基于微控制器的客車火災報警系統

摘 "要： 在此介紹一種以微控制器Spce061A為核心的公交車火災報警系統。該系統采用靈敏度，高可靠性好的烴類氣體濃度傳感器來探測可燃氣體。采用濃煙傳感器和火焰傳感器的組合來探測火災信號。可燃氣體濃度傳感器的數據通過微控制器以無線傳輸的方式送到控制中心由駕駛員觀察分析，可以排除其他原因引起的虛警。當煙霧和火焰傳感器發現火災信號以后迅速發出報警信號，同時啟動破窗器打破車窗玻璃疏散乘客，啟動滅火器撲滅火焰。該系統功能完善，反應速度快，可以快速識別汽油等可燃氣體，迅速撲滅可燃油氣體引發的火災，漏警與誤警率低。其硬件成本低，工作可靠性好，器件壽命長。系統維護維修方便， 升級擴展簡單。能夠滿足當前我國城市公交系統迫切的安全要求。

關鍵詞： Spce061A; 氣體濃度傳感器; 濃煙傳感器; 火災探測

中圖分類號： TN919?34; TP36 " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）06?0074?04

Bus?mounted fire alarm system based on MCU

LI Hua?yang

（Nanyang Normal University， Nanyang 473061， China）

Abstract： A bus?mounted fire alarm system taking MCU Spce061A as its core is introduced in this article. The hydrocarbon gas concentration sensor with high sensitivity and high reliability is adopted in the system to detect "combustible gas. The combination of smoke sensor and flame sensor is used to detect fire signal. The data from hydrocarbon gas concentration sensor is sent to the control center in wireless transmission mode through MCU "for observation and analysis of driver， which can avoid the 1 alarm caused by other factors. The system give out the "alarm signal when the fire signal is detected by smoke sensor and flame sensor. At the same time， the window broker is started to break the window glasses and guide the passengers to get away from the bus， and the fire extinguisher is started up. The system has perfect function and "fast reaction speed， can recognize fuel gas and put out the fire caused by gas. It has low 1 alarm rate and missing alarm， low hardware cost， high working reliability and long lifetime. The system’s maintenance and repair is convenient， and its expansion and upgrade are simple. The design can meet the urgent safety requirements of urban public transport system.

Keywords： Spce061A; gas concentration sensor; smoke sensor; fire detection

0 "引 "言

近年來，我國多次發生城市公交客車上人為縱火或者乘客攜帶的違禁易燃品燃燒引發的重大人員傷亡事件。由于我國城市交通中公交客車擔負著繁重的客運任務，人員十分擁擠，加上沒有隨車配置車內自動化運行的危險品探測報警與滅火系統，發生火災時常常導致極其嚴重的人員傷亡。

基于車上空間與成本的原因，目前不可能在客車上安裝通常安裝在車站與機場的危險品檢測設備，因此對于危險品難以提前檢測和發現，導致不法分子縱火陰謀屢屢得逞。目前，我國公交車只配備了安全錘、手提式滅火器，部分車輛配備了視頻監視器及保護發動機艙的超細干粉滅火裝置，但這些安全措施并不能解決車輛車廂內發生爆燃時火勢在短時間內迅速蔓延、乘客難以疏散難以逃生的問題。要從根本上解決這一問題，必須研發適用于公交車的、對人體無害的高效探測報警與滅火系統。

為了能夠及時發現危險品，盡可能減小危害，需要在客車上面及時探測到犯罪分子攜帶的汽油等易燃品，并且在其剛剛打開容器時就能夠探測到，或者剛剛點燃時能夠及時撲滅。本文介紹了一種基于微控制器的客車防火報警系統，能夠在汽油等易燃品開始揮發和剛剛點燃時就探測到，并且及時啟動自動化的滅火系統將其撲滅，從而大大減少無辜人員的傷亡。

1 "系統實現的功能

客車防火報警系統的要求是能夠及時發現、快速識別易燃氣體和火源同時避免漏警和誤警，還要能夠迅速疏散乘客和啟動滅火器。為滿足要求，本系統采用微控制器作為控制核心，多種新型高速高靈敏度傳感器相互配合來探測可燃油氣體，采用固定安裝在車頂的多部新型滅火器撲滅火焰，同時還采用自動破窗器在緊急情況下疏散乘客。

