基于STM8S單片機的汽車火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計

許莉娟 孫辰 陰世杰 曹雨婷

基金項目：鹽城工學(xué)院教改研究課題（JYKT2019A032）;鹽城工學(xué)院教改研究課題（JYKT2019B064）

摘要：隨著汽車的普及，汽車火災(zāi)事故也不斷增加，但傳統(tǒng)的汽車火災(zāi)探測方式使用單一傳感器對單一物理量進行檢測，決策機制單一，存在較高的誤報率和漏報率，錯過了最佳的撲火時間。為了避免火災(zāi)和減少火災(zāi)造成的損失，首先確定了汽車火災(zāi)探測特征量主要包括溫度、煙霧和一氧化碳，然后基于多種傳感器和STM8S單片機，設(shè)計了汽車火災(zāi)報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有汽車火災(zāi)特征量采集、顯示、報警和自動破窗的功能。

關(guān)鍵詞：汽車火災(zāi)；STM8S；報警；自動破窗

中圖分類號：U462.2? 收稿日期：2024-01-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405020

1 前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車作為現(xiàn)代化交通工具日益普及，由于汽車中電子控制系統(tǒng)的不斷增加、可燃裝飾性材料使用增多等原因，汽車火災(zāi)近幾年一直呈逐漸上升趨勢，因此研究汽車火災(zāi)具有一定的價值和社會意義。國內(nèi)外學(xué)者對于汽車火災(zāi)報警技術(shù)的研究取得了一定的成果，研發(fā)制造出了一系列的預(yù)防報警及滅火系統(tǒng)[1-2]。

文獻[3-6]基于單片機技術(shù)和傳感器技術(shù)設(shè)計了汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)，火災(zāi)報警系統(tǒng)雖然有一定程度的智能化，但是仍存在一些缺陷。一方面，火災(zāi)報警系統(tǒng)對火災(zāi)特征參數(shù)的檢測不夠，僅限于對煙霧和溫度進行檢測；另一方面，火災(zāi)報警系統(tǒng)大多基于傳統(tǒng)的51單片機，設(shè)計時需要增加模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，增加了成本，且對火災(zāi)進行了探測和聲光、無線通信報警，未對火災(zāi)發(fā)生后的措施進行完善。

因此在上述研究基礎(chǔ)上，本文基于STM8S單片機設(shè)計并完善了汽車火災(zāi)報警系統(tǒng)。首先制定了總體設(shè)計方案，接著從硬件和軟件兩個方面對該系統(tǒng)進行設(shè)計。與傳統(tǒng)的火災(zāi)報警系統(tǒng)相比，本文設(shè)計的汽車火災(zāi)報警系統(tǒng)火災(zāi)判斷更科學(xué)、準確，可靠性更高。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

汽車火災(zāi)發(fā)生時，會產(chǎn)生大量的濃煙和CO，散發(fā)出光和熱導(dǎo)致車內(nèi)溫度急劇升高?；谶@些特點，通過檢測現(xiàn)場煙霧濃度、環(huán)境溫度以及煙霧中CO濃度能夠有效檢測災(zāi)情的發(fā)生，從而有能力在火災(zāi)源頭發(fā)生時，達到報警并進一步消滅火災(zāi)的目的。本文所設(shè)計的汽車火災(zāi)報警系統(tǒng)硬件組成主要包括單片機、煙霧溫度CO傳感器、液晶顯示器、按鍵、聲光報警模塊和自動破窗模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

系統(tǒng)通過溫度傳感器檢測現(xiàn)場環(huán)境溫度，煙霧傳感器檢測煙霧濃度，一氧化碳傳感器檢測煙霧中CO的濃度；系統(tǒng)設(shè)置按鍵用于設(shè)定溫度、煙霧濃度、CO濃度的報警閾值；通過液晶顯示屏實時顯示檢測值和閾值。

系統(tǒng)的工作原理：通過溫度、煙霧、CO傳感器不間斷地實時檢測汽車所處環(huán)境的溫度、煙霧濃度和煙霧中CO的濃度，并將檢測到的三種數(shù)據(jù)值傳送給單片機，通過液晶顯示屏顯示呈現(xiàn)，并與預(yù)設(shè)警戒值進行比較。若超出警戒值，啟動聲光報警，若溫度、煙霧濃度、CO濃度值全部超出警戒值，系統(tǒng)自動破窗，便于救援和滅火。

3 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)以STM8S105C6T6單片機為核心，配合手工復(fù)位電路等構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，包含溫度、煙霧和CO檢測電路、按鍵電路、液晶顯示電路、聲光報警電路和自動破窗電路，進一步配合軟件編程實現(xiàn)所需功能。

31 電源轉(zhuǎn)換電路

STM8S105C6T6單片機的工作電壓為295～55 V，而車載電池為直流電源12 V，故需進行直流電源轉(zhuǎn)換，本文采用降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596實現(xiàn)12 V到5 V的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

32 STM8S105C6T6單片機最小系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)采用STM8S105C6T6單片機作為主要控制芯片，STM8S105C6T6是采用LQPF-48封裝的8位微控制器，提供容量為16 K～32 K字節(jié)的Flash程序存儲器，擁有16 MHz CPU時鐘頻率，強大的I/O功能，支持10個通道的模擬信號輸入，10位ADC轉(zhuǎn)換精度，STM8S105C6T6的最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

33 煙霧檢測電路

本系統(tǒng)采用靈敏度高、穩(wěn)定性好，性價比高的MQ-2煙霧傳感器收集煙霧濃度模擬信號，MQ-2煙霧傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SNO2），當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，煙霧濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號就越大。本系統(tǒng)中MQ-2煙霧傳感器檢測到的煙霧濃度信號可直接輸入單片機的模擬端口，無需增加模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（ADC）進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，降低了成本。煙霧檢測電路如圖4所示，只需將傳感器的模擬輸出引腳3與單片機的PB1/AIN1引腳相連即可。

