趙華峰

摘要：火災(zāi)的及時(shí)報(bào)警能夠減少人員的傷亡和財(cái)物的損失，在現(xiàn)在社會(huì)變得尤為重要。利用單片機(jī)和傳感器結(jié)合設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，采用MQ-2型傳感器實(shí)現(xiàn)煙霧的檢測(cè)，溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)，在滿足報(bào)警條件時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警，經(jīng)軟硬件調(diào)試測(cè)試，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)響應(yīng)快、靈敏度可調(diào)、抗干擾強(qiáng)、成本低、使用時(shí)間長(zhǎng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；MQ-2

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）25-0184-02

目前，隨著集成制造技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，功耗低，體積小，價(jià)格低使得其得到了廣泛地應(yīng)用。現(xiàn)代社會(huì)的建筑規(guī)模越來(lái)越大、人員密集度高和眾多的設(shè)備都對(duì)防火提出了嚴(yán)格的要求。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)并迅速火災(zāi)報(bào)警，防止和減少火災(zāi)危害，在賓館、圖書(shū)館、科研和商業(yè)部門，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已成為必不可少的設(shè)施?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)要求能夠在火災(zāi)初期，對(duì)燃燒產(chǎn)生的煙霧熱量和光輻射等物理量進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)光電、煙霧和溫度等傳感器變換成電信號(hào)，傳輸給火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)發(fā)生的火災(zāi)及時(shí)報(bào)警。因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)性價(jià)比高的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)有著非常大的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)及構(gòu)成

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的核心采用51系列單片機(jī)AT89S52，對(duì)溫度及煙霧的情況通過(guò)溫度傳感器和煙霧傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，輔以必要的AD轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和閾值判斷，若出現(xiàn)環(huán)境的溫度及煙霧的突變，在火災(zāi)發(fā)生的早期就能夠及早報(bào)警，告知人們盡快滅火，減少危害防止損失。系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1所示。

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由控制處理部分（AT89S52單片機(jī)）、閾值設(shè)置（按鍵）、數(shù)據(jù)采集部分（DS18B20和MQ-2）、顯示部分（數(shù)碼管或者液晶屏）以及報(bào)警裝置等部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)據(jù)包括溫度傳感器DS18B20采集來(lái)的數(shù)字信號(hào)和MQ-2采集的煙霧信號(hào)，要經(jīng)過(guò)ADC0832轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，還有手動(dòng)按鈕產(chǎn)生的報(bào)警信號(hào)。報(bào)警裝置分為聲音報(bào)警和閃爍燈光報(bào)警。顯示部分可在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示溫度和MQ-2傳送的數(shù)據(jù)。控制處理部分使用常見(jiàn)的AT89S52單片機(jī)能夠方便地實(shí)現(xiàn)在線編程。

2 系統(tǒng)的工作原理和硬件電路組成

設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的工作原理為，首先通過(guò)按鍵設(shè)置報(bào)警臨界值，包括溫度報(bào)警值和濃度報(bào)警值，這兩個(gè)都是越過(guò)門限報(bào)警。也可以使用默認(rèn)的報(bào)警值（在程序中應(yīng)預(yù)先設(shè)定，也稱為缺省值），在使用前最好預(yù)先實(shí)驗(yàn)測(cè)定一下，免得默認(rèn)值和實(shí)際值相差太懸殊影響報(bào)警效果。然后單片機(jī)對(duì)手動(dòng)報(bào)警信號(hào)判斷，若有立刻報(bào)警，若無(wú)手動(dòng)報(bào)警信號(hào)，再對(duì)采集來(lái)的實(shí)時(shí)溫度和濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷，并在數(shù)碼管上顯示數(shù)值，若單片機(jī)判斷數(shù)據(jù)超過(guò)門限值，立即驅(qū)動(dòng)聲、光報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警，若沒(méi)超過(guò)門限值，則進(jìn)入下一輪循環(huán)：有無(wú)門限閾值設(shè)定→有無(wú)手動(dòng)報(bào)警信號(hào)→數(shù)據(jù)采集判斷是否報(bào)警→數(shù)據(jù)顯示。

系統(tǒng)的硬件電路是在單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加按鍵、數(shù)據(jù)采集模塊、報(bào)警裝置和顯示模塊構(gòu)成。以下是硬件部分的關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)說(shuō)明。

