基于單片機(jī)的火災(zāi)報警器設(shè)計

摘 "要：該文介紹一種基于單片機(jī)技術(shù)的火災(zāi)報警器設(shè)計，利用溫度傳感器和煙霧傳感器進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測。單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，確?；馂?zāi)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和報警功能。溫度傳感器和煙霧傳感器監(jiān)測環(huán)境溫度和煙霧濃度，一旦超過設(shè)定閾值，傳感器將信號傳給單片機(jī)。單片機(jī)處理信號，通過軟件算法判斷是否發(fā)生火災(zāi)，從而觸發(fā)聲音報警器和可視警報裝置。實(shí)驗(yàn)證明，這種報警器能快速準(zhǔn)確地檢測火災(zāi)，并及時觸發(fā)報警。與傳統(tǒng)報警器相比，其結(jié)合溫度和煙霧傳感器提高準(zhǔn)確性和可靠性。該設(shè)計提供高效的火災(zāi)預(yù)警功能，提升報警準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度，更具實(shí)用性和可靠性。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)報警器；單片機(jī)；傳感器；報警控制；溫度傳感器；煙霧傳感器

中圖分類號：TM925 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0044-04

Abstract： This paper introduces a fire alarm design based on MCU technology. Temperature sensors and smoke sensors are used for fire monitoring， and MCU is used for data processing and control to ensure the accuracy of fire detection results and alarm function. Temperature sensors and smoke sensors monitor the ambient temperature and smoke concentration. Once a set threshold is exceeded， the sensors send a signal to the microcontroller. The MCU processes signals， uses software algorithms to determine whether a fire has occurred， and triggers audio alarms and visual alarms. Experiments have proved that this alarm can quickly and accurately detect fires and trigger alarms in time. Compared to traditional alarms， the combination of temperature and smoke sensors improves accuracy and reliability. This design provides efficient fire warning functions， improves alarm accuracy and response speed， and is more practical and reliable.

Keywords： fire alarm; MCU; sensor; alarm control; temperature sensor; smoke sensor

火災(zāi)是一種常見而危險的災(zāi)害，會對人們的生命財產(chǎn)造成巨大威脅。設(shè)計開發(fā)一個基于單片機(jī)的智能火災(zāi)警報器，旨在提高火災(zāi)預(yù)警的效率和準(zhǔn)確性，保障人們的生命安全。隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的火警系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足人們的需求，需要更加智能、快速響應(yīng)的火災(zāi)警報器來提供更可靠的安全保障。本項(xiàng)目將利用單片機(jī)的微處理器技術(shù)，結(jié)合各類傳感器，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度、煙霧等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測，從而及時判斷是否存在火災(zāi)風(fēng)險，進(jìn)而觸發(fā)警報裝置，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

1 "相關(guān)技術(shù)與背景知識

1.1 "單片機(jī)

作為控制中心，單片機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、決策判斷和控制輸出。常用的單片機(jī)包括51系列、AVR、STM32等，本項(xiàng)目選擇STC89C52單片機(jī)，主控外部連接如圖1所示。

圖1 "主控外部連接

1.2 "火災(zāi)檢測傳感器技術(shù)

火災(zāi)警報器需要通過各類傳感器實(shí)時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，如溫度、煙霧濃度等。其中，煙霧報警器的原理如下：在啟動MQ-2傳感器后，首先需要進(jìn)行一系列的程序初始化步驟。這包括設(shè)置傳感器的參數(shù)，如靈敏度、采樣率和工作模式等，以確保傳感器能夠按照預(yù)期的方式工作。初始化過程中，系統(tǒng)會檢查硬件連接是否正確，軟件配置是否符合要求，并進(jìn)行必要的校準(zhǔn)以消除誤差。完成初始化后，傳感器進(jìn)入預(yù)熱階段。預(yù)熱是必要的，因?yàn)镸Q-2傳感器對溫度和濕度比較敏感，需要一定時間來穩(wěn)定其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，以達(dá)到最佳的檢測性能。預(yù)熱時間通常根據(jù)環(huán)境條件和傳感器的具體要求而定，可能需要幾分鐘到十幾分鐘不等。預(yù)熱完成后，系統(tǒng)開始進(jìn)行信號采集。MQ-2傳感器通過其內(nèi)部的化學(xué)敏感元件檢測環(huán)境中的氣體濃度，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號。這些模擬信號隨后被送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行處理。

