簡(jiǎn)易火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

王沁竹

摘 要： 本文的簡(jiǎn)易火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器是以51單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，煙霧傳感器和溫度傳感器信息采集系統(tǒng)，并結(jié)合其他電力電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的。本系統(tǒng)還有硬件顯示電路，采用四位共陰數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示周圍的信息。也有自動(dòng)報(bào)警和手動(dòng)報(bào)警電路，使用蜂鳴器和發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)需要報(bào)警時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。因此本火災(zāi)報(bào)警器功能十分齊全，穩(wěn)定性強(qiáng)，簡(jiǎn)易并且操作簡(jiǎn)單，成本不高，具有不錯(cuò)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 煙霧；溫度；報(bào)警器；STC89c51；傳感器

第1章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1晶振電路

晶振電路是由電容與晶振構(gòu)成，其元件分別是30pF的C2和C3以及12M的X1。電容在電路中的作用是為了使晶振更加簡(jiǎn)單的起振，其取值最小值是15pF，最大值是33pF。晶體振蕩取值越高（可以取值24M），越容易獲得執(zhí)行速度更快的單片機(jī)。為了使振蕩產(chǎn)生的不良反應(yīng)不給旁邊的元器件造成干擾，所以要盡可能的靠近單片機(jī)，線路也要越短越好。

1.2 復(fù)位電路

復(fù)位電路在單片機(jī)中起到重啟單片機(jī)的作用，如同電腦的重啟鍵，每當(dāng)電腦出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象時(shí)，重啟鍵的作用也就凸顯了出來(lái)，可以讓電腦重新啟動(dòng)內(nèi)部程序。復(fù)位電路在單片機(jī)中的作用也一樣，每當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在受到外部或內(nèi)部干擾出現(xiàn)程序故障的時(shí)候，按下復(fù)位按鈕就會(huì)讓單片機(jī)程序重新開(kāi)始，達(dá)到重啟的作用。

復(fù)位電路由極性電容和電阻這兩部分組成，分別是10uF的C1和10K的R4。我們知道電容電壓有著不能突變這一性質(zhì)，所以可以得到，當(dāng)系統(tǒng)處于接通電源狀態(tài)時(shí)，復(fù)位引腳則會(huì)具有較高的電平，而且復(fù)位引腳高電平所持續(xù)的時(shí)間取決于電路的RC值。傳統(tǒng)的51單片機(jī)復(fù)位條件是復(fù)位引腳高電平持續(xù)保持兩個(gè)機(jī)器周期及以上，所以只要合理的組合RC值就能得到可靠的復(fù)位電路。80C51的復(fù)位電路如圖2.1.2所示。

1.3 顯示與報(bào)警電路

1.顯示電路

顯示采用4位共陰數(shù)碼管，單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示相對(duì)應(yīng)的字符，P2.4～P2.7選位，P0.0～P0.7選段，顯示電路如圖2.2.3。第一位位顯示煙霧濃度等級(jí)，可顯示的濃度等級(jí)為0～9；第二位是“-”，將煙霧濃度等級(jí)和溫度等級(jí)分開(kāi)；三四位顯示溫度數(shù)值，可顯示的范圍為0～99℃。電路圖如下：

2. 報(bào)警電路

電路由一個(gè)三極管、電阻與蜂鳴器組成。由三極管基極連接電阻組成串聯(lián)電路。三極管與單片機(jī)P3.6端口連接，當(dāng)單片機(jī)發(fā)出報(bào)警指令時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警。聲音報(bào)警電路圖如圖1.2所示：

1.4 按鍵控制及電源電路設(shè)計(jì)

本電路設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵，第一個(gè)是手動(dòng)報(bào)警鍵、第二個(gè)是遞增鍵、第三個(gè)遞減鍵、第四個(gè)是手動(dòng)設(shè)置鍵，當(dāng)遇到突發(fā)狀況時(shí)，可按下手動(dòng)報(bào)警鍵，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警。如圖1.3所示

系統(tǒng)的供電方式能夠選擇5V的蓄電池和電池供電。蓄電池相較于電池電路驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，電壓輸出也十分穩(wěn)定。但是由于它體積太大，在本系統(tǒng)中不太適合。因此我們也可以采取電池供電。但本系統(tǒng)主要采用USB電源供電，這樣操作簡(jiǎn)便，器件也能夠正常運(yùn)行，單片機(jī)和傳感器也能正常工作。系統(tǒng)的電源接口電路如圖1.4。

第2章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

由于MQ-2煙霧傳感器長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有投入使用，首次通電后，傳感器不能夠正確顯示煙霧濃度，需要進(jìn)行幾分鐘的預(yù)熱。等顯示的煙霧濃度不在跳動(dòng)時(shí)，預(yù)熱完成。當(dāng)程序初始化完成時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。

