基于單片機的火災報警系統設計

馬欣如

（遼寧科技大學 電子與信息工程學院，遼寧 鞍山 114051）

通常人們會受到火災的威脅，因此為了有效避免潛在火災以及盡量減少潛在火災災害帶來的人身安全以及其他經濟社會層面的重大損失，必須不斷設計和制造完善對潛在火災進行自動消防報警的控制系統，將潛在火災危險扼殺在搖籃之中。

1 火災報警系統的設計要求

（1）能對室內空氣中煙霧（CO2，CO等）含量及室內溫度變化突變現象進行自動報警，具有聲、光雙重自動報警控制功能。

（2）使用系統故障自動報警設置功能。當操作系統設備出現重要硬件系統故障時，能自動發出硬件故障狀態報警提示信號。

（3）異常事件報警設置功能。當現場環境出現異常（如果有煙霧濃度變化過大或是空氣溫度較高）時，能自動發出異常火災報警提示信號，引起現場人們充分注意，避免此類火災的再次發生。

（4）增加火災檢測報警設置功能。一旦出現重大火災（例如煙霧和空氣溫度同時出現異常）時，能及時發出自動聲、光提示警報。

2 火災監測報警控制系統的基本設計工作原理

MQ-2煙霧濃度傳感器、DS18B20溫度傳感器和AT89C51微控制器被選為該設計的基本組件，并與其他電子技術集成在一起。利用AT89C51微控制器控制MQ-2煙霧濃度傳感器和DS18B20溫度傳感器對檢測地點的煙霧濃度、溫度變化及時進行檢測[1]，并把實時檢測到的結果數據進行實時數據分析信息處理，可以輕松實現各種聲光電一體化報警、濃度測量顯示、溫度測量顯示等檢測功能。

煙霧-溫度報警系統的重要組成部分有：MQ-2煙霧信號采集電路、A/D轉換電路、DS18B20溫度信號自動采集控制電路、單片機自動控制電路、繼電器電路、聲光報警顯示電路以及一些其他部分的控制、顯示電路。煙霧-溫度報警系統的系統框架如圖1所示。

圖1 煙霧-溫度報警系統的系統框架

3 系統的硬件選擇

3.1 單片機的選擇

AT89C51單片機是報警系統的核心部件，一方面它要接收來自傳感器檢測到的煙霧濃度信號、溫度變化的信號和故障檢測信號。應用AT89C51單片機的另一種用途是要對兩種信號分別進行處理，來更好地控制后續其他電路的相應工作。該芯片可以按照常規方法或在線編程方式進行編程，將通用微處理器與閃存結合在一起，可以有效降低開發成本。AT89C51引腳圖如圖2所示。

圖2 AT89C51引腳圖

3.2 溫度傳感器的選擇

3.2.1 溫度傳感器的選擇條件

在溫度傳感器的選型過程中考慮的因素：

（1）被測對象的溫度是否需要被記錄、報警和實時控制，是否需要遠距離進行測量和數據傳送。

（2）測溫范圍的大小和精度要求。

（3）測溫元件大小是否適當。

（4）在被測對象室內溫度隨時間變化而變化的場合，測溫傳感元件的滯后是否能夠適應測溫要求。

綜合以上多種不同原因，經多次對比，本文溫度傳感器使用的是DS18B20數字溫度傳感器[2]。

3.2.2 DS18B20數字溫度傳感器介紹

DS18B20單線數字溫度傳感器，即“單總線器件”，其具有獨特的優點：

（1）當使用單個總線接口連接到微處理器時，只需一條端口線即可在微處理器和DS18B20之間進行雙向通信。唯一的總線具有節約成本，抗中斷能力強的優點，適用于各種條件下的溫度測量，即使是條件惡劣的情況下也能夠使用。它使用戶可以輕松構建傳感器網絡，引入用于構建測量系統的新概念[3]。

