片機，單片機對接收到的信號進行判斷。若超出所設定的閾值則預警，并通過發短信、打電話的方式通知戶主檢查災情，甚至可在戶主不在現場的情況下，遠程控制滅火；當未超過所設定的閾值時，系統處于待機狀態。系統硬件結構如圖1所示，電路原理如圖2所示。

（1）STC89C52單片機

STC89C52是一種低功耗、高性能8位微控制器，具有8K可編程Flash 存儲器、中央處理器、數據存儲器（RAM）、EEPROM、定時/計數器、I/O接口、UART接口和中斷系統、SPI接口、高速A/D轉換、PWM以及硬件看門狗、電源監控、片內RC振蕩器等模塊。本系統設計主要應用其PWM、四路10位高速A/D轉換模塊、SPI接口、定時/計數器、I/O接口等功能模塊。

（2）電阻式傳感器

本報警器用到三種電阻式傳感器：溫度傳感器、火焰傳感器、煙霧傳感器，它們敏感元件分別是熱敏電阻，光敏電阻，氣敏電阻，具體工作原理如圖3所示。

其中，敏感元件是傳感器中能直接感受或響應被測量的部分，并輸出與被測量成確定關系的物理量（包括電學量）；轉換元件是將敏感元件感受或響應的被測量即非電物理量（如溫度、光強、煙霧等）轉換為適于傳輸或測量的電學量（如電路參數量、電壓、電流等）；轉換電路功能是將電路參數量（如電阻、電感、電容等）轉換成便于測量的電學量，例如電壓、電流等。

溫度傳感器是一種雙端固態熱敏傳感器，可以根據溫度的微小變化來改變其電阻值，其溫度特性與半導體材料的導電機制密切相關。它是一種由高度敏感的金屬氧化物制成的固態器件，它們在分子水平上運行，當最外層（價電子）電子變得活躍會產生負溫度系數，或者活性降低，產生正溫度系數，熱敏電阻增加。利用這種電阻隨溫度顯著變化的特性制成。

火焰傳感器中的光敏電阻是利用硫化隔或硒化隔等半導體材料制成的特殊電阻器，其工作原理是基于內光電效應。在特定波長光的照射下，其阻值迅速減小。光照產生的載流子參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光照愈強，阻值就愈低。

煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏電阻，屬于表面離子式N型半導體。處于200～300攝氏度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘收到煙霧的調制而變化，就會引起表面導電率的變化。利用這一點就可以獲得這種煙霧濃度的信息，煙霧的濃度越大，導電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號就越大。

（3）GSM通信模塊

本設計中GSM通信采用SIM800L模塊，可支持4頻GSM/GPRS，工作的頻段為：GSM850、EGSM900、DCS1800和PCS1900MHz，工作電壓3.7-4.2V（電流峰值1A），模塊上電自動開機，自動尋網。通過GSM模塊可向預設電話號碼報警，亦可向GSM模塊撥打電話查詢實時溫度。

正常情況下，單片機循環啟動溫度傳感器測量溫度并存儲，當GSM模塊收到有電話打入的信號后，把信號傳給單片機，再由單片機控制GSM模塊，向打入的號碼發送實時的溫度情況，即溫度查詢。當超過溫度閾值時，自動撥打主人電話進行報警。

（4）聲光報警模塊

本模塊用發光二極管和蜂鳴器來實現聲光報警功能。單片機控制BEEP腳的高低電平來控制蜂鳴器和LED工作，Q7為NPN型三極管。BEEP為高電平時，三極管導通，蜂鳴器和LED燈接地；BEEP為低電平時，三極管截止，蜂鳴器和LED不報警。R34為上拉電阻，R35和R36為限流電阻。

2軟件設計

本系統的程序由C語言編寫，程序流程如圖4所示，程序流程如下：

（1）通電，系統初始化；

（2）采用中斷方式通過傳感器采集現場數據；

（3）數據采集后，系統會自主判斷周圍情形是否會發生火災，如果沒有出現火災趨勢則返回；如果有火災趨勢，進行聲光報警，撥打電話給戶主，采取相應措施；

（4）當異常報警結束后（火災的趨勢已被遏制），系統恢復初始狀態，繼續檢測。

3結語

本文主要對基于電阻式傳感器的火災報警器進行了研究和分析，先對報警器的整體設計思路進行了簡要說明，之后對單片機、電阻式傳感器、GSM通信模塊以及其它電路模塊進行了詳細介紹，并且對報警器主程序做了說明。結果顯示，火災報警器對于預防火災具有良好的效果，而且，本設計價格低廉，結構簡單，性能穩定，尤其適合于家庭小居室的使用要求，具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1] 賈麟.基于單片機的家居報警系統構建[J].產業和科技論壇，2011年14期.

[2] 陳昭文.基于傳感器和GSM短信報警的智能家居系統[J].無線互聯科技，2013年12期.

[3] 吳立剛.智能火災報警系統設計中單片機的應用[J].電子技術與軟件工程，2018年14期.