基于單片機的火警報警器設(shè)計

□趙 琳

火災作為日常生活中最常見的災害，火警報警器能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)火源并且發(fā)出警告，有效地阻止火災進一步蔓延，減少人員的生命財產(chǎn)損失?；鹁瘓缶骶哂徐`敏性高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點?；馂陌l(fā)生時會出現(xiàn)三大現(xiàn)象，即高溫，多煙以及有明顯的火光。本設(shè)計嚴格按照火災發(fā)生時的特點來進行設(shè)計，分溫度、煙霧、火光三大模塊來檢測。當火災發(fā)生時，周圍環(huán)境溫度會大幅上升，溫度傳感器會實時地把溫度傳給單片機，當溫度超出預設(shè)的范圍時，單片機給蜂鳴器信號，開始報警；當產(chǎn)生大量煙霧和出現(xiàn)明顯火光時，煙霧和火焰?zhèn)鞲衅鞫紩o單片機發(fā)信號，單片機收到后觸發(fā)報警。三大檢測模塊，只要其中任一模塊檢測到火災，都會觸發(fā)報警，做到了萬無一失。

一、系統(tǒng)設(shè)計方案與硬件選擇

(一)系統(tǒng)設(shè)計方案。本設(shè)計系統(tǒng)方案將分為輸入、處理、輸出三大部分。輸入部分包括：溫度測量模塊，通過DS18B20測量周圍環(huán)境溫度；煙霧測量模塊，通過MQ型煙霧傳感器檢測空氣中的煙霧濃度并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換顯示出濃度數(shù)值；火焰檢測模塊，由火焰?zhèn)鞲衅魈綔y周圍是否存在火光。處理部分由STC89C52單片機負責處理外部數(shù)據(jù)。報警模塊和溫度顯示模塊共同組成輸出部分，當檢測到有火災發(fā)生時，源蜂鳴器會持續(xù)發(fā)出報警聲，液晶屏上始終顯示著當前的環(huán)境溫度和煙霧濃度值。

在火警報警器的設(shè)計過程中，要充分考慮到經(jīng)濟因素，要做到物美價廉，這樣才可以讓每個家庭都可以負擔。因此選用8位的單片機作為控制核心，可以提供充足的計算能力，不僅可以極大地降低成本，而且也保證了設(shè)備的安全可靠。在傳感器方面，選用煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?，當屋?nèi)產(chǎn)生大量濃煙和明顯的火光時，可以快速地將這些信息傳給單片機，經(jīng)過判斷分析觸發(fā)報警，能夠第一時間察覺火災的發(fā)生，同時使用溫度傳感器來檢測溫度變化。并在液晶屏上實時顯示溫度和煙霧值，做到雙重保障，還可以在平時作為溫度和煙霧測量器使用，一舉兩得。

(二)處理器芯片選擇。芯片選擇不僅要考慮其處理數(shù)據(jù)的能力，還要綜合考慮價格因素。通過對設(shè)計中數(shù)據(jù)處理過程的分析，只有環(huán)境溫度檢測和煙霧濃度檢測需要進行大量的數(shù)據(jù)處理，因此可選用STC89C52單片機為本設(shè)計的控制核心。單片機誕生于20世紀90年代，從最開始的4位處理器，到后來不斷發(fā)展成8位、16位以及32位等階段，每一代的升級都代表著數(shù)據(jù)處理能力、制作工藝的不斷增強，同時價格也在不斷增加。

本設(shè)計選用的STC89C52單片機是STC公司推出的一款8位處理器的單片機，其數(shù)據(jù)處理能力雖不及16位或32位單片機，但是可以輕松勝任本設(shè)計中的數(shù)據(jù)處理任務，并且在功耗、價格方面遠低于高位處理器的單片機。其拓展方便，共有40個引腳。STC89C52有著很高的集成度，不需要專門的編譯器以及仿真器，可以使用數(shù)據(jù)線經(jīng)串口直接連接到電腦，在電腦上完成程序的下載和調(diào)試，實現(xiàn)在線對程序進行編程，其內(nèi)部Flash可擦寫數(shù)萬次以上。

