基于單片機的智能火災報警器設計

張薔 張朝龍 李楠 江善和 李彥梅

摘要：隨著城市化進程的加快和人口的迅速增長，我國火災發生的次數、頻率、造成的損失都不斷上升。因此，如何在最短時間內發現火災并控制災情，使人民生命、財產損失降到最小就顯得尤為重要。該文采用STC89C52單片機為中央控制單元，應用MQ-2 型半導體氣敏式煙霧傳感器和DS18B20數字溫度傳感器為檢測單元，外加4個功能設置按鍵，4位一體數碼管顯示屏，設計出的可以對火災進行實時監控，并可自動報警的智能火災報警器。

關鍵詞：煙霧傳感器；溫度傳感器；自動報警；單片機

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）12-0210-03

Design of Intelligent Fire Alarm Based on Singlechip

ZHANG Qiang， ZHANG Chao-long， LI Nan， JIANG Shan-he， LI Yan-mei

（School of Physics and Electronic Engineering， Anqing Normal University， Anqing 246011， China）

Abstract： Along with the acceleration of urbanization and the rapid growth of the population， the numbers， frequency， causing losses of fire in our country are rising. Therefore， it is particularly important to find fire and control the disaster in the shortest time and minimize the loss of people's life and property. Singlechip STC89C52 is selected as the central control unit in the paper， where detection unit is composed of a MQ-2 type semiconductor gas sensitive smoke sensor and a DS18B20 digital temperature sensor. Four function setting keys and the four bit digital tube display screen are included in the design. Intelligent fire alarm can be used to real-time monitor fire and automatically alarm.

Key words： smoke sensor； temperature sensor； automatic alarm； singlechip

1 背景

當今社會，隨著城市化的深入發展，城市人口密度的增加，讓火災越來越成為人們關注的重要安全隱患之一。為了減少火災造成的損失，有必要加強對火災的監控，最大限度地減少社會財富的損失[1，2]。鑒于此，本文提出了一種智能火災報警系統，采用STC89C52單片機作為主控核心，由溫度傳感器模塊[3]、煙霧傳感器模塊[4]等組成，從而對溫度和煙霧進行雙重自動檢測。一旦溫度或煙霧值超標，系統會準確、及時自動報警，可以較為準確的探測火災災情。用戶可以根據需要，自行設置報警值，并可以手動開啟報警。本設計性能穩定，結構簡單，易操作，成本低，適用于各類生產環境中的火災檢測。

2 火災檢測原理

對火災的檢測，主要是檢測火災產生的溫度和煙霧。本設計使用數字溫度傳感器、氣敏式煙霧傳感器來實現對溫度和煙霧的檢測。氣敏式煙霧傳感器的檢測原理如下：氣敏式煙霧傳感器對煙霧的檢測主要利用了氣敏式煙霧傳感器中的半導體材料的電導率隨可燃氣體的濃度發生變化而變化這一原理，當可燃氣體與氣敏式煙霧傳感器中的半導體材料接觸時，可燃氣體自身釋放電子變成正離子，然后吸附在半導體表面，其釋放的電子進入半導體，使半導體材料內部可移動電子數量增加，即使半導體的電導率下降。用電路將半導體材料電導率的變化與氣體濃度變化一一對應，便可實現對煙霧的檢測[5]。

3 設計總體規劃

火災探測器檢測現場的溫度和煙霧濃度后送至控制器。經控制器分析處理后將數據送至數碼管進行顯示，并控制報警器是否發出報警。設置按鍵可以對煙霧濃度和溫度值進行預設。當控制器接收的現場數據大于預設報警值時，控制器立即控制報警器報警，并在LED數碼管顯示器上顯示現場檢測的煙霧級別和溫度值。

4 硬件設計

本設計硬件部分共有8個模塊，分別為STC89C52最小系統模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、MQ-2煙霧傳感器模塊、A/D轉換模塊、報警器模塊、狀態指示燈模塊、控制鍵模塊、七段數碼管顯示模塊。

4.1 STC89C52最小系統模塊

STC89C52最小系統模塊由復位電路、時鐘電路和單片機三個主要部分組成。當按下復位開關，STC89C52單片機的RST引腳出現高電平，單片機內部就開始復位。STC89C52單片機提供了上電復位和按鍵復位兩種方式，本設計中采用按鍵復位電路[4]。STC89C52提供了外部時鐘電路和內部時鐘電路兩種方式，本設計采用12MHz晶振的內部時鐘電路方式，在晶振兩端接2個30pf的陶瓷電容，作用是穩定頻率和快速起振。

