基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的設(shè)計(jì)

謝永超，楊 利，嚴(yán) 俊,2

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通智能控制學(xué)院，湖南 株洲 412001；2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，越來(lái)越多的城市軌道交通、農(nóng)業(yè)/工業(yè)及民用建筑火災(zāi)發(fā)生的可能性大大增加，因此需要在城市軌道車(chē)輛、農(nóng)業(yè)用的大棚、商業(yè)場(chǎng)所等封閉區(qū)域安裝煙霧探測(cè)器，以期預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。通常在正常情況下發(fā)生的火災(zāi)通常會(huì)伴有煙、熱、光、和信號(hào)等物理量的產(chǎn)生，根據(jù)這些特點(diǎn)，早期的煙霧探測(cè)技術(shù)就這樣慢慢開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。已有的煙霧探測(cè)報(bào)警裝置的核心是煙霧探測(cè)裝置，再加上煙霧報(bào)警裝置、相關(guān)的制裝置與其他輔助裝置等幾部分組成，能夠?qū)崟r(shí)探測(cè)和檢驗(yàn)火災(zāi)的燃燒初期所導(dǎo)致的熱量、煙霧等相關(guān)物理參數(shù)的變化，并實(shí)時(shí)地將測(cè)試到的熱量、煙霧等相關(guān)信號(hào)的變化通過(guò)煙霧探測(cè)裝置轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并觸發(fā)報(bào)警裝置的功能。煙霧探測(cè)報(bào)警裝置一般均具有故障報(bào)警功能、系統(tǒng)自檢功能、電源自動(dòng)切換功能、報(bào)警位置顯示功能及儲(chǔ)存記錄等多樣化的功能[1-10]。

伴隨傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，煙霧探測(cè)報(bào)警裝置主要呈現(xiàn)如下的發(fā)展趨勢(shì)。1)煙霧探測(cè)報(bào)警裝置設(shè)備的小型化，隨著新型探測(cè)技術(shù)、新工藝和新材料的不斷涌現(xiàn)，致使煙霧探測(cè)報(bào)警裝置的設(shè)備趨向小型化和微型化方向發(fā)展；2)煙霧探測(cè)報(bào)警裝置系統(tǒng)的智能化。煙霧探測(cè)報(bào)警裝置主動(dòng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集煙霧濃度、環(huán)境溫度等動(dòng)態(tài)參數(shù)，并充分運(yùn)用模糊控制技術(shù)等進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)地對(duì)各種各樣的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)多次的對(duì)比判斷，從而有效地監(jiān)測(cè)初期火災(zāi)，進(jìn)而避免漏報(bào)與誤報(bào)現(xiàn)象的產(chǎn)生；3)煙霧探測(cè)報(bào)警裝置系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)化，無(wú)線(xiàn)煙霧探測(cè)報(bào)警裝置兼有拆裝簡(jiǎn)單方便、使用靈活可靠、容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和擴(kuò)展功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前, 煙霧探測(cè)報(bào)警裝置通常采用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)主要包括藍(lán)牙技術(shù)(bluetooth technology)、射頻技術(shù)(radio frequency technology)等；4)煙霧探測(cè)報(bào)警裝置系統(tǒng)的高靈敏化，采用先進(jìn)的吸氣式煙霧探測(cè)器實(shí)時(shí)對(duì)空氣進(jìn)行不間斷地采樣，其檢測(cè)的靈敏度相比于傳統(tǒng)的煙霧探測(cè)報(bào)警裝置系統(tǒng)的高許多，同時(shí)采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(fuzzy neural network technology)進(jìn)行早期環(huán)境參數(shù)和探測(cè)與對(duì)比，其能精確測(cè)到可燃物體受熱后分解出來(lái)的微小粒子濃度，并能在火災(zāi)產(chǎn)生的萌芽期進(jìn)行預(yù)警[1-10]。

針對(duì)現(xiàn)有的煙霧探測(cè)報(bào)警器存在范圍太小、智能化程度低等問(wèn)題，為解決上述問(wèn)題，適應(yīng)煙霧探測(cè)報(bào)警裝置的發(fā)展趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了一種基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器，具有響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性能好、性?xún)r(jià)比高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于城市軌道交通、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

