基于单片机的火警报警器设计

□赵 琳

火灾作为日常生活中最常见的灾害，火警报警器能够在第一时间发现火源并且发出警告，有效地阻止火灾进一步蔓延，减少人员的生命财产损失。火警报警器具有灵敏性高、结构简单、成本低等特点。火灾发生时会出现三大现象，即高温，多烟以及有明显的火光。本设计严格按照火灾发生时的特点来进行设计，分温度、烟雾、火光三大模块来检测。当火灾发生时，周围环境温度会大幅上升，温度传感器会实时地把温度传给单片机，当温度超出预设的范围时，单片机给蜂鸣器信号，开始报警；当产生大量烟雾和出现明显火光时，烟雾和火焰传感器都会给单片机发信号，单片机收到后触发报警。三大检测模块，只要其中任一模块检测到火灾，都会触发报警，做到了万无一失。

一、系统设计方案与硬件选择

(一)系统设计方案。本设计系统方案将分为输入、处理、输出三大部分。输入部分包括：温度测量模块，通过DS18B20测量周围环境温度；烟雾测量模块，通过MQ型烟雾传感器检测空气中的烟雾浓度并经过A/D转换显示出浓度数值；火焰检测模块，由火焰传感器探测周围是否存在火光。处理部分由STC89C52单片机负责处理外部数据。报警模块和温度显示模块共同组成输出部分，当检测到有火灾发生时，源蜂鸣器会持续发出报警声，液晶屏上始终显示着当前的环境温度和烟雾浓度值。

在火警报警器的设计过程中，要充分考虑到经济因素，要做到物美价廉，这样才可以让每个家庭都可以负担。因此选用8位的单片机作为控制核心，可以提供充足的计算能力，不仅可以极大地降低成本，而且也保证了设备的安全可靠。在传感器方面，选用烟雾传感器和火焰传感器，当屋内产生大量浓烟和明显的火光时，可以快速地将这些信息传给单片机，经过判断分析触发报警，能够第一时间察觉火灾的发生，同时使用温度传感器来检测温度变化。并在液晶屏上实时显示温度和烟雾值，做到双重保障，还可以在平时作为温度和烟雾测量器使用，一举两得。

(二)处理器芯片选择。芯片选择不仅要考虑其处理数据的能力，还要综合考虑价格因素。通过对设计中数据处理过程的分析，只有环境温度检测和烟雾浓度检测需要进行大量的数据处理，因此可选用STC89C52单片机为本设计的控制核心。单片机诞生于20世纪90年代，从最开始的4位处理器，到后来不断发展成8位、16位以及32位等阶段，每一代的升级都代表着数据处理能力、制作工艺的不断增强，同时价格也在不断增加。

本设计选用的STC89C52单片机是STC公司推出的一款8位处理器的单片机，其数据处理能力虽不及16位或32位单片机，但是可以轻松胜任本设计中的数据处理任务，并且在功耗、价格方面远低于高位处理器的单片机。其拓展方便，共有40个引脚。STC89C52有着很高的集成度，不需要专门的编译器以及仿真器，可以使用数据线经串口直接连接到电脑，在电脑上完成程序的下载和调试，实现在线对程序进行编程，其内部Flash可擦写数万次以上。

(三)温度传感器选择。温度的实时检测是本设计中重要的环节，不仅可以通过温度变化来检测到火灾发生，而且在日常使用中可以当作电子温度计使用，能够直观地显示室内的温度变化，一举两得，极大地提高了设计的实用性。目前市面上大多数使用的是DS18B20温度传感器模块，DS18B20只有一条数据总线与单片机相连，这样的好处是节约成本，并且这种单线型的传感器在双向数据传输过程中有着较强的抗干扰能力，并且还具有体积小型化，适用电压范围较宽，可靠耐用，经济实惠等特点。

(四)烟雾及火焰传感器选择。烟雾传感器是能够反应周围空气中烟雾浓度的一类传感器，大部分采用离子式结构。目前市面最常用的是MQ型烟雾传感器，MQ型传感器有很多的型号，对应不同的气体有着不同型号的传感器。在选择过程中，MQ-2和MQ-7分别是检测烟雾和一氧化碳的传感器，由于MQ-2烟雾传感器必须在浓烟下才有反应，灵敏度不符合要求。考虑到火灾发生时的浓烟中存在大量因为不完全燃烧产生的一氧化碳，故选用MQ-7一氧化碳传感器来反应烟雾浓度，灵敏度能够达到要求。

火焰传感器是一款可以直接检测火光的传感器，可以清楚地看到元件前有一个红外接收管。在燃烧过程中，火焰会发出可见光，只要光源的波长不小于760纳米，都可以被传感器检测到，一般探测范围在一米以内，如果火焰强度越大，发出的光也就越亮，探测范围也会随之增加。

(五)液晶屏幕与A/D转换选择。在屏幕方面，有两种不同材质的屏幕可供选择，分别是LCD和OLED。OLED屏幕的好处是体积小巧，封装简单，显示内容较为清晰，但同等价格的情况下，OLED屏幕面积小，显示字体也较小；LCD屏幕因为有背光板的存在，体积较大，但价格相对低廉，显示字体较大也比较清晰。综合价格、性能方面的考虑，选择LCD1602液晶屏。

