基于单片机的智能防火报警装置设计

2020-08-27孙慧霞窦永梅朱倚娴杨修园代少君

山西大同大学学报(自然科学版) 2020年4期

周玲，孙慧霞，窦永梅，朱倚娴，杨修园，王宇，代少君，陈晨

（1.运城学院物理与电子工程系，山西运城 044000；2.南通大学机械工程学院，江苏南通 226019）

随着社会的进步和人民生活水平的提高，电子产品的使用越来越广泛，火灾的发生次数和危险性随之不断增加[1]。目前高校学生寝室人员密集，电气火灾经常发生，一旦得不到及时的处理，将会延误火灾救助的最佳时机，后果不堪设想。因此，可靠的火灾检测系统对于火灾的遏制具有重大作用[2]。针对寝室用电器易电流过大导致短路而引起的火灾突发情况，本文设计一种智能防火报警装置。该装置通过测量插座温度的突然上升变化，分阶段对火情进行报警和断电的及时处理，以有效避免和防止火灾的发生。

1 防火报警装置整体方案

基于单片机的智能防火报警装置系统框图如图1 所示。装置以单片机系统为控制核心，温度采集模块实现插座温度的实时测量，将采集的温度数据输入单片机系统，并驱动数码管显示电路，以实现温度的采集、处理与显示。温度阈值设置模块设定高低温度阈值，通过实测温度与温度阈值的比较，单片机系统控制声光报警模块和断电功能模块作用，以实现对火灾的分阶段处理。整个报警装置所需的电源由220 V 转± 5 V电源模块供给。

图1 防火报警装置系统框图

2 系统硬件电路设计

2.1 单片机系统

单片机系统包含单片机芯片、时钟电路和复位电路[3]，电路原理图如图2 所示。单片机提供内部时钟信号和外部时钟信号两种方式，本设计采用12 MHz 的内部时钟电路，为了稳定电路和快速起振，在晶振两端外加两个33PF瓷片电容，有助于振荡电路起振。单片机的复位电路存在按键复位和上电复位两种复位方式，本设计采用按键复位电路。当按键按下时，复位引脚输入高电平，启动复位；当松开按键时，复位引脚输入低电平，经过一段延时，系统开始正常工作[4]。

图2 单片机系统原理图

单片机P1.0引脚与温度采集模块相连接，P1.5、P1.6 和P1.7 引脚通过按键对温度阈值参数进行设置，分别为温度阈值设置，阈值增加和阈值减小[5]。单片机将温度比较的结果通过P1.1 和P1.2 控制声光报警模块，并通过P1.4引脚驱动继电器断电功能模块。P0口和P2口分别控制数码管显示电路的段选和位选。

2.2 温度采集模块

温度采集模块采用数字温度传感器DS18B20对插座温度进行实时测量，电路原理图如图3 所示。DS18B20的三个引脚中，两个引脚分别为VCC和GND，另一引脚DQ 与单片机的P1.0引脚连接[6]，将采集的数字温度值输入单片机。单片机控制温度传感器DS18B20完成温度转换必须经过初始化，ROM 操作指令和存储器操作指令三个基本步骤[7]。该设计不仅节约了单片机的引脚资源，而且可以提高系统的抗干扰能力。

图3 温度采集原理图

2.3 数码管显示电路

数码管显示电路采用共阴数码管SM420561K，单片机的P2.1、P2.3、P2.5 和P2.7 控制数码管的4 个位选端口，采集的温度值通过P0 口和上拉电阻驱动8 个段选端口，电路原理如图4 所示。当设置高低温度阈值时，数码管显示设定的温度阈值。其他情况，数码管显示插座的实测温度值。

图4 数码管显示电路原理图

2.4 声光报警与断电功能模块

根据火灾燃点，设定高低双重温度阈值，当实测温度超过低温度阈值T1 时，触发声光报警。声光报警模块主要由有源蜂鸣器、PNP型三极管和发光二极管组成[8-9]，原理图如图5所示。当单片机的P1.1 为低电平时，三极管导通并驱动蜂鸣器报警。单片机的P1.2引脚控制灯光报警，当引脚为低电平时，发光二极管正向导通，启动灯光报警。即该电路的主要作用是采集前端信号，并且判断火灾信号的真伪，一旦确定为火灾信号，触发声光报警系统[10]。

