基于51单片机的智能火灾报警系统的设计与实现

2021-08-17步亚昆郭俊美刘海英

齐鲁工业大学学报 2021年4期

步亚昆,郭俊美,刘海英

齐鲁工业大学(山东省科学院) 电气工程与自动化学院,济南 250353

在各类灾害中,火灾是最普遍常见的,据联合国“世界火灾统计中心(WFSC)”统计资料显示,全球每年大约发生火灾700万次,火灾造成死亡人数大约65 000至75 000人。火灾成为当今世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题[1]。它给人类社会造成严重的财产损失,甚至夺取亲人的生命。为了避免火灾和减少火灾所造成的损失,良好的智能火灾报警系统和及时的报警机制是非常必要的,可以大大降低人员的伤亡。所以本次设计出一款适用于居家以及中小型办公环境的智能火灾报警系统,能够敏捷迅速监测火情,及时对现场的火灾环境作出监测,并发出声光报警以及联动消防系统,将火灾带来的生命财产损失降低到最低限度。

1 火灾报警系统总体设计

1.1 报警系统探测原理

由于可燃物质的燃烧,会伴随着热量的散发以及蒸发分解的烟雾,火灾中产生的气溶胶、烟雾、火焰和散发的热量都称为火灾的参量,通过用某种特定的传感器进行采集就可以测定是否产生火灾。所以设计一款在未完全燃烧成火灾的前提下就能检测出火灾预状的智能火灾报警系统,以便及时监测火灾情况,减少损失[2]。若烟雾传感器能在初燃阶段依据烟雾浓度就能探测出火灾的发生,便可将火灾控制在最小限度；若温度传感器能够在火焰燃烧后,依据燃烧物质产生大量的热能够及时作出报警,就可以及时有效的控制火灾。

图1 火灾过程曲线

1.2 系统总体思路框图

此智能火灾报警系统的处理器采用51系列的单片机,整个系统由单片机进行控制。图2设计框图中控制器内设计数据采集软件模块、计算处理软件模块、比较模块。

图2 设计框图

传感器检测到非电量信号,输出电量信号,通过A/D转换器转成数字量信号,送入控制器进行处理。经火灾探测算法分析后自动输出相应的存储、显示和声光报警信号,若数据采集值超出设置额定值将会发出声光报警以及联动消防系统,否则将继续检测。如图3所示。

图3 主程序流程图

2 主要器件的选型

通过选用合适的器件,得到的数据结果会更加准确,减少实验结果误差。对于火灾烟雾温度方面的监测,通常主要采用烟雾传感器与温度传感器。本系统控制器选用单片机,单片机是智能火灾报警系统中的最为关键性的一个元件,可以说单片机是整个系统的心脏。如表1所示。

表1 各类器件的基本参数

2.1 烟雾传感器

烟雾气体传感器选用MQ-2型,主要响应物质燃烧或热解产生的固体液体微粒,将检测出的烟雾浓度的信号经过烟雾检测探头将其转换成电信号,从而可以进一步的达到检测和监控等功能的实现。其具有灵敏度高、抗干扰性强、电导率变化大、响应快、寿命长等优点,有非常好的早期报警功能,能够预防火灾的蔓延,减少损失[3]。

图4 MQ-2型烟雾气体传感器实体图

图5 MQ-2型烟雾气体传感器引脚图

2.2 温度传感器

本设计选择DS18B20温度传感器,其输出总线是通过“一线”总线这种独特的方式,不仅可以直接输出温度值,而且不需要进行过多的校正。所以这种独特的输出总线的方式可以使多个DS18B20温度传感器可以方便地形成一个传感器网络,而且在测温时候的精度方面、转换时候的时间等方面相对于其他的温度传感器都有了非常大的进步,为整个测量系统的建立和组合提供了实际性[4]。

