劉凡 許亮 孫弘憶 王笑影

1. 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的生活水平和質(zhì)量也日益提高。人們幸福感提升的同時(shí)，越來越多的安全隱患由于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活而產(chǎn)生。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)這些安全隱患，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，建立報(bào)警系統(tǒng)是必要的?；馂?zāi)安全是眾多安全隱患的問題之一。而隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域的提高，對(duì)于火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)與原因也多樣化起來。但是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)仍有待完善。本文研究重點(diǎn)是面向家庭設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡單、廉價(jià)的單片機(jī)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

2. 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)總體包含三個(gè)部分，第一部分是以STM32F103單片機(jī)的中央處理器。單片機(jī)在電路中就像人的大腦，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，報(bào)警器的狀態(tài)控制與顯示電路的控制等。第二部分是煙霧和溫度傳感器，通過傳感器實(shí)時(shí)檢測當(dāng)前環(huán)境的溫度和煙霧數(shù)據(jù)。并將數(shù)據(jù)通過其他電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后由單片機(jī)處理。第三部分是顯示與按鍵，用戶可通過按鍵控制報(bào)警器的閥值同時(shí)也能通過顯示器看見當(dāng)前環(huán)境的溫度與煙霧濃度。該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

3. 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

3.1 STM32F103單片機(jī)

STM32F103單片機(jī)使用的是MCS-51內(nèi)核，具有32個(gè)I/O接口，8K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器，512字節(jié)的RAM，程序的語言使用C語言即可完成編譯，然后再使用相應(yīng)的燒錄器燒寫程序就可以實(shí)現(xiàn)該單片機(jī)對(duì)外圍器件的控制了。并且STM32系列的單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換，這對(duì)電路的化簡和成本上有一定的作用。而STM32F103具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)勢在32位MCU中性能最強(qiáng)。時(shí)鐘頻率能達(dá)到72MHz，功耗也只有36mA是市面上同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。完全能達(dá)本次設(shè)計(jì)的需求。

3.2 煙霧傳感電路

煙霧傳感器采用的是MQ-2煙霧傳感器，是一種模擬傳感器。其工作原理是將空氣中的煙霧氣體加熱然后再經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)從而使傳感器內(nèi)部的電阻絲的電流產(chǎn)生變化，根據(jù)其電流的變化量再參考器件使用手冊就可以推算出當(dāng)前環(huán)境的煙霧濃度。為了準(zhǔn)確的讀出氣體的濃度值，煙霧傳感器需要與STM32F103的A/D接口相連接，再向存儲(chǔ)器內(nèi)寫入對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換量，就可以將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量了。MQ-2煙霧傳感器可以檢測出煙霧、天然氣、煤氣、氫氣等氣體適用于家庭、學(xué)校、倉庫、工廠等諸多領(lǐng)域?？梢詽M足本設(shè)計(jì)的場景需求。

3.3 溫度傳感電路

本設(shè)計(jì)采用的是DS18B20溫度傳感器模塊。DS18B20是一款單線數(shù)字式傳感器，所有的元器件以及轉(zhuǎn)換電路都被集中在一個(gè)元器件內(nèi)。輸出的結(jié)果是以數(shù)字量串行輸出，可直接與單片機(jī)的I/O口相連接，整體工作電壓為3.0V-5.5V，測溫范圍為-55～+125℃，測溫精度為±0.5℃，精度轉(zhuǎn)換的最大時(shí)間為 750m，反應(yīng)快、精度高、供電方便、抗干擾能力強(qiáng)，待機(jī)零功耗等優(yōu)點(diǎn)受用于各種工作環(huán)境。在寄生電源方式下需使用10K歐的電阻對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行上拉，當(dāng)總線空閑時(shí)，為高電位，可確保穩(wěn)定。

3.4 顯示電路

考慮到需要顯示的是溫度和煙霧濃度這兩組數(shù)據(jù)，所以只需要能夠顯示兩行以上的顯示器即可。所以本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示器。它是一款工業(yè)字符型液晶顯示器，可以顯示兩行數(shù)據(jù)，每行可以顯示十六個(gè)數(shù)字、字母或者符號(hào)，可以滿足設(shè)計(jì)的需要。它體積小巧，功耗較低，顯示效果良好。LCD1602工作在3.5V-5.0V的電壓下，有16個(gè)引腳可以控制其內(nèi)部的讀寫操作，是一款非常實(shí)用的液晶顯示設(shè)備。

