基于單片機的火災報警系統的設計與實現

劉凡 許亮 孫弘憶 王笑影

1. 引言

隨著科學技術的飛速發展，人們的生活水平和質量也日益提高。人們幸福感提升的同時，越來越多的安全隱患由于工業生產和日常生活而產生。為了早期發現和通報這些安全隱患，保護人們的生命財產安全，建立報警系統是必要的。火災安全是眾多安全隱患的問題之一。而隨著電子技術、計算機科學技術等領域的提高，對于火災發生的地點與原因也多樣化起來。但是火災報警系統仍有待完善。本文研究重點是面向家庭設計一款結構簡單、廉價的單片機火災報警系統。

2. 系統整體方案設計

基于單片機的火災報警系統總體包含三個部分，第一部分是以STM32F103單片機的中央處理器。單片機在電路中就像人的大腦，主要負責數據的處理，報警器的狀態控制與顯示電路的控制等。第二部分是煙霧和溫度傳感器，通過傳感器實時檢測當前環境的溫度和煙霧數據。并將數據通過其他電路轉換成數字信號，最后由單片機處理。第三部分是顯示與按鍵，用戶可通過按鍵控制報警器的閥值同時也能通過顯示器看見當前環境的溫度與煙霧濃度。該系統總體設計框圖如圖1所示：

3. 系統硬件方案設計

3.1 STM32F103單片機

STM32F103單片機使用的是MCS-51內核，具有32個I/O接口，8K字節的FLASH存儲器，512字節的RAM，程序的語言使用C語言即可完成編譯，然后再使用相應的燒錄器燒寫程序就可以實現該單片機對外圍器件的控制了。并且STM32系列的單片機自帶A/D轉換，這對電路的化簡和成本上有一定的作用。而STM32F103具有高性能、低成本、低功耗等優勢在32位MCU中性能最強。時鐘頻率能達到72MHz，功耗也只有36mA是市面上同類產品中性能最高的產品。完全能達本次設計的需求。

3.2 煙霧傳感電路

煙霧傳感器采用的是MQ-2煙霧傳感器，是一種模擬傳感器。其工作原理是將空氣中的煙霧氣體加熱然后再經過化學反應從而使傳感器內部的電阻絲的電流產生變化，根據其電流的變化量再參考器件使用手冊就可以推算出當前環境的煙霧濃度。為了準確的讀出氣體的濃度值，煙霧傳感器需要與STM32F103的A/D接口相連接，再向存儲器內寫入對應的轉換量，就可以將模擬量轉換成數字量了。MQ-2煙霧傳感器可以檢測出煙霧、天然氣、煤氣、氫氣等氣體適用于家庭、學校、倉庫、工廠等諸多領域。可以滿足本設計的場景需求。

3.3 溫度傳感電路

本設計采用的是DS18B20溫度傳感器模塊。DS18B20是一款單線數字式傳感器，所有的元器件以及轉換電路都被集中在一個元器件內。輸出的結果是以數字量串行輸出，可直接與單片機的I/O口相連接，整體工作電壓為3.0V-5.5V，測溫范圍為-55～+125℃，測溫精度為±0.5℃，精度轉換的最大時間為 750m，反應快、精度高、供電方便、抗干擾能力強，待機零功耗等優點受用于各種工作環境。在寄生電源方式下需使用10K歐的電阻對數據線進行上拉，當總線空閑時，為高電位，可確保穩定。

3.4 顯示電路

考慮到需要顯示的是溫度和煙霧濃度這兩組數據，所以只需要能夠顯示兩行以上的顯示器即可。所以本設計采用LCD1602液晶顯示器。它是一款工業字符型液晶顯示器，可以顯示兩行數據，每行可以顯示十六個數字、字母或者符號，可以滿足設計的需要。它體積小巧，功耗較低，顯示效果良好。LCD1602工作在3.5V-5.0V的電壓下，有16個引腳可以控制其內部的讀寫操作，是一款非常實用的液晶顯示設備。

