基于51單片機(jī)智能火災(zāi)報警系統(tǒng)

張 立，李 林，林祥銳

（廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510450）

0 引言

隨著用電器種類和數(shù)量的增加，用電安全成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。金潤澤等［1］使用YOLO 模型對火焰進(jìn)行檢測，改善了以往的火災(zāi)報警器響應(yīng)慢、誤報率高等問題。張改蓮［2］設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的智能火災(zāi)報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)對異常煙霧檢測誤報率低，應(yīng)用性能顯著。秦莉艷［3］對單片機(jī)智能煙霧報警系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)對溫度監(jiān)控得非常精準(zhǔn)，具有高靈敏性與靈活的應(yīng)用度。單純的聲光報警功能已經(jīng)不能滿足實(shí)際的報警需求，火災(zāi)初期及時通信報警是室內(nèi)無人時最好的提醒方式。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的火災(zāi)報警器可以利用GSM 模塊［4-7］通信報警，并及時啟動處理裝置，切斷室內(nèi)電源，啟動通風(fēng)風(fēng)扇。從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控是否有可燃?xì)庑孤?、是否有火?zāi)發(fā)生，有效地避免火情蔓延，幫助室內(nèi)有可能存在的人員及時安全撤離，實(shí)現(xiàn)智能全面的系統(tǒng)預(yù)防。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿真使用STC89C51 單片機(jī)為控制單元，MQ-2 煙霧傳感器結(jié)合DS18B20 溫度傳感器對環(huán)境中溫度煙霧實(shí)時監(jiān)測，通過STC89C51 單片機(jī)對數(shù)據(jù)處理，將其監(jiān)測到的溫度和煙霧濃度在LCD1602 液晶顯示屏幕顯示，正常工作時顯示模塊顯示溫度和煙霧濃度。當(dāng)檢測到環(huán)境中煙霧濃度或溫度超過預(yù)先設(shè)定的上限值，單片機(jī)發(fā)送低電平信號給電磁式繼電器切斷電器供電電源，利用備用電源繼續(xù)工作，接通蜂鳴器和LED 燈或通過報警按鈕開始報警，并通過GSM模塊以短信形式通知用戶。

工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片模塊

STC89C51 是一個高性能、低功耗、擴(kuò)展靈活的微控制器，在單片機(jī)內(nèi)部有一個8 位CPU，包含運(yùn)算器、控制器和多個寄存器，有利于提高CPU 工作效率和中斷響應(yīng)速度。選用STC89C51 是為了進(jìn)行之后的系統(tǒng)功能拓展。單片機(jī)通過P3.6 和P3.7 引腳與A/D 轉(zhuǎn)換模塊連接進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，P3.2 引腳與溫度傳感器連接，實(shí)時檢測溫度；單片機(jī)RXD 引腳和TXD 引腳與GSM模塊連接實(shí)現(xiàn)通信。

2.2 GSM模塊

通信模塊選用GSM 模塊，該模塊抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率快、壽命長且通話質(zhì)量好，具有發(fā)送SMS 短信、語音通話等基本功能。GSM模塊的RX 引腳和TX 引腳與單片機(jī)連接，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來控制GSM模塊，實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能。

2.3 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊使用LCD1602，具有低功耗、體積小、結(jié)構(gòu)輕巧等優(yōu)點(diǎn)。LCD1602 液晶顯示內(nèi)容豐富，畫質(zhì)高且不會閃爍。通過單片機(jī)改變R/W 和RS 引腳高低電平實(shí)現(xiàn)讀寫操作，可以只用D4～D7作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送以便節(jié)省I/O口資源。

2.4 溫度傳感器模塊

溫度傳感器選用DS18B20，是一款單線接口測溫芯片，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、測溫精度高等優(yōu)點(diǎn)。精度為±0.5℃。DS18B20 是單線通信，即接收和發(fā)送都是同個通信腳進(jìn)行的，將DS18B20芯片的DQ引腳和單片機(jī)的一個IO 口連接即可，既傳輸時鐘又傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了I/O口資源。