若温度持续上升，超过高温度阈值T2时，继电器电路作为插座的开关功能实现用电器的断电处理，从而可靠防止火灾的发生。继电器断电功能模块电路原理图如图6 所示，该模块主要由继电器、NPN型三极管、二极管和电阻组成。当温度低于T2时，P1.4 为高电平，三极管处于饱和状态，集电极和发射极导通[11]，继电器因得到足够的驱动电流而产生磁场，使得衔铁的动触点与继电器的常开触点吸合，插座接通电源，用电器通电。当温度高于T2时，P1.4 为低电平，三极管截止，此时继电器内部的线圈无电流通过，衔铁的动触点始终与常闭触点接触，插座断开电源，用电器断电。由于三极管截止时继电器线圈产生的感生电动势可能使得e、c击穿，因此在继电器线圈两端反向并联一个二极管，吸收该电动势，起到保护电路的作用。

图5 声光报警原理图

图6 继电器断电电路原理图

2.5 电源模块

电源模块为智能防火报警装置的各个模块电路的正常工作提供持续、稳定的直流电源。该模块由降压电路、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，其电路原理图如图7 所示。首先降压变压器将220 V的交流电转换为符合整流电路所需的交流电压，然后经过由4个二极管构成的单向桥式整流电路，利用二极管的单向导电特性，将正弦式的交流电压转变为单向的脉冲电压，再通过电解电容C1和C2 等储能元件组成的滤波电路将残留的交流成分滤除，从而得到比较平滑的电压。为避免整流滤波后得到的电压受到电网波动和负载变化的影响，采用三端串联型集成稳压芯片LM7805 和LM7905，电容C3、C4、C5和C6用于旁路高频干扰脉冲和改善波纹。防振电解电容C7和C8用于防止输出端自激以得到稳定的直流电压[12]。此外，在三端稳压器的输入端与输出端分别跨接保护二极管，防止防振电容放电损坏稳压器[13]。F1 和F2 为熔断丝，起到过流保护的作用，LED1和LED2为电源指示灯二极管。

图7 电源电路原理图

3 系统软件设计

图8 主程序的流程图

程序采用模块化设计，系统主流程图如图8所示。首先对单片机、温度传感器、温度阈值设置等进行初始化操作，温度传感器将采集的温度值经过变换后送数码管显示。通过按键设置高低温度阈值，比较后进行声光报警和断电处理。系统的温度阈值设置主要通过K1、K2和K3三个按键相互配合完成，子程序流程图如图9所示。K1按键控制系统温度阈值的设置功能，通过K2键和K3键分别调节温度阈值大小。当K1 键弹起时，系统进入高温度阈值设置模式；当K1键按下时，系统进入低温度阈值设置模式。K2键和K3键分别增加或减少温度阈值。模块化程序设计便于功能扩展和系统升级。

图9 温度阈值设置子程序流程图

4 实验测试结果

4.1 温度阈值设置结果

系统通电后自动进行初始化操作，当系统正常启动时，电源指示灯将亮起。若通电后系统启动失败或是初始化不正确，绿色的指示灯将不会亮起，用户即可获知系统出现故障。在模拟实验中，用绿色的LED 灯来表示电源指示灯，如图10 和图11 所示。程序初始化后，DS18B20 温度传感器采集插座温度，经单片机处理并由数码管显示当前检测的温度值。图10 中设置的低温度阈值为25°C，图11 中高温度阈值显示为30°C。此外，用户可以根据季节气候或实际需求自主设置高低温度阈值。在温度设置的过程中，绿色的电源指示灯始终被点亮。

图10 低温度阈值显示结果

图11 高温度阈值显示结果

4.2 声光报警与断电功能测试结果

根据当前设置的温度阈值，当实测温度高于低温度阈值25°C 时，通过声光双渠道同时报警实现对火灾一级预警，蜂鸣器会发出“滴……滴……滴”报警声，同时LED红灯会持续闪烁，系统进入报警状态，结果如图12 所示。当声光报警没有通知到用户做出相关避险操作时，插座温度会持续上升，当超过上述设置的高温度阈值30°C 时，系统将进行火灾二级预警，通过单片机控制继电器，使继电器的常闭接点吸合，实现外接用电器的断电处理。实验中，采用黄灯的亮灭模拟继电器的开关工作，如图13所示。在防火报警装置单独供电情况下，当实际温度超过高温度阈值30°C时，黄灯点亮，表明继电器常闭触点吸合，用电器断电功能实现，并且一级预警状态下的声光报警将不会停止，持续提醒用户进行避险操作。当实际温度低于高温度阈值30°C时，常亮的黄灯自动熄灭，继电器常开触点吸合，用电器通电。