在本系統(tǒng)中，單片機(jī)作為核心器件，監(jiān)控著系統(tǒng)的一舉一動(dòng)。煙霧傳感器和溫度傳感器將采集的信息以電信號(hào)的形式傳給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，然后芯片將信息傳遞給軟件系統(tǒng)，單片機(jī)判斷是否報(bào)警。本系統(tǒng)主要由四位共陰數(shù)碼管溫度和煙霧濃度字符顯示功能，手動(dòng)報(bào)警、溫度和煙霧濃度設(shè)定、煙霧濃度和溫度報(bào)警、中斷子程序等5個(gè)主程序。

煙霧傳感器預(yù)熱后，程序就進(jìn)入初始化子程序，初始化起到對(duì)I/O口輸入和輸出狀態(tài)設(shè)定、 寄存器的初始化、程序中斷等功能。第一步，定時(shí)初值設(shè)定為50ms，利用IAP將初值 寫(xiě)入EEPROM，當(dāng)做取值的間隔。第二步，設(shè)置定時(shí)器0，選擇方式1。當(dāng)處于方式1時(shí)，定時(shí)器的TH1、TL1是全16位參與操作的工作寄存器。第三步，定時(shí)器0中斷的允許位置1，此時(shí)定時(shí)器0打開(kāi)，蜂鳴器關(guān)閉，綠燈開(kāi)啟，然后設(shè)置報(bào)警的限初值。

2.2 濾波子程序設(shè)計(jì)

傳感器對(duì)周圍環(huán)境氣體濃度和溫度采樣時(shí)。有時(shí)會(huì)被有些脈沖影響。這些現(xiàn)象往往會(huì)使某個(gè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，與周圍其他采樣點(diǎn)差很多。因此就需要設(shè)計(jì)濾波子程序。子程序采用的方法是中位值平均濾波法。首先會(huì)采集很多的數(shù)據(jù)，然后去掉最大值和最小值，然后求剩余值的算術(shù)平均值。采用這樣的方法就能去除個(gè)別脈沖或者其他因素帶來(lái)的影響。使火災(zāi)報(bào)警器能采集到采集到準(zhǔn)確的信息，降低誤報(bào)、亂報(bào)的幾率。

2.3 線性化處理子程序設(shè)計(jì)

在使用之前，單片機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，主要是得到輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的輸出關(guān)系，以此作為系統(tǒng)中計(jì)量的憑據(jù)。他們之間往往不是標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系。需要有線性化處理子程序。采取一條近似的直線來(lái)代替曲線。本報(bào)警器系統(tǒng)主要針對(duì)煙霧濃度和溫度檢測(cè)，在處理時(shí)，主要以這2曲線作為計(jì)量依據(jù)。

本系統(tǒng)采用的是MQ-2型煙霧傳感器，煙霧濃度升高，電阻值反而是降低的，此時(shí)單片機(jī)的輸入電壓也隨之降低。電壓值與煙霧濃度的關(guān)系也是非線性變化的，為了達(dá)到實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度的功能.必須進(jìn)行線性化處理。，根據(jù)獲取曲線的形狀，單片機(jī)的處理能力，并且在誤差許可范圍內(nèi)，把曲線進(jìn)行線性化處理。

2.4 報(bào)警子程序設(shè)計(jì)

當(dāng)煙霧濃度超過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警指令，蜂鳴器響起，對(duì)應(yīng)的紅燈亮起，報(bào)警完成。相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)后就能有所反應(yīng)，快速消除隱患，避免災(zāi)情擴(kuò)大。在系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，也有對(duì)傳感器的快速?gòu)?fù)測(cè)和延時(shí)報(bào)警的程序，避免誤報(bào)。

結(jié)論

本論文主要介紹以51單片機(jī)為核心的智能火災(zāi)報(bào)警器，它相比市面上其他產(chǎn)品，具有性能穩(wěn)定，靈敏度高，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜等許多優(yōu)點(diǎn)。本文系統(tǒng)的介紹了此火災(zāi)報(bào)警器的核心元件、工作原理極其核心電路。

本文所研究的智能火災(zāi)報(bào)警器主要包含2大部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)和信號(hào)采集電路?？紤]到環(huán)境因素，成本情況，滿足設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器和MQ-2煙霧傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的采集。這兩個(gè)傳感器相較于同類產(chǎn)品，性價(jià)比高，十分適合本系統(tǒng)的體系。

單片機(jī)作為此系統(tǒng)的核心控制器件，我使用了性能穩(wěn)定，功能齊全的STC89C51芯片。STC89C51芯片處理數(shù)據(jù)能力十分高效，能很快的處理所收集的信息，保證報(bào)警迅速，更及時(shí)的發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。它的體積也十分小，價(jià)格低廉，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化。

本系統(tǒng)信息采集依靠DS18B20溫度傳感器和MQ-2煙霧傳感器所采集的數(shù)據(jù)。煙霧傳感器能夠采集周圍氣體的濃度，溫度傳感器采集周圍的溫度信息他們將采集的信息通過(guò)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換將信息傳遞給控制系統(tǒng)，然后發(fā)出報(bào)警。需要注意的是，煙霧傳感器需要預(yù)熱才能準(zhǔn)確的采集信息，所以要給其加5V的加熱電壓。傳感器采集的信息也會(huì)在4位共陰數(shù)碼管上顯示。當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，指示燈亮起，報(bào)警完成。

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