基于STM32火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：在現(xiàn)代社會(huì)，火災(zāi)是普遍發(fā)生的，而且損失也越來越大，人們更加重視對(duì)火災(zāi)的快速預(yù)警?，F(xiàn)在有很多火災(zāi)預(yù)警裝置，以紅外線探測(cè)器和單感應(yīng)器為主，但其易受熱源、陽光等其他因素干擾引起誤報(bào)，且具有靈敏度低的缺點(diǎn)。針對(duì)這種情況，文章設(shè)計(jì)了基于STM32的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，采用紫外線感應(yīng)和煙霧感應(yīng)組合的方式，該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、靈敏度高、探測(cè)方位廣等優(yōu)點(diǎn)，火焰響應(yīng)速度極快，可以探測(cè)185nm-260nm不同狹窄光譜敏感源。該系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣，可以用在倉庫、廠房、家庭等多種場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：STM32；紫外線；煙霧感應(yīng)；自動(dòng)報(bào)警；ADC

1 概述

現(xiàn)代社會(huì)中，火災(zāi)發(fā)生的頻率越來越高，逐漸成為最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會(huì)發(fā)展的主要災(zāi)害之一。因此我們必須將火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，最大限度地減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)的損失，盡可能地減少火災(zāi)及其對(duì)人類造成的危害。由于火災(zāi)的巨大危害，因此報(bào)警器得以應(yīng)運(yùn)而生，報(bào)警器在火災(zāi)報(bào)警方面發(fā)揮著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的報(bào)警器采用紅外線感應(yīng)或者單傳感器檢測(cè)的方式，誤報(bào)率高。針對(duì)這種情況，本設(shè)計(jì)是以Atmel公司的STM32單片機(jī)為主控核心，采用紫外線探測(cè)和QM2煙霧復(fù)合探測(cè)的方式。STM32通過紫外線感應(yīng)和MQ2煙霧感應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境，當(dāng)MQ2探測(cè)到煙霧時(shí)，進(jìn)行預(yù)報(bào)警，當(dāng)紫外線感應(yīng)到火焰時(shí)，STM32通過繼電器控制蜂鳴器響鳴并報(bào)警。這種監(jiān)控系統(tǒng)，功耗低，靈敏度與穩(wěn)定性高，避免了許多誤報(bào)警狀況且應(yīng)用范圍廣泛，可普遍應(yīng)用各種場(chǎng)所。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103RCT6的選用

該芯片為嵌入式32位微控制器，程序存儲(chǔ)器容量256KB，RAM容量為48K最高運(yùn)行速度可72MHz，采用64-LQFP的封裝形式，工作電壓為3.3V，工作溫度-40℃～85℃，達(dá)到工業(yè)級(jí)要求。對(duì)該芯片的設(shè)計(jì)包括芯片供電、配置晶振、配置引腳、設(shè)置復(fù)位功能等，設(shè)計(jì)其連通性能滿足CAN、IIC、SPI、UART/USART、USB 等多種總線及串口通信，多通道的選擇可以為后期的系統(tǒng)優(yōu)化和升級(jí)提供可行性。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用12V直流電源供電，其中12V轉(zhuǎn)5V采用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，其屬于降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的負(fù)載調(diào)節(jié)和線性特性。該器件內(nèi)部具有集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器功能，開關(guān)頻率為150KHz，在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，設(shè)計(jì)輸出電壓的誤差保證在±4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)待機(jī)電流僅為80μA的，可以實(shí)現(xiàn)外部斷電，并且具有一個(gè)兩級(jí)降頻限流保護(hù)和一個(gè)在異常情況下斷電的過溫完全保護(hù)電路。其電路原理如圖1所示。

其中5V轉(zhuǎn)3.3V采用AMS1117開關(guān)電源芯片，AMS1117是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩(wěn)壓電路，其內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最高輸出電流可達(dá)1A，輸出電壓精度高達(dá)2%，溫度范圍：-20℃-120℃。其電路原理如圖2所示。

2.3 MQ2煙霧探測(cè)模塊設(shè)計(jì)

MQ2加熱電壓如果過大會(huì)導(dǎo)致的內(nèi)部信號(hào)細(xì)線被燒斷而無法正常工作，因此需要串聯(lián)一個(gè)電阻分壓。MQ-2采用在空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）為半導(dǎo)體氣敏材料。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧濃度的增加而增大。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與煙霧濃度相對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)，濃度越高輸出電壓越高，通過電路轉(zhuǎn)換控制電壓為0～3.3V，輸入到STM32的ADC引腳進(jìn)行信號(hào)處理。設(shè)計(jì)加熱電壓為5±0.2V（DC），靈敏度大于3dBV，響應(yīng)時(shí)間小于10S，模塊回復(fù)時(shí)間小于30S，模塊功耗小于0.7W，使用壽命為5年。

2.4 火災(zāi)紫外線檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

紫外線檢測(cè)模塊采用R9533紫外線特隆管，可以探測(cè)185nm- 260nm不同狹窄光譜敏感源，模塊的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。該電路作為紫外線特隆管驅(qū)動(dòng)電路，也被用作信號(hào)處理電路。電源采用+12V直流供電，通過恒壓電路轉(zhuǎn)換為+5V通過高壓轉(zhuǎn)換電路升至+350V驅(qū)動(dòng)R9533工作以及為信號(hào)處理電路供電，當(dāng)有紫外線接收到時(shí)會(huì)產(chǎn)生+3.3V的脈沖波，然后通過集電極開路輸出輸入到STM32的ADC引腳進(jìn)行信號(hào)處理。該模塊緊湊、重量輕、低電流消耗。

