基于單片機的火警報警器設計

□趙 琳

火災作為日常生活中最常見的災害，火警報警器能夠在第一時間發現火源并且發出警告，有效地阻止火災進一步蔓延，減少人員的生命財產損失。火警報警器具有靈敏性高、結構簡單、成本低等特點。火災發生時會出現三大現象，即高溫，多煙以及有明顯的火光。本設計嚴格按照火災發生時的特點來進行設計，分溫度、煙霧、火光三大模塊來檢測。當火災發生時，周圍環境溫度會大幅上升，溫度傳感器會實時地把溫度傳給單片機，當溫度超出預設的范圍時，單片機給蜂鳴器信號，開始報警；當產生大量煙霧和出現明顯火光時，煙霧和火焰傳感器都會給單片機發信號，單片機收到后觸發報警。三大檢測模塊，只要其中任一模塊檢測到火災，都會觸發報警，做到了萬無一失。

一、系統設計方案與硬件選擇

(一)系統設計方案。本設計系統方案將分為輸入、處理、輸出三大部分。輸入部分包括：溫度測量模塊，通過DS18B20測量周圍環境溫度；煙霧測量模塊，通過MQ型煙霧傳感器檢測空氣中的煙霧濃度并經過A/D轉換顯示出濃度數值；火焰檢測模塊，由火焰傳感器探測周圍是否存在火光。處理部分由STC89C52單片機負責處理外部數據。報警模塊和溫度顯示模塊共同組成輸出部分，當檢測到有火災發生時，源蜂鳴器會持續發出報警聲，液晶屏上始終顯示著當前的環境溫度和煙霧濃度值。

在火警報警器的設計過程中，要充分考慮到經濟因素，要做到物美價廉，這樣才可以讓每個家庭都可以負擔。因此選用8位的單片機作為控制核心，可以提供充足的計算能力，不僅可以極大地降低成本，而且也保證了設備的安全可靠。在傳感器方面，選用煙霧傳感器和火焰傳感器，當屋內產生大量濃煙和明顯的火光時，可以快速地將這些信息傳給單片機，經過判斷分析觸發報警，能夠第一時間察覺火災的發生，同時使用溫度傳感器來檢測溫度變化。并在液晶屏上實時顯示溫度和煙霧值，做到雙重保障，還可以在平時作為溫度和煙霧測量器使用，一舉兩得。

(二)處理器芯片選擇。芯片選擇不僅要考慮其處理數據的能力，還要綜合考慮價格因素。通過對設計中數據處理過程的分析，只有環境溫度檢測和煙霧濃度檢測需要進行大量的數據處理，因此可選用STC89C52單片機為本設計的控制核心。單片機誕生于20世紀90年代，從最開始的4位處理器，到后來不斷發展成8位、16位以及32位等階段，每一代的升級都代表著數據處理能力、制作工藝的不斷增強，同時價格也在不斷增加。

本設計選用的STC89C52單片機是STC公司推出的一款8位處理器的單片機，其數據處理能力雖不及16位或32位單片機，但是可以輕松勝任本設計中的數據處理任務，并且在功耗、價格方面遠低于高位處理器的單片機。其拓展方便，共有40個引腳。STC89C52有著很高的集成度，不需要專門的編譯器以及仿真器，可以使用數據線經串口直接連接到電腦，在電腦上完成程序的下載和調試，實現在線對程序進行編程，其內部Flash可擦寫數萬次以上。

(三)溫度傳感器選擇。溫度的實時檢測是本設計中重要的環節，不僅可以通過溫度變化來檢測到火災發生，而且在日常使用中可以當作電子溫度計使用，能夠直觀地顯示室內的溫度變化，一舉兩得，極大地提高了設計的實用性。目前市面上大多數使用的是DS18B20溫度傳感器模塊，DS18B20只有一條數據總線與單片機相連，這樣的好處是節約成本，并且這種單線型的傳感器在雙向數據傳輸過程中有著較強的抗干擾能力，并且還具有體積小型化，適用電壓范圍較寬，可靠耐用，經濟實惠等特點。

(四)煙霧及火焰傳感器選擇。煙霧傳感器是能夠反應周圍空氣中煙霧濃度的一類傳感器，大部分采用離子式結構。目前市面最常用的是MQ型煙霧傳感器，MQ型傳感器有很多的型號，對應不同的氣體有著不同型號的傳感器。在選擇過程中，MQ-2和MQ-7分別是檢測煙霧和一氧化碳的傳感器，由于MQ-2煙霧傳感器必須在濃煙下才有反應，靈敏度不符合要求。考慮到火災發生時的濃煙中存在大量因為不完全燃燒產生的一氧化碳，故選用MQ-7一氧化碳傳感器來反應煙霧濃度，靈敏度能夠達到要求。

火焰傳感器是一款可以直接檢測火光的傳感器，可以清楚地看到元件前有一個紅外接收管。在燃燒過程中，火焰會發出可見光，只要光源的波長不小于760納米，都可以被傳感器檢測到，一般探測范圍在一米以內，如果火焰強度越大，發出的光也就越亮，探測范圍也會隨之增加。

(五)液晶屏幕與A/D轉換選擇。在屏幕方面，有兩種不同材質的屏幕可供選擇，分別是LCD和OLED。OLED屏幕的好處是體積小巧，封裝簡單，顯示內容較為清晰，但同等價格的情況下，OLED屏幕面積小，顯示字體也較小；LCD屏幕因為有背光板的存在，體積較大，但價格相對低廉，顯示字體較大也比較清晰。綜合價格、性能方面的考慮，選擇LCD1602液晶屏。

