李明澤 李濤 胡凱

摘 ?要： 糧倉(cāng)火災(zāi)事故會(huì)帶來難以估量的經(jīng)濟(jì)損失，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，設(shè)計(jì)低成本的“糧倉(cāng)防火”系統(tǒng)顯得十分必要且意義重大。現(xiàn)在很多火災(zāi)報(bào)警器都是為一些大型建筑而研發(fā)的，諸如“糧倉(cāng)”這種關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重要場(chǎng)所的防火系統(tǒng)卻略顯陳舊。利用單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)和研發(fā)一種低成本、高可靠性、具有較高效率的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具備可行性。本文以STC89C52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一種基于溫度、煙霧檢測(cè)的糧倉(cāng)智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)使用煙霧傳感器、溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)內(nèi)的煙霧濃度和溫度，通過LCD液晶顯示器顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)報(bào)警器經(jīng)過信號(hào)采集模塊采集信號(hào)后把采集結(jié)果傳送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)判定，如果超過設(shè)定閾值，則實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，否則繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī);煙霧濃度傳感器;溫度傳感器;火災(zāi)報(bào)警器

中圖分類號(hào)： TP368.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.008

本文著錄格式：李明澤，李濤，胡凱，等. 基于52單片機(jī)的智能糧倉(cāng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2019，40（5）：3841

【Abstract】： With the increasing frequency of fire accidents， many people realize the importance of fire prevention. Many fire alarms are now developed for large buildings， but there are few flammable and important places like granaries. Therefore， it is necessary to develop an economical， simple and efficient intelligent fire alarm detection system. In this paper， an intelligent fire alarm system for granary based on temperature and smoke detection is designed with STC89C52 microcontroller as the core. The system can monitor the temperature and smoke signal of the granary in real time with temperature sensor and smoke sensor， and display the concentration on LCD. After the alarm acquires the signal through the signal acquisition module， it transmits the acquisition result to the single-chip microcomputer for data determination. If the set threshold value is exceeded， the acousto-optic alarm will be realized; otherwise， the detection will continue.

【Key words】： MCU; Smoke concentration sensor; Temperature sensor; Fire alarm

0 ?引言

在人類生活逐步進(jìn)入現(xiàn)代化的今天，火災(zāi)仍舊是威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全的重要危害之一[1-2]。采用已有的成熟技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警、將成熟的技術(shù)應(yīng)用到面臨火災(zāi)威脅卻還未曾建立預(yù)警系統(tǒng)的領(lǐng)域是單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)者們需要重點(diǎn)關(guān)注的問題[3]。利用基于單片機(jī)的智能糧倉(cāng)火災(zāi)報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)，在火災(zāi)發(fā)生的初期發(fā)現(xiàn)火情，控制火情，將火災(zāi)造成的損失降到最低[4]。本系統(tǒng)可安裝在糧倉(cāng)等重要的場(chǎng)所，采用煙霧濃度傳感器以及溫度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)煙霧濃度和實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果通過線路不斷反饋給MCU，由MCU控制器處理接收到的信號(hào)，并通過提前設(shè)定的閾值判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到火情時(shí)，有MCU控制器發(fā)送控制信號(hào)給聲光報(bào)警模塊，進(jìn)而觸發(fā)聲光報(bào)警。系統(tǒng)具有顯示煙霧濃度、顯示實(shí)時(shí)溫度、自行診斷故障、延時(shí)報(bào)警;報(bào)警閾值參數(shù)設(shè)置等功能。系統(tǒng)通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、便于部署、智能化等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由MCU模塊、溫度傳感器、煙霧濃度傳感器、LCD液晶顯示模塊、聲光報(bào)警模塊組成。系統(tǒng)通過溫度傳感器監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)溫度、通過煙霧濃度傳感器探測(cè)煙霧濃度，并將具體的監(jiān)測(cè)結(jié)果送入A/D芯片進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換后的信號(hào)再送入MCU控制邏輯單元進(jìn)行判斷，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在LCD1602液晶顯示模塊中。系統(tǒng)一旦監(jiān)測(cè)到煙霧濃度或?qū)崟r(shí)溫度超過了預(yù)先設(shè)定的閾值，就會(huì)通過MCU向聲光報(bào)警模塊發(fā)送控制信號(hào)，進(jìn)一步觸發(fā)聲光報(bào)警系統(tǒng)，向用戶發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?主機(jī)模塊

