步亞昆,郭俊美,劉海英

齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 電氣工程與自動化學(xué)院,濟(jì)南 250353

在各類災(zāi)害中,火災(zāi)是最普遍常見的,據(jù)聯(lián)合國“世界火災(zāi)統(tǒng)計中心(WFSC)”統(tǒng)計資料顯示,全球每年大約發(fā)生火災(zāi)700萬次,火災(zāi)造成死亡人數(shù)大約65 000至75 000人。火災(zāi)成為當(dāng)今世界各國人民所面臨的一個共同的災(zāi)難性問題[1]。它給人類社會造成嚴(yán)重的財產(chǎn)損失,甚至奪取親人的生命。為了避免火災(zāi)和減少火災(zāi)所造成的損失,良好的智能火災(zāi)報警系統(tǒng)和及時的報警機(jī)制是非常必要的,可以大大降低人員的傷亡。所以本次設(shè)計出一款適用于居家以及中小型辦公環(huán)境的智能火災(zāi)報警系統(tǒng),能夠敏捷迅速監(jiān)測火情,及時對現(xiàn)場的火災(zāi)環(huán)境作出監(jiān)測,并發(fā)出聲光報警以及聯(lián)動消防系統(tǒng),將火災(zāi)帶來的生命財產(chǎn)損失降低到最低限度。

1 火災(zāi)報警系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 報警系統(tǒng)探測原理

由于可燃物質(zhì)的燃燒,會伴隨著熱量的散發(fā)以及蒸發(fā)分解的煙霧,火災(zāi)中產(chǎn)生的氣溶膠、煙霧、火焰和散發(fā)的熱量都稱為火災(zāi)的參量,通過用某種特定的傳感器進(jìn)行采集就可以測定是否產(chǎn)生火災(zāi)。所以設(shè)計一款在未完全燃燒成火災(zāi)的前提下就能檢測出火災(zāi)預(yù)狀的智能火災(zāi)報警系統(tǒng),以便及時監(jiān)測火災(zāi)情況,減少損失[2]。若煙霧傳感器能在初燃階段依據(jù)煙霧濃度就能探測出火災(zāi)的發(fā)生,便可將火災(zāi)控制在最小限度；若溫度傳感器能夠在火焰燃燒后,依據(jù)燃燒物質(zhì)產(chǎn)生大量的熱能夠及時作出報警,就可以及時有效的控制火災(zāi)。

圖1 火災(zāi)過程曲線

1.2 系統(tǒng)總體思路框圖

此智能火災(zāi)報警系統(tǒng)的處理器采用51系列的單片機(jī),整個系統(tǒng)由單片機(jī)進(jìn)行控制。圖2設(shè)計框圖中控制器內(nèi)設(shè)計數(shù)據(jù)采集軟件模塊、計算處理軟件模塊、比較模塊。

圖2 設(shè)計框圖

傳感器檢測到非電量信號,輸出電量信號,通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字量信號,送入控制器進(jìn)行處理。經(jīng)火災(zāi)探測算法分析后自動輸出相應(yīng)的存儲、顯示和聲光報警信號,若數(shù)據(jù)采集值超出設(shè)置額定值將會發(fā)出聲光報警以及聯(lián)動消防系統(tǒng),否則將繼續(xù)檢測。如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

2 主要器件的選型

通過選用合適的器件,得到的數(shù)據(jù)結(jié)果會更加準(zhǔn)確,減少實驗結(jié)果誤差。對于火災(zāi)煙霧溫度方面的監(jiān)測,通常主要采用煙霧傳感器與溫度傳感器。本系統(tǒng)控制器選用單片機(jī),單片機(jī)是智能火災(zāi)報警系統(tǒng)中的最為關(guān)鍵性的一個元件,可以說單片機(jī)是整個系統(tǒng)的心臟。如表1所示。

表1 各類器件的基本參數(shù)

2.1 煙霧傳感器

煙霧氣體傳感器選用MQ-2型,主要響應(yīng)物質(zhì)燃燒或熱解產(chǎn)生的固體液體微粒,將檢測出的煙霧濃度的信號經(jīng)過煙霧檢測探頭將其轉(zhuǎn)換成電信號,從而可以進(jìn)一步的達(dá)到檢測和監(jiān)控等功能的實現(xiàn)。其具有靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)、電導(dǎo)率變化大、響應(yīng)快、壽命長等優(yōu)點,有非常好的早期報警功能,能夠預(yù)防火災(zāi)的蔓延,減少損失[3]。

