基于STM32F407 的自動滅火報警器的設(shè)計

陳紫照，劉付永紅，焦耀霆，梁達(dá)龍，李燦桐，謝再晉

（1.華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510641；2.華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院，廣東廣州 510641）

在日益密集的城市建筑群中，火災(zāi)隱患不容忽視。近年來發(fā)生的多起重大火災(zāi)事故讓人們意識到火災(zāi)的防控工作刻不容緩，其中火情的及時警報又是最重要的一環(huán)。

樓宇內(nèi)部相對于戶外，空間比較狹小，這意味著樓宇火警危險系數(shù)猛增，因此及時的大范圍避險警示是十分必要的。假設(shè)樓宇一位置發(fā)生火情，其中一帶探測器的滅火器感應(yīng)到火源或者被拿起時，需要向其他裝有相同探測器的滅火箱發(fā)送無線電信號，使得短時間內(nèi)設(shè)定范圍的滅火器都響起警報，讓更多人及時發(fā)現(xiàn)火情，提高滅火效率。因此，自動檢測火情并通報就成為該研究的主要目標(biāo)。該項目基于多傳感器信息融合技術(shù)，通過單片機(jī)、火情相關(guān)傳感器、無線傳輸網(wǎng)路，實現(xiàn)對于被測環(huán)境火災(zāi)信息的預(yù)判和處理，同時將信息在已有通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸和交換。

1 系統(tǒng)總體方案

探測火情信息，需要對建筑物進(jìn)行全面的檢測，靈活獲取周圍環(huán)境的溫度、煙氣、火焰等參數(shù)[1]。

該項目使用單片機(jī)STM32F407，通過溫度傳感器DS18B20、一氧化碳傳感器MQ-7、煙霧傳感器MQ-2以及火焰?zhèn)鞲衅鲗Νh(huán)境進(jìn)行實時檢測[2],把相應(yīng)傳感信息傳輸給單片機(jī)進(jìn)行整合處理，并通過蜂鳴器發(fā)出警報。同時，用NRF24L01 模塊構(gòu)成多個單機(jī)無線通信的組網(wǎng)式預(yù)警系統(tǒng)[3]，使得在任一位置發(fā)生火災(zāi)時，該處警報器第一時間發(fā)出警報聲，同時發(fā)出無線電信號，讓系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他滅火器箱也發(fā)出警報聲。這樣既可以讓人們及時逃生，也方便人們及時拿起滅火器進(jìn)行滅火操作。除此之外，增設(shè)了手動按鍵進(jìn)行報警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件模塊劃分

該項目選擇了STM32F407 最小系統(tǒng)板作為控制芯片，利用其提供的I/O 口，連接電源、下載器、蜂鳴器、按鍵開關(guān)以及火情探測傳感器。

基于火災(zāi)現(xiàn)場的特點，傳感器部分選用傳感器MQ-2探測煙霧，傳感器MQ-7探測一氧化碳，傳感器DS18B20 探測火焰及溫度，通信模塊選用NRF24L01模塊，控制芯片STM32F407接口電路如圖1所示。

2.2 傳感器與通信模塊的選型

1）溫度傳感器DS18B20

數(shù)字溫度傳感器DS18B20因為“單線總線”（Oneline bus）接口技術(shù)深受用戶青睞，同時體積小、電壓寬、精度高也是選擇它的重要因素。DS18B20 模塊測量溫度范圍為-55～+125 ℃、精度為±0.5 ℃，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2）煙霧傳感器MQ-2 和一氧化碳傳感器MQ-7

煙氣濃度傳感器MQ-2 結(jié)構(gòu)主要包括微型AL2O3（氧化鋁）陶瓷管和SnO2（二氧化錫）敏感層。SnO2在潔凈空氣中具有低導(dǎo)電性，電阻值較高，遇到煙霧后電阻值會降低，引起相應(yīng)傳感器輸出電壓的變化。

MQ-2 工作原理:當(dāng)傳感器模塊上電后，SnO2敏感層吸附空氣中的氧氣，表面出現(xiàn)O-（氧負(fù)離子），致使半導(dǎo)體元器件電子密度下降，導(dǎo)電能力減弱，電阻值相應(yīng)增加。然而在火情現(xiàn)場，SnO2會吸附帶顆粒的煙霧，這些正離子顆粒附著在氧負(fù)離子的表面，導(dǎo)致半導(dǎo)體元器件表面負(fù)電荷減少，正電荷數(shù)量上升，電子密度增加，導(dǎo)電能力上升，電阻值隨之下降，產(chǎn)生相應(yīng)電壓信號變化。即煙霧濃度大小的變化可以導(dǎo)致導(dǎo)電能力的改變，進(jìn)而改變電壓信號。煙霧濃度傳感器MQ-2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