ADC0831是一款常用的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便單片機(jī)能夠理解和處理。單片機(jī)接收到ADC0831輸出的數(shù)字信號后，會根據(jù)預(yù)設(shè)的程序邏輯發(fā)送指令給ADC0831，指示其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0831接收到來自單片機(jī)的指令后，會啟動轉(zhuǎn)換過程。轉(zhuǎn)換過程的關(guān)鍵時刻是電平的變化：當(dāng)輸入信號從低電平轉(zhuǎn)換為高電平時，ADC0831的內(nèi)部寄存器會被清零，為接下來的轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備；而當(dāng)信號從高電平轉(zhuǎn)換為低電平時，ADC0831會正式啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號量化為數(shù)字值，并輸出給單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。

整個過程涉及傳感器技術(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和微控制器編程等多個領(lǐng)域的知識，確保了MQ-2傳感器能夠準(zhǔn)確、可靠地檢測環(huán)境中的氣體濃度。OE為是否允許輸出的信號，若為高電平，可得當(dāng)前煙霧值[1]。

1.3 "信號處理方法

傳感器信號采集：首先，火災(zāi)警報器需要通過各類傳感器獲取環(huán)境參數(shù)的信號，如溫度傳感器、煙霧傳感器等。傳感器通過模擬信號處理電路或模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便單片機(jī)進(jìn)行處理。

信號濾波：在信號采集過程中，為了避免受到各種噪聲的干擾，需要對采集到的信號進(jìn)行濾波處理，去除噪聲和干擾，保證信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[2]。

信號處理：煙霧傳感器和溫度傳感器是2個關(guān)鍵組件，其協(xié)同工作以確保環(huán)境的安全。煙霧傳感器，尤其是像MQ-2這樣的傳感器，能夠檢測多種可燃性氣體，如甲烷、丙烷、氫氣等，這些氣體在日常生活和工業(yè)環(huán)境中都可能存在。當(dāng)這些氣體達(dá)到一定濃度時，其可能構(gòu)成火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險。

溫度傳感器則負(fù)責(zé)監(jiān)測環(huán)境溫度的變化。溫度是影響許多化學(xué)和物理過程的重要因素，包括可燃?xì)怏w的揮發(fā)性和燃燒特性。通過監(jiān)測溫度，系統(tǒng)可以更準(zhǔn)確地評估潛在的危險情況，并在必要時采取預(yù)防措施。

為了使這些傳感器能夠在不同的環(huán)境條件下有效工作，系統(tǒng)通常配備有按鍵或用戶界面，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置各種參數(shù)閾值。

2 "整體架構(gòu)和流程

火災(zāi)報警器的整體架構(gòu)包括傳感器模塊、控制模塊和報警模塊。傳感器模塊使用煙霧傳感器和溫度傳感器進(jìn)行火災(zāi)檢測。這些傳感器通過數(shù)字或模擬接口與單片機(jī)連接。在智能家庭安防報警系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于煙霧傳感器等設(shè)備檢測收集到的數(shù)據(jù)在輸出時以模擬量信號輸出，單片機(jī)中轉(zhuǎn)處理系統(tǒng)并不能直接接收處理，故需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理[3]。

控制模塊使用STC89C52單片機(jī)作為核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理和判斷。單片機(jī)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析，并根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值判斷是否發(fā)生火災(zāi)。

報警模塊可以采用聲音報警、光閃報警等方式。當(dāng)火災(zāi)被檢測到后，單片機(jī)將觸發(fā)報警模塊并發(fā)出相應(yīng)的報警信號。系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

3 "布置方式

將煙霧傳感器和溫度傳感器安裝在易燃物附近或通風(fēng)良好的區(qū)域，以便及時檢測到煙霧和溫度變化。

4 "單片機(jī)程序設(shè)計思路和算法

4.1 "傳感器數(shù)據(jù)采集

編寫程序?qū)崿F(xiàn)對煙霧傳感器和溫度傳感器數(shù)據(jù)的采集。

4.2 "信號處理

對采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理，包括濾波、去噪等操作，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4.3 "火災(zāi)識別算法

編寫設(shè)置各種參數(shù)閾值，當(dāng)溫度傳感器采集到的溫度超過一定閾值，或者煙霧傳感器檢測到煙霧濃度超過預(yù)設(shè)閾值時，即認(rèn)為存在火災(zāi)危險。

4.4 "警報觸發(fā)

當(dāng)火災(zāi)風(fēng)險被確認(rèn)時，觸發(fā)警報裝置發(fā)出警報。通過控制聲光報警器來提醒用戶，并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。