图6 DS18B20温度传感器实体图

图7 DS18B20温度传感器引脚图

2.3 控制器选型

单片机接收来自传感器的烟雾浓度和温度的模拟及数字电信号进行处理,并判别是否启动报警装置；同时,还要响应是否有按键按下。本次系统设计中,选用ATEML公司生产的MCS-51单片机[5],与普通的计算机相比有以下主要特点:

1)集成度高、体积小；

2)可靠性高、抗干扰性强；

3)控制功能性强；

4)低功耗、可扩展性号好。

这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。而且这种AT89C51单片机应用普遍,综合考虑选用AT89C51单片机作为系统核心。

3 电路系统以及软件仿真

3.1 传感器采集电路

DS18B20温度传感器是单总线器件与单片机的接口电路采用电源供电方式。当发生火灾时,温度传感器采集到微弱的电动势之后,即将温度转换成了电信号,我们就能从DSI8B20温度传感器读出或者写入信息。接下来单片机就可以通过单线接口读取到DS18B20温度传感器采集的数据,读取时低位在前高位在后[6]。

图8 DS18B20温度传感器电路图

MQ-2型烟雾气体传感器可以检测出烟雾浓度信号将其转化为电信号,烟雾浓度越大,输出电压越大,因此MQ-2型烟雾气体传感器输出的是模拟量,然后A/D转换电路转换之后输送给单片机来执行整个报警系统机制。

图9 MQ-2型烟雾气体传感器电路图

3.2 A/D转换电路

由于烟雾气体传感器将现场所检测的烟雾等非电信号转化为电信号,所以需要A/D转换电路将其所输出的电信号转换为能被单片机识别的数字信号[7]。A/D转换电路主要有采样、保持、量化、编码组成,如图10所示。

图10 转换示意图

3.3 按键控制电路

本次采用的是手动按键控制电路,操作简单且方便,总共用了5个按键按钮:电源键、设置键、加键、减键、复位键。接通电源后,通过设置键、加减键可以调节设定火灾报警系统的烟雾浓度值和温度高低值,此设定值可在LCD1602显示屏上实时显示,来应对不同的环境变化。复位键恢复智能火灾报警系统最初值。

按键控制电路连接图,如图11所示。

图11 按键控制电路图

3.4 软件仿真图

本文使用Proteus软件对电路原理图以及软件程序进行电路仿真,由于使用Proteus软件进行电路仿真,元器件库中没有MQ-2烟雾气体传感器的虚拟模型器件,所以在实际电路仿真过程中将采用气敏电阻进行代替。将提前编写好的C语言程序导入Proteus软件的AT89C51单片机中,进行电路仿真。C语言程序中设置的温度是50 ℃,烟雾浓度是45 ppm,也就是复位键最初始的数值。当温度超过50 ℃的时候,仿真电路图会延续性发出响声,点击复位键器件恢复最初值；滑动电阻使烟雾浓度超过45 ppm的时候,仿真电路图也会延续性发出响声[8]。通过系统仿真,验证了电路及软件设计的合理性。

图12 仿真调试电路图

4 温度与烟雾报警测试

4.1 检测系统准确性

表2可以检测整体系统温度监测准确性,当室内温度值为28 ℃时,超过温度设定值20 ℃和25 ℃时系统报警；当温度设定值为30 ℃时,其值高于室内温度值28 ℃系统不报警。逐渐增加温度设定值且用火柴给予温度传感器加热,当温度显示值超过温度设定值,系统报警。多次试验都可以达到报警状态,说明此系统可以正常运行。

表2 系统温度监测试验

表3可以检测整体系统烟雾浓度监测准确性,当室内浓度值为12 ppm时,超过浓度设定值8和10时系统报警；当浓度设定值为15时,其值高于室内浓度值12 ppm时,超过浓度设定值，系统不报警。逐渐增加浓度设定值且增加环境烟雾浓度,当浓度显示值超过浓度设定值,系统报警。多次试验都可以达到报警状态,说明此系统可以正常运行[9]。