基于单片机控制的智能型灭火装置设计*

朱贵宪

(安阳工学院计算机科学与信息工程学院,河南 安阳 455000)

0 引言

随着经济的发展，高层建筑越来越多，高层建筑的消防安全越来越受到人们的重视，原因在于高层建筑一旦着火，火势蔓延快，人员疏散困难，扑救难度大。但是目前使用的灭火器材多数属于被动型灭火，智能化程度不高，在人走楼空的时候发生火灾，会造成比较大的损失，能否设计一款智能化的灭火装置，安装于厨房、充电插座等易发生火灾的位置，如果发生火情后，能及时发现、及时报警并能自动进行灭火，是值得广大科研人员和消防工作者认真思考的一个课题。

1 智能型灭火装置总体结构设计

智能型灭火装置主要由单片机控制模块，电源模块，烟雾报警器模块，电压比较器模块，光电耦合器模块，电磁阀模块，阻燃剂、喷射口(喷头)组成，其结构框图如图1所示。

图1 装置结构框图

该装置的基本工作过程是：烟雾报警器探测到因为着火造成室内环境处于临界值的时候，首先启动压电喇叭进行报警，然后启动电磁阀并打开阻燃剂通道，对着火区域喷射阻燃剂，直到火被彻底熄灭，然后灭火装置关闭电磁阀，灭火工作结束。

2 智能型灭火装置硬件部分设计

2.1 单片机最小应用系统

装置选择深圳宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2单片机为主控芯片。该单片机采用了增强型8051CPU内核，兼容普通8051单片机指令集，速度比传统的8051快8～12倍。片内集成了60KB的程序FLASH，1KB的数据FLASH，1280字节的RAM。采用宽电压供电技术，其工作电压范围为3.3～5.5V。片内提供2个16位定时器/计数器模块、44根I/O口线。芯片内置8通道10位高速ADC。2通道捕获/比较单元(CCP/PWM/PCA)，PWM单元还可用作DAC。内置MAX810高可靠复位电路，可省掉外部复位电路。内置高精度R/C时钟，内部时钟的频率范围为8 MHz～17.5 MHz。各种接口扩展齐全，片内提供2个全双工异步串行口(UART)和高速同步通信端口(SPI)，并具有在系统可编程(ISP)功能和在系统调试(ISD)功能[1]。图2所示为STC12C5A60S2单片机的最小应用系统。

2.2 烟雾报警器模块

NIS-07离子式烟雾传感器被广泛用在各种消防报警系统中，其性能远优于气敏电阻类的火灾报警器，NIS-07离子式烟雾传感器内部使用微量人造放射性元素-镅241，为防止放射线泄漏，传感器本体用金属外壳覆盖，用户可放心使用[2]。NIS-07离子式烟雾传感器采用单源双室结构，它在内外电离室里面置有放射源-镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的，一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，破坏了内外电离室之间的平衡，电流、电压就会有所改变，然后根据电压的变化来判断是否触发报警装置。

图2 STC12C5A60S2单片机最小应用系统

依据深圳市普恩科技有限公司提供的相关资料和电子配件，由NIS-07离子式烟雾传感器配合MC145018芯片组成烟雾报警器模块，其电路结构如图3所示，该模块配置一个9V的独立电源，既可以单独作烟雾报警器使用，也可以作为烟雾传感器使用，通过对MC145018芯片的第2引脚取出模拟信号，再经过电压比较器模块进行信号整形后，送入单片机的P3.7引脚。

2.3 电压比较器模块

电压比较器是一种常用的集成电路，可以用于A/D变换电路、高速采样电路、自动控制电路、报警器电路等。本智能灭火装置选用的是LM393双电压比较器集成电路，主要是利用其模数转换功能，该芯片采用双列直插8脚塑料封装(DIP8)，这里只用到双电压比较器当中的一组，参考图4电路，由LM393中的1、2、3引脚组成，其中3脚为同相输入端，2脚为反相输入端，1脚为输出端，另外还需要连接电源引脚8(电源引脚8接+5V，由单片机电源提供，同时也为LM393的2脚提供一个可调整的参考电压)和接地引脚4，电压比较器对两个输入端的模拟电压信号进行比较，当3脚输入的电压信号高于2脚时，1脚输出高电平信号，反之，当3脚输入的电压信号低于2脚时，1脚输出的是低电平信号[3]。

