許莉娟 孫辰 陰世杰 曹雨婷
基金項(xiàng)目:鹽城工學(xué)院教改研究課題(JYKT2019A032);鹽城工學(xué)院教改研究課題(JYKT2019B064)
摘要:隨著汽車的普及,汽車火災(zāi)事故也不斷增加,但傳統(tǒng)的汽車火災(zāi)探測方式使用單一傳感器對單一物理量進(jìn)行檢測,決策機(jī)制單一,存在較高的誤報(bào)率和漏報(bào)率,錯過了最佳的撲火時間。為了避免火災(zāi)和減少火災(zāi)造成的損失,首先確定了汽車火災(zāi)探測特征量主要包括溫度、煙霧和一氧化碳,然后基于多種傳感器和STM8S單片機(jī),設(shè)計(jì)了汽車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有汽車火災(zāi)特征量采集、顯示、報(bào)警和自動破窗的功能。
關(guān)鍵詞:汽車火災(zāi);STM8S;報(bào)警;自動破窗
中圖分類號:U462.2? 收稿日期:2024-01-12
DOI:1019999/jcnki1004-0226202405020
1 前言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,汽車作為現(xiàn)代化交通工具日益普及,由于汽車中電子控制系統(tǒng)的不斷增加、可燃裝飾性材料使用增多等原因,汽車火災(zāi)近幾年一直呈逐漸上升趨勢,因此研究汽車火災(zāi)具有一定的價(jià)值和社會意義。國內(nèi)外學(xué)者對于汽車火災(zāi)報(bào)警技術(shù)的研究取得了一定的成果,研發(fā)制造出了一系列的預(yù)防報(bào)警及滅火系統(tǒng)[1-2]。
文獻(xiàn)[3-6]基于單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了汽車火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng),火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)雖然有一定程度的智能化,但是仍存在一些缺陷。一方面,火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對火災(zāi)特征參數(shù)的檢測不夠,僅限于對煙霧和溫度進(jìn)行檢測;另一方面,火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)大多基于傳統(tǒng)的51單片機(jī),設(shè)計(jì)時需要增加模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,增加了成本,且對火災(zāi)進(jìn)行了探測和聲光、無線通信報(bào)警,未對火災(zāi)發(fā)生后的措施進(jìn)行完善。
因此在上述研究基礎(chǔ)上,本文基于STM8S單片機(jī)設(shè)計(jì)并完善了汽車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。首先制定了總體設(shè)計(jì)方案,接著從硬件和軟件兩個方面對該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相比,本文設(shè)計(jì)的汽車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)火災(zāi)判斷更科學(xué)、準(zhǔn)確,可靠性更高。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
汽車火災(zāi)發(fā)生時,會產(chǎn)生大量的濃煙和CO,散發(fā)出光和熱導(dǎo)致車內(nèi)溫度急劇升高。基于這些特點(diǎn),通過檢測現(xiàn)場煙霧濃度、環(huán)境溫度以及煙霧中CO濃度能夠有效檢測災(zāi)情的發(fā)生,從而有能力在火災(zāi)源頭發(fā)生時,達(dá)到報(bào)警并進(jìn)一步消滅火災(zāi)的目的。本文所設(shè)計(jì)的汽車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)硬件組成主要包括單片機(jī)、煙霧溫度CO傳感器、液晶顯示器、按鍵、聲光報(bào)警模塊和自動破窗模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)通過溫度傳感器檢測現(xiàn)場環(huán)境溫度,煙霧傳感器檢測煙霧濃度,一氧化碳傳感器檢測煙霧中CO的濃度;系統(tǒng)設(shè)置按鍵用于設(shè)定溫度、煙霧濃度、CO濃度的報(bào)警閾值;通過液晶顯示屏實(shí)時顯示檢測值和閾值。
