基于Arduino的煙霧探測實驗裝置設計

孫浩東 王超 李深奧 陸帥

摘要：以Arduino控制板為核心設計了用于探測和顯示煙霧濃度的實驗裝置，裝置包括Arduino控制板、擴展板、MQ-2煙霧檢測傳感器、OLED顯示屏、溫濕度傳感器、繼電器、蜂鳴器和風扇。實驗裝置上電后，等待30 s預熱，預熱完成后開始進行實時探測，OLED按階段同步顯示，煙霧濃度達到設置值后，蜂鳴器間隔1 s響應，風扇啟動進行排風。該設計主要應用于煙霧探測報警器外殼結構對于煙霧流動性影響的研究。

關鍵詞：Arduino;煙霧探測;實驗裝置;OLED顯示屏

0 引言

煙霧探測器主要用于實時監測環境中的煙霧濃度，在火情早期能夠及時發現可燃物陰燃階段產生的煙霧氣體[1]，并向管理人員發出警報，避免火情進一步擴大形成火災。在我國，煙霧探測器屬于消防類強制認證產品，需要經過專業的檢驗合格后才能上市銷售。目前，市場上的煙霧探測器種類繁多，外觀造型多樣，性能也有所區別，傳統的煙霧探測器設計過程主要集中在硬件電路和軟件優化上，并沒有很好地針對探測器外殼結構對于煙霧流動性的影響進行分析，造成產品需要進行反復的實驗驗證，耗時耗力。利用專業的檢驗設備進行煙霧流動性分析是現有的主要手段，這類設備大多尺寸較大，功能復雜，成本較高。本設計利用Arduino控制板及各類傳感器模塊實現了煙霧探測實驗裝置的搭建，只需較低的成本即可滿足測試實驗的需求，后期只需要將煙霧探測模塊安裝在需要進行測試的煙霧探測器外殼內，就可進行煙霧流動性的相關實驗研究。

1 實驗裝置核心元器件選型及原理

1.1 ? ?Arduino控制板及擴展板

Arduino是一款開源的硬件開發控制板，2005年在意大利面世[2]，具有多種型號，本設計中使用的是Arduino UNO R3控制板，其特點是成本較低，集成度較高，可直接連接電腦進行程序的編寫和燒錄，在硬件接入時可以直接使用控制板上的數字引腳、模擬引腳以及IC接口等，方便開發人員使用，設計人員也可快速驗證設計的可行性，性價比極高。同時，本設計采用了配套的擴展板，用于直接連接各類元器件，避免了常規的面包板使用，節省了設計空間，使得布線更加清晰明了。

1.2 ? ?煙霧檢測傳感器

市場上多數煙霧探測器采用“迷宮”結構[3]，如圖1所示，利用光學散射原理進行煙霧濃度的計算標定，各廠家的產品都有其特殊的結構設計，不便于統一比較，因此本文設計的煙霧探測實驗裝置采用較為常見的經濟型MQ-2氣體傳感器，其原理是將煙霧的濃度值轉換為電信號，傳感器內部采用二氧化錫作為氣敏材料，在煙霧濃度增加時導電率會隨之增加[4]。

1.3 ? ?OLED顯示屏

實驗裝置要達到的測試效果之一是實時顯示煙霧濃度以及實驗環境的溫濕度，傳統的LCD屏幕顯示效果一般，耗費的硬件引腳也較多，為優化設計，減少占用的控制板接口數量，提升數據顯示效果，本設計選用了基于I2C通信模式的OLED顯示屏，除去電源及接地引腳外，只使用SCL、SDA引腳，同時可以進行良好的中文、符號等數據顯示。

1.4 ? ?溫濕度傳感器

煙霧探測傳感器在實時檢測的過程中，需要考慮環境溫濕度帶來的數據誤差，在同類型的實驗中，實驗條件應在允許的誤差范圍內保持一致。本設計采用DTH11溫濕度傳感器模塊，傳感器數據單路輸出，從程序中提取溫濕度計算數值，在滿足功能需求的前提下，減少控制板引腳的占用。

