基于Arduino的煙霧探測實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

孫浩東 王超 李深?yuàn)W 陸帥

摘要：以Arduino控制板為核心設(shè)計(jì)了用于探測和顯示煙霧濃度的實(shí)驗(yàn)裝置，裝置包括Arduino控制板、擴(kuò)展板、MQ-2煙霧檢測傳感器、OLED顯示屏、溫濕度傳感器、繼電器、蜂鳴器和風(fēng)扇。實(shí)驗(yàn)裝置上電后，等待30 s預(yù)熱，預(yù)熱完成后開始進(jìn)行實(shí)時(shí)探測，OLED按階段同步顯示，煙霧濃度達(dá)到設(shè)置值后，蜂鳴器間隔1 s響應(yīng)，風(fēng)扇啟動(dòng)進(jìn)行排風(fēng)。該設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于煙霧探測報(bào)警器外殼結(jié)構(gòu)對(duì)于煙霧流動(dòng)性影響的研究。

關(guān)鍵詞：Arduino;煙霧探測;實(shí)驗(yàn)裝置;OLED顯示屏

0 引言

煙霧探測器主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境中的煙霧濃度，在火情早期能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)可燃物陰燃階段產(chǎn)生的煙霧氣體[1]，并向管理人員發(fā)出警報(bào)，避免火情進(jìn)一步擴(kuò)大形成火災(zāi)。在我國，煙霧探測器屬于消防類強(qiáng)制認(rèn)證產(chǎn)品，需要經(jīng)過專業(yè)的檢驗(yàn)合格后才能上市銷售。目前，市場上的煙霧探測器種類繁多，外觀造型多樣，性能也有所區(qū)別，傳統(tǒng)的煙霧探測器設(shè)計(jì)過程主要集中在硬件電路和軟件優(yōu)化上，并沒有很好地針對(duì)探測器外殼結(jié)構(gòu)對(duì)于煙霧流動(dòng)性的影響進(jìn)行分析，造成產(chǎn)品需要進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，耗時(shí)耗力。利用專業(yè)的檢驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行煙霧流動(dòng)性分析是現(xiàn)有的主要手段，這類設(shè)備大多尺寸較大，功能復(fù)雜，成本較高。本設(shè)計(jì)利用Arduino控制板及各類傳感器模塊實(shí)現(xiàn)了煙霧探測實(shí)驗(yàn)裝置的搭建，只需較低的成本即可滿足測試實(shí)驗(yàn)的需求，后期只需要將煙霧探測模塊安裝在需要進(jìn)行測試的煙霧探測器外殼內(nèi)，就可進(jìn)行煙霧流動(dòng)性的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置核心元器件選型及原理

1.1 ? ?Arduino控制板及擴(kuò)展板

Arduino是一款開源的硬件開發(fā)控制板，2005年在意大利面世[2]，具有多種型號(hào)，本設(shè)計(jì)中使用的是Arduino UNO R3控制板，其特點(diǎn)是成本較低，集成度較高，可直接連接電腦進(jìn)行程序的編寫和燒錄，在硬件接入時(shí)可以直接使用控制板上的數(shù)字引腳、模擬引腳以及IC接口等，方便開發(fā)人員使用，設(shè)計(jì)人員也可快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，性價(jià)比極高。同時(shí)，本設(shè)計(jì)采用了配套的擴(kuò)展板，用于直接連接各類元器件，避免了常規(guī)的面包板使用，節(jié)省了設(shè)計(jì)空間，使得布線更加清晰明了。

1.2 ? ?煙霧檢測傳感器

市場上多數(shù)煙霧探測器采用“迷宮”結(jié)構(gòu)[3]，如圖1所示，利用光學(xué)散射原理進(jìn)行煙霧濃度的計(jì)算標(biāo)定，各廠家的產(chǎn)品都有其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不便于統(tǒng)一比較，因此本文設(shè)計(jì)的煙霧探測實(shí)驗(yàn)裝置采用較為常見的經(jīng)濟(jì)型MQ-2氣體傳感器，其原理是將煙霧的濃度值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳感器內(nèi)部采用二氧化錫作為氣敏材料，在煙霧濃度增加時(shí)導(dǎo)電率會(huì)隨之增加[4]。

1.3 ? ?OLED顯示屏

實(shí)驗(yàn)裝置要達(dá)到的測試效果之一是實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫濕度，傳統(tǒng)的LCD屏幕顯示效果一般，耗費(fèi)的硬件引腳也較多，為優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少占用的控制板接口數(shù)量，提升數(shù)據(jù)顯示效果，本設(shè)計(jì)選用了基于I2C通信模式的OLED顯示屏，除去電源及接地引腳外，只使用SCL、SDA引腳，同時(shí)可以進(jìn)行良好的中文、符號(hào)等數(shù)據(jù)顯示。