4.5 "循環(huán)執(zhí)行

設(shè)計循環(huán)執(zhí)行的程序結(jié)構(gòu)，持續(xù)監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行火災(zāi)識別和警報觸發(fā)，確保火災(zāi)警報器能夠持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集：這部分主要是通過溫度傳感器和煙霧傳感器來獲取環(huán)境的溫度和煙霧濃度數(shù)據(jù)。

5 "硬件設(shè)計和關(guān)鍵代碼片段

5.1 "ＭＱ－２煙霧傳感器電路

煙霧報警模塊設(shè)計選用MQ-2煙霧傳感器，該傳感器具有探測范圍廣、高靈敏度、快速響應(yīng)、簡單驅(qū)動電路和長壽命等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效檢測火災(zāi)和燃?xì)庑孤且环N成本低、應(yīng)用廣泛的多功能可燃?xì)怏w傳感器[4]。其電路如圖3所示。火災(zāi)發(fā)生時，煙霧和可燃?xì)怏w是早期檢測的關(guān)鍵指標(biāo)。MQ-2傳感器能夠檢測多種可燃?xì)怏w和煙霧，包括甲烷、丙烷、氫氣和一氧化碳，其核心材料為二氧化錫（SnO2）。

在MQ-2傳感器中，二氧化錫的電導(dǎo)率會隨著環(huán)境中煙霧和可燃?xì)怏w濃度的變化而變化。在清潔空氣中，電導(dǎo)率較低；當(dāng)傳感器接觸到可燃?xì)怏w或煙霧時，氣體分子與二氧化錫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加。這種變化可以轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行測量和分析。

為確保早期火災(zāi)檢測，需要根據(jù)實(shí)際場景設(shè)定合適的閾值。本實(shí)驗(yàn)中，煙霧報警器的閾值設(shè)定為100 ppm（百萬分之一），即當(dāng)傳感器檢測到的可燃?xì)怏w濃度達(dá)到或超過此值時，系統(tǒng)將觸發(fā)報警。該閾值基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際火災(zāi)案例分析，旨在及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并采取措施。

此外，MQ-2傳感器可通過校準(zhǔn)提高檢測準(zhǔn)確性，校準(zhǔn)過程通常在已知濃度的氣體環(huán)境中進(jìn)行，并根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整傳感器響應(yīng)。定期維護(hù)和檢查也能確保傳感器在長時間使用后保持良好性能。

總之，MQ-2型煙霧傳感器通過監(jiān)測環(huán)境中的煙霧和可燃?xì)怏w濃度，為早期火災(zāi)檢測提供了有效手段[5]。合理設(shè)定閾值和定期校準(zhǔn)，使傳感器能夠在火災(zāi)初期階段發(fā)出警報，從而為人員疏散和火災(zāi)撲救爭取寶貴時間。

5.2 "溫度傳感器模塊

選擇DS18B20溫度傳感器用于環(huán)境溫度檢測，其反應(yīng)迅速且適合短時間室內(nèi)溫度變化的監(jiān)測。DS18B20通過單總線協(xié)議與單片機(jī)通信，僅需一條引線，簡化了電路結(jié)構(gòu)，非常適合遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測，該溫度傳感器模塊如圖4所示。

DS18B20是一款常用的數(shù)字溫度傳感器，采用集成芯片和單總線技術(shù)，能有效減少外界干擾，提高測量精度。在環(huán)境溫度檢測電路中，確保傳感器與單片機(jī)之間的通信時序正確至關(guān)重要。電路上電后，DS18B20開始測量環(huán)境溫度，并將結(jié)果存儲在內(nèi)部寄存器中。其DATA引腳在上拉電阻作用下保持高電平狀態(tài)[6]。通信開始前，DATA引腳需處于接收狀態(tài)，單片機(jī)的P16引腳會輸出低電平信號作為復(fù)位脈沖，通知DS18B20準(zhǔn)備通信。

復(fù)位脈沖后，DS18B20會發(fā)送存在脈沖，表明準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)隨后發(fā)送命令讀取溫度數(shù)據(jù)，DS18B20以40位格式將溫度數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)字節(jié)及控制信息發(fā)送給單片機(jī)。傳輸結(jié)束后，單片機(jī)輸出50 μs要的低電平信號，通知DS18B20數(shù)據(jù)傳輸完成。整個過程循環(huán)進(jìn)行，DS18B20實(shí)時采集并傳送最新的溫度數(shù)據(jù)。

