基于單片機(jī)的智能防火報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

周 玲 ，孫慧霞，竇永梅，朱倚嫻，楊修園，王 宇，代少君，陳 晨

（1.運(yùn)城學(xué)院物理與電子工程系，山西運(yùn)城 044000；2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019）

隨著社會(huì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，電子產(chǎn)品的使用越來(lái)越廣泛，火災(zāi)的發(fā)生次數(shù)和危險(xiǎn)性隨之不斷增加[1]。目前高校學(xué)生寢室人員密集，電氣火災(zāi)經(jīng)常發(fā)生，一旦得不到及時(shí)的處理，將會(huì)延誤火災(zāi)救助的最佳時(shí)機(jī)，后果不堪設(shè)想。因此，可靠的火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于火災(zāi)的遏制具有重大作用[2]。針對(duì)寢室用電器易電流過(guò)大導(dǎo)致短路而引起的火災(zāi)突發(fā)情況，本文設(shè)計(jì)一種智能防火報(bào)警裝置。該裝置通過(guò)測(cè)量插座溫度的突然上升變化，分階段對(duì)火情進(jìn)行報(bào)警和斷電的及時(shí)處理，以有效避免和防止火災(zāi)的發(fā)生。

1 防火報(bào)警裝置整體方案

基于單片機(jī)的智能防火報(bào)警裝置系統(tǒng)框圖如圖1 所示。裝置以單片機(jī)系統(tǒng)為控制核心，溫度采集模塊實(shí)現(xiàn)插座溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，將采集的溫度數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)系統(tǒng)，并驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示電路，以實(shí)現(xiàn)溫度的采集、處理與顯示。溫度閾值設(shè)置模塊設(shè)定高低溫度閾值，通過(guò)實(shí)測(cè)溫度與溫度閾值的比較，單片機(jī)系統(tǒng)控制聲光報(bào)警模塊和斷電功能模塊作用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的分階段處理。整個(gè)報(bào)警裝置所需的電源由220 V 轉(zhuǎn)± 5 V電源模塊供給。

圖1 防火報(bào)警裝置系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)包含單片機(jī)芯片、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路[3]，電路原理圖如圖2 所示。單片機(jī)提供內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)和外部時(shí)鐘信號(hào)兩種方式，本設(shè)計(jì)采用12 MHz 的內(nèi)部時(shí)鐘電路，為了穩(wěn)定電路和快速起振，在晶振兩端外加兩個(gè)33PF瓷片電容，有助于振蕩電路起振。單片機(jī)的復(fù)位電路存在按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩種復(fù)位方式，本設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位電路。當(dāng)按鍵按下時(shí)，復(fù)位引腳輸入高電平，啟動(dòng)復(fù)位；當(dāng)松開(kāi)按鍵時(shí)，復(fù)位引腳輸入低電平，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始正常工作[4]。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖

單片機(jī)P1.0引腳與溫度采集模塊相連接，P1.5、P1.6 和P1.7 引腳通過(guò)按鍵對(duì)溫度閾值參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，分別為溫度閾值設(shè)置，閾值增加和閾值減小[5]。單片機(jī)將溫度比較的結(jié)果通過(guò)P1.1 和P1.2 控制聲光報(bào)警模塊，并通過(guò)P1.4引腳驅(qū)動(dòng)繼電器斷電功能模塊。P0口和P2口分別控制數(shù)碼管顯示電路的段選和位選。

2.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20對(duì)插座溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，電路原理圖如圖3 所示。DS18B20的三個(gè)引腳中，兩個(gè)引腳分別為VCC和GND，另一引腳DQ 與單片機(jī)的P1.0引腳連接[6]，將采集的數(shù)字溫度值輸入單片機(jī)。單片機(jī)控制溫度傳感器DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)初始化，ROM 操作指令和存儲(chǔ)器操作指令三個(gè)基本步驟[7]。該設(shè)計(jì)不僅節(jié)約了單片機(jī)的引腳資源，而且可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖3 溫度采集原理圖

2.3 數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼管顯示電路采用共陰數(shù)碼管SM420561K，單片機(jī)的P2.1、P2.3、P2.5 和P2.7 控制數(shù)碼管的4 個(gè)位選端口，采集的溫度值通過(guò)P0 口和上拉電阻驅(qū)動(dòng)8 個(gè)段選端口，電路原理如圖4 所示。當(dāng)設(shè)置高低溫度閾值時(shí)，數(shù)碼管顯示設(shè)定的溫度閾值。其他情況，數(shù)碼管顯示插座的實(shí)測(cè)溫度值。