圖4 MQ-2型煙霧氣體傳感器實體圖

圖5 MQ-2型煙霧氣體傳感器引腳圖

2.2 溫度傳感器

本設(shè)計選擇DS18B20溫度傳感器,其輸出總線是通過“一線”總線這種獨特的方式,不僅可以直接輸出溫度值,而且不需要進(jìn)行過多的校正。所以這種獨特的輸出總線的方式可以使多個DS18B20溫度傳感器可以方便地形成一個傳感器網(wǎng)絡(luò),而且在測溫時候的精度方面、轉(zhuǎn)換時候的時間等方面相對于其他的溫度傳感器都有了非常大的進(jìn)步,為整個測量系統(tǒng)的建立和組合提供了實際性[4]。

圖6 DS18B20溫度傳感器實體圖

圖7 DS18B20溫度傳感器引腳圖

2.3 控制器選型

單片機(jī)接收來自傳感器的煙霧濃度和溫度的模擬及數(shù)字電信號進(jìn)行處理,并判別是否啟動報警裝置；同時,還要響應(yīng)是否有按鍵按下。本次系統(tǒng)設(shè)計中,選用ATEML公司生產(chǎn)的MCS-51單片機(jī)[5],與普通的計算機(jī)相比有以下主要特點:

1)集成度高、體積?。?/p>

2)可靠性高、抗干擾性強(qiáng)；

3)控制功能性強(qiáng)；

4)低功耗、可擴(kuò)展性號好。

這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低,開發(fā)時間也大大縮短。而且這種AT89C51單片機(jī)應(yīng)用普遍,綜合考慮選用AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)核心。

3 電路系統(tǒng)以及軟件仿真

3.1 傳感器采集電路

DS18B20溫度傳感器是單總線器件與單片機(jī)的接口電路采用電源供電方式。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時,溫度傳感器采集到微弱的電動勢之后,即將溫度轉(zhuǎn)換成了電信號,我們就能從DSI8B20溫度傳感器讀出或者寫入信息。接下來單片機(jī)就可以通過單線接口讀取到DS18B20溫度傳感器采集的數(shù)據(jù),讀取時低位在前高位在后[6]。

圖8 DS18B20溫度傳感器電路圖

MQ-2型煙霧氣體傳感器可以檢測出煙霧濃度信號將其轉(zhuǎn)化為電信號,煙霧濃度越大,輸出電壓越大,因此MQ-2型煙霧氣體傳感器輸出的是模擬量,然后A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換之后輸送給單片機(jī)來執(zhí)行整個報警系統(tǒng)機(jī)制。

圖9 MQ-2型煙霧氣體傳感器電路圖

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

由于煙霧氣體傳感器將現(xiàn)場所檢測的煙霧等非電信號轉(zhuǎn)化為電信號,所以需要A/D轉(zhuǎn)換電路將其所輸出的電信號轉(zhuǎn)換為能被單片機(jī)識別的數(shù)字信號[7]。A/D轉(zhuǎn)換電路主要有采樣、保持、量化、編碼組成,如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)換示意圖

3.3 按鍵控制電路

本次采用的是手動按鍵控制電路,操作簡單且方便,總共用了5個按鍵按鈕:電源鍵、設(shè)置鍵、加鍵、減鍵、復(fù)位鍵。接通電源后,通過設(shè)置鍵、加減鍵可以調(diào)節(jié)設(shè)定火災(zāi)報警系統(tǒng)的煙霧濃度值和溫度高低值,此設(shè)定值可在LCD1602顯示屏上實時顯示,來應(yīng)對不同的環(huán)境變化。復(fù)位鍵恢復(fù)智能火災(zāi)報警系統(tǒng)最初值。

