【文章內(nèi)容簡介】 環(huán)境 數(shù)據(jù)采集模塊 溫度升高，如果能將這時能夠探測到有效地溫度值，就可以比較及時地控制火災。起火過程曲線如圖 所示。 圖 起火過程曲線 系統(tǒng)總體方案設計 系統(tǒng)硬件總體構架 報警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、單片機控制模塊、聲光報警模塊組成。圖 為火災報警系統(tǒng)的結構框圖。 圖 系統(tǒng)結構框圖 溫度曲線 煙霧曲線 起初 陰燃 火焰燃燒 時間 t 陰燃 氣化 熄滅 全燃階段 煙霧、溫度傳感器 信號調理電路 A/D 轉換電路 單片機 聲光報警 系統(tǒng)總體功能概述 火災報警系統(tǒng)一般由火災探測器、報警器組成?；馂奶綔y器通過對火災發(fā)出的物理、化學現(xiàn)象 —— 氣（燃燒氣體）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測，將探測到的火情信號轉化成火警電信號傳遞給火災報警控制器。報警器將接收到火警信號后經(jīng)分析處理發(fā)出報警信號，警示消防控制中心的值班人員，并在屏幕上顯示出火災的位置 [1]。整體電路的框圖如圖 所示 ： 圖 系統(tǒng)原理及組成框圖 單片機是整個報警系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的工作原理是：先通過傳感器 (包括溫感和煙感 )將現(xiàn)場溫度、煙霧等非電信號轉化為電信號，調理電路將傳感器輸出的電信號進行調理 (放大、濾波等 )，使之滿足 A /D 轉換的要求 ,最后由 A /D 轉換電路 ,完成將溫度傳感器和煙霧傳感器輸出的模擬信號到數(shù)字信號的轉換，單片機判斷現(xiàn)場是否發(fā)生火災。如果發(fā)生火災，系統(tǒng)以聲光的形式報警。 本火災自動報警系統(tǒng)具有以下功能： (1) 能對室內(nèi)煙霧 (CO2, CO) 及溫度突變進行報警 ,具有 聲、光雙重報警功 能。 (2) 異常報警功能。當環(huán)境出現(xiàn)異常 (如煙霧濃度過大或是溫度較高 )時，能發(fā)出異常報警信號，引起人們注意，盡可能避免火災的發(fā)生。 單片機 A/D轉換電路 放大電路 煙霧傳感器 溫度傳感器 串口通信 狀態(tài)指示 LED 聲音報警電 路 濃度 /溫度顯示 按鍵功能電路 (3) 火災報警功能。一旦真出現(xiàn)火災 (煙霧和溫度同時出現(xiàn)異常 )時，能立即發(fā)出語音、光火災警報。據(jù)類似本系統(tǒng)的報警器現(xiàn)場模擬實驗表明 , 本系統(tǒng)安全可靠 , 誤報率低。且由于其體積小、操作維護方便、成本低廉等 , 具有廣闊的應用前景。 裝置效果圖 圖 裝置效果圖 系統(tǒng)軟件總體構架 為了便于系統(tǒng)維護和功能擴充，采用了模塊化程序 設計方法，系統(tǒng)各個模塊的具體功能都是通過子程序調用實現(xiàn)的。本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、火災判斷與報警子程序等，系統(tǒng)程序流程圖如圖 所示。 ① ：溫度超標或煙霧濃度超標 ②：兩者都超標 ③：兩者都不超標 圖 程序流程圖 為了降低誤報率，系統(tǒng)采用多次采集、多次判斷的方法。每次數(shù)據(jù)采集后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對現(xiàn)場情況進行判斷，然后綜合多次判斷結果做出最終的火情判斷。主程序是一個無限循環(huán)體，其流程是：首先在上電之后系統(tǒng)的各部分包括單片機各 個端口輸入輸出的設置、外圍驅動電路和數(shù)據(jù)存儲電路等完成初始化，其次是對芯片內(nèi)的程序進行初始化，接下來執(zhí)行火災報警系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集任務，數(shù)據(jù)通信任務和查詢判斷任務 。 火災報警系統(tǒng)的類型 根據(jù)火災報警系統(tǒng)中所使用的探測器種類的不同，火災報警系統(tǒng)可以分為以下四 種 [6]： (1) 感溫型火災報警系統(tǒng) 由于火災發(fā)生時燃燒物會產(chǎn)生大量的熱量，使得周圍溫度迅速變化。感溫型火災報警系統(tǒng)就是通過判斷周圍溫度變化而產(chǎn)生響應的火災報警系統(tǒng)，再把溫度的變化轉換為③ ① ② 初始化 溫度 /煙霧采集 信號判斷 異常報警 正常 手動復位 火災報警 報警判斷 開始 電信號以達到判斷報警的目的。根據(jù)探測溫度參數(shù)的不同，一般可以將感溫型 火災報警系統(tǒng)分為定溫式、溫差式等幾種。 (2) 感煙型火災報警系統(tǒng) 煙霧是早期火災的重要特征之一。在火災發(fā)生的初期，由于溫度比較低，許多物質都處于陰燃階段，產(chǎn)生大量的煙霧。感煙型火災報警系統(tǒng)就是對空氣中可見或不可見的煙霧粒子進行探測，然后將煙霧濃度的變化轉換為電信號來觸發(fā)報警。感煙型火災報警系統(tǒng)主要有激光感煙式、光電感煙式和離子感煙式等。 (3) 感光型火災報警系統(tǒng) 物質燃燒不但會產(chǎn)生煙霧和熱量，同時也會產(chǎn)生可見或不可見的光輻射。感光型火災報警系統(tǒng)就是通過響應火災中產(chǎn)生的光特性，即擴散火焰的光強度和閃爍頻率，來觸發(fā)報警系統(tǒng) 的。根據(jù)感應的敏感波長，可以將感光型火災報警系統(tǒng)分為對波長較短的光輻射敏感的紫外報警系統(tǒng)和對波長較長的光輻射敏感的紅外報警系統(tǒng)。 (4) 復合型火災報警系統(tǒng) 如果報警系統(tǒng)同時對溫度、煙霧和光輻射中的兩種或兩種以上參數(shù)做出響應，那么它就是復合型火災報警系統(tǒng)。目前復合型火災報警系統(tǒng)有感溫感煙型、感煙感光型、感溫感光型等多種形式。 