基于STM32F103C8T6单片机的火灾报警系统的设计与实现

吴晓红 石丽梅 黄振兴

摘  要：为有效预防和监控电动车充电桩的实际应用环境中的火灾情况，文章设计了一种以STM32F103C8T6单片机平台为核心，通过系统处理显示具体环境，当传感器模块获得的信息值超过系统设定的安全阈值，驱动模块会通过液晶显示屏显示当前温度、火焰、烟雾等信息，并及时地通过LED灯和蜂鸣器进行提醒，然后再把数据通过Wi-Fi传到上位机观察，完成整个火灾监控和报警的过程。

关键词：STM32F103C8T6单片机;火灾;烟雾报警

中图分类号：TN873;TP368.1       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）01-0171-04

Design and Implementation of Fire Alarm System Based on STM32F103C8T6 Single Chip Microcomputer

WU Xiaohong，SHI Limei，HUANG Zhenxing

（Guangdong Ocean University，Zhanjiang  524088，China）

Abstract：In order to effectively prevent and monitor the fire situation in the practical application environment of electric vehicle charging pile. In this paper，a STM32F103C8T6 single chip microcomputer platform is designed as the core，and the specific environment is displayed through the system processing. When the information value obtained by the sensor module exceeds the safety threshold set by the system，the driver module will display the current temperature，flame，smoke and other information through the LCD，and timely remind through the LED light and buzzer，then the data is transmitted to the upper computer for observation through Wi-Fi to complete the whole process of fire monitoring and alarm.

Keywords：STM32F103C8T6 single chip microcomputer;fire;smoke alarm

0  引  言

随着电动车的不断普及，我国电动车充电桩数量呈现出翻倍增长趋势。而充电桩在充电过程中起火事件频频发生，特别是在无人监控的区域或夜晚，一旦发生将会对人们的生命财产安全带来重大隐患。目前火灾报警系统应用较少，特别是在居民区、学校等区域的电动车充电桩特别容易出现问题[1]。更不用说针对这些区域对电动车充电桩火灾进行报警的系统，因此为了规避风险、提前发现和预防火灾，这里设计了一款用于监测电动车充电桩在充电过程中是否发生火灾以及发生火災时及时报警的系统，这对于预防火灾是非常有意义的。

1  系统总体功能设计

基于STM32F103C8T6单片机的火灾报警系统是以电动车充电桩为实际应用背景，它具有应用场景更广、功能更加完善、可扩展性强的优势，不仅可以实现报警功能，还可以通过一定技术处理后实现对火灾监测进行阈值调整的功能，故本产品具有很好的发展前景和实际应用意义。根据系统的应用背景和应用需求进行总体功能分析，可以分两个应用场景进行描述：

（1）在未出现火灾的正常情况下，显示屏可以实时显示当前环境的温度、烟雾、火焰值，并且绿色提示灯一直保持亮着的状态，Wi-Fi模块保持通信，还可以通过按键实时设置报警值。所以，为了实现本设计的功能，就必然需要用到烟雾传感器、火焰传感器、温度传感器、液晶显示器、Wi-Fi模块。因为烟雾传感器可以实现对环境中烟雾浓度变化的感知，火焰传感器可以对环境中的火焰大小进行识别，还有温度传感器也是必不可少的。

（2）当出现火灾时，系统可以快速准确地识别火灾，同时显示屏可以显示当前环境的温度、火焰、烟雾实时变化的值，并且红色提示灯会亮，蜂鸣器会响，Wi-Fi模块可以保持通信。除此之外，系统还需要一个可以通过按键进行调整火灾报警的阈值的功能。

2  系统整体模块设计

为了更快、更精确地发现火灾和对火灾进行及时有效的报警，系统功能需求由多个子模块协作完成。通过对系统的整体功能进行分析得出，系统子模块需要由STM32F103C8T6单片机小系统模块、液晶显示模块、温度传感器模块、火焰传感器模块、烟雾传感器模块、ESP8266模块、蜂鸣提示模块、LED指示灯模块等共同组成。系统整体模块设计框图如图1所示。

通过系统的整体模块设计可以看出，系统需要将温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器采集到的信息作为数据输入到STM32F103C8T6单片机控制处理器，STM32F103C8T6单片机对接收的数据进行处理后，驱动液晶显示屏进行显示，通过LED灯和蜂鸣器进行有效的报警，然后再把数据通过Wi-Fi传到上位机进行实时观察监控，实现整个系统的火灾监控和报警的过程。

3  系统硬件设计

系统的硬件设计要综合考虑方案可行性、成本、耐用性、操作性等因素。这里只介绍部分硬件电路设计。

3.1  单片机控制电路

STM32系列单片机具有高性能、高速率、低成本、低功耗，集成度高、工具易用、可实现产品化等优点而得到广泛使用[2]。所以系统选择使用STM32F103C8T6单片机作为系统控制处理器，配合使用其他各种功能模块进而实现火灾报警系统的各种功能。STM32F103C8T6单片机最小系统电路设计主要包括STM32F103C8T6芯片、晶振电路、复位电路、启动模式电路[3]等。

3.2  火焰传感器电路

在火灾报警系统中火焰传感器需要满足可以识别火焰的功能，要求准确性要高。此外还需要注意现实中常见的火焰波长在880 nm左右，因此在选择火焰传感时，其感应到的火焰大小值需要包含该值[4]。本系统选用的MH-Sensor-Series火焰传感器其价格低，探测波长为700～1 000 nm、探测角度为60度、可以有效地识别火焰，具有较好的稳定性。火焰传感器监测电路如图2所示。

