基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的設計

謝永超，楊 利，嚴 俊,2

(1.湖南鐵道職業技術學院 軌道交通智能控制學院，湖南 株洲 412001；2.中南大學 信息科學與工程學院，長沙 410083)

0 引言

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，越來越多的城市軌道交通、農業/工業及民用建筑火災發生的可能性大大增加，因此需要在城市軌道車輛、農業用的大棚、商業場所等封閉區域安裝煙霧探測器，以期預防火災的發生。通常在正常情況下發生的火災通常會伴有煙、熱、光、和信號等物理量的產生，根據這些特點，早期的煙霧探測技術就這樣慢慢開始發展起來。已有的煙霧探測報警裝置的核心是煙霧探測裝置，再加上煙霧報警裝置、相關的制裝置與其他輔助裝置等幾部分組成，能夠實時探測和檢驗火災的燃燒初期所導致的熱量、煙霧等相關物理參數的變化，并實時地將測試到的熱量、煙霧等相關信號的變化通過煙霧探測裝置轉換成電信號，并觸發報警裝置的功能。煙霧探測報警裝置一般均具有故障報警功能、系統自檢功能、電源自動切換功能、報警位置顯示功能及儲存記錄等多樣化的功能[1-10]。

伴隨傳感技術、大數據等新一代信息技術的迅猛發展，煙霧探測報警裝置主要呈現如下的發展趨勢。1)煙霧探測報警裝置設備的小型化，隨著新型探測技術、新工藝和新材料的不斷涌現，致使煙霧探測報警裝置的設備趨向小型化和微型化方向發展；2)煙霧探測報警裝置系統的智能化。煙霧探測報警裝置主動實時動態采集煙霧濃度、環境溫度等動態參數，并充分運用模糊控制技術等進行處理，實時地對各種各樣的環境數據進行動態多次的對比判斷，從而有效地監測初期火災，進而避免漏報與誤報現象的產生；3)煙霧探測報警裝置系統的無線化，無線煙霧探測報警裝置兼有拆裝簡單方便、使用靈活可靠、容易實現網絡化和擴展功能強等優點。目前, 煙霧探測報警裝置通常采用的無線技術主要包括藍牙技術(bluetooth technology)、射頻技術(radio frequency technology)等；4)煙霧探測報警裝置系統的高靈敏化，采用先進的吸氣式煙霧探測器實時對空氣進行不間斷地采樣，其檢測的靈敏度相比于傳統的煙霧探測報警裝置系統的高許多，同時采用模糊神經網絡技術(fuzzy neural network technology)進行早期環境參數和探測與對比，其能精確測到可燃物體受熱后分解出來的微小粒子濃度，并能在火災產生的萌芽期進行預警[1-10]。

針對現有的煙霧探測報警器存在范圍太小、智能化程度低等問題，為解決上述問題，適應煙霧探測報警裝置的發展趨勢，本文設計了一種基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器，具有響應時間短、穩定性能好、性價比高、壽命長的特點，可廣泛應用于城市軌道交通、農業等領域。

1 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的系統設計

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器由按鍵模塊、復位電路、晶振電路、AD煙霧采集模塊、液晶顯示模塊、聲光報警提示模塊和溫度采集模塊等組成。基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的組成結構如圖1所示。

按鍵模塊、復位電路、晶振電路及單片機(STC89C51)構成了基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器小系統模塊，主要實現對AD煙霧采集模塊數據的處理，進而控制液晶顯示模塊和聲光報警提示模塊，實現煙霧濃度的實時顯示和煙霧超限報警。其中，AD煙霧采集模塊由MQ-2型傳感器和ADC0809組成，溫度采集模塊由數字溫度傳感器(DS18B20)構成[11]。該煙霧探測報警器溫度測試與閾值設定范圍為0～99 ℃，煙霧探測范圍為0～99 ℃，能夠滿足城市軌道交通、農業等應用領域煙霧的測試需要，且具有響應時間短、穩定性能好、性價比高、壽命長的特點。

2 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的硬件設計

2.1 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的主控電路

單片機是整個系統的核心部位，工作受到的干擾越小，那么系統運行的越穩定。所以在設計上要保證單片機不被外圍電路影響。基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的主控電路，如圖2所示。