系統(tǒng)的工作原理:通過溫度、煙霧、CO傳感器不間斷地實(shí)時檢測汽車所處環(huán)境的溫度、煙霧濃度和煙霧中CO的濃度,并將檢測到的三種數(shù)據(jù)值傳送給單片機(jī),通過液晶顯示屏顯示呈現(xiàn),并與預(yù)設(shè)警戒值進(jìn)行比較。若超出警戒值,啟動聲光報(bào)警,若溫度、煙霧濃度、CO濃度值全部超出警戒值,系統(tǒng)自動破窗,便于救援和滅火。
3 硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以STM8S105C6T6單片機(jī)為核心,配合手工復(fù)位電路等構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng),包含溫度、煙霧和CO檢測電路、按鍵電路、液晶顯示電路、聲光報(bào)警電路和自動破窗電路,進(jìn)一步配合軟件編程實(shí)現(xiàn)所需功能。
31 電源轉(zhuǎn)換電路
STM8S105C6T6單片機(jī)的工作電壓為295~55 V,而車載電池為直流電源12 V,故需進(jìn)行直流電源轉(zhuǎn)換,本文采用降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596實(shí)現(xiàn)12 V到5 V的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。
32 STM8S105C6T6單片機(jī)最小系統(tǒng)電路
本系統(tǒng)采用STM8S105C6T6單片機(jī)作為主要控制芯片,STM8S105C6T6是采用LQPF-48封裝的8位微控制器,提供容量為16 K~32 K字節(jié)的Flash程序存儲器,擁有16 MHz CPU時鐘頻率,強(qiáng)大的I/O功能,支持10個通道的模擬信號輸入,10位ADC轉(zhuǎn)換精度,STM8S105C6T6的最小系統(tǒng)電路如圖3所示。
33 煙霧檢測電路
本系統(tǒng)采用靈敏度高、穩(wěn)定性好,性價(jià)比高的MQ-2煙霧傳感器收集煙霧濃度模擬信號,MQ-2煙霧傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SNO2),當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時,傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大,煙霧濃度越大,導(dǎo)電率越大,輸出電阻越低,則輸出的模擬信號就越大。本系統(tǒng)中MQ-2煙霧傳感器檢測到的煙霧濃度信號可直接輸入單片機(jī)的模擬端口,無需增加模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,降低了成本。煙霧檢測電路如圖4所示,只需將傳感器的模擬輸出引腳3與單片機(jī)的PB1/AIN1引腳相連即可。
34 一氧化碳(CO)檢測電路
火災(zāi)現(xiàn)場中煙霧成分主要是CO2和CO,本系統(tǒng)采用MQ-7煙霧傳感器來檢測空氣中的CO濃度,其靈敏度高,反應(yīng)速度快,響應(yīng)時間短,成本廉價(jià)。MQ-7傳感器內(nèi)部有一塊小小的加熱器,通過電流加熱,使得傳感器的工作環(huán)境溫度升高,同時加速氣體分子的運(yùn)動。模塊中的半導(dǎo)體氣敏元件表面涂有一層特殊的金屬氧化物,當(dāng)在特定的溫度下,空氣中的CO氣體與金屬氧化物接觸時,會發(fā)生氧化還原反應(yīng),使得金屬氧化物表面的電阻發(fā)生變化,當(dāng)空氣中的CO濃度增加時,電阻減小,從而輸出一個模擬信號。
MQ-7傳感器共有四個引腳,分別是GND、DOUT、AOUT和VCC。AOUT是模擬輸出引腳,用于輸出模擬信號,一般使用AOUT讀取模塊輸出的模擬信號。本設(shè)計(jì)中只需將MQ-7傳感器的AOUT引腳連接單片機(jī)的模擬通道0,即與PB0/AIN0引腳相連即可。CO傳感器檢測電路如圖5所示。
35 溫度檢測電路
傳統(tǒng)的測溫方法主要依靠一些熱敏電子元器件進(jìn)行溫度采集,比如熱敏電阻等。這種方法存在進(jìn)度低、速度慢、需額外增加ADC轉(zhuǎn)換芯片的缺點(diǎn)。本系統(tǒng)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器,DS18B20溫度傳感器測量范圍為-55-+128 ℃,測量精度高,其體積小,功耗低,可直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳給單片機(jī)處理,因而可以省去傳統(tǒng)的信號放大、A/D轉(zhuǎn)換等外圍電路。本系統(tǒng)將DS18B20的信號輸入輸出端口DQ與STM8S105C6T6單片機(jī)的PC1引腳相連,溫度檢測電路如圖6所示。