4.2 DS18B20溫度傳感器模塊

本設計所采用的用于溫度測量的PR-35封裝方式DS18B20數字溫度傳感器，該封裝僅有3個引腳：用于給芯片供電的正負端VCC、GND和用于數據傳輸的DQ。接線時可采用外部電源供電或內部寄生電源供電方式，用于數據傳輸的DQ引腳需要外接上拉電阻，電阻值通6.8KΩ[5]使用第一種供電方式，在使用時VCC、GND與電源相連接，為芯片供電，DQ引腳接6.8KΩ左右的上拉電阻后再與單片機的P3.3引腳連接，為單片機提供數據輸入。

4.3 MQ-2煙霧傳感器模塊

本設計使用的是用二氧化錫半導體材料作為主要器件制成的MQ-2型氣敏式煙霧傳感器。MQ-2煙霧傳感器由于其內部特殊的結構，使用時會出現發熱的現象，故要先預熱一定的時間才能進行煙霧檢測。

4.4 報警器模塊

報警電路蜂鳴器的負極接地，正極與PNP型三極管的集電極相連；三極管的發射極與電源VCC相連；基極經1KΩ的電阻后接至單片機的P3.7引腳，當P3.7引腳為低電平時三極管導通，在延時程序的作用下，P3.7引腳往復發出高低電平，從而蜂鳴器發出蜂鳴聲報警。

4.5 控制鍵模塊

控制鍵電路包括4個按鍵S1、S2、S3、S4一端同時接電源負極，另一端與單片機的P0.0至P0.3四個引腳相連。4個控制按鍵有以下幾個功能，S1：手動報警鍵，按下后進入手動報警功能。S2：報警值設置鍵，對煙霧濃度和溫度報警值進行設定。S3：報警值減鍵，減小當前設定項的報警值。S4：報警值加鍵，增大當前設定項的報警值。

4.6 整體電路圖

整體電路圖如圖2所示。

6 系統軟件設計

主程序流程如圖3所示，系統初始化后不斷執行以下四種基本功能：1、顯示數據，由單片機處理采集的數據后送到數碼管中進行數據顯示。2、判斷是否開啟手動報警，若開啟手動報警，則進行聲音報警和狀態顯示，同時判斷是否取消手動報警，若不取消，則蜂鳴器發聲、紅黃綠三燈循環閃爍；若取消手動報警或不開啟手動報警，則進行第三功能。3、判斷是否設置報警值，若是則進行報警值的設置，同時判斷是否結束設置，若不結束，則繼續設置，若結束或不開啟設置報警值，則進行第四功能。4、判斷是否顯示精確值，若顯示，則顯示濃度的值和溫度的三位有效數值，同時判斷是否退出精確值的顯示，若不退出則繼續顯示，若退出或不顯示精確值，則循環主程序的四項功能。

7 測試

圖4是在室內的測試圖，室內溫度為15攝氏度，均低于預設的報警值，此時綠色LED指示燈亮起。

圖5是在按下S4按鍵后，顯示屏僅顯示溫度的精確值，用火源靠近溫度傳感器時測得的瞬時溫度為57.1攝氏度，高于20攝氏度的預設溫度值，此時紅色LED指示燈亮起，蜂鳴器發出滴滴聲報警。

圖6是在按下S3按鍵后，顯示屏僅顯示煙霧的濃度，然后用霧源靠近煙霧傳感器測得的煙霧濃度值為68，高于預設煙霧等級，此時黃色LED燈亮起，蜂鳴器發出滴滴聲報警。

8 總結

本設計是以STC89C52單片機為核心的可以實現自動報警、聲光報警、濃度顯示、溫度顯示、報警值設置、精確數據顯示等功能的智能火災報警器。本設計采用Altium Designer13繪制電路原理圖，Keil uVision3和stc-isp-15xx-v6.86I進行軟件編寫和程序燒制， Visio 2007進行流程圖與原理框圖的繪制。本設計的軟件部分是用C語言進行編寫，與匯編語言相比，具有編寫簡單、模塊清晰等特點。本設計還可以進一步創新，比如可以添加一個自動滅火的裝置，當檢測到發生火災時，系統通過控制馬達打開水閥，達到滅火的目的。

參考文獻：

[1] 范維澄， 劉乃安. 中國火災科學基礎研究進展與展望[J].中國科學技術大學學報，2006，36（1）：1-8.

[2] 梁運濤， 羅海珠. 中國煤礦火災防治技術現狀與趨勢[J].煤炭學報，2008，33（2）：126-130.

[3] 樊強. 基于DS18B20的溫度采集系統設計實現[J].農機化研究， 2011，11（12）：161-164.

[4] 鄭道林. 基于MQ-2與GSM的CO監測報警系統的設計[J].電子設計工程，2014，14（4）：162-165.

[5] 宋彥雄， 蔡岱賢. 基于單片機的樓宇火災智能報警系統設計[J].機電工程技術，2011，1（5）：45-48.

【通聯編輯：謝媛媛】