圖4 數(shù)碼管顯示電路原理圖

2.4 聲光報(bào)警與斷電功能模塊

根據(jù)火災(zāi)燃點(diǎn)，設(shè)定高低雙重溫度閾值，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度超過(guò)低溫度閾值T1 時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警。聲光報(bào)警模塊主要由有源蜂鳴器、PNP型三極管和發(fā)光二極管組成[8-9]，原理圖如圖5所示。當(dāng)單片機(jī)的P1.1 為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。單片機(jī)的P1.2引腳控制燈光報(bào)警，當(dāng)引腳為低電平時(shí)，發(fā)光二極管正向?qū)?，啟?dòng)燈光報(bào)警。即該電路的主要作用是采集前端信號(hào)，并且判斷火災(zāi)信號(hào)的真?zhèn)?，一旦確定為火災(zāi)信號(hào)，觸發(fā)聲光報(bào)警系統(tǒng)[10]。

若溫度持續(xù)上升，超過(guò)高溫度閾值T2時(shí)，繼電器電路作為插座的開(kāi)關(guān)功能實(shí)現(xiàn)用電器的斷電處理，從而可靠防止火災(zāi)的發(fā)生。繼電器斷電功能模塊電路原理圖如圖6 所示，該模塊主要由繼電器、NPN型三極管、二極管和電阻組成。當(dāng)溫度低于T2時(shí)，P1.4 為高電平，三極管處于飽和狀態(tài)，集電極和發(fā)射極導(dǎo)通[11]，繼電器因得到足夠的驅(qū)動(dòng)電流而產(chǎn)生磁場(chǎng)，使得銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，插座接通電源，用電器通電。當(dāng)溫度高于T2時(shí)，P1.4 為低電平，三極管截止，此時(shí)繼電器內(nèi)部的線圈無(wú)電流通過(guò)，銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)始終與常閉觸點(diǎn)接觸，插座斷開(kāi)電源，用電器斷電。由于三極管截止時(shí)繼電器線圈產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)可能使得e、c擊穿，因此在繼電器線圈兩端反向并聯(lián)一個(gè)二極管，吸收該電動(dòng)勢(shì)，起到保護(hù)電路的作用。

圖5 聲光報(bào)警原理圖

圖6 繼電器斷電電路原理圖

2.5 電源模塊

電源模塊為智能防火報(bào)警裝置的各個(gè)模塊電路的正常工作提供持續(xù)、穩(wěn)定的直流電源。該模塊由降壓電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，其電路原理圖如圖7 所示。首先降壓變壓器將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為符合整流電路所需的交流電壓，然后經(jīng)過(guò)由4個(gè)二極管構(gòu)成的單向橋式整流電路，利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，將正弦式的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗虻拿}沖電壓，再通過(guò)電解電容C1和C2 等儲(chǔ)能元件組成的濾波電路將殘留的交流成分濾除，從而得到比較平滑的電壓。為避免整流濾波后得到的電壓受到電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，采用三端串聯(lián)型集成穩(wěn)壓芯片LM7805 和LM7905，電容C3、C4、C5和C6用于旁路高頻干擾脈沖和改善波紋。防振電解電容C7和C8用于防止輸出端自激以得到穩(wěn)定的直流電壓[12]。此外，在三端穩(wěn)壓器的輸入端與輸出端分別跨接保護(hù)二極管，防止防振電容放電損壞穩(wěn)壓器[13]。F1 和F2 為熔斷絲，起到過(guò)流保護(hù)的作用，LED1和LED2為電源指示燈二極管。