本系統采用了凌陽微控制器SPCE061A作為控制中心，2M010汽油傳感器，MQ?2型煙霧傳感器，IR3S?A三頻紅外火焰探測器作為傳感器，可以采用各種新型自動化車載滅火器。

微控制器運行期間，一旦發現有報警信號，馬上以語音提醒客車駕駛員“車廂某部位發現汽油” 、“某部位發生火災”等突發情況，同時啟動車頂的懸掛式滅火器朝著發現高濃度汽油或火焰的地方噴射滅火劑。這樣可以避免滅火劑噴到沒有汽油的地方引起混亂阻礙逃生。在噴射滅火劑的同時，為了盡快疏散車上乘客，本系統設計了自動打碎車窗玻璃的功能，在車窗玻璃的薄弱位置安裝自動破窗器，如果火焰沒有被及時撲滅，即可自動啟動自動破窗器擊破車窗玻璃，同時發出語音提示，告訴驚慌失措的乘客從此出口逃生。為了避免跳出窗戶的乘客被后面的車輛誤傷，系統會自動打開車輛的緊急燈提醒后面車輛避開。

2 "硬件設計

本系統包括總控制臺和3～4個工作單元，每個單元包括1個凌陽微控制器，2～3個配備吸氣風扇的汽油傳感器，4個火焰探測器，2個煙霧傳感器與2個滅火器，電動破窗器及語音報警喇叭等 ，作為核心的微控制器電路板安裝在公交車頂部，硬件設計功能模塊如圖1所示。

lt;E：＼王芳＼現代電子技術201506＼現代電子技術15年38卷第6期＼Image＼02t1.tifgt;

圖1 硬件設計功能模塊圖

配備的多個傳感器與滅火器均勻安裝在車廂頂部的合適部位，與微控制器電路通過信號線連接，為了能夠盡可能提前發現汽油泄漏，每個工作單元可以在靠過道的座椅上另外布置1個汽油傳感器，力求能夠實現完全覆蓋整個車廂。從而提高了探測的反應速度，大大減少了探測盲區，為及時發現危險火源和滅火爭取了寶貴時間。不同種類的傳感器組合使用可以減少漏報和誤報情況。

系統有一個安裝在駕駛員儀表板上的總控制臺。每個單元的微控制器通過NRF905無線收發模塊與總控制臺進行信號聯系。

當某個工作單元傳感器發現異常情況時，報告總控制臺，駕駛員可以立即判斷情況，開啟車輛緊急雙閃燈，并且迅速把車輛減速停靠到安全地帶。

采用凌陽SPCE061A微控制器的優點是中斷功能強大，對傳感器信號的反應速度快，語音處理能力比較好，數據處理能力比較強，容易與車載通信系統連接，也容易同時接收多種類型傳感器的信號，能夠同時控制各種滅火設備與破窗逃生設備，也有利于在將來對系統進行傳感器改進與功能擴展[1]。2M010型汽油氣體傳感器體積小，價格比較低廉， 對油氣氣體有極高的靈敏度，同時具有良好的重復性和長期的穩定性，能夠滿足大規模安裝與長期使用的要求[2]。

MQ?2型傳感器對汽油等可燃氣體燃燒產生的煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感[3]。A710/IR3三頻紅外火焰探測器體積小，價格低，工作穩定，探測角度范圍廣，探測靈敏度高，信號輸出方便[3]。

2M010汽油傳感器的長期穩定性曲線如圖2所示，2M010型汽油傳感器特性曲線如圖3所示。

lt;E：＼王芳＼現代電子技術201506＼現代電子技術15年38卷第6期＼Image＼02t2.tifgt;

圖2 2M010汽油傳感器的長期穩定性曲線

3 "電路的連接與工作過程

系統將各個傳感器連接于微控制器的I/O口，其中，汽油傳感器連接在A0口，把測得的汽油濃度數值轉換為數字值以后送給CPU， 火焰探測器接于B2口，作為微控制器的外部中斷源1，煙霧傳感器連接于B3口作為微控制器的外部中斷源2，系統利用中斷方式發出警報，大大提高了對火情的反應速度[4]。

lt;E：＼王芳＼現代電子技術201506＼現代電子技術15年38卷第6期＼Image＼02t3.tifgt;

