基于Arduino的智能溫度報(bào)警器設(shè)計(jì)

繆世坤 趙霄浚 周衡毅 浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與控制工程學(xué)院

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種新型材料被廣泛應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)及生活領(lǐng)域。作為一種新生事物，人民群眾對(duì)這些新型材料的材質(zhì)特點(diǎn)和性能目前尚未完全了解及掌握，這就使得我國(guó)的火災(zāi)事故顯現(xiàn)出頻繁化，嚴(yán)重化的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的火災(zāi)事故每年約發(fā)生10萬(wàn)起，造成10億多元的直接損失。

1 現(xiàn)行的傳統(tǒng)溫度報(bào)警器存在的問(wèn)題

預(yù)防對(duì)抗火災(zāi)的經(jīng)驗(yàn)證明，發(fā)現(xiàn)的越早，越容易將火災(zāi)撲滅于萌芽階段。因此，溫度報(bào)警器就成為了火災(zāi)預(yù)防的一個(gè)重要手段。但是現(xiàn)行的大多數(shù)溫度報(bào)警器的報(bào)警機(jī)制，依然是傳統(tǒng)的檢測(cè)-對(duì)比-報(bào)警機(jī)制：在投入使用之前為其設(shè)置一個(gè)固定的報(bào)警溫度，投入使用后，溫度報(bào)警器的傳感器不斷檢測(cè)當(dāng)前溫度并與設(shè)置好的報(bào)警溫度對(duì)比，當(dāng)檢測(cè)到的溫度到達(dá)或超過(guò)預(yù)先設(shè)置的報(bào)警溫度時(shí)，才發(fā)出警報(bào)。而此時(shí)火災(zāi)常常已經(jīng)形成一段時(shí)間，難以再迅速撲滅。如果想使這一類(lèi)型的溫度報(bào)警器實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警，唯一的方法就是將報(bào)警溫度設(shè)置得較低，而這又會(huì)使得溫度報(bào)警器經(jīng)常誤動(dòng)作，不僅使得相關(guān)人員疲于奔命，還會(huì)把真正的火災(zāi)報(bào)警信息淹沒(méi)于無(wú)數(shù)的虛假報(bào)警信息之中。

2 Arduino控制器

作為目前全球最流行的開(kāi)源硬件單片機(jī)電子設(shè)計(jì)平臺(tái)，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(guān)電路。軟件部分則包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的程序編譯器（IDE）和程序下載燒錄器，使用類(lèi)似C語(yǔ)言的Processing/Wiring開(kāi)發(fā)環(huán)境[1]。Arduino具有相當(dāng)突出的特色：Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE文件和核心庫(kù)文件都是開(kāi)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(jìn)行連接，也可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量信號(hào)的實(shí)時(shí)處理及對(duì)傳感器的操作，除此之外，在成本、耗電量、以及數(shù)據(jù)傳輸速率方面也擁有不可忽視的優(yōu)勢(shì)。

3 智能溫度報(bào)警器邏輯設(shè)計(jì)

在火災(zāi)發(fā)生形成的過(guò)程中，一般包括以下五個(gè)階段：潛伏、陰燃、明火燃燒、著火區(qū)擴(kuò)大以及火災(zāi)形成五個(gè)階段。在火災(zāi)的初期，最明顯的表現(xiàn)就是周?chē)h(huán)境溫度的迅速上升，這也是傳統(tǒng)溫度報(bào)警器的報(bào)警依據(jù)。但是，在實(shí)際使用過(guò)程中，種種其他原因，例如電壓波動(dòng)和外界干擾等，會(huì)產(chǎn)生檢測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)波動(dòng)，同樣也會(huì)引起溫度傳感器測(cè)得的數(shù)值迅速上升。

因此，就需要設(shè)計(jì)一種智能報(bào)警器，一方面能夠檢測(cè)出溫度迅速上升的趨勢(shì)，另一方面又能避免因?yàn)閿?shù)據(jù)波動(dòng)而產(chǎn)生的溫度誤報(bào)警。通過(guò)對(duì)溫度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析可知，這種由其他原因產(chǎn)生的溫度檢測(cè)數(shù)值的迅速上升，并不會(huì)維持很長(zhǎng)時(shí)間，絕大多數(shù)溫度檢測(cè)數(shù)值在一秒鐘內(nèi)就會(huì)迅速下降。

由此，設(shè)計(jì)智能溫度報(bào)警器內(nèi)部邏輯如下：不斷將現(xiàn)在的溫度與上一秒的溫度進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)溫度有突然上升的趨勢(shì)，則提高溫度傳感器采集速率，判斷是數(shù)據(jù)波動(dòng)還是真實(shí)溫度上升變化，如果確實(shí)為真實(shí)溫度上升變化，則立刻發(fā)出警報(bào)；如果只是其他原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)波動(dòng)，則將溫度傳感器采集速率切換為一般狀態(tài)。

該智能溫度報(bào)警器內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)流程如下圖

圖1 智能溫度報(bào)警器內(nèi)部邏輯流程圖

4 智能溫度報(bào)警器的硬件及軟件設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)傳感器有很多種類(lèi)型，其中LM35DZ是其中常用的一個(gè)型號(hào)，其檢測(cè)范圍為0～100℃，工作電流133μA，檢測(cè)精度0.5℃，能夠基本滿(mǎn)足溫度報(bào)警器的要求，Arduion有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口，6個(gè)模擬輸入端口，由于LM35DZ輸出為模擬信號(hào)，故將其連接到Arduino的A0口。整體智能溫度報(bào)警器，設(shè)計(jì)硬件電路原理圖如下。

圖2 智能溫度報(bào)警器電路原理圖

通過(guò)對(duì)智能報(bào)警器內(nèi)部邏輯流程圖的分析，將其功能分解為兩個(gè)函數(shù)：首先是為對(duì)比函數(shù)，功能為實(shí)現(xiàn)前后兩個(gè)溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)間的對(duì)比，判斷溫度是否有突然變化；其次是驗(yàn)證函數(shù)，當(dāng)接收到溫度突然變化信號(hào)時(shí)，提高溫度采樣頻率并傳遞給對(duì)比函數(shù)，驗(yàn)證是否為其他原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)波動(dòng)。

程序設(shè)計(jì)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(jié)

本文利用Arduino的種種優(yōu)勢(shì)，采用軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)了溫度報(bào)警器的智能檢測(cè)報(bào)警。整個(gè)設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，成本低廉，靈敏度高。該溫度報(bào)警器的智能功能不僅適用于火災(zāi)報(bào)警，同樣適用于其他需要保持溫度恒定的場(chǎng)合，例如大棚，倉(cāng)庫(kù)，生產(chǎn)車(chē)間等。同時(shí)，由于Arduino的高度擴(kuò)展性，只需要接入其他擴(kuò)展模塊，本智能報(bào)警器同樣可以用于檢測(cè)濕度、速度及加速度、光照等，可以說(shuō)具有非常大的應(yīng)用范圍。