圖7 電源電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖8 主程序的流程圖

程序采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主流程圖如圖8所示。首先對(duì)單片機(jī)、溫度傳感器、溫度閾值設(shè)置等進(jìn)行初始化操作，溫度傳感器將采集的溫度值經(jīng)過(guò)變換后送數(shù)碼管顯示。通過(guò)按鍵設(shè)置高低溫度閾值，比較后進(jìn)行聲光報(bào)警和斷電處理。系統(tǒng)的溫度閾值設(shè)置主要通過(guò)K1、K2和K3三個(gè)按鍵相互配合完成，子程序流程圖如圖9所示。K1按鍵控制系統(tǒng)溫度閾值的設(shè)置功能，通過(guò)K2鍵和K3鍵分別調(diào)節(jié)溫度閾值大小。當(dāng)K1 鍵彈起時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入高溫度閾值設(shè)置模式；當(dāng)K1鍵按下時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入低溫度閾值設(shè)置模式。K2鍵和K3鍵分別增加或減少溫度閾值。模塊化程序設(shè)計(jì)便于功能擴(kuò)展和系統(tǒng)升級(jí)。

圖9 溫度閾值設(shè)置子程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4.1 溫度閾值設(shè)置結(jié)果

系統(tǒng)通電后自動(dòng)進(jìn)行初始化操作，當(dāng)系統(tǒng)正常啟動(dòng)時(shí)，電源指示燈將亮起。若通電后系統(tǒng)啟動(dòng)失敗或是初始化不正確，綠色的指示燈將不會(huì)亮起，用戶即可獲知系統(tǒng)出現(xiàn)故障。在模擬實(shí)驗(yàn)中，用綠色的LED 燈來(lái)表示電源指示燈，如圖10 和圖11 所示。程序初始化后，DS18B20 溫度傳感器采集插座溫度，經(jīng)單片機(jī)處理并由數(shù)碼管顯示當(dāng)前檢測(cè)的溫度值。圖10 中設(shè)置的低溫度閾值為25°C，圖11 中高溫度閾值顯示為30°C。此外，用戶可以根據(jù)季節(jié)氣候或?qū)嶋H需求自主設(shè)置高低溫度閾值。在溫度設(shè)置的過(guò)程中，綠色的電源指示燈始終被點(diǎn)亮。

圖10 低溫度閾值顯示結(jié)果

圖11 高溫度閾值顯示結(jié)果

4.2 聲光報(bào)警與斷電功能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)當(dāng)前設(shè)置的溫度閾值，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度高于低溫度閾值25°C 時(shí)，通過(guò)聲光雙渠道同時(shí)報(bào)警實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)一級(jí)預(yù)警，蜂鳴器會(huì)發(fā)出“滴……滴……滴”報(bào)警聲，同時(shí)LED紅燈會(huì)持續(xù)閃爍，系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，結(jié)果如圖12 所示。當(dāng)聲光報(bào)警沒(méi)有通知到用戶做出相關(guān)避險(xiǎn)操作時(shí)，插座溫度會(huì)持續(xù)上升，當(dāng)超過(guò)上述設(shè)置的高溫度閾值30°C 時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行火災(zāi)二級(jí)預(yù)警，通過(guò)單片機(jī)控制繼電器，使繼電器的常閉接點(diǎn)吸合，實(shí)現(xiàn)外接用電器的斷電處理。實(shí)驗(yàn)中，采用黃燈的亮滅模擬繼電器的開(kāi)關(guān)工作，如圖13所示。在防火報(bào)警裝置單獨(dú)供電情況下，當(dāng)實(shí)際溫度超過(guò)高溫度閾值30°C時(shí)，黃燈點(diǎn)亮，表明繼電器常閉觸點(diǎn)吸合，用電器斷電功能實(shí)現(xiàn)，并且一級(jí)預(yù)警狀態(tài)下的聲光報(bào)警將不會(huì)停止，持續(xù)提醒用戶進(jìn)行避險(xiǎn)操作。當(dāng)實(shí)際溫度低于高溫度閾值30°C時(shí)，常亮的黃燈自動(dòng)熄滅，繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，用電器通電。

圖12 聲光報(bào)警測(cè)試結(jié)果

圖13 斷電功能測(cè)試結(jié)果

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)以STC89C51 單片機(jī)為控制核心，通過(guò)外圍電路對(duì)插座溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括采集、處理、顯示和比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)模擬場(chǎng)合的應(yīng)急處理。智能火災(zāi)報(bào)警裝置由硬件模塊和軟件模塊組成，可有效地實(shí)現(xiàn)溫度閾值設(shè)置、聲光報(bào)警和用電器斷電模擬功能，對(duì)電氣火災(zāi)的報(bào)警預(yù)防有一定效果。