STC89C52是一種帶有8KB可編程存儲(chǔ)芯片的8位MCU，功耗低。STC89C52具有以下功能標(biāo)準(zhǔn)：RAM大小為256KB，32位I/O口線[5-6]。STC89C52可下降到0HZ靜態(tài)邏輯操作。

2.2 ?煙霧濃度傳感器模塊

該模塊采用MQ-2煙霧濃度傳感器。該傳感器采集的煙霧濃度信號(hào)屬于模擬信號(hào)[7-8]，由于MCU難以處理模擬信號(hào)，因此還需要引入A/D轉(zhuǎn)換模塊。系統(tǒng)通過ADC0832芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后再送入MCU進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換中，系統(tǒng)將煙霧濃度傳感器模塊的輸出信號(hào)接入到ADC0832芯片的通道0上進(jìn)行轉(zhuǎn)換;單片機(jī)的P12，P13以及P15連接ADC0832芯片的通信管腳，通過這些連接設(shè)置即可完成煙霧濃度數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換。電路連接如2圖所示。

2.3 ?溫度傳感器模塊

本系統(tǒng)采用的DS18B20溫度傳感器適應(yīng)比較寬泛的電壓范圍，對(duì)空氣溫度的敏感性高，不會(huì)產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)[9]。DS18B20溫度傳感器芯片可直接輸出串行數(shù)字信號(hào)，供核心控制模塊處理，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的接口信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。

2.4 ?LCD液晶模塊

單片機(jī)系統(tǒng)雖然不能提供強(qiáng)大的顯示功能，但是對(duì)于基本信息的顯示還是能夠勝任。LCD1602是工程中常見的液晶顯示模塊，具備顯示通用字符的功能，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字和通用字符等信息的顯示[10]。該模塊具有易于控制、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)界應(yīng)用廣泛。本系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示模塊顯示現(xiàn)場(chǎng)煙霧濃度以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)溫度信息。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置也用到了LCD1602液晶顯示模塊。具體電路如圖3所示。

2.5 ?聲光報(bào)警模塊

對(duì)人類而言，聲音信號(hào)和強(qiáng)光信號(hào)是絕好的報(bào)警信號(hào)。大多數(shù)的報(bào)警系統(tǒng)也都采用聲光報(bào)警以引起人們的注意，以及時(shí)阻止災(zāi)情蔓延、將經(jīng)濟(jì)損失降到最低。本系統(tǒng)所采用的聲光報(bào)警電路，聲音報(bào)警器采用常用的蜂鳴器，因?yàn)橄到y(tǒng)要發(fā)出較大的聲音就需要較大的電流。而單片機(jī)在其I/O端口提供的電流無法直接驅(qū)動(dòng)它運(yùn)作，放大電路用三極管實(shí)現(xiàn)，模塊電路如圖4所示。

2.6 ?按鍵輸入模塊

在單片機(jī)系統(tǒng)中，按鍵電路常用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)或進(jìn)行系統(tǒng)控制。本系統(tǒng)在使用過程中，用戶通過按鍵將系統(tǒng)參數(shù)（溫度閾值、煙霧濃度閾值）鍵入系統(tǒng)，MCU在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程中將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)與設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，一旦實(shí)時(shí)信號(hào)超過了設(shè)定閾值后就會(huì)觸發(fā)報(bào)警。本系統(tǒng)僅采用4個(gè)按鍵，分別是緊急報(bào)警鍵、數(shù)據(jù)增加鍵、數(shù)據(jù)減少鍵以及系統(tǒng)設(shè)置鍵。當(dāng)我們?cè)谏钪杏龅骄o急情況的時(shí)候，便可以迅速按下按鍵之中的緊急報(bào)警鍵，在這個(gè)時(shí)候蜂鳴器就會(huì)報(bào)警。按鍵控制電路的電路圖如圖5所示。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?主控程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于面向過程程序設(shè)計(jì)思想、采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過主程序調(diào)用各子程序模塊完成各項(xiàng)功能。系統(tǒng)子程序模塊包括煙霧濃度傳感器模塊子程序、DS18B20溫度傳感器模塊子程序、聲光報(bào)警模塊子程序。程序剛剛啟動(dòng)時(shí)，首先啟用煙霧濃度傳感器和溫度傳感器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)煙霧濃度以及實(shí)時(shí)溫度信號(hào);信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳入MCU進(jìn)行信號(hào)分析;從而判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。主控程序流程圖如圖6所示。