圖3 2M010型汽油傳感器特性曲線

考慮到有些情況下可能發生虛警，例如車上有人抽煙用打火機點煙，或者路過加油站附近等區域，空氣中汽油濃度比較高。因此系統需要根據不同的汽油濃度進入不同的報警級別，采取不同的報警措施，避免錯誤觸發滅火器。系統啟動以后，通過汽油傳感器，隨時報告汽油濃度數值并且顯示在主控臺的顯示器上面，當汽油濃度超出100 ppm（電壓值約1.5 V）時，立即發出語音報警信號，鎖定汽油濃度超標的區域。駕駛員通過車載廣播提醒乘客，詢問是大家否發現有人攜帶和釋放易燃液體，提醒乘客準備停車疏散。濃度超出500 ppm（電壓值約2.5 V）時，立即停車并且指揮乘客下車疏散。如果汽油濃度迅速增加，特別是煙霧傳感器與火焰探測器已經發現煙霧與火焰，則系統立即鎖定發生火焰煙霧的區域啟動滅火器撲滅火焰，并且迅速疏散乘客，如果此時火焰太大，滅火器無法迅速撲滅，人員已經無法從車門逃生，則可以由駕駛員手動或者由工作單元的微控制器自動發出指令啟動自動破窗器，打碎車窗，通過語音提示，引導乘客從車窗逃生[5]。

4 "工作單元的軟件設計

本系統源程序分為主程序和外部中斷服務程序。主程序執行系統初始化和汽油濃度檢測與傳輸，以及濃度超標時的報警任務，當濃度超標時發出報警信號;兩個外部中斷服務程序方便執行發現煙霧與火焰時的快速報警任務。本方案所用的程序采用匯編語言與C語言混合編寫，對于底層的驅動程序，采用匯編語言進行編程，對外給出C語言的調用接口;采用模塊化程序設計的方法進行編程，有利于各個模塊的升級、維護[6]。主程序與中斷服務程序的流程圖如圖4、圖5所示。

include \"SPCE061.H\"

int main（）

{

//設置A0?A7口為帶下拉電阻的輸入口，A8??A15為輸出口

Set_IOA_Dir（0x0000）;Set_IOA_Attrib（0x0000）;Set_IOA_Data（0x0000）;

//設置B0，，B1口為輸出口，B2，B3帶下拉電阻的輸入口，

Set_IOB_Dir（0x0000）;Set_IOB_Attrib（0x0000）;Set_IOB_Data（0x0000）;

*P_INT_Ctrl=C_IRQ3_EXT1; " " " " //打開 IRQ3_EXT1 中斷

*P_INT_Ctrl=C_IRQ3_EXT2; " " " " "http://打開 IRQ3_EXT2中斷

__asm（\"INT IRQ\"）; " " " " " " " " " " " " " " " " " 打開IRQ中斷

while（1）

{*P_Watchdog_Clear = C_WDTCLR;清除看門狗}

unsigned int AD（void）;

void Sent_SIO_Data（void）;

//濃度數據通過A0口進行A/D轉換以后送給無線傳輸模塊

…

*P_ADC_MUX_Ctrl=C_ADC_CH1;

//LINE_IN輸入口為IOA0口

*P_ADC_Ctrl= C_ADCE; " " " " " " " " " " " " //允許ADC轉換

uiData=*P_ADC_LINEIN_Data; " " " " " " " " //ADC轉換開始

uiData=0;

uiData = AD（）;

fVoltage=（float）uiData/0xffc0*3.3;

if（uiDatagt;0x745E）;

//是否大于1.5 V，是，則發出報警信號，發送濃度數值

*P_IOA_Data = 0x8000; " " " " " " " " //從A15發出報警信號

unsigned int "Sent_SIO_Data（void）; " " " " " " //發送濃度數值

else if（uiDatagt;0xC000）//是否大于2.5 V，是則從A14啟動滅火器，從A13啟動破窗器

*P_IOA_Data = 0xE000;

Delay（）; " " " " " " " " " " " " //延時

*P_Watchdog_Clear = 0x0001; " nbsp; " " " " //清看門狗操作

}

unsigned int AD（void）

{

unsigned int uiData;

while（！（*P_ADC_MUX_Ctrlamp;0x8000））; //等待ADC 轉換完成

uiData=*P_ADC_LINEIN_Data;

return（uiDataamp;0xffc0）;

