基于STM32F407 的自動滅火報警器的設計

陳紫照，劉付永紅，焦耀霆，梁達龍，李燦桐，謝再晉

（1.華南理工大學自動化科學與工程學院，廣東廣州 510641；2.華南理工大學物理與光電學院，廣東廣州 510641）

在日益密集的城市建筑群中，火災隱患不容忽視。近年來發生的多起重大火災事故讓人們意識到火災的防控工作刻不容緩，其中火情的及時警報又是最重要的一環。

樓宇內部相對于戶外，空間比較狹小，這意味著樓宇火警危險系數猛增，因此及時的大范圍避險警示是十分必要的。假設樓宇一位置發生火情，其中一帶探測器的滅火器感應到火源或者被拿起時，需要向其他裝有相同探測器的滅火箱發送無線電信號，使得短時間內設定范圍的滅火器都響起警報，讓更多人及時發現火情，提高滅火效率。因此，自動檢測火情并通報就成為該研究的主要目標。該項目基于多傳感器信息融合技術，通過單片機、火情相關傳感器、無線傳輸網路，實現對于被測環境火災信息的預判和處理，同時將信息在已有通信網絡中進行傳輸和交換。

1 系統總體方案

探測火情信息，需要對建筑物進行全面的檢測，靈活獲取周圍環境的溫度、煙氣、火焰等參數[1]。

該項目使用單片機STM32F407，通過溫度傳感器DS18B20、一氧化碳傳感器MQ-7、煙霧傳感器MQ-2以及火焰傳感器對環境進行實時檢測[2],把相應傳感信息傳輸給單片機進行整合處理，并通過蜂鳴器發出警報。同時，用NRF24L01 模塊構成多個單機無線通信的組網式預警系統[3]，使得在任一位置發生火災時，該處警報器第一時間發出警報聲，同時發出無線電信號，讓系統網絡內其他滅火器箱也發出警報聲。這樣既可以讓人們及時逃生，也方便人們及時拿起滅火器進行滅火操作。除此之外，增設了手動按鍵進行報警。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件模塊劃分

該項目選擇了STM32F407 最小系統板作為控制芯片，利用其提供的I/O 口，連接電源、下載器、蜂鳴器、按鍵開關以及火情探測傳感器。

基于火災現場的特點，傳感器部分選用傳感器MQ-2探測煙霧，傳感器MQ-7探測一氧化碳，傳感器DS18B20 探測火焰及溫度，通信模塊選用NRF24L01模塊，控制芯片STM32F407接口電路如圖1所示。

2.2 傳感器與通信模塊的選型

1）溫度傳感器DS18B20

數字溫度傳感器DS18B20因為“單線總線”（Oneline bus）接口技術深受用戶青睞，同時體積小、電壓寬、精度高也是選擇它的重要因素。DS18B20 模塊測量溫度范圍為-55～+125 ℃、精度為±0.5 ℃，其內部結構如圖2 所示。

2）煙霧傳感器MQ-2 和一氧化碳傳感器MQ-7

煙氣濃度傳感器MQ-2 結構主要包括微型AL2O3（氧化鋁）陶瓷管和SnO2（二氧化錫）敏感層。SnO2在潔凈空氣中具有低導電性，電阻值較高，遇到煙霧后電阻值會降低，引起相應傳感器輸出電壓的變化。

MQ-2 工作原理:當傳感器模塊上電后，SnO2敏感層吸附空氣中的氧氣，表面出現O-（氧負離子），致使半導體元器件電子密度下降，導電能力減弱，電阻值相應增加。然而在火情現場，SnO2會吸附帶顆粒的煙霧，這些正離子顆粒附著在氧負離子的表面，導致半導體元器件表面負電荷減少，正電荷數量上升，電子密度增加，導電能力上升，電阻值隨之下降，產生相應電壓信號變化。即煙霧濃度大小的變化可以導致導電能力的改變，進而改變電壓信號。煙霧濃度傳感器MQ-2 內部結構圖如圖3 所示。

MQ-7 是一款能在多種氣體中精準檢測出一氧化碳含量的一氧化碳傳感器[5]，與煙霧濃度傳感器MQ-2 類似，氣敏材料同樣為二氧化錫（SnO2），火場內的一氧化碳與敏感層的氧離子結合導致器件電阻變化，檢測采用高低溫循環檢測方式：低溫時使用1.5 V 電壓加熱，檢測一氧化碳濃度，傳感器的電導率與氣體濃度成正相關，高溫時用5.0 V 電壓加熱，清洗低溫時吸附的一氧化碳氣體。

MQ-2 與MQ-7 模塊有模擬電壓輸出和TTL 高低電平輸出兩種控制方式。由于該系統只需要根據檢測到的煙霧濃度輸出判斷信號而不需要將其A/D轉換成具體濃度參數，故使用電路較為簡單的模擬電壓輸出的控制方式。使用時給模塊進行5 V 電壓供電，然后采集模擬通道電壓。

3）火焰傳感器

火焰傳感器的工作原理：火焰包含了高溫氣體、各種燃燒產物、中間體、碳氫化合物等物質，同時伴隨有連續的固體輻射光譜和不連續的氣體輻射光譜的熱輻射。通常，火焰中對應于1～2 μm 的近紅外波長部分具有最大的輻射強度。當火焰信號被傳感器的紅外探頭檢測到時，模塊輸出低電平。通過檢測輸出電平，可以知道當前是否存在環境火焰[6]。

