智能煙火報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李芬

摘要：隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)火災(zāi)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)的方向多偏向于大型防火的報(bào)警設(shè)計(jì)，其繁雜的系統(tǒng)與研究需要的資源多、花費(fèi)高，對(duì)于普通家庭不實(shí)用。在住宅、廠房等人口較為集中的區(qū)域，為了降低火災(zāi)發(fā)生的概率，我們需要開(kāi)發(fā)一種廉價(jià)高效且容易操作的家庭智能防火報(bào)警系統(tǒng)。隨著人們物質(zhì)生活條件的改善，家庭生活中使用的大功率電子電氣設(shè)備越來(lái)越多，對(duì)于一些不會(huì)合理使用電器的家庭和老舊房屋住宅區(qū)的居民，老舊電線更換不及時(shí)，用電負(fù)荷不斷加重，發(fā)生電氣火災(zāi)事故的可能性增大。因此大批量的火災(zāi)報(bào)警器應(yīng)用在我們生活中，目前大部分火災(zāi)煙霧報(bào)警器都是由火災(zāi)煙霧探測(cè)芯片組成，煙霧探測(cè)芯片接收到相關(guān)信號(hào)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而判定是否有火災(zāi)發(fā)生，這種設(shè)計(jì)方式雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但反應(yīng)慢實(shí)時(shí)性差，會(huì)產(chǎn)生漏報(bào)和錯(cuò)報(bào)等一系列問(wèn)題。為此我們需要完善火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)方法。提高其安全性、準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：煙霧報(bào)警器;單片機(jī);傳感器;GMS網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）02-0238-02

1 研究背景

目前，我國(guó)對(duì)火災(zāi)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)的多方向偏向于大型防火的報(bào)警設(shè)計(jì)，其復(fù)雜的系統(tǒng)與研究需要的資源多花費(fèi)高，對(duì)于普通家庭不實(shí)用。同時(shí)在惡劣條件下防火災(zāi)報(bào)警器的抗干擾能力較差，缺乏實(shí)用性。在住宅、廠房、學(xué)生及員工集體宿舍等小型預(yù)防區(qū)域，為了達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果，我們需要開(kāi)發(fā)一種廉價(jià)高效且容易操作的家庭智能防火報(bào)警系統(tǒng)。

2 項(xiàng)目基本情況簡(jiǎn)介

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)容易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域的全方位監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除火災(zāi)隱患，該智能煙霧報(bào)警器將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)進(jìn)行有效的結(jié)合，報(bào)警器通過(guò)無(wú)線煙霧傳感器、無(wú)線溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)地的煙霧、溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，利用無(wú)線傳輸技術(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，能夠完成對(duì)火情初期迅速自動(dòng)感應(yīng)。本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)一種智能煙霧防火報(bào)警系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)人們居住安全所需的火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)控和防范報(bào)警功能，其控制運(yùn)行簡(jiǎn)捷又可靠，使用傳感器和現(xiàn)有的無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家庭火災(zāi)防范的目標(biāo)。當(dāng)煙霧進(jìn)行上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，到達(dá)智能煙火報(bào)警器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)能夠通過(guò)對(duì)煙霧的探測(cè)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。即便在你還沒(méi)有看到火苗或聞到煙霧時(shí)，煙霧傳感器已經(jīng)探測(cè)到了。它的工作周期長(zhǎng)，在電源接通設(shè)備完好的情況下，它不停工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率高。當(dāng)發(fā)出警報(bào)時(shí)，它發(fā)出很大的聲音，直到煙散開(kāi)。在真實(shí)的火災(zāi)中其監(jiān)測(cè)實(shí)效性高。

