基于單片機的火災報警器設計

摘 "要：該文介紹一種基于單片機技術的火災報警器設計，利用溫度傳感器和煙霧傳感器進行火災監測。單片機進行數據處理和控制，確?；馂臋z測結果的準確性和報警功能。溫度傳感器和煙霧傳感器監測環境溫度和煙霧濃度，一旦超過設定閾值，傳感器將信號傳給單片機。單片機處理信號，通過軟件算法判斷是否發生火災，從而觸發聲音報警器和可視警報裝置。實驗證明，這種報警器能快速準確地檢測火災，并及時觸發報警。與傳統報警器相比，其結合溫度和煙霧傳感器提高準確性和可靠性。該設計提供高效的火災預警功能，提升報警準確性和響應速度，更具實用性和可靠性。

關鍵詞：火災報警器；單片機；傳感器；報警控制；溫度傳感器；煙霧傳感器

中圖分類號：TM925 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0044-04

Abstract： This paper introduces a fire alarm design based on MCU technology. Temperature sensors and smoke sensors are used for fire monitoring， and MCU is used for data processing and control to ensure the accuracy of fire detection results and alarm function. Temperature sensors and smoke sensors monitor the ambient temperature and smoke concentration. Once a set threshold is exceeded， the sensors send a signal to the microcontroller. The MCU processes signals， uses software algorithms to determine whether a fire has occurred， and triggers audio alarms and visual alarms. Experiments have proved that this alarm can quickly and accurately detect fires and trigger alarms in time. Compared to traditional alarms， the combination of temperature and smoke sensors improves accuracy and reliability. This design provides efficient fire warning functions， improves alarm accuracy and response speed， and is more practical and reliable.

Keywords： fire alarm; MCU; sensor; alarm control; temperature sensor; smoke sensor

火災是一種常見而危險的災害，會對人們的生命財產造成巨大威脅。設計開發一個基于單片機的智能火災警報器，旨在提高火災預警的效率和準確性，保障人們的生命安全。隨著科技的發展，傳統的火警系統已經不能完全滿足人們的需求，需要更加智能、快速響應的火災警報器來提供更可靠的安全保障。本項目將利用單片機的微處理器技術，結合各類傳感器，實現對環境溫度、煙霧等參數的實時監測，從而及時判斷是否存在火災風險，進而觸發警報裝置，實現快速響應。

1 "相關技術與背景知識

1.1 "單片機

作為控制中心，單片機主要負責數據處理、決策判斷和控制輸出。常用的單片機包括51系列、AVR、STM32等，本項目選擇STC89C52單片機，主控外部連接如圖1所示。

圖1 "主控外部連接

1.2 "火災檢測傳感器技術

火災警報器需要通過各類傳感器實時監測環境參數，如溫度、煙霧濃度等。其中，煙霧報警器的原理如下：在啟動MQ-2傳感器后，首先需要進行一系列的程序初始化步驟。這包括設置傳感器的參數，如靈敏度、采樣率和工作模式等，以確保傳感器能夠按照預期的方式工作。初始化過程中，系統會檢查硬件連接是否正確，軟件配置是否符合要求，并進行必要的校準以消除誤差。完成初始化后，傳感器進入預熱階段。預熱是必要的，因為MQ-2傳感器對溫度和濕度比較敏感，需要一定時間來穩定其內部化學反應，以達到最佳的檢測性能。預熱時間通常根據環境條件和傳感器的具體要求而定，可能需要幾分鐘到十幾分鐘不等。預熱完成后，系統開始進行信號采集。MQ-2傳感器通過其內部的化學敏感元件檢測環境中的氣體濃度，并將這些信息轉換為電信號。這些模擬信號隨后被送入模數轉換器（ADC）進行處理。

ADC0831是一款常用的8位模數轉換器，其能夠將模擬信號轉換為數字信號，以便單片機能夠理解和處理。單片機接收到ADC0831輸出的數字信號后，會根據預設的程序邏輯發送指令給ADC0831，指示其進行模數轉換。ADC0831接收到來自單片機的指令后，會啟動轉換過程。轉換過程的關鍵時刻是電平的變化：當輸入信號從低電平轉換為高電平時，ADC0831的內部寄存器會被清零，為接下來的轉換做準備；而當信號從高電平轉換為低電平時，ADC0831會正式啟動模數轉換，將模擬信號量化為數字值，并輸出給單片機進行進一步的處理和分析。

整個過程涉及傳感器技術、模擬電子技術、數字電子技術和微控制器編程等多個領域的知識，確保了MQ-2傳感器能夠準確、可靠地檢測環境中的氣體濃度。OE為是否允許輸出的信號，若為高電平，可得當前煙霧值[1]。

1.3 "信號處理方法

傳感器信號采集：首先，火災警報器需要通過各類傳感器獲取環境參數的信號，如溫度傳感器、煙霧傳感器等。傳感器通過模擬信號處理電路或模數轉換器（ADC）將其轉換為數字信號，以便單片機進行處理。