3.2 ?煙霧濃度傳感器程序設(shè)計(jì)

在程序開始以后，煙霧濃度傳感器首先對(duì)環(huán)境煙霧濃度信息進(jìn)行采集，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，當(dāng)煙霧濃度超過系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的閾值后，MCU向聲光報(bào)警模塊發(fā)送控制信號(hào)，進(jìn)一步觸發(fā)聲光報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。程序流程圖如圖7所示。

3.3 ?溫度傳感器程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在初始化完畢主控程序后，便啟動(dòng)溫度傳感器子程序，以控制溫度傳感器實(shí)時(shí)獲取周圍環(huán)境溫度;之后將溫度信號(hào)送入MCU，MCU將實(shí)時(shí)溫度信號(hào)與事先設(shè)定的溫度閾值進(jìn)行比較，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)溫度超過設(shè)定閾值后就向聲光報(bào)警模塊發(fā)送控制信號(hào);進(jìn)一步觸發(fā)聲光報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。程序流程圖如圖8所示。

4 ?結(jié)論

在糧食倉(cāng)庫(kù)這種比較重要的場(chǎng)所，防范火災(zāi)是重中之重。本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為主控制器，使用ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，LCD1602顯示屏，煙霧、溫度傳感器等元件設(shè)計(jì)了智能糧倉(cāng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)的火災(zāi)發(fā)生時(shí)的各種屬性，滿足火災(zāi)報(bào)警的制作要求，并且系統(tǒng)成本比較低廉、制作操作簡(jiǎn)便，很好的實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)報(bào)警的功能，具有較好的應(yīng)用和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 靳晶. 基于單片機(jī)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 山東工業(yè)技術(shù)， 2019（03）： 137.

[2] 商昌吉. 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J]. 山東工業(yè)技術(shù)， 2017（24）： 132+145.

[3] 楊彥偉， 雒志秀， 鄭肖宇， 等. 基于STM32 芯片的樓宇火災(zāi)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)[J]. 軟件， 2015， 36（8）： 117-120

[4] 張二江， 遲瀟瀟， 肖亞鐵. 基于Android 平臺(tái)的實(shí)時(shí)隱秘報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件， 2015， 36（4）： 28-32

[5] 李瑞福. 基于單片機(jī)AT89C51 的一氧化碳濃度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)[J]. 軟件， 2015， 36（9）： 106-108

[6] 丁月林. 基于STM32 的低功耗溫濕度采集器實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件， 2015， 36（5）： 84-88

[7] 陳曉燕， 姚高偉， 張?chǎng)H， 等. 基于遺傳算法的無線傳感器節(jié)點(diǎn)定位在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用[J]. 軟件， 2015， 36（4）： 1-5

[8] 魯西坤， 鞏銀苗， 徐帥， 侯凡博， 姬鵬飛. 基于單片機(jī)的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)試， 2018（Z1）： 7-9+131.

[9] 包航， 仲毅， 蔡長(zhǎng)安， 陳德進(jìn)， 胡文濤. 基于單片機(jī)的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 福建電腦， 2017， 33（09）： 12+19.

[10] 錢發(fā)飛， 鄭育鵬. 基于單片機(jī)的無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 高師理科學(xué)刊， 2017， 37（07）： 42-48+55.