3.5 報警電路

報警電路主要采用的是蜂鳴器、NPN三極管和LED燈組成。通常蜂鳴器的工作電流比較大，電路上的TTL電平基本上驅動不了蜂鳴器，所以增加了一個三極管來增加通過蜂鳴器的電流。在蜂鳴器上并聯一個LED二極燈管，當火災發生時，單片機檢測到該環境的火災信息后會控制報警電路發出警報，屆時蜂鳴器與二極管將同時工作以滿足不同場景的需求。其電路圖如圖2所示：

3.6 電源與按鍵設計電路

單片機的按鍵電路其實就是一個對高低電平的檢測。當按鍵被按下時，單片機就會來根據電平特性判斷程序應該要執行的操作。為了適應不同場景需求，我們設計了三個按鍵：按鍵1選擇菜單，按鍵2控制數值加一，按鍵3控制數值減一。選擇菜單可切換兩種模式：一是對煙霧報警閥值的大小控制;二是對溫度報警閥值的大小控制。

單片機的供電電源我們通過芯片手冊知道是5V供電，步進電機和報警液晶顯示等電路都是5V供電電壓。所以我們采用市場上常用的USB5V供電。

4. 系統軟件設計

系統的軟件設計其實設計系統的工作程序，主要包括煙霧和溫度傳感器的采樣程序設計、顯示電路的顯示程序以及按鍵程序的設計。主程序的執行過程：首先對煙霧和溫度傳感器以及LCD1602顯示器初始化，然后判斷溫度與煙霧數值是否超過預設閥值，如果超過則警報并顯示當前信息，如果否則直接顯示當前信息。初始化后可直接調節警報閥值，采樣器時刻采集環境信息。主程序流程圖如圖3所示：

5. 系統硬件測試

該設計主要是由STM32F103單片機、LCD1602液晶顯示器、MQ-2煙霧傳感器、DS18B20溫度傳感器、蜂鳴器、LED燈、電源和三個按鍵組成。在電路板上能具體看清元器件及其位置。顯示屏經過背光調節可以顯示當前環境的溫度以及煙霧濃度，同時能通過按鍵調節當前報警的閥值。值得注意的是，MQ-2煙霧傳感器是通過加熱氣體后才能準確測量環境煙霧濃度，所以開機后需要等待一分鐘讓煙霧傳感器預熱，否則采集數據將不準確。而且煙霧傳感器在工作中放熱，所以要注意煙霧傳感器與溫度傳感器在電路中的位置，避免兩種傳感器相互產生的干擾。總體集成測試成功，實物總體框架圖如圖4所示：

該火災報警系統主要靠溫度傳感器和煙霧傳感器組成，實現了對環境溫度和煙霧濃度的實時檢測，超過上限則進行聲光報警。實物實用性強，造價低可以拓展到多點部署方式。按鍵可調節報警閥值，能靈活運用在不同環境要求下。在實際應用場景中可廣泛運用在城市安防、家庭、公司、學校、倉庫、石油、化工、燃氣輸配等多種易起火區域部署。該火災報警器能第一時間進行報警，以最快的速度進行火情控制。

參考文獻：

[1]朱明程等.一氧化碳傳感器MGS1100原理及應用電子技術.1998年第1期.

[2]劉迎春.傳感器原理設計及應用.哈爾濱工業大學出社.

[3]趙負圖.數據采集與控制系統.北京科學技術出社.1987.

[4]王若鯨.數據通信系統入門.人民郵電出版社.1984.

[5]肖忠祥主編.數據采集原理.西北工業大學出版社.2003

[6]陳偉.STM32F103單片機實用子程序集錦.清華大學出版社.1993.

[7]何立民.單片機實用文集.北京航空航天大學出版.1993.

[8]余成波.傳感器與自動檢測技術.高等教育出版社.2004.