無線藍牙火災報警器的設計

朱桂玉 李自成 吳俞江 張天巍 朱俊丞

摘 要 本文是基于單片機的無線藍牙監控火災報警器的研究，重點地指出火災報警器的火災預警的重要性。首先，結合實際情況選擇了MQ-2煙霧傳感器和DS18B20溫度傳感器。其次，選擇了STC89C52單片機作為控制系統的核心并利用編程軟件將所有的模塊搭建起來。最后，進行了系統調試，結果表明本課題設計的火災報警器能夠正常地運行，能夠很好地實現溫度、煙霧預警及實時無線監控功能。總體而言，該煙霧溫度報警器是由硬件配置和軟件設計兩部分組成。在單片機STC89C52強大的處理運算功能下，繼而對硬件的各個電路進行特定的驅動，從而使之實現火災報警的功能[1]。

關鍵詞 單片機 火災報警器 傳感器 無線監控

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）06-0097-03

1 系統總體設計方案

1.1 火災報警器的設計思路

本論文設計的煙霧檢測火災報警器同傳統的煙霧報警器有著一定的升級，該報警器不僅可以很好地檢測環境周圍的煙霧濃度并對火情的發生做出報警，還可以通過無線模塊對使用環境周圍的煙霧濃度、溫度實施實時地監控，盡可能地方便了我們對火情的掌握。該報警器的基本組成有：煙霧信號采集電路、溫度信號采集電路、單片機最小系統電路、LCD顯示電路、按鍵電路、無線藍牙模塊電路及聲光報警電路。該系統的結構框圖如圖1所示。

為使煙霧報警器在火情發生之前做出報警，其設計必須使得該火災報警器能夠在惡劣的環境下有效工作，這就需要該煙霧報警器有著相對較寬的溫度工作區間，另外還必須具備實時顯示、動作迅速的特點。總之，其目的就是為了盡可能減少人身財產的損失和火災事故的發生。

1.2 MQ-2系列煙霧傳感器的工作原理

MQ-2煙霧傳感器是一種氣敏型半導體煙霧傳感器，其被廣泛地應用于家用報警器之中。該煙霧傳感器的工作機理也很簡單，即利用傳感器上的二氧化錫對環境的敏感度而產生不同的電阻輸出來判斷煙霧情況[2]。該煙霧傳感器是根據二氧化錫電阻率的變化情況來判斷周圍環境的煙霧存在情況。

MQ-2煙霧傳感器的結構如圖2所示，由結構圖可知，該煙霧報警器的核心組成由3部分組成，分別是微型的三氧化二鋁陶瓷層、二氧化錫敏感層和固定在塑料或不銹鋼體上的敏感元件。

1.3 MQ-2煙霧傳感器的重要指標

眾所周知，煙霧傳感器的工作環境都是易燃易爆炸的場所，如果說傳感元件的加熱絲發生電源短路故障或其他短路故障時，極有可能在元件端口處發生過熱和放電現象。一般情況下其供電電源選擇為（5±0.2）V，發熱電阻（31±3）Ω。MQ-2煙霧傳感器工作的參數如表1所示。

2 系統的硬件組成電路

2.1 STC89C52單片機最小系統電路

單片機的最小系統電路，分別由復位電路、時鐘電路和電源電路組成，下面將對單片機STC89C52最小系統電路的基礎電路進行簡要介紹。

1.電源電路：即負責給單片機的正常運行供電。在實際選擇中STC89C52有5V和3V的工作電壓，為使得設計更加簡單，故在本設計中選取5V的STC89C52單片機。