按鍵控制電路連接圖,如圖11所示。

圖11 按鍵控制電路圖

3.4 軟件仿真圖

本文使用Proteus軟件對電路原理圖以及軟件程序進(jìn)行電路仿真,由于使用Proteus軟件進(jìn)行電路仿真,元器件庫中沒有MQ-2煙霧氣體傳感器的虛擬模型器件,所以在實際電路仿真過程中將采用氣敏電阻進(jìn)行代替。將提前編寫好的C語言程序?qū)隤roteus軟件的AT89C51單片機(jī)中,進(jìn)行電路仿真。C語言程序中設(shè)置的溫度是50 ℃,煙霧濃度是45 ppm,也就是復(fù)位鍵最初始的數(shù)值。當(dāng)溫度超過50 ℃的時候,仿真電路圖會延續(xù)性發(fā)出響聲,點擊復(fù)位鍵器件恢復(fù)最初值；滑動電阻使煙霧濃度超過45 ppm的時候,仿真電路圖也會延續(xù)性發(fā)出響聲[8]。通過系統(tǒng)仿真,驗證了電路及軟件設(shè)計的合理性。

圖12 仿真調(diào)試電路圖

4 溫度與煙霧報警測試

4.1 檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確性

表2可以檢測整體系統(tǒng)溫度監(jiān)測準(zhǔn)確性,當(dāng)室內(nèi)溫度值為28 ℃時,超過溫度設(shè)定值20 ℃和25 ℃時系統(tǒng)報警；當(dāng)溫度設(shè)定值為30 ℃時,其值高于室內(nèi)溫度值28 ℃系統(tǒng)不報警。逐漸增加溫度設(shè)定值且用火柴給予溫度傳感器加熱,當(dāng)溫度顯示值超過溫度設(shè)定值,系統(tǒng)報警。多次試驗都可以達(dá)到報警狀態(tài),說明此系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。

表2 系統(tǒng)溫度監(jiān)測試驗

表3可以檢測整體系統(tǒng)煙霧濃度監(jiān)測準(zhǔn)確性,當(dāng)室內(nèi)濃度值為12 ppm時,超過濃度設(shè)定值8和10時系統(tǒng)報警；當(dāng)濃度設(shè)定值為15時,其值高于室內(nèi)濃度值12 ppm時,超過濃度設(shè)定值，系統(tǒng)不報警。逐漸增加濃度設(shè)定值且增加環(huán)境煙霧濃度,當(dāng)濃度顯示值超過濃度設(shè)定值,系統(tǒng)報警。多次試驗都可以達(dá)到報警狀態(tài),說明此系統(tǒng)可以正常運(yùn)行[9]。

表3 系統(tǒng)煙霧濃度監(jiān)測試驗

4.2 系統(tǒng)報警演示

依據(jù)電路圖搭建好電路,導(dǎo)入編寫好的軟件,接入傳感器,系統(tǒng)進(jìn)入正常工作。為確保測試結(jié)果及時響應(yīng)且達(dá)到理想效果,在模擬環(huán)境溫度和煙霧濃度時須靠近溫度傳感器和煙霧氣體傳感器,否則距離較遠(yuǎn)達(dá)不到理想效果。

當(dāng)燃燒的火柴慢慢靠近溫度傳感器,其溫度逐漸上升且超過設(shè)定的溫度上限值50 ℃時,蜂鳴器就會嘀嘀響報警且紅燈亮起。如下圖13所示。

圖13 溫度報警顯示

待溫度冷卻之后,釋放打火機(jī)內(nèi)氣體慢慢靠近煙霧氣體傳感器,其煙霧濃度值逐漸上升且超過設(shè)定的濃度上限值45 ppm時,蜂鳴器就會嘀嘀響報警且黃燈亮起。如下圖14所示。

圖14 煙霧報警顯示

待煙霧濃度稀釋之后,將燃燒的火柴和打火機(jī)氣體同時緩慢靠近溫度傳感器和煙霧氣體傳感器,其對應(yīng)的溫度值和煙霧濃度值逐漸上升且超過其各自設(shè)定的上限值時,蜂鳴器就會嘀嘀響報警且紅燈黃燈同時亮起。如下圖15所示。

圖15 溫度和煙霧報警顯示

5 結(jié) 論

本文通過設(shè)計一個基于AT89C51單片機(jī)控制的智能火災(zāi)報警系統(tǒng),實現(xiàn)了對煙霧氣體和環(huán)境溫度的實時采集、信號的處理、信號的傳輸判斷及觸動報警裝置等功能,可以再火災(zāi)初期提前發(fā)現(xiàn)險情,及早報警,將火災(zāi)損失降低到最小。