MQ-7 是一款能在多種氣體中精準(zhǔn)檢測出一氧化碳含量的一氧化碳傳感器[5]，與煙霧濃度傳感器MQ-2 類似，氣敏材料同樣為二氧化錫（SnO2），火場內(nèi)的一氧化碳與敏感層的氧離子結(jié)合導(dǎo)致器件電阻變化，檢測采用高低溫循環(huán)檢測方式：低溫時使用1.5 V 電壓加熱，檢測一氧化碳濃度，傳感器的電導(dǎo)率與氣體濃度成正相關(guān)，高溫時用5.0 V 電壓加熱，清洗低溫時吸附的一氧化碳?xì)怏w。

MQ-2 與MQ-7 模塊有模擬電壓輸出和TTL 高低電平輸出兩種控制方式。由于該系統(tǒng)只需要根據(jù)檢測到的煙霧濃度輸出判斷信號而不需要將其A/D轉(zhuǎn)換成具體濃度參數(shù)，故使用電路較為簡單的模擬電壓輸出的控制方式。使用時給模塊進(jìn)行5 V 電壓供電，然后采集模擬通道電壓。

3）火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火焰?zhèn)鞲衅鞯墓ぷ髟恚夯鹧姘烁邷貧怏w、各種燃燒產(chǎn)物、中間體、碳?xì)浠衔锏任镔|(zhì)，同時伴隨有連續(xù)的固體輻射光譜和不連續(xù)的氣體輻射光譜的熱輻射。通常，火焰中對應(yīng)于1～2 μm 的近紅外波長部分具有最大的輻射強度。當(dāng)火焰信號被傳感器的紅外探頭檢測到時，模塊輸出低電平。通過檢測輸出電平，可以知道當(dāng)前是否存在環(huán)境火焰[6]。

設(shè)計中選擇的是深圳宇松電子生產(chǎn)的四線紅外火焰?zhèn)鞲衅?，工作電壓范圍?.3～5 V，有DO 數(shù)字開關(guān)量輸出和AO 模擬電壓輸出兩種輸出形式。

4）NRF 通信模塊

通信模塊NRF24L01 選用了八個引腳，包括數(shù)據(jù)輸入輸出腳、片選信號輸入腳、SP 時鐘輸入、發(fā)送接收模式信號輸入腳以及可屏蔽中斷腳。使用時給模塊進(jìn)行3.3 V 供電，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 NRF24L01內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

綜合考慮到成本及現(xiàn)場設(shè)計要求，項目采用NRF24L01 作為短距離無線收發(fā)模塊[7]，該模塊具有穩(wěn)定性高、功耗低、抗干擾能力強等特性，其主要性能指標(biāo)如下：

1）工作頻率范圍：2.4～2.525 GHz；

2）126 個通信通道，6 個數(shù)據(jù)通道；

3）MCU 可通過引腳IRQ 快速判斷數(shù)據(jù)接收和完成情況；

4）支持4 線SPI 在線通信端口，最大通信速度達(dá)到8 Mbps。

2.3 電路原理

溫度傳感器DS18B20 輸出數(shù)字信號?；鹧?zhèn)鞲衅骱虳S18B20 在該系統(tǒng)中使用3.3 V 工作電壓，同時與數(shù)字輸出端之間加上濾波電容和上拉電阻。各傳感器接口電路設(shè)計如圖5 所示。

圖5 各傳感器接口

整個系統(tǒng)使用7.2 V 電池電源，除火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鱀S18B20 均使用3.3 V 直流供電外，其他模塊需要5 V 供電。所以使用LM2940 穩(wěn)壓集成芯片，將7.2 V 電源穩(wěn)定輸出為5 V 電壓，再使用系統(tǒng)板內(nèi)部穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)輸出3.3 V 電壓給其他模塊供電[8]。

對于供電電源，使用一個簡單開關(guān)控制電源輸入，在電池輸入電壓（7.2 V）接口后面增加一個鉭電容進(jìn)行濾波。為了確保當(dāng)前電源的電壓不致偏離設(shè)計值，連接一個電壓測量電路至最小系統(tǒng)板。采用兩個發(fā)光二極管分別指示電源的連接和系統(tǒng)板IO口的正常工作[9]。穩(wěn)壓電路與電源管理電路如圖6所示。最后使用五項開關(guān)控制各個模塊調(diào)控，輕觸按鍵作復(fù)位鍵使用。探測到的火情信息最終由蜂鳴器實現(xiàn)報警。

