基于單片機的配電火災報警系統設計

孫雪景

（吉林建筑大學 市政與環境工程學院 長春 130118）

引言

火災一直是影響人類安定生活的隱藏殺手，為了處理火災突發與頻發的情況，尤其是針對現有建筑配電系統火災早期預警問題，值得更加關注和重視。本系統針對該問題設計了一種更加合理的消防報警系統，在數據傳輸上采用無線通信模塊進行技術上的改進，從而做到早發現、早預防、早處理，從而在源頭進行防控和檢測火災，使得人民財產損失降到最低[1]。

1 系統總體設計方案

本文將單片機與傳感器、無線傳輸模塊以及串口調試技術相結合設計消防報警和聯動系統，使用了煙霧傳感器和溫度傳感器兩種傳感器，將室內的溫度和日常生活環境的測量結果與設定的限值進行對比，從而確定日常生活中的環境有無著火。本設計采用STC89C52單片機與NRF24L01無線通信模塊為核心，實現了對煙霧、溫度的檢測。系統由主控電路、電源電壓電路、溫度傳感器等組成，系統功能的主體由兩部分組成，第一部分是依靠傳感器去采集信息，第二部分是當溫度值和煙霧值超出設定的上限時，蜂鳴器和LED等會發出警報。具體的系統機制是通過Proteus軟件先設定煙霧及溫度的上限值，然后依靠keil軟件編寫溫度和煙霧的相關程序和串口助手軟件設定某些基本數據。仿真時，如果串口助手我們設置的數據超過煙霧或溫度的上限濃度，LED燈及蜂鳴器就會進行報警。該系統具有較強的抗干擾能力，程序設置簡單，價格低廉，對火災的早期預警有一定的防范價值。系統的發送側和接收側結構框圖如圖1和圖2所示。

圖1 發送側系統結構框圖

圖2 接收側系統結構框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 硬件選型

根據智能消防控制系統硬件系統設計需要,本文對電源電壓模塊、無線傳輸模塊、液晶顯示器、火災探測器、煙霧傳感器等主要模塊和設備進行選型并進行詳細地分析說明。表1為消防報警和聯動系統設備類型及選型。

表1 設備類型及選型

2.2 無線傳輸模塊

本文利用NRF24L01的無線收發模塊[2]，將探測到的數據傳輸到接收端，實現對火情的實時監測和聲光報警。NRF24L01是一種單片無線收發芯片，適用于（2.4～2.5）GHz國際標準的 ISM波段。無線收發信機由頻率發生器、增強型 SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器等組成，輸出功率，頻道選擇，以及協議設定都可以用 SPI界面來設定。其功耗非常小：工作于-6 dBm時，其功耗為9 mA，而在接收方式下為12.3 mA。在電源下降和備用狀態下，功耗更小。

2.3 火災探測器

本論文選擇了JTF-YW-ZM2251TB智能復合感溫感煙火災檢測器。它兼具光電式煙霧檢測和溫度檢測，具有較強的抗干擾能力、高靈敏度、全方位可視指示燈、可以實現遠程顯示、磁體試驗等優點。復合式火警探測器工作原理不管什么火源參數，只要有一個火源參數達到了一定的檢出值，它就會立即發出警報，圖3為無線傳輸模塊原理圖。復合式火災檢測器利用微型加工的芯片，對全部檢測器進行測量。復合式火災探測器能夠準確、有效地探測各類火災，極大地降低了虛警率，減少了火災的發生。該系統智能化程度高，可靠性高，功能多樣。

圖3 無線傳輸模塊原理圖

2.4 煙霧傳感器模塊

此次設計涉及兩種新型的煙霧感應器，一種是用一種氧化物半導體陶瓷材料制造的煙霧感應器，另一種是用一種單晶半導體器件制造的煙霧感應器。按其敏感性，可分為兩類：電阻型和非電阻型。半導體氣體傳感器可分為 N類和 P類。N型阻值隨煙氣濃度的增大而減??；P型阻值隨煙氣濃度的增大而增大。MQ-2型二氧化錫氣體敏感元件是一類具有表面離子的 N類半導體元件。二氧化錫在（200～300）℃時，能吸收空氣中的氧，從而產生負離子，從而使半導體器件的電子密度下降，并使其電阻增大。當它與煙塵接觸時，如果因此煙塵的調整而使粒子間的位壘發生變化，就會引起其表面電導率的變化。用這種方法可以獲得有無煙的數據。

2.5 聲光報警模塊

蜂鳴器在正常狀況下的工作電流較高，想要驅動單片機的 I/O端口，就需要使用放大電路，通常采用三極管對其進行放大。用P2.0管腳來控制聲告警，P2.0的電平狀態處于低電平狀態時，三極管會被接通，蜂鳴器會發出聲響警報；否則，三極管斷開，蜂鳴器就不會響了。聲音報警電路如圖4所示。三種不同顏色的LED燈報警電路圖如圖5所示，通過單片機的P2.1控制綠燈，P3.4控制紅燈，P3.5控制藍燈。當設計的消防報警和聯動系統感應到火情突然發生時，三個LED燈的端口在單片機的控制下會在自上到下的順序輸出低電平時，對應的三個燈也會按照自上到下的順序交替閃爍發出光芒報警，直到解除報警。

圖4 報警器報警電路圖

圖5 燈光報警電路圖

3 系統軟件設計

該系統包括主程序，溫度數據采集子程序，煙霧數據采集子程序，火焰信號采集子程序，火災判斷和警報子程序。主程序先對 LCD進行初始化，然后配置無線發送模塊，確認無線信號傳輸，如果正常，可以進行無線傳輸，延遲一段時間后，更新數據，液晶顯示。圖6中顯示了主要程序的流程。

圖6 主程序流程圖

4 系統實際仿真與制作

本系統具有抗干擾性強、成本低、體積小、編程容易的特點，因此對于實際電路能夠較容易實現。系統仿真需要將設計所需的各種元器件放置并連線以后，選中并雙擊單片機，點擊Program File后的小文件夾，找到.hex為后綴的程序文件，并點擊確定，設定串口調試軟件的相關參數，原理圖中的Compim元器件的物理端口選擇com1，串口調試軟件選擇com2，波特率為4 800，液晶顯示器的煙霧極限值與溫度極限值分別設定為100和50，煙霧和溫度設定的極限值液晶顯示圖如圖7所示。程序仿真完成以后要進行原理圖PCB板的繪制，首先點擊菜單欄的PCB布局，進入PCB板界面以后點擊左下角的布局選擇器，選擇Board Edge繪制封閉區域，此外，選擇Board Edge進行布局的時候要右擊選擇放置，再利用正方形選擇封閉區域，選完封閉區域之后，選擇菜單欄的自動定位器，自動將原理圖用到的元器件以PCB形式布局，為了便于觀看，點擊自動定位器旁的自動路由器，封閉區域內的PCB元器件自動連線，PCB板顯示圖如圖8所示。

圖7 液晶數據顯示圖

圖8 PCB板顯示圖

5 結論與展望

本文主要針對建筑中的低壓電氣火災報警進行設計，基于ZigBee無線技術采用CC2530芯片以STC89C52單片機為核心，分別利用MQ-2煙霧傳感器與DHT11溫濕度傳感器進行周圍環境的信息采集，通過ZigBee無線技術進行信息傳輸，通過將采集到的信息與閾值進行對比，兩次檢測數值均大于閾值的情況下，通過聲光報警模塊進行報警，蜂鳴器報警的同時亮起紅色LED燈，本文所提方案為低壓配電火災報警系統提供理論借鑒。