1 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器由按鍵模塊、復(fù)位電路、晶振電路、AD煙霧采集模塊、液晶顯示模塊、聲光報(bào)警提示模塊和溫度采集模塊等組成?；贛Q-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

按鍵模塊、復(fù)位電路、晶振電路及單片機(jī)(STC89C51)構(gòu)成了基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器小系統(tǒng)模塊，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)AD煙霧采集模塊數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)而控制液晶顯示模塊和聲光報(bào)警提示模塊，實(shí)現(xiàn)煙霧濃度的實(shí)時(shí)顯示和煙霧超限報(bào)警。其中，AD煙霧采集模塊由MQ-2型傳感器和ADC0809組成，溫度采集模塊由數(shù)字溫度傳感器(DS18B20)構(gòu)成[11]。該煙霧探測(cè)報(bào)警器溫度測(cè)試與閾值設(shè)定范圍為0～99 ℃，煙霧探測(cè)范圍為0～99 ℃，能夠滿(mǎn)足城市軌道交通、農(nóng)業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域煙霧的測(cè)試需要，且具有響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性能好、性?xún)r(jià)比高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

2 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的主控電路

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部位，工作受到的干擾越小，那么系統(tǒng)運(yùn)行的越穩(wěn)定。所以在設(shè)計(jì)上要保證單片機(jī)不被外圍電路影響?；贛Q-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的主控電路，如圖2所示。

2.2 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的煙霧檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

煙霧傳感器(MQ-2)具有響應(yīng)時(shí)間快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。MQ-2的1、2、3腳短接一起接+5 V電源，4、6腳短接接到ADC0809的26腳上面去，再與一個(gè)1 K的電阻和一個(gè)104并聯(lián)的電路串聯(lián)接地，5腳接一個(gè)5.1 Ω的電阻再去接地。MQ-2型煙霧傳感器輸出的是模擬電壓信號(hào)，因而需經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換芯片將其變換成數(shù)字量，才能輸入至單片機(jī)小系統(tǒng)(STC89C51)進(jìn)行信號(hào)處理，通常情況下MQ-2會(huì)輸出一個(gè)高電平，一旦檢測(cè)到煙霧的存在，MQ-2就會(huì)輸出低電平。MQ-2傳感器的電阻值與濃度存在著一定的關(guān)系：logR=mlogC+n(m,n均為常數(shù))，C4與R8組成了一個(gè)濾波電路，用來(lái)抑制電路中的干擾。煙霧探測(cè)電路如圖3所示。

2.3 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，其主要功能是將煙霧探測(cè)電路檢測(cè)到的煙霧濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸入到單片機(jī)小系統(tǒng)(AT89C51)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

2.4 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的顯示電路設(shè)計(jì)

如5圖所示，液晶數(shù)據(jù)口接在單片機(jī)上，由于數(shù)據(jù)口的對(duì)應(yīng)可以方便線(xiàn)路的連接，液晶的3腳接上一個(gè)由兩個(gè)電阻組成的電位器來(lái)調(diào)節(jié)液晶的對(duì)比度。液晶的15、16腳為液晶的背光電源接口，其中4、5、6腳為L(zhǎng)CD1602的時(shí)序操作引腳，當(dāng)這3個(gè)引腳輸出一定的時(shí)序后再結(jié)合單片機(jī)的I/O口發(fā)送數(shù)據(jù)，便可在液晶上顯示自定義的字符。

2.5 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

燈光提示電路如圖6所示。D1、D2的陽(yáng)極分別接一個(gè)2.2 K與1 K的電阻再和+5 V電源相連接，陰極連接了單片機(jī)的P2口。當(dāng)煙霧濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，黃燈亮起；當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，紅燈會(huì)亮起。最終實(shí)現(xiàn)不同顏色的LED預(yù)警不同的煙霧濃度。