2.2 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的煙霧檢測電路設計

煙霧傳感器(MQ-2)具有響應時間快、抗干擾能力強等特點。MQ-2的1、2、3腳短接一起接+5 V電源，4、6腳短接接到ADC0809的26腳上面去，再與一個1 K的電阻和一個104并聯的電路串聯接地，5腳接一個5.1 Ω的電阻再去接地。MQ-2型煙霧傳感器輸出的是模擬電壓信號，因而需經過AD轉換芯片將其變換成數字量，才能輸入至單片機小系統(STC89C51)進行信號處理，通常情況下MQ-2會輸出一個高電平，一旦檢測到煙霧的存在，MQ-2就會輸出低電平。MQ-2傳感器的電阻值與濃度存在著一定的關系：logR=mlogC+n(m,n均為常數)，C4與R8組成了一個濾波電路，用來抑制電路中的干擾。煙霧探測電路如圖3所示。

2.3 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的數模轉換電路

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的數模轉換電路如圖4所示，其主要功能是將煙霧探測電路檢測到的煙霧濃度信號轉換為數字信號，并輸入到單片機小系統(AT89C51)進行實時處理。

2.4 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的顯示電路設計

如5圖所示，液晶數據口接在單片機上，由于數據口的對應可以方便線路的連接，液晶的3腳接上一個由兩個電阻組成的電位器來調節液晶的對比度。液晶的15、16腳為液晶的背光電源接口，其中4、5、6腳為LCD1602的時序操作引腳，當這3個引腳輸出一定的時序后再結合單片機的I/O口發送數據，便可在液晶上顯示自定義的字符。

2.5 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的聲光報警電路設計

燈光提示電路如圖6所示。D1、D2的陽極分別接一個2.2 K與1 K的電阻再和+5 V電源相連接，陰極連接了單片機的P2口。當煙霧濃度超過設定值時，黃燈亮起；當溫度超過設定值時，紅燈會亮起。最終實現不同顏色的LED預警不同的煙霧濃度。

聲音報警電路如圖7所示。蜂鳴器的一端接+5 V電源，一端接PNP型三極管的發射極。此時，PNP型三極管(Q1)的構成開關電路，當三極管(Q1)飽和導通時，蜂鳴器報警發聲；當三極管(Q1)截止時，蜂鳴器不報警。

2.6 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的溫度采集電路

DS18B20的1腳接地如圖8所示，3腳接一個10 K的電阻再接+5 V的電源，2腳接單片機的21腳再與3腳短接，由于DS18B20在讀取數據時無需接到特殊的I/O口上，只需要在程序中實現模擬時序就能正常驅動DS18B20讀取到溫度數據，顯示在液晶屏上。在實際測溫時由于要求不高的原因，考慮到溫度轉換位數越高所需的時間也越多，所以溫度顯示不需精確到小數點就能滿足溫度測量的需求。

2.7 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的按鍵電路設計

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的按鍵設置電路如圖9所示。K1連接了單片機的27腳，用來設置一定的溫度和煙霧值，K2與K3分別對應著數字的加和減。

3 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的程序設計

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的程序編制主體采用“模塊化”的編程思想。主要是借助微處理器(STC89C51)的軟件編程來直接實現基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的功能，軟件設計部分主要的包括MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的系統主程序、MQ-2濃度讀取程序和DS18B20溫度讀取程序等4個部分組成。基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器軟件開發平臺選用的是基于uVision IDE的KeilC51編程軟件，它既能實現仿真調試也能支持下載。基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器程序所采取的編程軟件便于移植、便于模塊化和具有優良可讀性的 C語言來進行程序的設計[12-13]。

3.1 主程序設計思路

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的主程序流程如下，首先需要給傳感器進行預熱，并進行程序的初始化。初始化結束后，基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器進入待測狀態，如果煙氣濃度大小經ADC0832轉變后，單片機進行解析，決定系統是否發動報警。和火焰傳感器；火焰傳感器由紅外光敏二極管采集火焰信號，程序初始化后，系統將會進入警惕狀態，如果探測到火焰的模擬信號，經ADC0832轉變成數字信號后，單片機將其與設定的閾值進行比較，比較后決定是否發動報警，如圖10所示。

