基于Arduino的烟雾探测实验装置设计

孙浩东 王超 李深奥 陆帅

摘要：以Arduino控制板为核心设计了用于探测和显示烟雾浓度的实验装置，装置包括Arduino控制板、扩展板、MQ-2烟雾检测传感器、OLED显示屏、温湿度传感器、继电器、蜂鸣器和风扇。实验装置上电后，等待30 s预热，预热完成后开始进行实时探测，OLED按阶段同步显示，烟雾浓度达到设置值后，蜂鸣器间隔1 s响应，风扇启动进行排风。该设计主要应用于烟雾探测报警器外壳结构对于烟雾流动性影响的研究。

关键词：Arduino;烟雾探测;实验装置;OLED显示屏

0 引言

烟雾探测器主要用于实时监测环境中的烟雾浓度，在火情早期能够及时发现可燃物阴燃阶段产生的烟雾气体[1]，并向管理人员发出警报，避免火情进一步扩大形成火灾。在我国，烟雾探测器属于消防类强制认证产品，需要经过专业的检验合格后才能上市销售。目前，市场上的烟雾探测器种类繁多，外观造型多样，性能也有所区别，传统的烟雾探测器设计过程主要集中在硬件电路和软件优化上，并没有很好地针对探测器外壳结构对于烟雾流动性的影响进行分析，造成产品需要进行反复的实验验证，耗时耗力。利用专业的检验设备进行烟雾流动性分析是现有的主要手段，这类设备大多尺寸较大，功能复杂，成本较高。本设计利用Arduino控制板及各类传感器模块实现了烟雾探测实验装置的搭建，只需较低的成本即可满足测试实验的需求，后期只需要将烟雾探测模块安装在需要进行测试的烟雾探测器外壳内，就可进行烟雾流动性的相关实验研究。

1 实验装置核心元器件选型及原理

1.1    Arduino控制板及扩展板

Arduino是一款开源的硬件开发控制板，2005年在意大利面世[2]，具有多种型号，本设计中使用的是Arduino UNO R3控制板，其特点是成本较低，集成度较高，可直接连接电脑进行程序的编写和烧录，在硬件接入时可以直接使用控制板上的数字引脚、模拟引脚以及IC接口等，方便开发人员使用，设计人员也可快速验证设计的可行性，性价比极高。同时，本设计采用了配套的扩展板，用于直接连接各类元器件，避免了常规的面包板使用，节省了设计空间，使得布线更加清晰明了。

1.2    烟雾检测传感器

市场上多数烟雾探测器采用“迷宫”结构[3]，如图1所示，利用光学散射原理进行烟雾浓度的计算标定，各厂家的产品都有其特殊的结构设计，不便于统一比较，因此本文设计的烟雾探测实验装置采用较为常见的经济型MQ-2气体传感器，其原理是将烟雾的浓度值转换为电信号，传感器内部采用二氧化锡作为气敏材料，在烟雾浓度增加时导电率会随之增加[4]。

1.3    OLED显示屏

实验装置要达到的测试效果之一是实时显示烟雾浓度以及实验环境的温湿度，传统的LCD屏幕显示效果一般，耗费的硬件引脚也较多，为优化设计，减少占用的控制板接口数量，提升数据显示效果，本设计选用了基于I2C通信模式的OLED显示屏，除去电源及接地引脚外，只使用SCL、SDA引脚，同时可以进行良好的中文、符号等数据显示。

1.4    温湿度传感器

烟雾探测传感器在实时检测的过程中，需要考虑环境温湿度带来的数据误差，在同类型的实验中，实验条件应在允许的误差范围内保持一致。本设计采用DTH11温湿度传感器模块，传感器数据单路输出，从程序中提取温湿度计算数值，在满足功能需求的前提下，减少控制板引脚的占用。

2 实验装置硬件设计

Arduino控制板和扩展板通过相应的插口配合重叠安装，电源接入Arduino控制板中，除风扇外其余各元器件的供电引脚和接地引脚与扩展板分出的多路供电、接地引脚连接，提供5 V电压。烟雾探测传感器模块A0端口和扩展板A0端口相连，用于电压模拟量的输入;OLED屏幕SCL、SDA端口与扩展板SCL、SDA端口相连，用于图像信号的传输显示;蜂鸣器I/O端口和数字引脚13端口相连，给定13端口输出为低电平时蜂鸣器鸣叫;温湿度传感器DAT端口和数字引脚3端口相连，用于温湿度数据的传输;继电器IN端口和数字引脚2端口相连，给定2端口输出为低电平时继电器工作;风扇负极端和扩展板接地引脚相连，正极端和继电器COM端口连接，继电器NO端口和扩展板供电引脚相连，继电器未工作时NO端口和COM端口之间为常开状态，风扇不工作，继电器工作时NO端口和COM端口之间转为常闭状态，风扇开始转动送风。实验装置硬件接线示意图如图2所示。

3 实验装置程序设计

MQ-2型烟雾传感器在使用时需要进行30 s左右的预热，以保证检测结果的稳定性，因此在实验装置上电后，需要等待30 s，此时OLED屏幕显示为加载状态，30 s后OLED显示预热完成，随之跳转至正常的数据显示页面开始实时获取检测数据。检测数据显示3行，分别为烟雾浓度、温度和湿度。实验装置上电稳定后烟雾浓度在常态下检测值稳定在20以内，因此将烟雾浓度报警值设置为40，检测值超过40后，蜂鸣器每间隔1 s响应一次，继电器工作带动风扇启动进行排风，检测值低于40后，蜂鸣器停止响应，风扇停止转动。程序设计流程如图3所示。

OLED显示屏的应用主要使用U8glib库进行显示程序的编写，中文字符的显示采用PCtolcd2002软件进行代码的提取，提取方式为点阵格式：阴码;取模走向：逆向;取模方式：逐行式;代码格式：C51格式。预热阶段的“Loading…”和“Finish.”显示只在设备上电后运行一次，因此需将此段程序放置在void setup中，在编写代码时需将显示程序放在30 s的循环内以实现稳定显示。OLED实时显示及检测程序放置在void loop中循环执行。

4 结语

实验装置搭建完毕后进行烟雾探测实验，Arduino控制板上电后的OLED显示效果如图4所示。

经过实际测试，本文设计的烟雾探测实验装置可以应用于烟雾探测器的专项研究中，测试效果良好。设计使用的各类传感器占用的Arduino控制器引脚较少，可以在后期充分进行各类功能的扩展使用，增加实验装置的功能。本文完成了功能硬件的选型、连接及程序设计，提供了清晰的实验装置设计实现过程，可为其他类似装置的设计提供参考依据。

[参考文献]

[1] 魏向峰.浅析感烟探测器及其发展[J].质量与认证，2020（7）：70-72.

[2] 李永华.Arduino开源硬件概论[M].北京：清华大学出版社，2019.

[3] 李在海，张培旭，田秋生.独立式光电感烟火灾探测报警器的研制[J].科技创新与应用，2014（20）：1-3.

[4] 张群强，赵巧妮.基于MQ-2型传感器火灾报警系统的设计[J].价值工程，2015，34（13）：96-98.

收稿日期：2021-03-22

作者簡介：孙浩东（2000—），男，安徽宣城人，研究方向：机电产品设计。

通信作者：王超（1990—），男，安徽蚌埠人，硕士，助教，研究方向：机电产品优化设计。