信號濾波：在信號采集過程中，為了避免受到各種噪聲的干擾，需要對采集到的信號進行濾波處理，去除噪聲和干擾，保證信號的準確性和穩定性[2]。

信號處理：煙霧傳感器和溫度傳感器是2個關鍵組件，其協同工作以確保環境的安全。煙霧傳感器，尤其是像MQ-2這樣的傳感器，能夠檢測多種可燃性氣體，如甲烷、丙烷、氫氣等，這些氣體在日常生活和工業環境中都可能存在。當這些氣體達到一定濃度時，其可能構成火災或爆炸的風險。

溫度傳感器則負責監測環境溫度的變化。溫度是影響許多化學和物理過程的重要因素，包括可燃氣體的揮發性和燃燒特性。通過監測溫度，系統可以更準確地評估潛在的危險情況，并在必要時采取預防措施。

為了使這些傳感器能夠在不同的環境條件下有效工作，系統通常配備有按鍵或用戶界面，根據實際情況設置各種參數閾值。

2 "整體架構和流程

火災報警器的整體架構包括傳感器模塊、控制模塊和報警模塊。傳感器模塊使用煙霧傳感器和溫度傳感器進行火災檢測。這些傳感器通過數字或模擬接口與單片機連接。在智能家庭安防報警系統運行過程中，由于煙霧傳感器等設備檢測收集到的數據在輸出時以模擬量信號輸出，單片機中轉處理系統并不能直接接收處理，故需進行A/D轉換處理[3]。

控制模塊使用STC89C52單片機作為核心，負責數據采集、處理和判斷。單片機根據傳感器數據進行實時分析，并根據預設的閾值判斷是否發生火災。

報警模塊可以采用聲音報警、光閃報警等方式。當火災被檢測到后，單片機將觸發報警模塊并發出相應的報警信號。系統主程序流程圖如圖2所示。

3 "布置方式

將煙霧傳感器和溫度傳感器安裝在易燃物附近或通風良好的區域，以便及時檢測到煙霧和溫度變化。

4 "單片機程序設計思路和算法

4.1 "傳感器數據采集

編寫程序實現對煙霧傳感器和溫度傳感器數據的采集。

4.2 "信號處理

對采集到的傳感器數據進行信號處理，包括濾波、去噪等操作，確保數據的準確性和穩定性。

4.3 "火災識別算法

編寫設置各種參數閾值，當溫度傳感器采集到的溫度超過一定閾值，或者煙霧傳感器檢測到煙霧濃度超過預設閾值時，即認為存在火災危險。

4.4 "警報觸發

當火災風險被確認時，觸發警報裝置發出警報。通過控制聲光報警器來提醒用戶，并采取相應的應對措施。

4.5 "循環執行

設計循環執行的程序結構，持續監測傳感器數據并進行火災識別和警報觸發，確?；馂木瘓笃髂軌虺掷m穩定地運行。數據采集：這部分主要是通過溫度傳感器和煙霧傳感器來獲取環境的溫度和煙霧濃度數據。

5 "硬件設計和關鍵代碼片段

5.1 "ＭＱ－２煙霧傳感器電路

煙霧報警模塊設計選用MQ-2煙霧傳感器，該傳感器具有探測范圍廣、高靈敏度、快速響應、簡單驅動電路和長壽命等優點，能夠有效檢測火災和燃氣泄漏，是一種成本低、應用廣泛的多功能可燃氣體傳感器[4]。其電路如圖3所示。火災發生時，煙霧和可燃氣體是早期檢測的關鍵指標。MQ-2傳感器能夠檢測多種可燃氣體和煙霧，包括甲烷、丙烷、氫氣和一氧化碳，其核心材料為二氧化錫（SnO2）。

在MQ-2傳感器中，二氧化錫的電導率會隨著環境中煙霧和可燃氣體濃度的變化而變化。在清潔空氣中，電導率較低；當傳感器接觸到可燃氣體或煙霧時，氣體分子與二氧化錫發生化學反應，導致電導率增加。這種變化可以轉化為電信號進行測量和分析。

為確保早期火災檢測，需要根據實際場景設定合適的閾值。本實驗中，煙霧報警器的閾值設定為100 ppm（百萬分之一），即當傳感器檢測到的可燃氣體濃度達到或超過此值時，系統將觸發報警。該閾值基于大量實驗數據和實際火災案例分析，旨在及時發現火災并采取措施。

此外，MQ-2傳感器可通過校準提高檢測準確性，校準過程通常在已知濃度的氣體環境中進行，并根據測試結果調整傳感器響應。定期維護和檢查也能確保傳感器在長時間使用后保持良好性能。

總之，MQ-2型煙霧傳感器通過監測環境中的煙霧和可燃氣體濃度，為早期火災檢測提供了有效手段[5]。合理設定閾值和定期校準，使傳感器能夠在火災初期階段發出警報，從而為人員疏散和火災撲救爭取寶貴時間。