由于MQ-7输出的电压信息不能直接被单片机识别，要经过A/D转换之后才能输入到单片机。所谓A/D转换就是将模拟信号转换为数字信号，能够进行A/D转换的芯片种类有很多，考虑到本设计只有烟雾浓度值需要用到A/D转换，通道占用不多，故选用两通道的ADC0832芯片。ADC0832是一款功率较低的芯片，其价格也比较便宜，可以满足本设计的需求。

二、系统硬件设计

(一)单片机最小系统设计舵机选型。选择好STC89C52处理芯片后，需要进行复位电路和晶振电路设计才能保证芯片能正常工作。单片机、复位电路和晶振电路一起被称为单片机的最小系统。复位电路只需用到的两个元件是电阻和电容，通常电源端与电容相连后，一端接入单片机的RST引脚，一端经电阻接地。复位只需将RST引脚接通高电平3微秒后就能实现复位，单片机上电后会使RST引脚为高电平，根据电容特性可以将高电平保持一会，随后会提供电阻将电平拉低，因此单片机上电后会自动复位。复位可以有效地防止单片机程序运行中出现卡死的情况。单片机内部存在晶振电路，也可以通过XTAL1和XTAL2两个引脚外接晶振电路，振荡器可为单片机运行过程中提供基本的时钟信号。

(二)温度检测电路设计。DS18B20温度检测器可以测量最低-55℃和最高+125℃之间的温度值，足以应对运行过程中的外部环境温度。其工作原理是两个灵敏度不同的振荡器，分别做减一工作，只要低灵敏度振荡器减到零，温度就加一，一直重复，直到高灵敏度振荡器也减到零，停止计数，此时就可以得到当前温度值。DS18B20共有3个引脚，其中引脚3接电源，引脚1接地，只有一条数据线DQ与单片机P3.6相连，总体在电路连接上比较简单，

(三)烟雾检测电路设计。MQ-7用5伏直流电供电，DO口可输出高低电平，当检测到外部烟雾中一氧化碳浓度达到警戒值时，DO口输出低电平；同时MQ-7还有一个AO口模拟信号输出，AO口输出模拟信号对应着电压0.1～0.3V，浓度越高，电压也就越高，可以通过A/D转换显示出烟雾中一氧化碳浓度。

MQ-7烟雾传感器共有四个引脚，其中引脚1接电源，引脚4接地，引脚2和引脚3分别为开关电平的输出信号和模拟电压的输出信号。本设计要求显示出烟雾浓度的数值，故选用引脚3接入A/D转换芯片的CH0输入端。

(四)火焰传感器电路设计。火焰传感器是利用红外传感器对可见光进行探测，当火焰发出的光被红外接收管检测到时，使DO口发出低电平；当周围的可见光达不到检测阀值，DO口会输出高电平。本设计选用三引脚式的火焰传感器，其中引脚1接电源，引脚2接地，引脚3接单片机P3.7。

(五)液晶显示电路设计。LCD1602是一种广泛应用的字符型液晶显示模块，它只能显示字母、数字或符号，显示规格为16×2，蓝色背光，白色字体。一共有16条引脚，引脚1、2分别代表电源和接地端，引脚3为液晶对比度，引脚4、5、6分别为RS、RW、E端，引脚7～14为8位双向数据线，引脚15、16为背光板的正、负极。

(六)A/D转换电路设计。ADC0832进行A/D转换时有两个输入通道，本设计选用通道0作为数据转换输入端，引脚1片选端接单片机P3.2，引脚2通道0接MQ-7数据输出端，引脚4接地，引脚5接单片机P3.5，引脚6接单片机P3.4，引脚7接单片机P3.3为芯片工作提供时钟，引脚8接电源。

三、系统软件设计

在软件开发方面，选用Keil5作为开发环境编译软件。DS18B20使用一根数据线DQ与单片机相连，先对DS8B20进行初始化，再对ROM进行操作命令，最后对内部存储器进行操作命令。MQ-7是一个电阻性的气敏元件，它根据电导率的变化来探测烟雾的浓度，电导率与烟雾浓度之间近似线性关系。将AO口与ADC0832相连，通过A/D转换将电压值转换成烟雾浓度值。火焰传感器上的DO口可以输出数字开关量，当检测不到火焰时，DO口输出高电平；当检测到火焰时，DO口输出低电平，当单片机检测到低电平时，启动蜂鸣器报警。

四、结语

本研究以火灾发生时出现的三大特征为研究出发点，使用温度传感器、烟雾传感器以及火焰传感器分别针对火灾发生时出现的高温、浓烟、明火现象进行检测报警。本研究分别介绍了报警器的背景和实际用途，充分体现了火警报警器对人民生产生活的重要性。介绍了设计的总体框架以及元件的选择，在明确了设计框架后，从可靠、经济的角度综合分析了元件的优劣。对各大模块的电路进行了详细的说明，阐述了各大模块的作用以及实际过程中电路的接线设计。在硬件准备工作结束后，对各大模块具体实现的功能进行程序上的设计，同时分析了各个功能实现的原理。在硬件和软件都设计好的情况下，进行仿真测试，通过对测试结果的分析，证明各大模块均能正常工作，火警报警器研究初步完成。