作者/毛敏、王海梅，陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于Arduino的簡單火焰報(bào)警器

作者/毛敏、王海梅，陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

以檢測是否有火焰為目的，本文采用紅外接收二極管作為火焰檢測傳感器，把火焰光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，Arduino Uno微處理器根據(jù)紅外接收二極管輸入的火焰信號(hào)輸出相應(yīng)的電信號(hào)來驅(qū)動(dòng)大功率報(bào)警器報(bào)警。通過試驗(yàn)，該系統(tǒng)2秒鐘可作出反應(yīng)，適用于需要監(jiān)測火焰的場合。

火焰；傳感器；檢測；報(bào)警器；Arduino

引言

生產(chǎn)、生活、戰(zhàn)略物資集中存儲(chǔ)的地方，會(huì)因?yàn)檫@些物資可能有易爆、易燃、有毒、易腐蝕等特點(diǎn)而存在不同程度的危險(xiǎn)，特別是當(dāng)這些物資含有易燃成分時(shí)，它們一旦發(fā)生火災(zāi)，會(huì)造成嚴(yán)重危害，威脅到人們的生命安全。為了解決這個(gè)問題本文設(shè)計(jì)了火焰報(bào)警器，當(dāng)有火焰光時(shí)發(fā)出警報(bào)，該報(bào)警器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可利用小電流驅(qū)動(dòng)大功率報(bào)警器。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

火焰光具有近紅外波長，可用紅外接收二極管來進(jìn)行測量。當(dāng)火焰光照射到紅外接收管PN結(jié)上時(shí)，受到一連串具有能量的光子的轟擊，PN結(jié)吸收光子能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)，形成光電流并改變紅外接收二極管的正極電位，從而驅(qū)動(dòng)報(bào)警器工作。

■1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 紅外接收二極管

紅外接收二極管是將紅外線光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，工作在反向電壓下，它的核心部件是一個(gè)特殊材料的PN結(jié)，紅外接收二極管的PN結(jié)被設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，可以直接受到光的照射。

沒有光照時(shí)，由于紅外接收二極管反向偏置，所以反向電流很小，稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)合適波長的光照射在紅外接收二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時(shí)，原子中的電子吸收光子的能量，能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，稱為光生載流子。

光照增強(qiáng)，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，在外加的反向電壓的作用下，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，從而產(chǎn)生反向電流電流（稱為光電流），光電流與照度成正比。

1.1.2 Arduino Uno微處理器

Arduino Uno微處理器是一個(gè)開放原始代碼的軟硬件平臺(tái)，構(gòu)建于開放原始碼simple I/O界面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境，體積小巧，功能強(qiáng)大。

Arduino Uno該系統(tǒng)包括硬件（Arduino電子板） 和軟件（Arduino IDE）兩部分，硬件部分可以用來做電路連接的Arduino電路板；軟件部分則是Arduino IDE，是軟件開發(fā)環(huán)境，在IDE中編寫程序代碼，并將程序上傳到Arduino Uno微控制器，Arduino Uno微控制器根據(jù)信號(hào)的變化做出相應(yīng)的程序處理。

Arduino Uno由13個(gè)Digital I/O 數(shù)字輸入/輸出端口和6個(gè)Analog I/O 模擬輸入/輸出端口，支持5V 直流電壓輸出和3.3V 直流電壓輸出。

1.1.3 繼電器

繼電器是電控制開關(guān)，當(dāng)輸入電流達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，內(nèi)部線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)，吸引內(nèi)部觸點(diǎn)開關(guān)從常閉端打向另一端，使其連接的電路閉合導(dǎo)通；當(dāng)輸入電流小于規(guī)定要求時(shí)，內(nèi)部線圈電磁感應(yīng)消失，內(nèi)部觸點(diǎn)開關(guān)打向常閉端，使其連接的電路斷開。繼電器常用于控制電路中，可用小電流去控制大電流工作。

1.1.4 硬件電路

所需元器件：紅外接收二極管、Arduino Uno控制板、大功率報(bào)警器、繼電器、二極管、三極管、2.2K和10K電阻、電路板、導(dǎo)線。

紅外接收二極管在電路中反向鏈接，將紅外二極管的負(fù)極接到5V端口，正極連接10KΩ的電阻，電阻的另一端連接GND，在二極管與電阻之間接一根導(dǎo)線接到模擬端口A1上，來讀取火焰的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

大功率報(bào)警器通過繼電器與D7接口相連，并根據(jù)D7接口的輸出來控制報(bào)警器的通斷。

當(dāng)有火焰光時(shí)，紅外接收二極管感知到火焰光，把火焰光的亮度轉(zhuǎn)換電信號(hào)，并輸入到Arduino Uno微處理器，數(shù)字端口D7輸出高電平信號(hào)，三極管導(dǎo)通，繼電器工作，從而驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。

硬件電路如圖1所示。

■1.2 軟件設(shè)計(jì)

在Arduino IDE中編寫程序代碼，并將程序上傳到Arduino Uno電路板，Arduino Uno通過模擬口1采集火焰光數(shù)據(jù)，并處理成字節(jié)數(shù)據(jù)，通過串口輸出到電腦上，可在串口助手看到結(jié)果，如果濃度高于預(yù)定值，則輸出信號(hào)來控制固態(tài)繼電器閉合和斷開進(jìn)而驅(qū)動(dòng)報(bào)警器工作。程序如下：

圖1 硬件電路圖

2.測試結(jié)果

當(dāng)有火焰靠近時(shí)，紅外接收二極管感知到火焰光，把火焰光的亮度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，模擬1口讀入并輸入到Arduino Uno微處理器，數(shù)字端口D7輸出高電平信號(hào)，三極管導(dǎo)通，繼電器工作，報(bào)警器開始報(bào)警。

3.結(jié)論

本文結(jié)合紅外接收二極管和Arduino UNO控制器設(shè)計(jì)了火焰報(bào)警器，該報(bào)警器可以用小電流去控制大功率報(bào)警器工作，具有精度高、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。

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