圖6 穩(wěn)壓電路與電源管理電路

2.4 PCB設(shè)計

在設(shè)計PCB 時，主要元器件和排母均分布在正面，PCB 板正面設(shè)計圖如圖7 所示，左上角為電源、電源指示燈、電源開關(guān)以及電源輸入濾波。從電源引出兩個穩(wěn)壓模塊分別對傳感器和STM32 進(jìn)行5 V供電。為了安裝方便，將傳感器與通信接口分別安裝在板子的上、下兩側(cè)。中間部分是兩個穩(wěn)壓模塊，最小系統(tǒng)板覆蓋在該模塊的上方。

圖7 PCB 板正面設(shè)計圖

輕觸按鍵和五項開關(guān)均與譯碼器相連，再與最小系統(tǒng)板連接，控制各模塊的開關(guān)與調(diào)試。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件流程圖

整個軟件部分的設(shè)計主要包括兩個部分，即手動報警和自動報警，具體流程如圖8 和圖9 所示。

圖8 手動報警程序流程圖

圖9 自動報警程序流程圖

手動報警時按下報警按鍵，板上的LED 燈亮、蜂鳴器響，同時通訊模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到接收板，使系統(tǒng)內(nèi)的其他LED 燈亮、蜂鳴器響，直到按下取消按鈕，所有燈滅、蜂鳴器不響。

自動報警程序由火焰/煙霧/氧化碳濃度的檢測程序、發(fā)送板響應(yīng)程序和NRF 的數(shù)據(jù)傳輸程序等部分組成，遇到火情可自動檢測并向系統(tǒng)發(fā)出報警信號。

3.2 軟件實現(xiàn)功能

程序的設(shè)計主要由各模塊的引腳分配、使能和初始化、操作函數(shù)以及發(fā)收端的程序組成。在主函數(shù)中設(shè)置全局變量，并初始化各模塊，包括LCD 屏幕的初始顯示（“SAFE!!!”字樣和實時溫度）。編寫手動報警的代碼在最前，當(dāng)按下對應(yīng)按鍵時，蜂鳴器使能口電平被拉高。在自動報警環(huán)節(jié)中，設(shè)置當(dāng)接收到火焰信號/一氧化碳濃度過高信號/煙霧濃度過高信號時，對應(yīng)的變量key1/key2/key3 為低電平，使蜂鳴器響并進(jìn)一步判斷是哪一種或幾種信號，通過LCD屏幕顯示對應(yīng)的字樣，LED 燈也隨之亮起。在發(fā)送端寫入接收端的地址后，該板子就會通過NRF 發(fā)送數(shù)據(jù)到接收板上，使接收板上的蜂鳴器也響，LED 燈也變亮。

4 系統(tǒng)測試

當(dāng)沒有檢測到火焰信號/一氧化碳濃度未超過設(shè)置值/煙霧濃度未超過設(shè)置值時，LCD 屏幕顯示安全字樣。當(dāng)檢測到火焰信號時，LCD 屏幕顯示“Fire?。?！”的字樣提醒；當(dāng)檢測到一氧化碳濃度超過設(shè)置值時，LCD 屏幕顯示“CO?。?！”的字樣提醒；當(dāng)檢測到煙霧濃度超過設(shè)置值時，LCD 屏幕顯示“Smog?。?！”的字樣提醒；當(dāng)環(huán)境安全和三種信號均被檢測出來時的屏幕顯示分別如圖10（a）、（b）所示。

圖10 屏幕顯示分類情況

屏幕顯示情況匯總?cè)绫? 所示。

表1 LCD 屏幕顯示測試

5 結(jié)論

該項目作為自行設(shè)計的智能傳感器應(yīng)用系統(tǒng)，具有以下創(chuàng)新點：

1）系統(tǒng)中既有手動報警，又有自動聯(lián)動報警，兼顧了可靠性及靈活性；

2）系統(tǒng)使用的電源為低壓穩(wěn)定電源，可設(shè)獨立電源，當(dāng)發(fā)生火警，供電電路短路，依然可以工作。

3）多路傳感器并行工作，溫度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯热魏我宦分笜?biāo)超標(biāo)均可引起警報，使其敏感性、可靠性均大大提升。

綜合其優(yōu)點，該系統(tǒng)具有較強的實用價值；結(jié)合其造價，還有很高的性價比，值得推廣。