由于MQ-7輸出的電壓信息不能直接被單片機識別，要經過A/D轉換之后才能輸入到單片機。所謂A/D轉換就是將模擬信號轉換為數字信號，能夠進行A/D轉換的芯片種類有很多，考慮到本設計只有煙霧濃度值需要用到A/D轉換，通道占用不多，故選用兩通道的ADC0832芯片。ADC0832是一款功率較低的芯片，其價格也比較便宜，可以滿足本設計的需求。

二、系統硬件設計

(一)單片機最小系統設計舵機選型。選擇好STC89C52處理芯片后，需要進行復位電路和晶振電路設計才能保證芯片能正常工作。單片機、復位電路和晶振電路一起被稱為單片機的最小系統。復位電路只需用到的兩個元件是電阻和電容，通常電源端與電容相連后，一端接入單片機的RST引腳，一端經電阻接地。復位只需將RST引腳接通高電平3微秒后就能實現復位，單片機上電后會使RST引腳為高電平，根據電容特性可以將高電平保持一會，隨后會提供電阻將電平拉低，因此單片機上電后會自動復位。復位可以有效地防止單片機程序運行中出現卡死的情況。單片機內部存在晶振電路，也可以通過XTAL1和XTAL2兩個引腳外接晶振電路，振蕩器可為單片機運行過程中提供基本的時鐘信號。

(二)溫度檢測電路設計。DS18B20溫度檢測器可以測量最低-55℃和最高+125℃之間的溫度值，足以應對運行過程中的外部環境溫度。其工作原理是兩個靈敏度不同的振蕩器，分別做減一工作，只要低靈敏度振蕩器減到零，溫度就加一，一直重復，直到高靈敏度振蕩器也減到零，停止計數，此時就可以得到當前溫度值。DS18B20共有3個引腳，其中引腳3接電源，引腳1接地，只有一條數據線DQ與單片機P3.6相連，總體在電路連接上比較簡單，

(三)煙霧檢測電路設計。MQ-7用5伏直流電供電，DO口可輸出高低電平，當檢測到外部煙霧中一氧化碳濃度達到警戒值時，DO口輸出低電平；同時MQ-7還有一個AO口模擬信號輸出，AO口輸出模擬信號對應著電壓0.1～0.3V，濃度越高，電壓也就越高，可以通過A/D轉換顯示出煙霧中一氧化碳濃度。

MQ-7煙霧傳感器共有四個引腳，其中引腳1接電源，引腳4接地，引腳2和引腳3分別為開關電平的輸出信號和模擬電壓的輸出信號。本設計要求顯示出煙霧濃度的數值，故選用引腳3接入A/D轉換芯片的CH0輸入端。

(四)火焰傳感器電路設計。火焰傳感器是利用紅外傳感器對可見光進行探測，當火焰發出的光被紅外接收管檢測到時，使DO口發出低電平；當周圍的可見光達不到檢測閥值，DO口會輸出高電平。本設計選用三引腳式的火焰傳感器，其中引腳1接電源，引腳2接地，引腳3接單片機P3.7。

(五)液晶顯示電路設計。LCD1602是一種廣泛應用的字符型液晶顯示模塊，它只能顯示字母、數字或符號，顯示規格為16×2，藍色背光，白色字體。一共有16條引腳，引腳1、2分別代表電源和接地端，引腳3為液晶對比度，引腳4、5、6分別為RS、RW、E端，引腳7～14為8位雙向數據線，引腳15、16為背光板的正、負極。

(六)A/D轉換電路設計。ADC0832進行A/D轉換時有兩個輸入通道，本設計選用通道0作為數據轉換輸入端，引腳1片選端接單片機P3.2，引腳2通道0接MQ-7數據輸出端，引腳4接地，引腳5接單片機P3.5，引腳6接單片機P3.4，引腳7接單片機P3.3為芯片工作提供時鐘，引腳8接電源。

三、系統軟件設計

在軟件開發方面，選用Keil5作為開發環境編譯軟件。DS18B20使用一根數據線DQ與單片機相連，先對DS8B20進行初始化，再對ROM進行操作命令，最后對內部存儲器進行操作命令。MQ-7是一個電阻性的氣敏元件，它根據電導率的變化來探測煙霧的濃度，電導率與煙霧濃度之間近似線性關系。將AO口與ADC0832相連，通過A/D轉換將電壓值轉換成煙霧濃度值。火焰傳感器上的DO口可以輸出數字開關量，當檢測不到火焰時，DO口輸出高電平；當檢測到火焰時，DO口輸出低電平，當單片機檢測到低電平時，啟動蜂鳴器報警。

四、結語

本研究以火災發生時出現的三大特征為研究出發點，使用溫度傳感器、煙霧傳感器以及火焰傳感器分別針對火災發生時出現的高溫、濃煙、明火現象進行檢測報警。本研究分別介紹了報警器的背景和實際用途，充分體現了火警報警器對人民生產生活的重要性。介紹了設計的總體框架以及元件的選擇，在明確了設計框架后，從可靠、經濟的角度綜合分析了元件的優劣。對各大模塊的電路進行了詳細的說明，闡述了各大模塊的作用以及實際過程中電路的接線設計。在硬件準備工作結束后，對各大模塊具體實現的功能進行程序上的設計，同時分析了各個功能實現的原理。在硬件和軟件都設計好的情況下，進行仿真測試，通過對測試結果的分析，證明各大模塊均能正常工作，火警報警器研究初步完成。