3 主要設(shè)備的選擇

3.1 單片機(jī)的介紹

在設(shè)計(jì)中把單片機(jī)作為該煙霧報(bào)警系統(tǒng)的核心部件，在設(shè)計(jì)方案中使用AT89S52單片機(jī)作為核心處理器件，單片機(jī)即單片微型計(jì)算機(jī)，它采用大規(guī)模集成電路技術(shù)把微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、輸入輸出電路時(shí)鐘電路、A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊獨(dú)立的芯片上，組成一個(gè)完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。在相應(yīng)軟件的控制下，這些電路能夠獨(dú)立、高效、精確、迅速地完成程序所給定的任務(wù)。單片機(jī)不僅可以接收到傳感器的模擬信號(hào)同時(shí)做出信號(hào)檢測(cè)，還可以分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制電路后續(xù)的相關(guān)工作。

AT89S52單片機(jī)屬于8位單片機(jī)，一般情況下它適用于大部分常規(guī)編程器，采用flash-rom技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與MCS-51系列完全兼容。 AT89S52單片機(jī)采用CMOS工藝制造其優(yōu)勢(shì)是使用性能好功耗較低，AT89S52單片機(jī)具有價(jià)格低、工作穩(wěn)定、通用性強(qiáng)、準(zhǔn)確率高等特點(diǎn)，給許多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供了靈活、高效的解決方案[2]。

3.2 傳感器的介紹

傳感器是能接收到輸入變量的信息，并依照相應(yīng)的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的一種器件。在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)中把煙霧傳感器視為控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)裝置的重要前提與環(huán)節(jié)，煙霧報(bào)警器的信號(hào)都是由煙霧傳感器采集和輸送的。本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的傳感器是MQ2型煙霧傳感器。利用煙敏電阻來(lái)檢測(cè)煙霧濃度，從而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警的功能。MQ-2煙霧傳感器是在200攝氏度時(shí)，二氧化錫會(huì)在空氣中吸附氧氣，形成負(fù)離子吸附，從而減小半導(dǎo)體中的電子密度，放大其電阻值[3]。當(dāng)與煙接觸時(shí)，如果煙對(duì)晶界勢(shì)壘進(jìn)行調(diào)節(jié)，則表面電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化。利用這些條件，可以有效獲取煙霧存在的信息。煙霧濃度越高，電導(dǎo)率越大，輸出電阻越低，輸出模擬信號(hào)越大。

特點(diǎn)：

1） 具有信號(hào)輸出指示。

2） 雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）。

3） TL輸出有效信號(hào)為低電平。（當(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可直連單片機(jī)）

4） 可以迅速感應(yīng)到液化氣、天然氣、城市燃?xì)饩叩纫兹細(xì)怏w的存在。使用壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性可靠。

4 設(shè)計(jì)概述

我們?cè)趯W(xué)習(xí)了單片機(jī)的工作原理及其應(yīng)用之后著手研究該項(xiàng)煙火報(bào)警器的設(shè)計(jì)，熟練掌握與運(yùn)用所學(xué)的單片機(jī)技術(shù)和傳感器知識(shí)去設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)該智能煙火報(bào)警器系統(tǒng)。其中單片機(jī)控制電路和煙霧傳感電路是煙霧報(bào)警器的重要組成部分。把報(bào)警電路設(shè)備、傳感器與單片機(jī)緊密結(jié)合在一起，預(yù)先給煙霧報(bào)警器設(shè)置一個(gè)固定的參數(shù)值，當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域達(dá)到預(yù)先給定的參數(shù)值時(shí)，煙霧傳感器把被測(cè)的物理量作為輸入?yún)?shù)，轉(zhuǎn)換成電量輸出。用A/D轉(zhuǎn)換電路將傳感器檢測(cè)信息轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可處理的數(shù)字信號(hào)，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路將煙敏電路輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被單片機(jī)識(shí)別和讀取的數(shù)字信號(hào)，最后發(fā)送給單片機(jī)。此時(shí)設(shè)置單片機(jī)的一種輸出方式和輸入方式，單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時(shí)單片機(jī)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)做出分析，與預(yù)先給定的數(shù)值進(jìn)行比較，如果小于則煙霧報(bào)警器處于正常工作狀態(tài)，反之煙霧報(bào)警器將立即開(kāi)啟報(bào)警電路并發(fā)出報(bào)警聲音。完成智能煙火報(bào)警器整體設(shè)計(jì) 。使用傳感器收集得到實(shí)際監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的煙霧濃度信息，協(xié)同電路組成完整的煙霧報(bào)警系統(tǒng)。把單片機(jī)和煙霧傳感器作為煙霧報(bào)警設(shè)備的兩大重要組成部分，此時(shí)選擇什么類型的單片機(jī)和傳感器是該項(xiàng)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。