当靠近火焰时，红外发射管导通，此时VCC经过电阻R1后经过红外发射管后直接接地，那么到达引脚3处AC端的电压值变小，INA+变小，反之当远离火焰或者火焰强度变小时，红外发射管慢慢断开，此时相当于电源VCC经过一个电阻后直接接到引脚3处，此时AC端得到的电压比较大，那么INA+变大，从而输出到STM32单片机的值就会变大。

3.3  烟雾模块监测电路

系统烟雾传感器需要实时准确地采集到环境中烟雾浓度。系统选用的MQ-2烟雾传感器模块具有响应速度快、寿命长、灵敏度高等优点而得到广泛使用[5]。系统监控MQ-2烟雾浓度电路如图3所示。

MQ-2器件的引脚4和引脚6为输出信号引脚，RL3为MQ-2的内部电阻。当气体浓度上升时，电阻RL3将变小。而电阻RL3的减小则使得MQ-2的引脚4和引脚6对地输出的电压变大。所以随着气体浓度慢慢变大时，其输出的电压也会跟着增大，当气体浓度降低时，其输出的电压会变小。最后这些模拟量再经过ADC0832芯片进行A/D转换成相应的数字信号，最后传回给单片机处理器。

4  软件设计与系统验证

4.1  软件设计

软件设计是系统的核心，同时要兼顾系统的功能需求、实时性、安全性和可拓展性等。

系统在进入工作模式之后，首先会进行系统初始化，然后就直接进入一个无限循环中，在循环状态中系统不断检测是否有按键中断发生：

（1）当无中断发生时，调用子函数获取火焰、烟雾、温度的值，在这个过程中，需要检测系统是否发生火灾报警异常，当获取的数据值都没有超过界限值时，系统就保持正常状态，液晶显示屏显示表1无火灾实时的数据;当获取的数据超过界限值时，系统就保持异常的状态，液晶显示屏显示表0着火后的实时的数据系统。

（2）当有按键终端发生时，系统根据按键子函数功能进行调整温度、烟雾、火焰的预警阈值。系统警报界限值可进行灵活调整，这里通过按键设计动态界限值，正常无火灾情况下，火灾指示灯绿灯一直保持亮着的状态，当发生火灾时，火灾指示灯红灯会亮。本设计不仅可以应用于模拟火灾实验和实际复杂的环境，工作人员可以通过按键调整报警值，这样更加适合复杂的外界环境。

系统的主流程如图4所示。

本系统为了使用多种应用场景和实际复杂的工作环境，使用人员可以根据现场环境进行多次测试而得到适应具体环境的温度值、火焰值、烟雾值等，这样使得系统的兼容性更好。

4.2  系统验证

基于STM32单片机的火灾报警系统是通过温度、火焰、烟雾传感器模块采集当前环境的温度、火焰、烟雾的数据值与预先设置好的安全阈值进行比较，当采集到的数据，超过预先设定的安全阈值时，系统就会报警，反之则不会报警，只是显示正常环境参数的值。当没有火灾发生时，系统实时采集环境中的数据参数并进行系统显示，无火灾系统正常工作情况如图5所示。

為了更好地对火灾报警系统功能进行验证，这里通过打火机制造火焰来模拟火灾发生的情况。通过模拟环境中火焰的变化来验证是否达到系统的设计目标。当环境中的火焰值超过设定的阈值，系统会开启火焰报警功能，有火焰报警情况如图6所示。

同理，通过当前环境中烟雾浓度的变化，来模拟火灾发生时烟雾浓度的变化情况，进一步判断是否发生火灾。当环境中的烟雾值超过设定的阈值，系统会开启烟雾报警功能，有烟雾报警情况如图7所示。

基于STM32单片机的火灾报警系统可以将当前环境的温度、火焰、烟雾相关数据进行采集，然后可以通过ESP8266 Wi-Fi模块传回到电脑端进行查看，可以进行有效地远程监控环境是否发生火灾。例如有火焰报警情况Wi-Fi传回数据如图8所示。

同理，可以通过ESP8266 Wi-Fi模块传回其他情况环境的温度、火焰、烟雾等信息，以便进行远程监控火灾。

5  结  论

本系统主要是实现监测电动车充电桩的火灾报警的系统，它通过多种传感器模块采集当前环境的烟雾、火焰、温度等信息，当采集的参数值超过设定的阈值，则系统进行报警。系统可经过多次对现实火灾的实验模拟，采集发生火灾时的数据，根据采集发生火灾时的数据进行一定处理后设置合适的阈值，故本系统可以做到准确地预防和避免火灾的发生，降低了因为电动车充电引起火灾造成的损失。

参考文献：

[1] 王旭.学校电动车充电桩安全问题排查和研究 [J].产业科技创新，2019，1（34）：106-107.

[2] 徐杰，高昆仑.基于STM32无人机载北斗通信终端设计 [J].大众科技，2018，20（5）：5-8+12.

[3] 许志辉，盛世尊，覃超妹，等.基于STM32单片机的太阳能充电器 [J].机电工程技术，2019，48（11）：144-146.

[4] 徐明远.区域联网式火灾自动报警系统调试技术的研究 [J].城市住宅，2019（11）：193-194+196.

[5] 胡喻杰，杨龙成.基于单片机的家庭烟雾报警系统 [J].电子技术与软件工程，2019（22）：243-244.

作者简介：吴晓红（1995—），女，汉族，广东湛江人，本科，工学学士，研究方向：通信工程;通讯作者：石丽梅（1986—），女，汉族，吉林四平人，讲师，硕士;研究方向：移动互联，通信工程。