（2）測量溫度范圍寬，測量精度特別高，DS18B20傳感器的測量范圍為-55℃～+125℃；在-10℃～+85℃范圍內，精度為±0.5 ℃。

（3）在使用中不需要任何外圍元件。

（4）外部供電連接方式靈活，DS18B20可以通過內部數據寄生接收電路從外部數據線上直接獲取數據電源。因此，當一個數據線上的自動時序系統滿足一定的性能要求時，可以不需連接外部交流電源。

（5）根據自動測量處理程序配置參數要求可自動精確配置為基于DS18B20的各種自動測量程序參數以及分辨率設定值，同時可通過自動測量處理程序自動精確設定9～12位。

（6）電源負壓燃燒特性，當電源電壓極性與其接觸相反時，溫度計數器不會因電源發熱而發生燒毀，但不能正常運行工作。

（7）具有掉電保護功能，DS18B20內部結構中含有EEPROM部分，在報警系統突發掉電情況以后，它仍可保存分辨率以及相關報警溫度的實際設定值。

DS18B20溫度傳感器具有體積更小、適用的電壓范圍更寬、較經濟、可供選擇的更小封裝模式、更廣泛適應范圍等優勢，它能很好地適合于設計和構建具有實用性和經濟可靠的測溫控制系統。DS18B20溫度傳感器引腳圖如圖3所示。

圖3 DS18B20溫度傳感器引腳圖

4 電路設計與仿真分析

4.1 火災報警系統仿真原理圖（見圖4）

圖4 火災報警系統仿真原理圖

4.2 火災報警系統操作及設計說明

4.2.1 設計說明

由于Proteus軟件沒有MQ-2煙霧傳感器模型，仿真中用滑動變阻器代替。

MQ-2煙霧傳感器內部結構電導率隨著氣體濃度的增大而增大，其電阻是電導率的倒數，所以電阻是隨之減小的。其特性就相當于一個滑動變阻器。所以在仿真中用滑動變阻器替代。而在實際運用中，原理圖中，MQ-2接線方式如圖5所示。

圖5 MQ-2原理圖中接線方式

4.2.2 仿真及操作

（1）雙擊單片機加載：“報警.hex”文件，運行仿真。LCD第一行顯示當前煙霧等級和溫度值，第二行顯示煙霧報警等級和溫度上下限；煙霧等級有5檔，每檔等級對應的電壓范圍如表1所示。

表1 MQ-2測量煙霧等級

（2）系統工作在正常狀態時（煙霧等級小于報警等級，溫度值在上下限設定范圍內），綠色LED燈點亮，蜂鳴器和繼電器處于停止工作狀態。繼電器作用：在實際應用中，繼電器可以用來控制電閘、噴淋設施和消防設施等。

（3）通過DS18B20傳感器和RV3滑動變阻器上下紅色箭頭，改變溫度大小和煙霧報警等級，使系統達到報警狀態。

（4）系統處于報警狀態時，紅色LED燈點亮，蜂鳴器鳴叫，繼電器工作，實現聲光電一體化報警。

（5）可以通過“調整”“調大”和“調小”按鍵，設置煙霧報警等級和溫度報警上下限。按下“調整”鍵，進入煙霧報警等級設置，LCD光標閃爍，通過“調大”和“調小”鍵設置等級大小；煙霧報警等級設置好后，再次按下“調整”鍵，進入溫度報警下限設置，同樣操作。當3個參數都設置好后，按下“調整”鍵，即可退出系統設置。

（6）當系統處于正常工作狀態時，按下“呼叫”鍵，此時系統立刻進入報警狀態：紅色LDE燈點亮，蜂鳴器鳴叫，繼電器動作。“呼叫”鍵用于模擬系統失效或者出現緊急情況時，巡檢人員手動操作直接報警。

5 結束語

本文設計了一款基于AT89C51單片機的火災報警系統，該系統操作起來簡單方便，安全可靠，適用于大范圍地推廣。火災報警系統的模塊化設計使得程序結構更加清晰，便于日后添加模塊優化系統。科技的不斷進步就是為了更好地服務于人，產品的不斷創新優化也是為了讓人們生活在更安全的環境中。