2 實驗裝置硬件設計

Arduino控制板和擴展板通過相應的插口配合重疊安裝，電源接入Arduino控制板中，除風扇外其余各元器件的供電引腳和接地引腳與擴展板分出的多路供電、接地引腳連接，提供5 V電壓。煙霧探測傳感器模塊A0端口和擴展板A0端口相連，用于電壓模擬量的輸入;OLED屏幕SCL、SDA端口與擴展板SCL、SDA端口相連，用于圖像信號的傳輸顯示;蜂鳴器I/O端口和數字引腳13端口相連，給定13端口輸出為低電平時蜂鳴器鳴叫;溫濕度傳感器DAT端口和數字引腳3端口相連，用于溫濕度數據的傳輸;繼電器IN端口和數字引腳2端口相連，給定2端口輸出為低電平時繼電器工作;風扇負極端和擴展板接地引腳相連，正極端和繼電器COM端口連接，繼電器NO端口和擴展板供電引腳相連，繼電器未工作時NO端口和COM端口之間為常開狀態，風扇不工作，繼電器工作時NO端口和COM端口之間轉為常閉狀態，風扇開始轉動送風。實驗裝置硬件接線示意圖如圖2所示。

3 實驗裝置程序設計

MQ-2型煙霧傳感器在使用時需要進行30 s左右的預熱，以保證檢測結果的穩定性，因此在實驗裝置上電后，需要等待30 s，此時OLED屏幕顯示為加載狀態，30 s后OLED顯示預熱完成，隨之跳轉至正常的數據顯示頁面開始實時獲取檢測數據。檢測數據顯示3行，分別為煙霧濃度、溫度和濕度。實驗裝置上電穩定后煙霧濃度在常態下檢測值穩定在20以內，因此將煙霧濃度報警值設置為40，檢測值超過40后，蜂鳴器每間隔1 s響應一次，繼電器工作帶動風扇啟動進行排風，檢測值低于40后，蜂鳴器停止響應，風扇停止轉動。程序設計流程如圖3所示。

OLED顯示屏的應用主要使用U8glib庫進行顯示程序的編寫，中文字符的顯示采用PCtolcd2002軟件進行代碼的提取，提取方式為點陣格式：陰碼;取模走向：逆向;取模方式：逐行式;代碼格式：C51格式。預熱階段的“Loading…”和“Finish.”顯示只在設備上電后運行一次，因此需將此段程序放置在void setup中，在編寫代碼時需將顯示程序放在30 s的循環內以實現穩定顯示。OLED實時顯示及檢測程序放置在void loop中循環執行。

4 結語

實驗裝置搭建完畢后進行煙霧探測實驗，Arduino控制板上電后的OLED顯示效果如圖4所示。

經過實際測試，本文設計的煙霧探測實驗裝置可以應用于煙霧探測器的專項研究中，測試效果良好。設計使用的各類傳感器占用的Arduino控制器引腳較少，可以在后期充分進行各類功能的擴展使用，增加實驗裝置的功能。本文完成了功能硬件的選型、連接及程序設計，提供了清晰的實驗裝置設計實現過程，可為其他類似裝置的設計提供參考依據。

[參考文獻]

[1] 魏向峰.淺析感煙探測器及其發展[J].質量與認證，2020（7）：70-72.

[2] 李永華.Arduino開源硬件概論[M].北京：清華大學出版社，2019.

[3] 李在海，張培旭，田秋生.獨立式光電感煙火災探測報警器的研制[J].科技創新與應用，2014（20）：1-3.

[4] 張群強，趙巧妮.基于MQ-2型傳感器火災報警系統的設計[J].價值工程，2015，34（13）：96-98.

收稿日期：2021-03-22

作者簡介：孫浩東（2000—），男，安徽宣城人，研究方向：機電產品設計。

通信作者：王超（1990—），男，安徽蚌埠人，碩士，助教，研究方向：機電產品優化設計。