3.5 報(bào)警電路

報(bào)警電路主要采用的是蜂鳴器、NPN三極管和LED燈組成。通常蜂鳴器的工作電流比較大，電路上的TTL電平基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，所以增加了一個(gè)三極管來增加通過蜂鳴器的電流。在蜂鳴器上并聯(lián)一個(gè)LED二極燈管，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，單片機(jī)檢測到該環(huán)境的火災(zāi)信息后會(huì)控制報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)，屆時(shí)蜂鳴器與二極管將同時(shí)工作以滿足不同場景的需求。其電路圖如圖2所示：

3.6 電源與按鍵設(shè)計(jì)電路

單片機(jī)的按鍵電路其實(shí)就是一個(gè)對(duì)高低電平的檢測。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)就會(huì)來根據(jù)電平特性判斷程序應(yīng)該要執(zhí)行的操作。為了適應(yīng)不同場景需求，我們設(shè)計(jì)了三個(gè)按鍵：按鍵1選擇菜單，按鍵2控制數(shù)值加一，按鍵3控制數(shù)值減一。選擇菜單可切換兩種模式：一是對(duì)煙霧報(bào)警閥值的大小控制;二是對(duì)溫度報(bào)警閥值的大小控制。

單片機(jī)的供電電源我們通過芯片手冊知道是5V供電，步進(jìn)電機(jī)和報(bào)警液晶顯示等電路都是5V供電電壓。所以我們采用市場上常用的USB5V供電。

4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)其實(shí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作程序，主要包括煙霧和溫度傳感器的采樣程序設(shè)計(jì)、顯示電路的顯示程序以及按鍵程序的設(shè)計(jì)。主程序的執(zhí)行過程：首先對(duì)煙霧和溫度傳感器以及LCD1602顯示器初始化，然后判斷溫度與煙霧數(shù)值是否超過預(yù)設(shè)閥值，如果超過則警報(bào)并顯示當(dāng)前信息，如果否則直接顯示當(dāng)前信息。初始化后可直接調(diào)節(jié)警報(bào)閥值，采樣器時(shí)刻采集環(huán)境信息。主程序流程圖如圖3所示：

5. 系統(tǒng)硬件測試

該設(shè)計(jì)主要是由STM32F103單片機(jī)、LCD1602液晶顯示器、MQ-2煙霧傳感器、DS18B20溫度傳感器、蜂鳴器、LED燈、電源和三個(gè)按鍵組成。在電路板上能具體看清元器件及其位置。顯示屏經(jīng)過背光調(diào)節(jié)可以顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度以及煙霧濃度，同時(shí)能通過按鍵調(diào)節(jié)當(dāng)前報(bào)警的閥值。值得注意的是，MQ-2煙霧傳感器是通過加熱氣體后才能準(zhǔn)確測量環(huán)境煙霧濃度，所以開機(jī)后需要等待一分鐘讓煙霧傳感器預(yù)熱，否則采集數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確。而且煙霧傳感器在工作中放熱，所以要注意煙霧傳感器與溫度傳感器在電路中的位置，避免兩種傳感器相互產(chǎn)生的干擾?？傮w集成測試成功，實(shí)物總體框架圖如圖4所示：

該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要靠溫度傳感器和煙霧傳感器組成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度和煙霧濃度的實(shí)時(shí)檢測，超過上限則進(jìn)行聲光報(bào)警。實(shí)物實(shí)用性強(qiáng)，造價(jià)低可以拓展到多點(diǎn)部署方式。按鍵可調(diào)節(jié)報(bào)警閥值，能靈活運(yùn)用在不同環(huán)境要求下。在實(shí)際應(yīng)用場景中可廣泛運(yùn)用在城市安防、家庭、公司、學(xué)校、倉庫、石油、化工、燃?xì)廨斉涞榷喾N易起火區(qū)域部署。該火災(zāi)報(bào)警器能第一時(shí)間進(jìn)行報(bào)警，以最快的速度進(jìn)行火情控制。

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