5 智能煙火報(bào)警器的整體設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，我們最終選擇使用AT89S52單片機(jī)和MQ-2傳感器作為該項(xiàng)研究的重要設(shè)備完成智能煙火報(bào)警器的方案設(shè)計(jì)。本文選用AT89S52單片機(jī)作為控制器，選用MQ-2半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器實(shí)現(xiàn)煙霧探測(cè)功能。與外圍電路結(jié)合形成煙霧報(bào)警系統(tǒng)。AT89S52單片機(jī)是報(bào)警設(shè)計(jì)的核心部件。不僅控制著A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)字電壓值進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的二進(jìn)制碼，并與設(shè)定值進(jìn)行比較。

該設(shè)計(jì)同時(shí)采用GSM短信息模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，把GSM網(wǎng)絡(luò)作為傳輸?shù)拿浇?。本設(shè)計(jì)方案主要是利用它的數(shù)據(jù)傳輸功能，該智能煙火報(bào)警器系統(tǒng)的信息傳輸方式與兩個(gè)手機(jī)用戶間通信方式很相似。微控制器單片機(jī)是本設(shè)計(jì)的核心，根據(jù)SMS通信模塊的通信協(xié)議與GSM短消息通信模塊進(jìn)行通信，發(fā)送和接收短消息。主控單片機(jī)電路接收并解釋短信息指令，對(duì)連接在系統(tǒng)上的各功能子模塊進(jìn)行控制。通過(guò)主控單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所監(jiān)測(cè)區(qū)域煙霧濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在外部環(huán)境出現(xiàn)異常時(shí)煙霧報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲響同時(shí)按照程序預(yù)先設(shè)置的號(hào)碼進(jìn)行短消息報(bào)警。在系統(tǒng)報(bào)警時(shí)提供備用電源，在無(wú)電情況下自動(dòng)切換交直流電源，以確保系統(tǒng)在發(fā)生停電時(shí)能夠繼續(xù)工作。整個(gè)系統(tǒng)的軟件編程通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)AT89S52的控制功能。煙火報(bào)警系統(tǒng)初始化完成后系統(tǒng)開(kāi)始正常工作，（MQ-2體傳感器需開(kāi)機(jī)預(yù)熱幾分鐘）AT89S52單片機(jī)對(duì)傳感器獲取到的煙霧信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，然后與預(yù)先設(shè)置的數(shù)值對(duì)比，如果超過(guò)限定值報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲音，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。主程序流程圖如圖1所示。

6 總結(jié)

該智能煙霧報(bào)警器是一款火災(zāi)預(yù)警設(shè)備。它主要應(yīng)用于住宅區(qū)、學(xué)生公寓、廠房、倉(cāng)庫(kù)等人口聚集火災(zāi)容易發(fā)生的場(chǎng)所。我們的日常生活中火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)總是存在的。如果對(duì)火災(zāi)的預(yù)防不到位，小型火災(zāi)事故未及時(shí)發(fā)現(xiàn)等到火勢(shì)蔓延，需要花費(fèi)很長(zhǎng)的滅火時(shí)間，滅火難度較大，破壞力極強(qiáng)，通常會(huì)損害人們的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。煙霧報(bào)警器能盡早發(fā)現(xiàn)火源，極大程度上提高了火災(zāi)救援效率，最大限度地減少火災(zāi)損失。所以，安裝智能煙火報(bào)警器能夠在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警訊號(hào)，通知有關(guān)人員及時(shí)展開(kāi)救援行動(dòng)，盡量減少損失。研發(fā)出一款實(shí)用性強(qiáng)的火災(zāi)報(bào)警器很有必要。

參考文獻(xiàn)：

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