聲音報(bào)警電路如圖7所示。蜂鳴器的一端接+5 V電源，一端接PNP型三極管的發(fā)射極。此時(shí)，PNP型三極管(Q1)的構(gòu)成開(kāi)關(guān)電路，當(dāng)三極管(Q1)飽和導(dǎo)通時(shí)，蜂鳴器報(bào)警發(fā)聲；當(dāng)三極管(Q1)截止時(shí)，蜂鳴器不報(bào)警。

2.6 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的溫度采集電路

DS18B20的1腳接地如圖8所示，3腳接一個(gè)10 K的電阻再接+5 V的電源，2腳接單片機(jī)的21腳再與3腳短接，由于DS18B20在讀取數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)需接到特殊的I/O口上，只需要在程序中實(shí)現(xiàn)模擬時(shí)序就能正常驅(qū)動(dòng)DS18B20讀取到溫度數(shù)據(jù)，顯示在液晶屏上。在實(shí)際測(cè)溫時(shí)由于要求不高的原因，考慮到溫度轉(zhuǎn)換位數(shù)越高所需的時(shí)間也越多，所以溫度顯示不需精確到小數(shù)點(diǎn)就能滿(mǎn)足溫度測(cè)量的需求。

2.7 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的按鍵電路設(shè)計(jì)

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的按鍵設(shè)置電路如圖9所示。K1連接了單片機(jī)的27腳，用來(lái)設(shè)置一定的溫度和煙霧值，K2與K3分別對(duì)應(yīng)著數(shù)字的加和減。

3 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的程序設(shè)計(jì)

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的程序編制主體采用“模塊化”的編程思想。主要是借助微處理器(STC89C51)的軟件編程來(lái)直接實(shí)現(xiàn)基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的功能，軟件設(shè)計(jì)部分主要的包括MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的系統(tǒng)主程序、MQ-2濃度讀取程序和DS18B20溫度讀取程序等4個(gè)部分組成。基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用的是基于uVision IDE的KeilC51編程軟件，它既能實(shí)現(xiàn)仿真調(diào)試也能支持下載。基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器程序所采取的編程軟件便于移植、便于模塊化和具有優(yōu)良可讀性的 C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)[12-13]。

3.1 主程序設(shè)計(jì)思路

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的主程序流程如下，首先需要給傳感器進(jìn)行預(yù)熱，并進(jìn)行程序的初始化。初始化結(jié)束后，基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器進(jìn)入待測(cè)狀態(tài)，如果煙氣濃度大小經(jīng)ADC0832轉(zhuǎn)變后，單片機(jī)進(jìn)行解析，決定系統(tǒng)是否發(fā)動(dòng)報(bào)警。和火焰?zhèn)鞲衅鳎换鹧鎮(zhèn)鞲衅饔杉t外光敏二極管采集火焰信號(hào)，程序初始化后，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入警惕狀態(tài)，如果探測(cè)到火焰的模擬信號(hào)，經(jīng)ADC0832轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)后，單片機(jī)將其與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，比較后決定是否發(fā)動(dòng)報(bào)警，如圖10所示。

3.2 MQ-2濃度讀取程序設(shè)計(jì)

煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)性能及實(shí)現(xiàn)與硬件編寫(xiě)有著密切的關(guān)系，系統(tǒng)硬件首先對(duì)各個(gè)模塊開(kāi)展初始化，接著再讀取AD轉(zhuǎn)換后的實(shí)時(shí)煙霧值，并判斷當(dāng)下的煙霧濃度與溫度范圍，再接著執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的指示控制，判斷按鍵是否按下，如果案件沒(méi)有按下，那就繼續(xù)讀取AD轉(zhuǎn)換的煙霧濃度值；如果按鍵處于按下?tīng)顟B(tài)，則需要設(shè)置相對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，液晶屏同時(shí)實(shí)時(shí)顯示設(shè)置的數(shù)值，最終結(jié)束所有進(jìn)程，如圖11所示。