36 聲光報(bào)警電路
報(bào)警模塊采用聲光報(bào)警的形式,通過三個發(fā)光二極管和一個蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)。報(bào)警電路如圖7所示。當(dāng)溫度、煙霧濃度、CO濃度檢測值任一值超過警戒值時,對應(yīng)的發(fā)光二極管會閃爍報(bào)警,同時蜂鳴器會報(bào)警。蜂鳴器的報(bào)警采用三極管作為開關(guān)器件,控制蜂鳴器是否發(fā)出聲音,當(dāng)單片機(jī)的PC2引腳發(fā)出一個低電平時,三極管導(dǎo)通,蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音,當(dāng)PC2引腳發(fā)出一個高電平時,三極管截至,蜂鳴器停止發(fā)聲。
37 自動破窗電路
本系統(tǒng)一旦檢測并判斷出溫度、煙霧濃度和CO濃度值全都超出警戒值時,就確定有火災(zāi)發(fā)生,除了產(chǎn)生聲光報(bào)警,提示異常狀態(tài)外,為了減少火災(zāi)損失,增加了自動破窗的功能,自動破窗采用繼電器驅(qū)動電機(jī)來實(shí)現(xiàn),電路如圖8所示。該電路中采用一個三極管作為電路的控制開關(guān),增強(qiáng)線圈中的導(dǎo)通電流。當(dāng)單片機(jī)PC6管腳的輸出低電平時,三極管處于導(dǎo)通狀態(tài),電流通過繼電器線圈,形成一個磁力吸收觸點(diǎn),從而使繼電器能夠接通,驅(qū)動電機(jī)工作,實(shí)現(xiàn)破窗。當(dāng)PC6輸出高電平時,三極管斷開,繼電器不動作,電機(jī)不工作。
38 液晶顯示電路
LCD是目前火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)時比較常用的顯示器件,但因LCD引腳太多,需要耗費(fèi)太多單片機(jī)輸入輸出引腳,還需要提供背光源等,故本文選用OLED液晶顯示器,用于顯示檢測到的溫度、煙霧濃度和CO濃度的值以及所設(shè)置的警戒值。OLED屏幕由有機(jī)發(fā)光二極管組成,能夠提供更高的對比度,每個像素點(diǎn)都能獨(dú)立發(fā)光,不需要背光源,可以實(shí)現(xiàn)各種亮度和顏色的顯示效果,其體積小、功耗低。本系統(tǒng)中選擇4針OLED屏模塊,工作電源一般為33 V或5 V,該模塊有四個引腳,分別是VCC、GND、SCL和SDA,其中SCL是時鐘引腳,用于傳輸數(shù)據(jù)時的時鐘信號,SDA是數(shù)據(jù)引腳,用于傳輸數(shù)據(jù)。OLED顯示模塊與STM8S105C6T6單片連接時,選擇I2C接口,連接方式如圖9所示。
4 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)流程圖如圖10所示。
5 結(jié)語
本文基于STM8S單片機(jī),對汽車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),該系統(tǒng)具有火災(zāi)判斷及時、準(zhǔn)確,可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn):
[1]譚淑梅基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào),2018,28(6):40-41
[2]于嬌洋,王文鑫,唐雪瑩基于STC89C52 單片機(jī)的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]電子制作,2022,30(22):63-65
[3]吳海潮多傳感器信息融合的汽車火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]內(nèi)燃機(jī)與配件,2021(21):212-213
[4]孔慶奎基于單片機(jī)的汽車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[J]數(shù)控技術(shù),2012(6):29-30
[5]楊超基于單片機(jī)的汽車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[J]農(nóng)機(jī)使用與維修,2011(2):73-74
[6]劉偉基于多傳感器融合的汽車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D]銀川:寧夏大學(xué),2019
作者簡介:
許莉娟,女,1983年生,講師,研究方向?yàn)殡S機(jī)系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的魯棒控制及高等教育教學(xué)。