5.2 "溫度傳感器模塊

選擇DS18B20溫度傳感器用于環境溫度檢測，其反應迅速且適合短時間室內溫度變化的監測。DS18B20通過單總線協議與單片機通信，僅需一條引線，簡化了電路結構，非常適合遠距離多點溫度檢測，該溫度傳感器模塊如圖4所示。

DS18B20是一款常用的數字溫度傳感器，采用集成芯片和單總線技術，能有效減少外界干擾，提高測量精度。在環境溫度檢測電路中，確保傳感器與單片機之間的通信時序正確至關重要。電路上電后，DS18B20開始測量環境溫度，并將結果存儲在內部寄存器中。其DATA引腳在上拉電阻作用下保持高電平狀態[6]。通信開始前，DATA引腳需處于接收狀態，單片機的P16引腳會輸出低電平信號作為復位脈沖，通知DS18B20準備通信。

復位脈沖后，DS18B20會發送存在脈沖，表明準備好數據傳輸。單片機隨后發送命令讀取溫度數據，DS18B20以40位格式將溫度數據、CRC校驗字節及控制信息發送給單片機。傳輸結束后，單片機輸出50 μs要的低電平信號，通知DS18B20數據傳輸完成。整個過程循環進行，DS18B20實時采集并傳送最新的溫度數據。

在此過程中，單片機需精確控制通信時序，確保脈沖寬度和間隔符合協議要求。為提高系統穩定性，電路設計中通常會包含濾波和保護措施，以防噪聲干擾和電氣過載。通過這樣的設計，DS18B20能夠提供穩定、可靠的環境溫度監測，適用于各種需要精確溫度控制的應用場景[7]。

5.3 "聲光報警模塊

聲音報警器用的是蜂鳴器。燈光報警則使用紅色LED燈，紅色通常被用作緊急情況的警示顏色，因為其在視覺上非常醒目，即使在光線較暗的環境中也能輕易被察覺。LED燈具有低功耗、長壽命和快速響應的優點，非常適合作為報警指示燈。

當環境中的煙霧濃度或溫度超過預設的閾值時，傳感器會將這一信息傳遞給單片機。單片機在接收到這一信號后，會通過其輸出接口驅動蜂鳴器和LED燈。在許多設計中，單片機的輸出接口在驅動LED時會輸出低電平信號，這是因為LED通常是通過低電平有效的方式來點亮的。當接口輸出低電平時，LED燈會導通并發光，從而形成視覺上的報警信號。

同時，單片機也會驅動蜂鳴器，使其發出聲音報警。蜂鳴器的驅動方式通過單片機的輸出接口來控制。通過合理的設計和配置，這些報警器可以在各種環境中有效地發揮作用，保障人員和財產的安全。

5.4 "數據處理模塊

數據采集模塊主要是通過溫度傳感器和煙霧傳感器來獲取環境的溫度和煙霧濃度數據。在這里，選擇DS18B20作為溫度傳感器，MQ-2作為煙霧傳感器。

數據處理模塊需要將采集到的數據與預設的閾值進行比較，如果超過閾值，則觸發警報。這部分的代碼如圖5所示。

5.5 "設備控制模塊

設備控制模塊是當警報觸發時，控制報警器發出警報，同時如果連接了聯動設備，還需要啟動這些設備。這部分的代碼如圖6所示。

以上是基于單片機的火災報警器的硬件設計與編程實踐方案。通過這個方案，可以實現一個簡單但功能強大的火災報警器，能夠及時地檢測到火災，并發出警報，保護人們的生命安全。

6 "實驗設置與數據采集過程

實驗設備的設置過程如下。首先，將51單片機與溫度傳感器、煙霧傳感器和報警器連接，然后將電源模塊接入電網，為整個系統供電。接著，對51單片機進行編程，設置溫度和煙霧濃度的閾值，檢測溫度或煙霧濃度是否超過閾值。

數據采集的過程是通過51單片機的ADC（模數轉換器）實現的。將溫度傳感器和煙霧傳感器的模擬信號轉換為數字信號，然后通過單片機進行判斷。如果檢測到的溫度或煙霧濃度超過預設的閾值，單片機將會驅動報警器發出警報。

7 "不同場景下火災檢測的準確性

在多個場景下進行了火災檢測實驗。在室內環境下，火災報警器的檢測準確性和響應速度均較高。這主要是因為室內環境的溫度和濕度相對穩定，有利于傳感器的正常工作。在室外環境下，由于溫度和濕度的變化較大，火災報警器的檢測準確性和響應速度略有下降，但總體上仍能滿足火災檢測的需求。

8 "結束語

在本實驗中，設計了一款基于51單片機的火災報警器，其主要組件包括51單片機、溫度傳感器、煙霧傳感器、報警器以及電源模塊。通過軟硬件組裝，得到了一款能夠在不同場景下快速響應的火災檢測系統，并且其檢測性能達到了預期的目標。

參考文獻：

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