基于Arduino的智能溫度報警器設計

繆世坤 趙霄浚 周衡毅 浙江廣廈建設職業技術學院信息與控制工程學院

隨著我國經濟的發展，各種新型材料被廣泛應用于各個生產及生活領域。作為一種新生事物，人民群眾對這些新型材料的材質特點和性能目前尚未完全了解及掌握，這就使得我國的火災事故顯現出頻繁化，嚴重化的趨勢。據統計，我國的火災事故每年約發生10萬起，造成10億多元的直接損失。

1 現行的傳統溫度報警器存在的問題

預防對抗火災的經驗證明，發現的越早，越容易將火災撲滅于萌芽階段。因此，溫度報警器就成為了火災預防的一個重要手段。但是現行的大多數溫度報警器的報警機制，依然是傳統的檢測-對比-報警機制：在投入使用之前為其設置一個固定的報警溫度，投入使用后，溫度報警器的傳感器不斷檢測當前溫度并與設置好的報警溫度對比，當檢測到的溫度到達或超過預先設置的報警溫度時，才發出警報。而此時火災常常已經形成一段時間，難以再迅速撲滅。如果想使這一類型的溫度報警器實現提前預警，唯一的方法就是將報警溫度設置得較低，而這又會使得溫度報警器經常誤動作，不僅使得相關人員疲于奔命，還會把真正的火災報警信息淹沒于無數的虛假報警信息之中。

2 Arduino控制器

作為目前全球最流行的開源硬件單片機電子設計平臺，Arduino的硬件部分包括一塊ATmega328芯片，可用于SPI通信的ICSP編程接口以及相關電路。軟件部分則包括一個標準的程序編譯器（IDE）和程序下載燒錄器，使用類似C語言的Processing/Wiring開發環境[1]。Arduino具有相當突出的特色：Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE文件和核心庫文件都是開源的，擁有眾多的外圍模塊，方便與溫度傳感器等電子組件進行連接，也可以通過編程實現對測量信號的實時處理及對傳感器的操作，除此之外，在成本、耗電量、以及數據傳輸速率方面也擁有不可忽視的優勢。

3 智能溫度報警器邏輯設計

在火災發生形成的過程中，一般包括以下五個階段：潛伏、陰燃、明火燃燒、著火區擴大以及火災形成五個階段。在火災的初期，最明顯的表現就是周圍環境溫度的迅速上升，這也是傳統溫度報警器的報警依據。但是，在實際使用過程中，種種其他原因，例如電壓波動和外界干擾等，會產生檢測數據的數據波動，同樣也會引起溫度傳感器測得的數值迅速上升。

因此，就需要設計一種智能報警器，一方面能夠檢測出溫度迅速上升的趨勢，另一方面又能避免因為數據波動而產生的溫度誤報警。通過對溫度傳感器檢測數據的分析可知，這種由其他原因產生的溫度檢測數值的迅速上升，并不會維持很長時間，絕大多數溫度檢測數值在一秒鐘內就會迅速下降。

由此，設計智能溫度報警器內部邏輯如下：不斷將現在的溫度與上一秒的溫度進行比較，如果發現溫度有突然上升的趨勢，則提高溫度傳感器采集速率，判斷是數據波動還是真實溫度上升變化，如果確實為真實溫度上升變化，則立刻發出警報；如果只是其他原因導致的數據波動，則將溫度傳感器采集速率切換為一般狀態。

該智能溫度報警器內部邏輯實現流程如下圖

圖1 智能溫度報警器內部邏輯流程圖

4 智能溫度報警器的硬件及軟件設計

溫度檢測傳感器有很多種類型，其中LM35DZ是其中常用的一個型號，其檢測范圍為0～100℃，工作電流133μA，檢測精度0.5℃，能夠基本滿足溫度報警器的要求，Arduion有14個數字輸入/輸出端口，6個模擬輸入端口，由于LM35DZ輸出為模擬信號，故將其連接到Arduino的A0口。整體智能溫度報警器，設計硬件電路原理圖如下。

圖2 智能溫度報警器電路原理圖

通過對智能報警器內部邏輯流程圖的分析，將其功能分解為兩個函數：首先是為對比函數，功能為實現前后兩個溫度傳感器測量數據間的對比，判斷溫度是否有突然變化；其次是驗證函數，當接收到溫度突然變化信號時，提高溫度采樣頻率并傳遞給對比函數，驗證是否為其他原因導致的數據波動。

程序設計代碼如下：

int LM35 = A0；

int LED = 2；

void setup() {

Serial.begin(9600)；

}

void loop() {

float temp0 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(1000)；

float temp1 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(1000)；

if(temp1-temp0＞=1.0)

{

float temp0 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp1 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp2 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp3 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp4 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp5 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp6 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

float temp7 = (5.0*analogRead(LM35)*100.0)/1024；

delay(100)；

if(temp7＞temp6&temp6＞temp5&temp5＞temp4&temp4＞temp3&temp3＞temp2&temp2＞temp1&temp1＞temp0)

{digitalWrite(LED,HIGH)；}

}

}

5 總結

本文利用Arduino的種種優勢，采用軟件編程的方式實現了溫度報警器的智能檢測報警。整個設計電路簡單，成本低廉，靈敏度高。該溫度報警器的智能功能不僅適用于火災報警，同樣適用于其他需要保持溫度恒定的場合，例如大棚，倉庫，生產車間等。同時，由于Arduino的高度擴展性，只需要接入其他擴展模塊，本智能報警器同樣可以用于檢測濕度、速度及加速度、光照等，可以說具有非常大的應用范圍。