在此過程中，單片機(jī)需精確控制通信時序，確保脈沖寬度和間隔符合協(xié)議要求。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，電路設(shè)計中通常會包含濾波和保護(hù)措施，以防噪聲干擾和電氣過載。通過這樣的設(shè)計，DS18B20能夠提供穩(wěn)定、可靠的環(huán)境溫度監(jiān)測，適用于各種需要精確溫度控制的應(yīng)用場景[7]。

5.3 "聲光報警模塊

聲音報警器用的是蜂鳴器。燈光報警則使用紅色LED燈，紅色通常被用作緊急情況的警示顏色，因?yàn)槠湓谝曈X上非常醒目，即使在光線較暗的環(huán)境中也能輕易被察覺。LED燈具有低功耗、長壽命和快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為報警指示燈。

當(dāng)環(huán)境中的煙霧濃度或溫度超過預(yù)設(shè)的閾值時，傳感器會將這一信息傳遞給單片機(jī)。單片機(jī)在接收到這一信號后，會通過其輸出接口驅(qū)動蜂鳴器和LED燈。在許多設(shè)計中，單片機(jī)的輸出接口在驅(qū)動LED時會輸出低電平信號，這是因?yàn)長ED通常是通過低電平有效的方式來點(diǎn)亮的。當(dāng)接口輸出低電平時，LED燈會導(dǎo)通并發(fā)光，從而形成視覺上的報警信號。

同時，單片機(jī)也會驅(qū)動蜂鳴器，使其發(fā)出聲音報警。蜂鳴器的驅(qū)動方式通過單片機(jī)的輸出接口來控制。通過合理的設(shè)計和配置，這些報警器可以在各種環(huán)境中有效地發(fā)揮作用，保障人員和財產(chǎn)的安全。

5.4 "數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過溫度傳感器和煙霧傳感器來獲取環(huán)境的溫度和煙霧濃度數(shù)據(jù)。在這里，選擇DS18B20作為溫度傳感器，MQ-2作為煙霧傳感器。

數(shù)據(jù)處理模塊需要將采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，如果超過閾值，則觸發(fā)警報。這部分的代碼如圖5所示。

5.5 "設(shè)備控制模塊

設(shè)備控制模塊是當(dāng)警報觸發(fā)時，控制報警器發(fā)出警報，同時如果連接了聯(lián)動設(shè)備，還需要啟動這些設(shè)備。這部分的代碼如圖6所示。

以上是基于單片機(jī)的火災(zāi)報警器的硬件設(shè)計與編程實(shí)踐方案。通過這個方案，可以實(shí)現(xiàn)一個簡單但功能強(qiáng)大的火災(zāi)報警器，能夠及時地檢測到火災(zāi)，并發(fā)出警報，保護(hù)人們的生命安全。

6 "實(shí)驗(yàn)設(shè)置與數(shù)據(jù)采集過程

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)置過程如下。首先，將51單片機(jī)與溫度傳感器、煙霧傳感器和報警器連接，然后將電源模塊接入電網(wǎng)，為整個系統(tǒng)供電。接著，對51單片機(jī)進(jìn)行編程，設(shè)置溫度和煙霧濃度的閾值，檢測溫度或煙霧濃度是否超過閾值。

數(shù)據(jù)采集的過程是通過51單片機(jī)的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）實(shí)現(xiàn)的。將溫度傳感器和煙霧傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過單片機(jī)進(jìn)行判斷。如果檢測到的溫度或煙霧濃度超過預(yù)設(shè)的閾值，單片機(jī)將會驅(qū)動報警器發(fā)出警報。

7 "不同場景下火災(zāi)檢測的準(zhǔn)確性

在多個場景下進(jìn)行了火災(zāi)檢測實(shí)驗(yàn)。在室內(nèi)環(huán)境下，火災(zāi)報警器的檢測準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度均較高。這主要是因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境的溫度和濕度相對穩(wěn)定，有利于傳感器的正常工作。在室外環(huán)境下，由于溫度和濕度的變化較大，火災(zāi)報警器的檢測準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度略有下降，但總體上仍能滿足火災(zāi)檢測的需求。

8 "結(jié)束語

在本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計了一款基于51單片機(jī)的火災(zāi)報警器，其主要組件包括51單片機(jī)、溫度傳感器、煙霧傳感器、報警器以及電源模塊。通過軟硬件組裝，得到了一款能夠在不同場景下快速響應(yīng)的火災(zāi)檢測系統(tǒng)，并且其檢測性能達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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