2.1溫度采集模塊

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)元件采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該芯片是單總線數(shù)字芯片，體積小，外形上看像三極管，連線方便，可以采用寄生電源接線方式（即數(shù)據(jù)線供電）指示器件的溫度，溫度范圍是-55℃到+125℃，步進(jìn)量為0.5℃[1]，其多點(diǎn)能力能方便地進(jìn)行分布式溫度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)更大空間范圍內(nèi)的溫度測(cè)量。

2.2 氣體濃度采集模塊

氣體濃度采集模塊通過(guò)MQ-2傳感器進(jìn)行測(cè)量，傳感器測(cè)量環(huán)境中的煙霧等氣體濃度得到的是模擬信號(hào)，要讓單片機(jī)進(jìn)行處理和判斷，必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)才行，這個(gè)轉(zhuǎn)換功能可以采用A/D芯片實(shí)現(xiàn)，也可以選擇具有系統(tǒng)內(nèi)置A/D模塊的MSP430單片機(jī)去實(shí)現(xiàn)。測(cè)量處理后由數(shù)碼管顯示氣體濃度等級(jí)。

采用MQ-2型半導(dǎo)體煙霧傳感器的原因是不會(huì)發(fā)生探頭阻緩和中毒現(xiàn)象，而且響應(yīng)速度快、靈敏度高、維護(hù)成本較低、使用起來(lái)非常方便，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。MQ-2型傳感器使用的是SnO2半導(dǎo)體氣敏材料，表面為離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)溫度在200～300℃時(shí)，SnO2吸附空氣中的氧，即對(duì)氧的負(fù)離子進(jìn)行吸附，減少了N型半導(dǎo)體中的電子密度，導(dǎo)電性能能變差，即電阻值增加。當(dāng)存在煙霧接觸時(shí)晶粒間界處的勢(shì)壘相當(dāng)于受到煙霧的調(diào)制，這將會(huì)導(dǎo)致表面電導(dǎo)率的變化，由此獲得煙霧濃度的相關(guān)信息[2]。應(yīng)該特別注意的是為了使其工作在較安全的范圍內(nèi)，必須按照廠家推薦的加熱電壓進(jìn)行加熱[3]。

3 系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)及編程

系統(tǒng)中軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件工作流程的控制，首先進(jìn)行初始化操作，實(shí)現(xiàn)軟硬件的配置，包括單片機(jī)的相關(guān)SFR的設(shè)置，傳感器的配置和預(yù)熱；然后掃描有無(wú)鍵按下，若有判斷是門限設(shè)置還是直接報(bào)警，并進(jìn)入相應(yīng)的處理模塊，若無(wú)鍵按下，則進(jìn)入下一環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、判斷和顯示，當(dāng)超出設(shè)定的報(bào)警值時(shí)候驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置[4]，若未超限，顯示并延遲一段時(shí)間后，進(jìn)入下一次大循環(huán)。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示。程序調(diào)試成功后，通過(guò)電編程很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的燒寫。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Proteus+Keil μVision4的聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試進(jìn)行了軟硬件原理驗(yàn)證后，繪制PCB版圖，焊接元器件做出實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試。在MQ-2的相關(guān)資料中表明，要達(dá)到最佳工作狀態(tài)對(duì)其預(yù)熱應(yīng)不少于24小時(shí)[5]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)要到相對(duì)較穩(wěn)定的狀態(tài)預(yù)熱3-5分鐘就可以了，當(dāng)然若要進(jìn)行精密的測(cè)量，建議預(yù)熱時(shí)間按照說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。測(cè)試表明系統(tǒng)能夠正確的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，提供各種報(bào)警條件均能達(dá)到對(duì)應(yīng)的報(bào)警效果，后續(xù)工作是適度的功能擴(kuò)展和完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]. 謝維成 楊加國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)（第3版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014：280-301.

[2] Yoon D h， Yu J h， Choi Gm. CO Gas Sensing Properties of Zn0-CuO Composite[J]. Sensors and Actuators. 1998（46）：15-23.

[3] 馮長(zhǎng)江.基于單片機(jī)的智能煙塵測(cè)試儀[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1999（4）：19-20.

[4] 蔡文齋.專業(yè)級(jí)串口調(diào)試器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)， 2006（11）：69-72.

[5] 李永生，楊莉玲.半導(dǎo)體氣敏元件的選擇性研究[J].傳感器技術(shù)，2003（3）：2-5.