3.3 DS18B20溫度讀取程序設(shè)計(jì)

煙霧報(bào)警器的報(bào)警功能與溫度與濃度的讀取有著很大的關(guān)系，當(dāng)DS18B20開(kāi)始讀取溫度的時(shí)候，它開(kāi)始儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，然后發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令，再將其寫(xiě)入DS18B20中。在控制時(shí)只需要配置單片機(jī)的I/O口輸出相應(yīng)的時(shí)序就可以讀取到溫度信息。一旦檢測(cè)到的溫度大于設(shè)定值時(shí)，煙霧報(bào)警器就開(kāi)始報(bào)警，如圖12所示。

4 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的系統(tǒng)調(diào)試

MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的總體功能測(cè)試。具體方法是：通電之后按下電源開(kāi)關(guān)，可以看到數(shù)碼管亮，蜂鳴器，初始化，數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示“當(dāng)前煙霧濃度”和“當(dāng)前溫度”的值。測(cè)試過(guò)程中，模擬了6種不同環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行總體功能的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器總體功能測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明：MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器能夠準(zhǔn)確快速地檢測(cè)出環(huán)境的溫度和煙霧濃度，其中溫度的誤差范圍為0%～0.8%，煙霧濃度的誤差范圍為0%～1.1%，達(dá)到了煙霧探測(cè)報(bào)警器預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的溫度報(bào)警模塊功能測(cè)試。具體方法是：首先按下設(shè)置鍵S5，使得MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器置于溫度設(shè)置模式，溫度閾值的設(shè)置范圍為0～99 ℃。然后由單片機(jī)判斷如果SD18B20感應(yīng)到的溫度(數(shù)字信號(hào))超過(guò)了設(shè)定閾值則由P36發(fā)送給聲光報(bào)警器一個(gè)低電平使聲光報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警。然后，通過(guò)多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的溫度報(bào)警模塊功能實(shí)現(xiàn)情況，結(jié)果如表2所示。

表2 MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器溫度報(bào)警功能測(cè)試結(jié)果

MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的煙霧報(bào)警模塊功能測(cè)試。具體方法是：首先通過(guò)煙霧設(shè)置模塊的加減按鍵來(lái)設(shè)置報(bào)警煙霧大小，設(shè)置煙霧閾值范圍為0～9級(jí)，然后煙霧傳感器測(cè)得煙霧濃度以模擬信號(hào)發(fā)送給AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并由單片機(jī)判斷煙霧超過(guò)設(shè)定閾值級(jí)數(shù)，超過(guò)則由P36端發(fā)送給聲光報(bào)警器一個(gè)低電平使聲光報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警。然后，通過(guò)多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器的煙霧報(bào)警模塊功能實(shí)現(xiàn)情況，結(jié)果如表3所示。

表3 MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器煙霧報(bào)警功能測(cè)試結(jié)果

MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器火焰模塊測(cè)試，程序進(jìn)入初始化后，用打火機(jī)模擬火焰，由紅外探頭探測(cè)到火焰后，并將其轉(zhuǎn)換為溫度、煙霧濃度信號(hào)，并產(chǎn)生相應(yīng)的模擬值，經(jīng)過(guò)ADC0832采集后并將器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)，由單片機(jī)P36端發(fā)送給聲光報(bào)警器一個(gè)低電平使聲光報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警。測(cè)試結(jié)果表明，MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器能夠?qū)崟r(shí)反饋火焰的變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器。該煙霧探測(cè)報(bào)警器遴選單片機(jī)小系統(tǒng)(STC89C51)作為主控芯片，使用氣體傳感器(MQ-2)與溫度傳感器(DS18B20)實(shí)時(shí)采集煙霧濃度和溫度信號(hào)，并通過(guò)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)行模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，然后把轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量輸入單片機(jī)(STC89C51)中，單片機(jī)(STC89C51)再將煙霧濃度、溫度等數(shù)字量輸入LCD1602實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)的顯示。當(dāng)環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度或溫度等超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的閾值，煙霧探測(cè)報(bào)警器會(huì)通過(guò)燈光、聲音2種方式進(jìn)行報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)智能化的預(yù)警提示。基于MQ-2型傳感器的煙霧探測(cè)報(bào)警器具有響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性能好、性?xún)r(jià)比高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于城市軌道交通、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。