}

外部中斷服務子程序代碼如下：

.TEXT

.PUBLIC _IRQ3

_IRQ3：

INT OFF

PUSH R1，R5 TO [SP] " " " " " " " " " " " " " " " " "http://現場保護

R1=0x0100

TEST R1，[P_INT_Ctrl] " " " " " " " //比較是否為IRQ3_EXT1

JNZ L_Irq3_Ext1 " " " " " " " " " " "http://是，則轉至對應程序段;

R1=0x0200

TEST R1，[P_INT_Ctrl] " " " "http://否，則比較是否為IRQ3_EXT2

JNZ L_Irq3_Ext2 " " " " " " " " " " " //是，則轉至對應程序段;

L_Irq3_Key： " " " " " " " " " " " " " " "http://否，則進入鍵喚醒中斷

GOTO L_Exit_INT;

L_Irq3_Ext2： " " " " " " " " " " " " " " " " " " "http://進入外部中斷2

R1=0x8000

[P_IOA_Data]=R1 " " " " " " " " " " " " "http://從A15發出報警信號

GOTO L_Exit_INT;

L_Irq3_Ext1： " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " //外部中斷1

R1=0xE000

[P_IOA_Data]=R1 " " " //從A14啟動滅火器，A13啟動破窗器

R1 = 0x0100

[P_IOA_Data]=R1 " " " //從A14啟動滅火器，A13啟動破窗器

R1 = 0x0100

L_Exit_INT：

[P_INT_Clear]=R1

pop R1，r5 from [sp] " " " " " " " " " " nbsp; " " " " " " " " //現場恢復

INT IRQ，FIQ

RETI

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圖4 主程序流程圖

5 "系統的定期維護檢測

考慮到公交車的使用非常頻繁，系統長期使用以后，可能有些傳感器或者電路線路發生污損、氧化等故障，因此需要定期進行檢測。檢測的方法簡單，定期在車廂的不同部位，特別是傳感器下方附近釋放少量汽油，觀察工作單元是否能夠及時檢測到并且發出報警與滅火控制信號。

lt;E：＼王芳＼現代電子技術201506＼現代電子技術15年38卷第6期＼Image＼02t5.tifgt;

圖5 中斷服務程序流程圖

6 "測試結果

本系統在模擬公交車車廂內進行多次測試，打開吸氣風扇以后，在不同部位潑灑汽油，系統能夠在3 s之內準確地發現汽油并且1秒鐘之內啟動報警器，在發現濃煙或火焰2 s之內啟動火源所在位置的滅火器，在5 s內撲滅火焰。當汽油濃度比較低的時候，系統只顯示濃度數值提醒駕駛員去詢問情況，不啟動滅火器和破窗器。因此可以避免誤報警的情況。

7 "該系統具有以下特點

（1） 根據公交車上乘客非常擁擠的實際情況，采用多種新型傳感器一起工作，系統反應速度快， 并且避免了漏警、誤報和誤噴滅火劑的情況;

（2） 采用無線傳輸模塊向主控臺傳輸汽油濃度數據，駕駛員可以根據數據及時排查是否有人攜帶易燃品的情況，便于排除虛警和及時停車疏散乘客。

（3） 汽油傳感器與煙霧傳感器配備有一個吸氣風扇，風扇從車廂里抽取空氣送給傳感器，相比汽油等易燃氣體通過自然對流的方式擴散到傳感器的位置，主動吸氣方式提高了對氣體的反應速度。對于每一秒鐘都意味著死亡或者逃生的滅火系統來說，這樣的設計大大提高了發現火情的速度。

（4） 系該統具有很大改進潛力，如果采用可以自動調整滅火器噴頭對準火苗噴射的紅外線控制裝置，可以在更短時間內撲滅火焰。

參考文獻

[1] 凌陽科技.凌陽16位微控制器開發實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[2] 陳有卿，謝剛.新穎電子模塊應用手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3] 趙家貴，付小美.新編傳感器電路設計手冊[M].北京：中國計量出版社，2002.

[4] 陳海宴，呂江濤，李瑞.凌陽16位微控制器經典實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[5] 羅亞非.凌陽16位微控制器應用基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[6] 李曉白.凌陽16位微控制器C語言程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.