球團生產火災報警系統硬件電路的設計

刀剛　劉元宇　潘廷文

【摘 要】球團生產目的是通過燒結球團的方式為冶金高爐提供強度適中、化學成分穩定和冶金性能良好的爐料，球團的生產經歷了配料、造球、轉運、煤氣加壓和豎爐焙燒等過程，生產過程工藝復雜，火災隱患始終困擾著球團生產廠的發展。基于以上原因，火災報警系統的研究和設計是球團生產廠必須考慮的問題，為此文章以攀枝花水鋼紅發礦業有限公司球團生產為例，采用AT89C51系列單片機作為系統的主控芯片、DS18B20作為數字溫度傳感器、MQ-2作為煙霧傳感器、ADC0832作為AD轉換電路等對球團生產廠火災報警系統的硬件電路進行設計，該系統的設計為保障球團的安全生產和火災預警具有十分重要的意義。

【關鍵詞】火災報警系統;硬件電路;設計

【中圖分類號】TU892 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）07-0046-03

0 引言

球團生產目的是通過燒結球團的方式為冶金高爐提供強度適中、化學成分穩定和冶金性能良好的爐料，球團的生產經歷了配料、烘干、潤磨、造球、生篩、轉運、煤氣加壓和豎爐焙燒等過程，由于球團生產工藝復雜，火災隱患始終困擾著球團生產的發展，因此為了消除生產過程中的火災隱患，保障球團正常的生產，避免球團生產過程中火災的發生，研究火災報警系統對球團的安全生產具有十分重要的意義。

球團生產的防火災報警系統由硬件電路和軟件編程兩個部分構成，本研究以系統硬件設計為主，在軟件設計的支持下，實現球團企業的火災報警系統設計。

1 球團生產火災報警系統的設計要求和設計方案

1.1 火災報警系統的設計要求

基于攀枝花水鋼紅發礦業有限公司球團生產廠的特點，對火災報警系統的設計要求如下：？①對廠區的溫度和煙霧濃度的監控適實顯示在顯示屏上;②采用聲（蜂鳴器）和光（二極管）報警方式;③煙霧濃度分為0～160等級，溫度范圍可以在0～99 ℃變化，并且這兩個參數可以根據使用的環境進行自動設置;④在進行報警或者實現其他的功能時，系統不會對溫度和煙霧濃度的采集產生影響。

1.2 球團企業火災報警系統的設計方案

基于球團生產的火災報警系統設計要求，本系統采用的設計方案如圖1所示，圖1中采用DS18B20作為溫度傳感器，MQ-2作為煙霧傳感器，通過按鍵電路對報警的閾值參數進行設置，通過LCD1602對溫度和煙霧濃度進行顯示，通過蜂鳴器和LED燈實現聲光報警。

2 系統硬件電路設計

2.1 單片機最小系統電路的設計

單片機的最小系統通常由晶振、復位電路和單片機組成，它是火災報警系統的控制核心，其中復位電路所產生的復位信號確定微控制器的初始操作狀態，它分為自動復位和手動復位兩種方式，對于手動復位電路來說，其按鍵開關必須連接到上拉電阻R2上端，以保證復位信號電平為高電平。時鐘電路又稱晶體振蕩電路，它由STC89C51的XTAL1和XTAL2管腳的內外電路組成，它以正弦信號為參考來決定微控制器的運行速度，它控制著單片機的整個工作過程，具體電路如圖2所示。

2.2 煙霧檢測電路設計

在煙霧檢測電路設計過程中，根據球團生產的特點，選用MQ-2半導體傳感器作為氣體檢測元件，它能比較敏感地探測到煙氣、天然氣、氫氣、烷烴、煤氣、乙炔、氨等可燃氣體，是以導電率低的金屬氧化物（SnO2）為主體結構封裝而成的，當環境的煙霧濃度增加，其電導率也隨之增加。利用這種性質在設計報警器時，只需通過簡單的電路就可以實現將MQ-2的電導率變化值轉化為對應的氣體濃度輸出信號，該傳感器具有穩定性好、耐用、靈敏度高、電導率變化大、響應和恢復時間短、輸出信號穩定等特點，其管腳如圖3所示，圖3中，2、5管腳為加熱電極，（1、3）/（4、6）管腳為測試電極。

2.3 煙霧檢測信號轉換處理電路設計

煙霧檢測信號的處理電路是通過ADC0832完成的，它是將MQ-2型煙霧傳感器輸出的模擬信號轉化為數值信號后卷入到單片機中（如圖4所示），其具體原理如下：當MQ-2型煙霧傳感器輸出模擬信號的值符合A/D轉換器ADC0832的輸入電平時（檢測到的煙霧濃度達到要求時），ADC0832就將模擬信號直接轉換成數值信號，直接傳遞給單片機，STC89C52便發出相應的報警控制指令，報警系統就發出煙霧報警信息，完成系統的聲光報警過程。

2.4 溫度傳感器（DS18B20）電路的設計

DS18B20是最新的智能改進型溫度傳感器，它具有以下特點：①DS18B20溫度的測量范圍為-20～100 ℃;②DS18B20的數字溫度輸出基于“一線總線”方式（“一線總線”是一種特殊的數字信號總線協議，它將獨特的電源線和信號線結合在一起;每個芯片都支持網絡尋址、零功率等待等），這種特殊的方式可以使多個DS18B20能夠方便地形成傳感器網絡，提高系統的測量效率;③總線自身可以供電，不需要其他的電源供電;④DS18B20在測量溫度、時間轉換、傳輸時間距離和分辨率等方面較其他的傳感器（如PT100熱電阻溫度傳感器）具有更加突出的優勢。在本系統中，由DS18B20溫度傳感器構成的接口電路如圖5所示。

2.5 按鍵控制電路

按鍵控制電路由4個按鍵組成，它們分別為S2緊急報警鍵、S3設置減鍵、S4設置加鍵、S5功能選擇設置鍵。當遇到系統出現問題時、火災發生時或者其他緊急情形時，就可以按下緊急報警鍵，此時指示燈和蜂鳴器進行警報。按鍵控制電路如圖6所示。

2.6 顯示模塊的設計

在傳感器檢測到外界溫度信號和煙霧濃度信號超過閾值電壓時，單片機對所檢測的信號進行計算，并將檢測的數據傳送到顯示模塊進行顯示，而顯示屏的讀/寫等操作是通過程序實現的。由于本設計需要顯示的內容比較多，所以選用LCD1602液晶顯示器作為環境狀態顯示，該模塊的工作電壓為5 V，工作電流為2 mA，有16個引腳，VSS（1號引腳）為地電源，VDD（2號引腳）接5 V電源，RS（4號引腳）為寄存器選擇端口，當RS為高電平時，系統選擇數據寄存器，當RS為低電平時，系統選擇指令寄存器，7～14號引腳是雙向傳輸數據線，其電路如圖7所示。