(三)溫度傳感器選擇。溫度的實時檢測是本設(shè)計中重要的環(huán)節(jié)，不僅可以通過溫度變化來檢測到火災發(fā)生，而且在日常使用中可以當作電子溫度計使用，能夠直觀地顯示室內(nèi)的溫度變化，一舉兩得，極大地提高了設(shè)計的實用性。目前市面上大多數(shù)使用的是DS18B20溫度傳感器模塊，DS18B20只有一條數(shù)據(jù)總線與單片機相連，這樣的好處是節(jié)約成本，并且這種單線型的傳感器在雙向數(shù)據(jù)傳輸過程中有著較強的抗干擾能力，并且還具有體積小型化，適用電壓范圍較寬，可靠耐用，經(jīng)濟實惠等特點。

(四)煙霧及火焰?zhèn)鞲衅鬟x擇。煙霧傳感器是能夠反應周圍空氣中煙霧濃度的一類傳感器，大部分采用離子式結(jié)構(gòu)。目前市面最常用的是MQ型煙霧傳感器，MQ型傳感器有很多的型號，對應不同的氣體有著不同型號的傳感器。在選擇過程中，MQ-2和MQ-7分別是檢測煙霧和一氧化碳的傳感器，由于MQ-2煙霧傳感器必須在濃煙下才有反應，靈敏度不符合要求。考慮到火災發(fā)生時的濃煙中存在大量因為不完全燃燒產(chǎn)生的一氧化碳，故選用MQ-7一氧化碳傳感器來反應煙霧濃度，靈敏度能夠達到要求。

火焰?zhèn)鞲衅魇且豢羁梢灾苯訖z測火光的傳感器，可以清楚地看到元件前有一個紅外接收管。在燃燒過程中，火焰會發(fā)出可見光，只要光源的波長不小于760納米，都可以被傳感器檢測到，一般探測范圍在一米以內(nèi)，如果火焰強度越大，發(fā)出的光也就越亮，探測范圍也會隨之增加。

(五)液晶屏幕與A/D轉(zhuǎn)換選擇。在屏幕方面，有兩種不同材質(zhì)的屏幕可供選擇，分別是LCD和OLED。OLED屏幕的好處是體積小巧，封裝簡單，顯示內(nèi)容較為清晰，但同等價格的情況下，OLED屏幕面積小，顯示字體也較?。籐CD屏幕因為有背光板的存在，體積較大，但價格相對低廉，顯示字體較大也比較清晰。綜合價格、性能方面的考慮，選擇LCD1602液晶屏。

由于MQ-7輸出的電壓信息不能直接被單片機識別，要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后才能輸入到單片機。所謂A/D轉(zhuǎn)換就是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，能夠進行A/D轉(zhuǎn)換的芯片種類有很多，考慮到本設(shè)計只有煙霧濃度值需要用到A/D轉(zhuǎn)換，通道占用不多，故選用兩通道的ADC0832芯片。ADC0832是一款功率較低的芯片，其價格也比較便宜，可以滿足本設(shè)計的需求。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

(一)單片機最小系統(tǒng)設(shè)計舵機選型。選擇好STC89C52處理芯片后，需要進行復位電路和晶振電路設(shè)計才能保證芯片能正常工作。單片機、復位電路和晶振電路一起被稱為單片機的最小系統(tǒng)。復位電路只需用到的兩個元件是電阻和電容，通常電源端與電容相連后，一端接入單片機的RST引腳，一端經(jīng)電阻接地。復位只需將RST引腳接通高電平3微秒后就能實現(xiàn)復位，單片機上電后會使RST引腳為高電平，根據(jù)電容特性可以將高電平保持一會，隨后會提供電阻將電平拉低，因此單片機上電后會自動復位。復位可以有效地防止單片機程序運行中出現(xiàn)卡死的情況。單片機內(nèi)部存在晶振電路，也可以通過XTAL1和XTAL2兩個引腳外接晶振電路，振蕩器可為單片機運行過程中提供基本的時鐘信號。

(二)溫度檢測電路設(shè)計。DS18B20溫度檢測器可以測量最低-55℃和最高+125℃之間的溫度值，足以應對運行過程中的外部環(huán)境溫度。其工作原理是兩個靈敏度不同的振蕩器，分別做減一工作，只要低靈敏度振蕩器減到零，溫度就加一，一直重復，直到高靈敏度振蕩器也減到零，停止計數(shù)，此時就可以得到當前溫度值。DS18B20共有3個引腳，其中引腳3接電源，引腳1接地，只有一條數(shù)據(jù)線DQ與單片機P3.6相連，總體在電路連接上比較簡單，

