基于单片机的火灾报警系统设计

2021-10-14马欣如

科技创新与应用 2021年28期

关键词：温度传感器烟雾报警

马欣如

（辽宁科技大学电子与信息工程学院，辽宁鞍山 114051）

通常人们会受到火灾的威胁，因此为了有效避免潜在火灾以及尽量减少潜在火灾灾害带来的人身安全以及其他经济社会层面的重大损失，必须不断设计和制造完善对潜在火灾进行自动消防报警的控制系统，将潜在火灾危险扼杀在摇篮之中。

1 火灾报警系统的设计要求

（1）能对室内空气中烟雾（CO2，CO等）含量及室内温度变化突变现象进行自动报警，具有声、光双重自动报警控制功能。

（2）使用系统故障自动报警设置功能。当操作系统设备出现重要硬件系统故障时，能自动发出硬件故障状态报警提示信号。

（3）异常事件报警设置功能。当现场环境出现异常（如果有烟雾浓度变化过大或是空气温度较高）时，能自动发出异常火灾报警提示信号，引起现场人们充分注意，避免此类火灾的再次发生。

（4）增加火灾检测报警设置功能。一旦出现重大火灾（例如烟雾和空气温度同时出现异常）时，能及时发出自动声、光提示警报。

2 火灾监测报警控制系统的基本设计工作原理

MQ-2烟雾浓度传感器、DS18B20温度传感器和AT89C51微控制器被选为该设计的基本组件，并与其他电子技术集成在一起。利用AT89C51微控制器控制MQ-2烟雾浓度传感器和DS18B20温度传感器对检测地点的烟雾浓度、温度变化及时进行检测[1]，并把实时检测到的结果数据进行实时数据分析信息处理，可以轻松实现各种声光电一体化报警、浓度测量显示、温度测量显示等检测功能。

烟雾-温度报警系统的重要组成部分有：MQ-2烟雾信号采集电路、A/D转换电路、DS18B20温度信号自动采集控制电路、单片机自动控制电路、继电器电路、声光报警显示电路以及一些其他部分的控制、显示电路。烟雾-温度报警系统的系统框架如图1所示。

图1 烟雾-温度报警系统的系统框架

3 系统的硬件选择

3.1 单片机的选择

AT89C51单片机是报警系统的核心部件，一方面它要接收来自传感器检测到的烟雾浓度信号、温度变化的信号和故障检测信号。应用AT89C51单片机的另一种用途是要对两种信号分别进行处理，来更好地控制后续其他电路的相应工作。该芯片可以按照常规方法或在线编程方式进行编程，将通用微处理器与闪存结合在一起，可以有效降低开发成本。AT89C51引脚图如图2所示。

图2 AT89C51引脚图

3.2 温度传感器的选择

3.2.1 温度传感器的选择条件

在温度传感器的选型过程中考虑的因素：

（1）被测对象的温度是否需要被记录、报警和实时控制，是否需要远距离进行测量和数据传送。

（2）测温范围的大小和精度要求。

（3）测温元件大小是否适当。

（4）在被测对象室内温度随时间变化而变化的场合，测温传感元件的滞后是否能够适应测温要求。

综合以上多种不同原因，经多次对比，本文温度传感器使用的是DS18B20数字温度传感器[2]。

3.2.2 DS18B20数字温度传感器介绍

DS18B20单线数字温度传感器，即“单总线器件”，其具有独特的优点：

（1）当使用单个总线接口连接到微处理器时，只需一条端口线即可在微处理器和DS18B20之间进行双向通信。唯一的总线具有节约成本，抗中断能力强的优点，适用于各种条件下的温度测量，即使是条件恶劣的情况下也能够使用。它使用户可以轻松构建传感器网络，引入用于构建测量系统的新概念[3]。

（2）测量温度范围宽，测量精度特别高，DS18B20传感器的测量范围为-55℃～+125℃；在-10℃～+85℃范围内，精度为±0.5 ℃。

（3）在使用中不需要任何外围元件。

（4）外部供电连接方式灵活，DS18B20可以通过内部数据寄生接收电路从外部数据线上直接获取数据电源。因此，当一个数据线上的自动时序系统满足一定的性能要求时，可以不需连接外部交流电源。

（5）根据自动测量处理程序配置参数要求可自动精确配置为基于DS18B20的各种自动测量程序参数以及分辨率设定值，同时可通过自动测量处理程序自动精确设定9～12位。

（6）电源负压燃烧特性，当电源电压极性与其接触相反时，温度计数器不会因电源发热而发生烧毁，但不能正常运行工作。

（7）具有掉电保护功能，DS18B20内部结构中含有EEPROM部分，在报警系统突发掉电情况以后，它仍可保存分辨率以及相关报警温度的实际设定值。

DS18B20温度传感器具有体积更小、适用的电压范围更宽、较经济、可供选择的更小封装模式、更广泛适应范围等优势，它能很好地适合于设计和构建具有实用性和经济可靠的测温控制系统。DS18B20温度传感器引脚图如图3所示。

图3 DS18B20温度传感器引脚图

4 电路设计与仿真分析

4.1 火灾报警系统仿真原理图（见图4）

图4 火灾报警系统仿真原理图

4.2 火灾报警系统操作及设计说明

4.2.1 设计说明

由于Proteus软件没有MQ-2烟雾传感器模型，仿真中用滑动变阻器代替。

MQ-2烟雾传感器内部结构电导率随着气体浓度的增大而增大，其电阻是电导率的倒数，所以电阻是随之减小的。其特性就相当于一个滑动变阻器。所以在仿真中用滑动变阻器替代。而在实际运用中，原理图中，MQ-2接线方式如图5所示。

图5 MQ-2原理图中接线方式

4.2.2 仿真及操作

（1）双击单片机加载：“报警.hex”文件，运行仿真。LCD第一行显示当前烟雾等级和温度值，第二行显示烟雾报警等级和温度上下限；烟雾等级有5档，每档等级对应的电压范围如表1所示。

表1 MQ-2测量烟雾等级

（2）系统工作在正常状态时（烟雾等级小于报警等级，温度值在上下限设定范围内），绿色LED灯点亮，蜂鸣器和继电器处于停止工作状态。继电器作用：在实际应用中，继电器可以用来控制电闸、喷淋设施和消防设施等。

（3）通过DS18B20传感器和RV3滑动变阻器上下红色箭头，改变温度大小和烟雾报警等级，使系统达到报警状态。

（4）系统处于报警状态时，红色LED灯点亮，蜂鸣器鸣叫，继电器工作，实现声光电一体化报警。

（5）可以通过“调整”“调大”和“调小”按键，设置烟雾报警等级和温度报警上下限。按下“调整”键，进入烟雾报警等级设置，LCD光标闪烁，通过“调大”和“调小”键设置等级大小；烟雾报警等级设置好后，再次按下“调整”键，进入温度报警下限设置，同样操作。当3个参数都设置好后，按下“调整”键，即可退出系统设置。

（6）当系统处于正常工作状态时，按下“呼叫”键，此时系统立刻进入报警状态：红色LDE灯点亮，蜂鸣器鸣叫，继电器动作。“呼叫”键用于模拟系统失效或者出现紧急情况时，巡检人员手动操作直接报警。