2.時鐘電路：時鐘電路在單片機中有著極為重要的地位，時鐘電路是否正常運行決定了單片機能否正常工作。

3.復位電路：在系統運行中，單片機和計算機都會有異常運行的情況出現，為避免異常工作持續，便給單片機設置了一個復位電路。

2.2 MQ-2煙霧傳感及A/D轉換電路

ADC0832是一款常用的模數轉化芯片，在工業控制等自動化控制系統中應用廣泛。另外，該芯片獨具特色的雙通道輸出還可作為數據檢驗，可更好地減小數據誤差。

ADC0832模數轉換芯片一共有8個引腳，可實際情況下ADC0832的DI、DO并不是同時工作的，因引腳（DI）、引腳（DO）且同單片機之間的通信是雙向進行的，故而在實際硬件接線時只需將DI和DO引腳的出線口聯與單片機連接，通過這樣的方式也極大地簡化了電路PCB板的焊接。

2.3 溫度采集電路和無線藍牙電路

DS18B20溫度采集電路采用DS18B20溫度傳感器十分的方便，采集的溫度信號不用經過A/D轉換器便能直接送至單片機STC89C52。

在火災報警系統中添加了如圖3所示的無線藍牙模塊，該無線藍牙模塊的結構簡單，一共有4個引腳，其中引腳1和引腳4分別用于接地和接5V的直流電源。引腳2與單片機的P3.0端口連接，用作數據信號的接收。引腳3與單片機的P3.1端口連接，用作數據信號的發送。在對HC-05無線藍牙模塊硬件接線后再在PC端上進行配置便能成功地將HC-05無線藍牙模塊的實時監控功能用于火災報警系統了。

2.4 聲光報警電路

聲光報警電路如圖4所示，在火災報警器系統[3]的運用中十分重要，當單片機對采集的煙霧和溫度信息處理分析后可知是否需要發出火災報警信號[4]。

該火災報警信號蜂鳴聲的觸發正是因為單片機的P2.4口由高電平變為了低電平從而使得三極管Q38550的基級得電，在三極管的放大作用下使得蜂鳴器發出刺耳的警報聲。

3 火災報警器的實物調試

本文設計制作的火災報警器，在使用該無線藍牙監控火災報警器時，須準備好所需要的具體設備，即火災報警器、手機、5V的直流電源（直接連接電腦的USB端）、可燃氣體模擬器（打火機），為使得本課題調試方便，故選擇USB接口來為火災報警器進行供電。

首先，需要將火災報警器的藍牙模塊插至火災報警器的藍牙端，然后通過數據線給火災報警器通上5V的直流電源，當LCD1602液晶顯示器亮屏時，火災報警器便可以正常運行了。

MQ-2煙霧傳感器是一種用于檢測可燃氣體及烷烴類氣體的常用傳感器，在本設計的實物調試中，準備好了待調試的火災報警器，為待測準備過程，通過LCD1602液晶顯示器，可以清晰地看到我們預設的煙霧報警值為3000，實時煙霧值為300近似于無煙霧濃度的初值。且當煙霧濃度值超過3000的那一刻起，一直都有聲光報警信號發出。

從硬件設計的角度看，單片機STC89C52發揮著最為核心的作用，承擔著煙霧傳感器經AD轉換后電壓信號和DS18B20溫度傳感器信號的處理和分析，并判斷是否發出聲光火災報警信號。從系統設計的角度看，該系統最先需采集煙霧和溫度信號，在與預先設定的報警值進行分析對比后再做出是否報警。

在以單片機為主體，多種傳感器合理運用的前提下，使得本設計成功地制造出了火災煙霧報警系統。通過模擬火災的溫度及煙霧條件，發現該系統可以很好地實現火災預警，相信在實際運用中定能有效避免火災的發生。

參考文獻：

[1] 龔惠東.基于單片機的智能火災報警器自行設計研究[J].大眾標準化，2021（04）：156-158.

[2] 張思祥，甘凱，周圍.提高火災煙霧傳感器檢測精度的方法[J].傳感器與微系統，2021，40（01）：151-153.

[3] 蔣松云.基于單片機溫度和煙霧檢測報警系統的設計[J].電子制作，2017（11）：21-22.

[4] 徐妙婧，祖一康.基于單片機的煙霧檢測報警系統設計[J].電腦知識與技術，2016，12（35）：276-277.