34 一氧化碳（CO）檢測電路

火災(zāi)現(xiàn)場中煙霧成分主要是CO2和CO，本系統(tǒng)采用MQ-7煙霧傳感器來檢測空氣中的CO濃度，其靈敏度高，反應(yīng)速度快，響應(yīng)時間短，成本廉價。MQ-7傳感器內(nèi)部有一塊小小的加熱器，通過電流加熱，使得傳感器的工作環(huán)境溫度升高，同時加速氣體分子的運動。模塊中的半導(dǎo)體氣敏元件表面涂有一層特殊的金屬氧化物，當在特定的溫度下，空氣中的CO氣體與金屬氧化物接觸時，會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使得金屬氧化物表面的電阻發(fā)生變化，當空氣中的CO濃度增加時，電阻減小，從而輸出一個模擬信號。

MQ-7傳感器共有四個引腳，分別是GND、DOUT、AOUT和VCC。AOUT是模擬輸出引腳，用于輸出模擬信號，一般使用AOUT讀取模塊輸出的模擬信號。本設(shè)計中只需將MQ-7傳感器的AOUT引腳連接單片機的模擬通道0，即與PB0/AIN0引腳相連即可。CO傳感器檢測電路如圖5所示。

35 溫度檢測電路

傳統(tǒng)的測溫方法主要依靠一些熱敏電子元器件進行溫度采集，比如熱敏電阻等。這種方法存在進度低、速度慢、需額外增加ADC轉(zhuǎn)換芯片的缺點。本系統(tǒng)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，DS18B20溫度傳感器測量范圍為-55-+128 ℃，測量精度高，其體積小，功耗低，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳給單片機處理，因而可以省去傳統(tǒng)的信號放大、A/D轉(zhuǎn)換等外圍電路。本系統(tǒng)將DS18B20的信號輸入輸出端口DQ與STM8S105C6T6單片機的PC1引腳相連，溫度檢測電路如圖6所示。

36 聲光報警電路

報警模塊采用聲光報警的形式，通過三個發(fā)光二極管和一個蜂鳴器來實現(xiàn)。報警電路如圖7所示。當溫度、煙霧濃度、CO濃度檢測值任一值超過警戒值時，對應(yīng)的發(fā)光二極管會閃爍報警，同時蜂鳴器會報警。蜂鳴器的報警采用三極管作為開關(guān)器件，控制蜂鳴器是否發(fā)出聲音，當單片機的PC2引腳發(fā)出一個低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，當PC2引腳發(fā)出一個高電平時，三極管截至，蜂鳴器停止發(fā)聲。

37 自動破窗電路

本系統(tǒng)一旦檢測并判斷出溫度、煙霧濃度和CO濃度值全都超出警戒值時，就確定有火災(zāi)發(fā)生，除了產(chǎn)生聲光報警，提示異常狀態(tài)外，為了減少火災(zāi)損失，增加了自動破窗的功能，自動破窗采用繼電器驅(qū)動電機來實現(xiàn)，電路如圖8所示。該電路中采用一個三極管作為電路的控制開關(guān)，增強線圈中的導(dǎo)通電流。當單片機PC6管腳的輸出低電平時，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流通過繼電器線圈，形成一個磁力吸收觸點，從而使繼電器能夠接通，驅(qū)動電機工作，實現(xiàn)破窗。當PC6輸出高電平時，三極管斷開，繼電器不動作，電機不工作。

38 液晶顯示電路

LCD是目前火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計時比較常用的顯示器件，但因LCD引腳太多，需要耗費太多單片機輸入輸出引腳，還需要提供背光源等，故本文選用OLED液晶顯示器，用于顯示檢測到的溫度、煙霧濃度和CO濃度的值以及所設(shè)置的警戒值。OLED屏幕由有機發(fā)光二極管組成，能夠提供更高的對比度，每個像素點都能獨立發(fā)光，不需要背光源，可以實現(xiàn)各種亮度和顏色的顯示效果，其體積小、功耗低。本系統(tǒng)中選擇4針OLED屏模塊，工作電源一般為33 V或5 V，該模塊有四個引腳，分別是VCC、GND、SCL和SDA，其中SCL是時鐘引腳，用于傳輸數(shù)據(jù)時的時鐘信號，SDA是數(shù)據(jù)引腳，用于傳輸數(shù)據(jù)。OLED顯示模塊與STM8S105C6T6單片連接時，選擇I2C接口，連接方式如圖9所示。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)流程圖如圖10所示。

5 結(jié)語

本文基于STM8S單片機，對汽車火災(zāi)報警系統(tǒng)進行了設(shè)計，該系統(tǒng)具有火災(zāi)判斷及時、準確，可靠性高等優(yōu)點。

參考文獻：

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[2]于嬌洋，王文鑫，唐雪瑩基于STC89C52 單片機的智能火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計[J]電子制作，2022，30（22）：63-65

[3]吳海潮多傳感器信息融合的汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)設(shè)計研究[J]內(nèi)燃機與配件，2021（21）：212-213

[4]孔慶奎基于單片機的汽車火災(zāi)報警系統(tǒng)[J]數(shù)控技術(shù)，2012（6）：29-30

[5]楊超基于單片機的汽車火災(zāi)報警系統(tǒng)[J]農(nóng)機使用與維修，2011（2）：73-74

[6]劉偉基于多傳感器融合的汽車火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計與研究[D]銀川：寧夏大學(xué)，2019

作者簡介：

許莉娟，女，1983年生，講師，研究方向為隨機系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的魯棒控制及高等教育教學(xué)。