2.5 煙霧傳感器模塊

煙霧傳感器使用MQ-2 模塊，具有靈敏度高、檢測范圍廣、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。將MQ-2芯片的A 引腳連接到PCF8591 轉(zhuǎn)換模塊AIN0～AIN3模擬信號輸入引腳即可，MQ-2的氣敏材料是SnO2半導(dǎo)體，根據(jù)半導(dǎo)體電導(dǎo)率判斷煙霧氣體濃度，濃度越高，電導(dǎo)率越高，因此AOUT引腳輸出電壓值越高，當(dāng)濃度超過預(yù)設(shè)值，DOUT引腳輸出低電平。

2.6 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用PCF8591，是一個單電源、低功耗、轉(zhuǎn)換速率快、成本低的數(shù)據(jù)采集器件，通過一個串行I2C 總線接口與單片機(jī)通信，不需要額外片選電路，最多8 個器件就可與總線連接，單片機(jī)通過A/D 轉(zhuǎn)換模塊的SDA引腳和SCL引腳通信讀取轉(zhuǎn)換值。

2.7 自動斷電及通風(fēng)風(fēng)扇模塊

自動斷電模塊選用電磁式繼電器，具有靈敏度高、控制功率小、耐壓耐溫性能強(qiáng)的特點(diǎn)，通過電磁繼電器可實(shí)現(xiàn)利用低電弱電流間接控制高低強(qiáng)電流電路，保證在發(fā)生火災(zāi)情況下能及時切斷室內(nèi)電源。在有火情發(fā)生時，可燃物的燃燒產(chǎn)生有毒氣體可致人中毒甚至死亡，通風(fēng)風(fēng)扇及時啟動，可以使室內(nèi)空氣流通。

實(shí)驗(yàn)選用的備用電源可以實(shí)現(xiàn)在未發(fā)生火災(zāi)情況下充電，在火災(zāi)發(fā)生切斷總電源后放電供硬件電路使用，工作流程圖如圖2所示。

圖2 工作流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模塊

基于STC89C51 芯片技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，本系統(tǒng)的核心采用STC89C51 單片機(jī)芯片進(jìn)行監(jiān)測，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。在報警器正常運(yùn)行下，通過主函數(shù)調(diào)用LCD1602函數(shù)顯示開機(jī)界面，而后進(jìn)行煙霧以及溫度的監(jiān)測，此時主函數(shù)對PCF8591 函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字傳遞給單片機(jī)后通過主程序進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

按鍵模塊防止發(fā)生誤報漏報情況，LCD1602 顯示函數(shù)對整個系統(tǒng)所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，采用LCD1602 液晶顯示屏幕，首先將其初始化，而后進(jìn)行字節(jié)的讀寫，使其根據(jù)監(jiān)測到數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷讀取顯示，如圖3所示。

圖3 工作流程圖

A/D 模塊采用PCF8591 芯片，通信接口是I2C 總線。單片機(jī)對其進(jìn)行初始化，發(fā)送器件地址、PCF8591 控制字節(jié)和地址字節(jié)三個字節(jié)即可，器件地址七位代表地址，一位代表讀寫方向；控制字節(jié)的第六位為1 時，DA 輸出引腳使能，產(chǎn)生模擬電壓輸出功能，第四、五位可以把模擬輸入設(shè)置成單端或差分模式，僅用模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號功能時不用發(fā)送地址字節(jié)。

4 結(jié)語

本文實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的基于51 單片機(jī)的火災(zāi)報警系統(tǒng)對能量的消耗較低，結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，對于溫度和煙霧的監(jiān)控度非常精準(zhǔn)。該系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測煙霧氣體濃度和溫度，將其信息傳遞至51 單片機(jī)，通過單片機(jī)與閾值進(jìn)行對比，超過閾值時開啟聲光報警，GSM 模塊以短信形式通知用戶，并及時切斷室內(nèi)電源，啟動通風(fēng)風(fēng)扇使室內(nèi)空氣流通，有效地避免火災(zāi)進(jìn)一步擴(kuò)散，幫助室內(nèi)可能存在的人員及時安全撤離。滿足了室內(nèi)及大多數(shù)公共場所對火災(zāi)報警器的需求，對于完善工業(yè)生產(chǎn)和室內(nèi)的消防領(lǐng)域，對預(yù)防火災(zāi)有著重要意義。