(三)煙霧檢測電路設(shè)計。MQ-7用5伏直流電供電，DO口可輸出高低電平，當檢測到外部煙霧中一氧化碳濃度達到警戒值時，DO口輸出低電平；同時MQ-7還有一個AO口模擬信號輸出，AO口輸出模擬信號對應著電壓0.1～0.3V，濃度越高，電壓也就越高，可以通過A/D轉(zhuǎn)換顯示出煙霧中一氧化碳濃度。

MQ-7煙霧傳感器共有四個引腳，其中引腳1接電源，引腳4接地，引腳2和引腳3分別為開關(guān)電平的輸出信號和模擬電壓的輸出信號。本設(shè)計要求顯示出煙霧濃度的數(shù)值，故選用引腳3接入A/D轉(zhuǎn)換芯片的CH0輸入端。

(四)火焰?zhèn)鞲衅麟娐吩O(shè)計。火焰?zhèn)鞲衅魇抢眉t外傳感器對可見光進行探測，當火焰發(fā)出的光被紅外接收管檢測到時，使DO口發(fā)出低電平；當周圍的可見光達不到檢測閥值，DO口會輸出高電平。本設(shè)計選用三引腳式的火焰?zhèn)鞲衅鳎渲幸_1接電源，引腳2接地，引腳3接單片機P3.7。

(五)液晶顯示電路設(shè)計。LCD1602是一種廣泛應用的字符型液晶顯示模塊，它只能顯示字母、數(shù)字或符號，顯示規(guī)格為16×2，藍色背光，白色字體。一共有16條引腳，引腳1、2分別代表電源和接地端，引腳3為液晶對比度，引腳4、5、6分別為RS、RW、E端，引腳7～14為8位雙向數(shù)據(jù)線，引腳15、16為背光板的正、負極。

(六)A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。ADC0832進行A/D轉(zhuǎn)換時有兩個輸入通道，本設(shè)計選用通道0作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸入端，引腳1片選端接單片機P3.2，引腳2通道0接MQ-7數(shù)據(jù)輸出端，引腳4接地，引腳5接單片機P3.5，引腳6接單片機P3.4，引腳7接單片機P3.3為芯片工作提供時鐘，引腳8接電源。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

在軟件開發(fā)方面，選用Keil5作為開發(fā)環(huán)境編譯軟件。DS18B20使用一根數(shù)據(jù)線DQ與單片機相連，先對DS8B20進行初始化，再對ROM進行操作命令，最后對內(nèi)部存儲器進行操作命令。MQ-7是一個電阻性的氣敏元件，它根據(jù)電導率的變化來探測煙霧的濃度，電導率與煙霧濃度之間近似線性關(guān)系。將AO口與ADC0832相連，通過A/D轉(zhuǎn)換將電壓值轉(zhuǎn)換成煙霧濃度值?；鹧?zhèn)鞲衅魃系腄O口可以輸出數(shù)字開關(guān)量，當檢測不到火焰時，DO口輸出高電平；當檢測到火焰時，DO口輸出低電平，當單片機檢測到低電平時，啟動蜂鳴器報警。

四、結(jié)語

本研究以火災發(fā)生時出現(xiàn)的三大特征為研究出發(fā)點，使用溫度傳感器、煙霧傳感器以及火焰?zhèn)鞲衅鞣謩e針對火災發(fā)生時出現(xiàn)的高溫、濃煙、明火現(xiàn)象進行檢測報警。本研究分別介紹了報警器的背景和實際用途，充分體現(xiàn)了火警報警器對人民生產(chǎn)生活的重要性。介紹了設(shè)計的總體框架以及元件的選擇，在明確了設(shè)計框架后，從可靠、經(jīng)濟的角度綜合分析了元件的優(yōu)劣。對各大模塊的電路進行了詳細的說明，闡述了各大模塊的作用以及實際過程中電路的接線設(shè)計。在硬件準備工作結(jié)束后，對各大模塊具體實現(xiàn)的功能進行程序上的設(shè)計，同時分析了各個功能實現(xiàn)的原理。在硬件和軟件都設(shè)計好的情況下，進行仿真測試，通過對測試結(jié)果的分析，證明各大模塊均能正常工作，火警報警器研究初步完成。