2.5 報(bào)警模塊

當(dāng)監(jiān)測(cè)到有火情發(fā)生時(shí)STM32會(huì)發(fā)出電壓信號(hào)，三極管8050導(dǎo)通繼而繼電器吸合，使報(bào)警燈電路導(dǎo)通并報(bào)警。其電路原理如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ADC_CR1寄存器的操作

STM32擁有的ADC，可以獨(dú)立使用也可以使用雙重模式（提高采樣率），是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有18個(gè)通道，可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換采用掃描模式執(zhí)行，SCAN位設(shè)置為1。將各傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果以右對(duì)齊方式（ALIGN位設(shè)置為0）存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。模擬看門狗特性允許應(yīng)用程序檢測(cè)輸入電壓是否超出報(bào)警的高/低閥值。寄存器的各位描述如圖5所示。

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件部分的程序設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：MQ2煙霧檢測(cè)程序、紫外線檢測(cè)程序、報(bào)警模塊程序。

MQ2煙霧檢測(cè)程序：MQ2在沒有煙霧狀態(tài)下輸出電壓為0，且電壓值會(huì)隨煙霧濃度的增大而升高。測(cè)試過程中，使用香煙產(chǎn)生的煙霧為檢測(cè)量，設(shè)置一個(gè)閾值。當(dāng)達(dá)到此閾值時(shí)，IO口觸發(fā)中斷，節(jié)點(diǎn)退出休眠狀態(tài)，并向STM32上傳異常狀態(tài)即判斷有煙霧產(chǎn)生，此時(shí)會(huì)預(yù)報(bào)警相應(yīng)指示燈閃爍。

紫外線檢測(cè)程序：紫外線傳感器正常情況下輸出電壓為0V，傳感器輸出電壓會(huì)隨火焰強(qiáng)度的增大而增大。利用紫外線探測(cè)火焰中特定波段的紫外線所發(fā)出的脈沖量及持續(xù)發(fā)生時(shí)間為檢測(cè)量，當(dāng)火焰中特定波段的紫外線所發(fā)出的脈沖量及持續(xù)發(fā)生時(shí)間達(dá)到預(yù)定值時(shí)，喚醒模塊進(jìn)入工作狀態(tài)并向STM32輸出脈沖信號(hào)。

報(bào)警模塊程序：當(dāng)STM32控制器檢測(cè)到火災(zāi)發(fā)生時(shí)，會(huì)向控制繼電器的STM32引腳輸出電壓使繼電器導(dǎo)通，進(jìn)而報(bào)警燈報(bào)警。該模塊實(shí)現(xiàn)了以低電壓控制高電壓的功能。系統(tǒng)的流程圖如圖6所示。

4 測(cè)試

MQ2煙霧監(jiān)測(cè)模塊在無煙的房間內(nèi)，煙霧傳感器測(cè)試的返回值大概在0V左右。點(diǎn)燃香煙距離煙霧50CM左右時(shí)，煙霧傳感器測(cè)試的返回值在2.5V左右，濃煙時(shí)MQ2煙霧傳感器測(cè)試的返回值在3.3V左右。

紫外線傳感器的正常工作電壓在12V，檢測(cè)方式采用蠟燭的火焰，經(jīng)測(cè)量紫外線傳感器最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)距離為16M。測(cè)得紫外線傳感器工作電流為0.025A，報(bào)警電流為0.036A，可得最大功率為0.432W，耗電量低。

以紫外線傳感器的特隆管為零點(diǎn)，以其正面180°內(nèi)進(jìn)行角敏感度測(cè)量，并繪制圖形如圖7所示。從中可以看出傳感器的有效感應(yīng)角度為其正面120°左右范圍。

5 結(jié)束語

通過對(duì)文章中所設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 初步驗(yàn)證了其報(bào)警功能。當(dāng)有煙霧、火焰產(chǎn)生，系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)，啟動(dòng)報(bào)警燈報(bào)警。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、靈敏度高、探測(cè)方位廣、功耗低的特點(diǎn)?；究梢宰C明本火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可行可靠的。

參考文獻(xiàn)

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）[M].高等教育出版社，2001.

[2]周峰.基于單片機(jī)的智能火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)江科技，2014（09）.

[3]肖體成.簡(jiǎn)單易制的火災(zāi)報(bào)警器[J].電子制作，2004（12）.

[4]張閱.基于STC89C52單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山西科技，2013（02）.

[5]王娜麗，李坤.51單片機(jī)火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)報(bào)告[J].電子制作，2014（01）.

[6]劉清平.火災(zāi)報(bào)警器的研究[J].科技廣場(chǎng)，2011（07）.

[7]Adel S. Sedra and Keneth C. Smith. Microelectronic Circuits[M]. 4th ed. New York： Oxford University Press，1988.

[8]張國(guó)雄，李醒飛.測(cè)控電路（第四版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[9]張建民.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[10]鐘炎平.電力電子電路設(shè)計(jì)[M].華中科技大學(xué)出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：張偉（1989，11-），男，漢族，河北工業(yè)大學(xué)，碩士研究生。

段萍（1973，6-），女，漢族，河北工業(yè)大學(xué)，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事智能機(jī)器人方向研究。

丁承君（1973，9-），男，漢族，河北工業(yè)大學(xué)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事移動(dòng)機(jī)器人智能控制、嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究。