設計中選擇的是深圳宇松電子生產的四線紅外火焰傳感器，工作電壓范圍為3.3～5 V，有DO 數字開關量輸出和AO 模擬電壓輸出兩種輸出形式。

4）NRF 通信模塊

通信模塊NRF24L01 選用了八個引腳，包括數據輸入輸出腳、片選信號輸入腳、SP 時鐘輸入、發送接收模式信號輸入腳以及可屏蔽中斷腳。使用時給模塊進行3.3 V 供電，其內部結構圖如圖4 所示。

圖4 NRF24L01內部結構圖

綜合考慮到成本及現場設計要求，項目采用NRF24L01 作為短距離無線收發模塊[7]，該模塊具有穩定性高、功耗低、抗干擾能力強等特性，其主要性能指標如下：

1）工作頻率范圍：2.4～2.525 GHz；

2）126 個通信通道，6 個數據通道；

3）MCU 可通過引腳IRQ 快速判斷數據接收和完成情況；

4）支持4 線SPI 在線通信端口，最大通信速度達到8 Mbps。

2.3 電路原理

溫度傳感器DS18B20 輸出數字信號。火焰傳感器和DS18B20 在該系統中使用3.3 V 工作電壓，同時與數字輸出端之間加上濾波電容和上拉電阻。各傳感器接口電路設計如圖5 所示。

圖5 各傳感器接口

整個系統使用7.2 V 電池電源，除火焰傳感器和溫度傳感器DS18B20 均使用3.3 V 直流供電外，其他模塊需要5 V 供電。所以使用LM2940 穩壓集成芯片，將7.2 V 電源穩定輸出為5 V 電壓，再使用系統板內部穩壓結構輸出3.3 V 電壓給其他模塊供電[8]。

對于供電電源，使用一個簡單開關控制電源輸入，在電池輸入電壓（7.2 V）接口后面增加一個鉭電容進行濾波。為了確保當前電源的電壓不致偏離設計值，連接一個電壓測量電路至最小系統板。采用兩個發光二極管分別指示電源的連接和系統板IO口的正常工作[9]。穩壓電路與電源管理電路如圖6所示。最后使用五項開關控制各個模塊調控，輕觸按鍵作復位鍵使用。探測到的火情信息最終由蜂鳴器實現報警。

圖6 穩壓電路與電源管理電路

2.4 PCB設計

在設計PCB 時，主要元器件和排母均分布在正面，PCB 板正面設計圖如圖7 所示，左上角為電源、電源指示燈、電源開關以及電源輸入濾波。從電源引出兩個穩壓模塊分別對傳感器和STM32 進行5 V供電。為了安裝方便，將傳感器與通信接口分別安裝在板子的上、下兩側。中間部分是兩個穩壓模塊，最小系統板覆蓋在該模塊的上方。

圖7 PCB 板正面設計圖

輕觸按鍵和五項開關均與譯碼器相連，再與最小系統板連接，控制各模塊的開關與調試。

3 系統軟件設計

3.1 軟件流程圖

整個軟件部分的設計主要包括兩個部分，即手動報警和自動報警，具體流程如圖8 和圖9 所示。

圖8 手動報警程序流程圖

圖9 自動報警程序流程圖

手動報警時按下報警按鍵，板上的LED 燈亮、蜂鳴器響，同時通訊模塊發送數據到接收板，使系統內的其他LED 燈亮、蜂鳴器響，直到按下取消按鈕，所有燈滅、蜂鳴器不響。

自動報警程序由火焰/煙霧/氧化碳濃度的檢測程序、發送板響應程序和NRF 的數據傳輸程序等部分組成，遇到火情可自動檢測并向系統發出報警信號。

3.2 軟件實現功能

程序的設計主要由各模塊的引腳分配、使能和初始化、操作函數以及發收端的程序組成。在主函數中設置全局變量，并初始化各模塊，包括LCD 屏幕的初始顯示（“SAFE!!!”字樣和實時溫度）。編寫手動報警的代碼在最前，當按下對應按鍵時，蜂鳴器使能口電平被拉高。在自動報警環節中，設置當接收到火焰信號/一氧化碳濃度過高信號/煙霧濃度過高信號時，對應的變量key1/key2/key3 為低電平，使蜂鳴器響并進一步判斷是哪一種或幾種信號，通過LCD屏幕顯示對應的字樣，LED 燈也隨之亮起。在發送端寫入接收端的地址后，該板子就會通過NRF 發送數據到接收板上，使接收板上的蜂鳴器也響，LED 燈也變亮。

4 系統測試

當沒有檢測到火焰信號/一氧化碳濃度未超過設置值/煙霧濃度未超過設置值時，LCD 屏幕顯示安全字樣。當檢測到火焰信號時，LCD 屏幕顯示“Fire！！！”的字樣提醒；當檢測到一氧化碳濃度超過設置值時，LCD 屏幕顯示“CO！！！”的字樣提醒；當檢測到煙霧濃度超過設置值時，LCD 屏幕顯示“Smog！！！”的字樣提醒；當環境安全和三種信號均被檢測出來時的屏幕顯示分別如圖10（a）、（b）所示。

圖10 屏幕顯示分類情況

屏幕顯示情況匯總如表1 所示。

表1 LCD 屏幕顯示測試

5 結論

該項目作為自行設計的智能傳感器應用系統，具有以下創新點：

1）系統中既有手動報警，又有自動聯動報警，兼顧了可靠性及靈活性；

2）系統使用的電源為低壓穩定電源，可設獨立電源，當發生火警，供電電路短路，依然可以工作。

3）多路傳感器并行工作，溫度傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器等任何一路指標超標均可引起警報，使其敏感性、可靠性均大大提升。

綜合其優點，該系統具有較強的實用價值；結合其造價，還有很高的性價比，值得推廣。