图3 烟雾报警器模块

由于在烟雾报警器模块中，芯片MC145018的引脚2输出的是模拟信号，不能被单片机的输入端口直接识别，所以要先通过电压比较器模块进行模数转换。电路如图4所示，电压比较器LM393的3脚引入烟雾报警器芯片MC145018中2引脚输出的信号，与LM393的2引脚提供的参考电压进行比较，目的是将芯片MC145018中2引脚输出的信号进行波形整形，将输入端不规则的波形转换为方波信号并输入到单片机的P3.7端口，使单片机可以获取到烟雾报警器发出的数据(即读取引脚电平为高电平脉冲1出现的个数)，单片机对读入的数据进行分析，判断是否真的有火灾发生，并决定是否打开电磁阀执行灭火指令。

图4 电压比较器模块

2.4 光电耦合器及电磁阀模块介绍

TLP521-4是可控制的光耦合器件，广泛应用于电子设备中，内有4个独立的光电耦合单元，其功耗为150 mW，隔离电压为2 500Vrms(电压有效值)，可使前端的输入信号与后面的负载完全隔离，从而增强电路的安全性，减小电压的干扰。本智能灭火装置只用到其中的一个单元，由TLP521-4的7、8、9、10共四个引脚组成，其中7、8引脚为输入端引脚，9、10引脚为输出端引脚。

智能灭火装置利用光电耦合器的隔离作用，实现在单片机控制下打开或关闭电磁阀，其电路如图5所示，单片机的P2.1端口作为输出控制信号，与光电耦合器的8脚连接，光电耦合器的7脚与单片机系统共用+5V电源。光电耦合器的9脚与三极管BD139共地，其10脚作为光电耦合器的输出控制信号，来控制后面电磁阀开启与关闭，电磁阀打开时，阻燃剂在一定的内部压力作用下，可以迅速到达喷射口进行灭火作业，反之在电磁阀关闭的状态下，阻燃剂则不能通过电磁阀。当单片机端口P2.1输出为低电平时，光电耦合器的7脚和8脚之间的发光二极管导通，通过光耦合作用使下级三级管的集电极与发射极导通，随后三极管BD139导通，从而开启电磁阀，反之，当单片机端口P2.1处于高电平时，电磁阀为关闭状态[4]。

图5 使用光电耦合器实现电磁阀的开启与关闭

2.5 喷头模块

智能灭火装置在灭火过程中，不仅要考虑阻燃剂出喷射口时的喷射力度，而且还要兼顾到喷射出的阻燃剂所能覆盖的有效面积，因此选择合适的喷头也比较重要，如果以水作为阻燃剂的话，可以参考园林绿化中所使用的各类型喷头(如旋转喷头、螺旋喷头等)，选择合适的类型进行安装，如果以干冰等物质作为阻燃剂的话，还要考虑到罐体结构、罐体压强以及选择大口径管道以避免堵塞等问题。

3 智能灭火装置的软件设计

装置启动后，烟雾报警器(烟雾传感器)处于值守状态，当有烟雾布满房间时，烟雾报警器开始发出报警声，同时经MC145018P芯片的第2引脚传送信号至电压比较器模块，经过整形处理，把脉冲信号送入单片机的P3.7口，单片机接收信号后进行分析判断。这里由单片机检测到异常脉冲次数是否超过8次(检测异常脉冲的次数可以通过软件进行设置，次数的多少决定了灭火器的反应速度和可靠性)来确认是否有火灾发生，从而决定是否开启电磁阀进行灭火。当检测到异常脉冲连续出现次数超过8次时，可确认火灾发生，这时单片机的P2.1端口输出一个低电平信号，打开电磁阀，阻燃剂通过电磁阀喷射到着火位置进行灭火，直到火被彻底被熄灭，烟雾消失，这时烟雾传感器不能探测到烟雾，单片机再次检测异常脉冲次数一定会低于8次，这时关闭电磁阀，阻断阻燃剂通过喷射口，从而达到了自动灭火的目的；还有一种情况是，可能因为信号干扰，单片机虽然能检测到异常情况，但是异常脉冲个数小于8次，可视这种信号为干扰信号，不能开启电磁阀，电磁阀仍然处于关闭状态，该灭火装置的主程序流程图如图6所示。

图6 智能灭火装置的主程序流程图

4 结论

智能型灭火装置以STC12C5A60S2单片机为控制核心，以NIS-07离子式烟雾传感器配合MC145018P芯片组成烟雾报警器，通过电压比较器进行信号处理，经单片机识别判断来控制电磁阀的开启与关闭，该装置集火灾报警与灭火功能于一体，实现了防火灭火装置的智能化，此外，根据房间内易燃物质的不同，灭火剂可以选用水、干冰或其他灭火材料，可实现为不同性质的火灾配置不同的阻燃试剂。装置在尽量不改变房屋建筑结构的情况下，力求安装方便，工作稳定可靠，经过实际验证，该装置实现了智慧消防系统中所要求的防火灭火功能，达到了设计目的，具备一定的推广应用价值。