1.4 ? ?溫濕度傳感器

煙霧探測傳感器在實(shí)時(shí)檢測的過程中，需要考慮環(huán)境溫濕度帶來的數(shù)據(jù)誤差，在同類型的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)在允許的誤差范圍內(nèi)保持一致。本設(shè)計(jì)采用DTH11溫濕度傳感器模塊，傳感器數(shù)據(jù)單路輸出，從程序中提取溫濕度計(jì)算數(shù)值，在滿足功能需求的前提下，減少控制板引腳的占用。

2 實(shí)驗(yàn)裝置硬件設(shè)計(jì)

Arduino控制板和擴(kuò)展板通過相應(yīng)的插口配合重疊安裝，電源接入Arduino控制板中，除風(fēng)扇外其余各元器件的供電引腳和接地引腳與擴(kuò)展板分出的多路供電、接地引腳連接，提供5 V電壓。煙霧探測傳感器模塊A0端口和擴(kuò)展板A0端口相連，用于電壓模擬量的輸入;OLED屏幕SCL、SDA端口與擴(kuò)展板SCL、SDA端口相連，用于圖像信號(hào)的傳輸顯示;蜂鳴器I/O端口和數(shù)字引腳13端口相連，給定13端口輸出為低電平時(shí)蜂鳴器鳴叫;溫濕度傳感器DAT端口和數(shù)字引腳3端口相連，用于溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸;繼電器IN端口和數(shù)字引腳2端口相連，給定2端口輸出為低電平時(shí)繼電器工作;風(fēng)扇負(fù)極端和擴(kuò)展板接地引腳相連，正極端和繼電器COM端口連接，繼電器NO端口和擴(kuò)展板供電引腳相連，繼電器未工作時(shí)NO端口和COM端口之間為常開狀態(tài)，風(fēng)扇不工作，繼電器工作時(shí)NO端口和COM端口之間轉(zhuǎn)為常閉狀態(tài)，風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動(dòng)送風(fēng)。實(shí)驗(yàn)裝置硬件接線示意圖如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)裝置程序設(shè)計(jì)

MQ-2型煙霧傳感器在使用時(shí)需要進(jìn)行30 s左右的預(yù)熱，以保證檢測結(jié)果的穩(wěn)定性，因此在實(shí)驗(yàn)裝置上電后，需要等待30 s，此時(shí)OLED屏幕顯示為加載狀態(tài)，30 s后OLED顯示預(yù)熱完成，隨之跳轉(zhuǎn)至正常的數(shù)據(jù)顯示頁面開始實(shí)時(shí)獲取檢測數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)顯示3行，分別為煙霧濃度、溫度和濕度。實(shí)驗(yàn)裝置上電穩(wěn)定后煙霧濃度在常態(tài)下檢測值穩(wěn)定在20以內(nèi)，因此將煙霧濃度報(bào)警值設(shè)置為40，檢測值超過40后，蜂鳴器每間隔1 s響應(yīng)一次，繼電器工作帶動(dòng)風(fēng)扇啟動(dòng)進(jìn)行排風(fēng)，檢測值低于40后，蜂鳴器停止響應(yīng)，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)。程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

OLED顯示屏的應(yīng)用主要使用U8glib庫進(jìn)行顯示程序的編寫，中文字符的顯示采用PCtolcd2002軟件進(jìn)行代碼的提取，提取方式為點(diǎn)陣格式：陰碼;取模走向：逆向;取模方式：逐行式;代碼格式：C51格式。預(yù)熱階段的“Loading…”和“Finish.”顯示只在設(shè)備上電后運(yùn)行一次，因此需將此段程序放置在void setup中，在編寫代碼時(shí)需將顯示程序放在30 s的循環(huán)內(nèi)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定顯示。OLED實(shí)時(shí)顯示及檢測程序放置在void loop中循環(huán)執(zhí)行。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)裝置搭建完畢后進(jìn)行煙霧探測實(shí)驗(yàn)，Arduino控制板上電后的OLED顯示效果如圖4所示。

經(jīng)過實(shí)際測試，本文設(shè)計(jì)的煙霧探測實(shí)驗(yàn)裝置可以應(yīng)用于煙霧探測器的專項(xiàng)研究中，測試效果良好。設(shè)計(jì)使用的各類傳感器占用的Arduino控制器引腳較少，可以在后期充分進(jìn)行各類功能的擴(kuò)展使用，增加實(shí)驗(yàn)裝置的功能。本文完成了功能硬件的選型、連接及程序設(shè)計(jì)，提供了清晰的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程，可為其他類似裝置的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 魏向峰.淺析感煙探測器及其發(fā)展[J].質(zhì)量與認(rèn)證，2020（7）：70-72.

[2] 李永華.Arduino開源硬件概論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2019.

[3] 李在海，張培旭，田秋生.獨(dú)立式光電感煙火災(zāi)探測報(bào)警器的研制[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（20）：1-3.

[4] 張群強(qiáng)，趙巧妮.基于MQ-2型傳感器火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2015，34（13）：96-98.

收稿日期：2021-03-22

作者簡介：孫浩東（2000—），男，安徽宣城人，研究方向：機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

通信作者：王超（1990—），男，安徽蚌埠人，碩士，助教，研究方向：機(jī)電產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)。