3.2 MQ-2濃度讀取程序設計

煙霧報警器的設計性能及實現與硬件編寫有著密切的關系，系統硬件首先對各個模塊開展初始化，接著再讀取AD轉換后的實時煙霧值，并判斷當下的煙霧濃度與溫度范圍，再接著執行相對應的指示控制，判斷按鍵是否按下，如果案件沒有按下，那就繼續讀取AD轉換的煙霧濃度值；如果按鍵處于按下狀態，則需要設置相對應的參數值，液晶屏同時實時顯示設置的數值，最終結束所有進程，如圖11所示。

3.3 DS18B20溫度讀取程序設計

煙霧報警器的報警功能與溫度與濃度的讀取有著很大的關系，當DS18B20開始讀取溫度的時候，它開始儲存數據，然后發出溫度轉換命令，再將其寫入DS18B20中。在控制時只需要配置單片機的I/O口輸出相應的時序就可以讀取到溫度信息。一旦檢測到的溫度大于設定值時，煙霧報警器就開始報警，如圖12所示。

4 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的系統調試

MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的總體功能測試。具體方法是：通電之后按下電源開關，可以看到數碼管亮，蜂鳴器，初始化，數碼管實時顯示“當前煙霧濃度”和“當前溫度”的值。測試過程中，模擬了6種不同環境狀態進行總體功能的測試，測試結果如表1所示。

表1 MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器總體功能測試結果

測試結果表明：MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器能夠準確快速地檢測出環境的溫度和煙霧濃度，其中溫度的誤差范圍為0%～0.8%，煙霧濃度的誤差范圍為0%～1.1%，達到了煙霧探測報警器預期的設計目的。

MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的溫度報警模塊功能測試。具體方法是：首先按下設置鍵S5，使得MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器置于溫度設置模式，溫度閾值的設置范圍為0～99 ℃。然后由單片機判斷如果SD18B20感應到的溫度(數字信號)超過了設定閾值則由P36發送給聲光報警器一個低電平使聲光報警器開始報警。然后，通過多次重復性實驗測試，測試MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的溫度報警模塊功能實現情況，結果如表2所示。

表2 MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器溫度報警功能測試結果

MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的煙霧報警模塊功能測試。具體方法是：首先通過煙霧設置模塊的加減按鍵來設置報警煙霧大小，設置煙霧閾值范圍為0～9級，然后煙霧傳感器測得煙霧濃度以模擬信號發送給AD轉換成數字信號并由單片機判斷煙霧超過設定閾值級數，超過則由P36端發送給聲光報警器一個低電平使聲光報警器開始報警。然后，通過多次重復性實驗測試，測試MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的煙霧報警模塊功能實現情況，結果如表3所示。

表3 MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器煙霧報警功能測試結果

MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器火焰模塊測試，程序進入初始化后，用打火機模擬火焰，由紅外探頭探測到火焰后，并將其轉換為溫度、煙霧濃度信號，并產生相應的模擬值，經過ADC0832采集后并將器轉換為數字信號傳給單片機，由單片機P36端發送給聲光報警器一個低電平使聲光報警器開始報警。測試結果表明，MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器能夠實時反饋火焰的變化。

5 結束語

設計了一種基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器。該煙霧探測報警器遴選單片機小系統(STC89C51)作為主控芯片，使用氣體傳感器(MQ-2)與溫度傳感器(DS18B20)實時采集煙霧濃度和溫度信號，并通過ADC0809模數轉換器來進行模擬信號與數字信號之間的相互轉換，然后把轉換完成的數字量輸入單片機(STC89C51)中，單片機(STC89C51)再將煙霧濃度、溫度等數字量輸入LCD1602實現實時信號的顯示。當環境中可燃氣體濃度或溫度等超過系統設定的閾值，煙霧探測報警器會通過燈光、聲音2種方式進行報警，以實現智能化的預警提示。基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器具有響應時間短、穩定性能好、性價比高、壽命長的特點，可廣泛應用于城市軌道交通、農業等領域。