火災探測器的原理 火災發(fā)生時，必然會伴隨著產(chǎn)生煙霧、高溫和火光，探測器對這些都很敏感。當有煙霧、高溫、火光產(chǎn)生的時候，它就改變平時的正常狀態(tài)，引起電流、電壓或機械部分發(fā)生變化或位 移，再通過放大、傳輸?shù)冗^程發(fā)出警報聲，有的還能同時發(fā)出燈光信號并顯示發(fā)生火災的部位、地點。 火災探測器主要分感煙、感溫、光輻射三大類： (1) 感煙探測器。一種是離子感煙探測器，它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅 241，電離產(chǎn)生的正負離子，在電場的作用下各向正負電極移動。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室，干擾了帶電粒子的正常運動，電流、電壓就有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，于是就發(fā)出了信號。還有一種叫光電感應探測器，它有一個發(fā)光元件和一個光敏元件，平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達光敏元件上的光就顯著減弱， 于是光敏元件就把光強的變化變成電的變化，通過放大電路向人們報警。還有一種叫管道抽吸式感煙探測器，他的工作原理與光電感應探測器中另一種散射型相似，通過煙霧的反射或散射產(chǎn)生光敏電流，主要用在船舶上。近年來還出現(xiàn)了激光感煙探測器，它也是利用光電感應原理，不同的是光源改用激光束。這種探測器采用半導體器件，體積小、價格低、耐震動、壽命長，很有發(fā)展前途。 (2) 感溫探測器。一種是運用金屬熱脹冷縮的特性。正常的情況下，探測器的電路斷開，當溫度升到一定 值時，由于金屬膨脹、延伸，導體接通，于是發(fā)出了信號。一種是利用某些金屬易熔的特性，在探測器里固定一塊低熔點合金，當溫度升到它的熔點（ 70～ 90℃ ）時，金屬熔化，借助彈簧的作用力，使觸頭相碰，電路接通，發(fā)出信號。這兩種探測器都屬定溫型，即當外界溫度超過某一限值時就會報警；還有一類是差溫型，升溫的速度超過特定值時，便會感應報警。如將兩者結合起來，便成為差定溫組合式。 (3) 光輻射探測器。一種是紅外光輻射探測器。物質在燃燒時，由化學反應產(chǎn)生閃爍的紅外光輻射使硫化鉛紅外光敏元件感應，轉變成電信號，經(jīng)放大后，就能向人們報警 。另一種是紫外光輻射探測器，則利用有機化合物燃燒時，火光中的紫外光，使紫外光敏管的電極激發(fā)出離子，通過繼電器等，就能打開開關電路報警。 火災報警器是重要的安全設備，一切重要的場所，如大型物資倉庫、隧道、大型船舶、高層建筑都應該安裝。它還可以與自動滅火設備一起組成自動報警、自動滅火的“自動消防隊”。 3 火災報警系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)核心芯片選擇 與電路原理圖 傳感器介紹 要準確地進行火災報警 ， 選擇合適的溫度和煙霧傳感器是準確報警的前提。綜合考慮各因素 ， 本文 選擇集成溫度傳感器 DS18B20 和氣體傳感器 MQ2 用作采集系統(tǒng)的敏感元件 。 DS18B20 溫度傳感器 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同的是，使用集成芯片，采用單總線技術，其能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，同時，它可以直接將被測溫度轉化成串行數(shù)字信號供微機處理，接口簡單，使數(shù)據(jù)傳輸和處理簡單化。部分功能電路的集成，使總體硬件設計更簡潔，能有效地降低成本，搭建電路和焊接電路時更快，調試也更方便簡單化，這也就縮短了開發(fā)的周期 DS18B20 溫度傳感器實物圖與電路圖如 圖 ： 圖 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器 實物連接時，要注意正負極不要接反了，具體做法是：面對著扁平的一面，三個引腳順序分別為 GND（負極）、 DQ（輸出）、 VCC（正極）。 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器，即“一線器件”，其具有獨特的優(yōu)點： (1) 采用單總線的接口方式，與微處理器連接時，僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。單總線具有經(jīng)濟性好，抗干擾能力強，適合于惡 劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，使用方便等優(yōu)點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。 (2) 測量溫度范圍寬，測量精度高 DS18B20 的測量范圍為 55 ℃ ~+ 125 ℃ ；在10~+85176。C 范圍內(nèi)，精度為 177。176。C 。 (3) 在使用中不需要任何外圍元件。 (4) 持多點組網(wǎng)功能多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。 (5) 供電方式靈活 DS18B20 可以通過內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源。因此，當數(shù)據(jù)線上的時序滿足一定的要求時，可以不接外部電源，從而使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高。 (6) 測量參數(shù)可配置 DS18B20 的測量分辨率可通過程序設定 9~12 位。 (7) 負壓特性電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱 而燒毀，但不能正常工作。 (8) 掉電保護功能 DS18B20 內(nèi)部含有 EEPROM，在系統(tǒng)掉電以后，它仍可保存分辨率及報警溫度的設定值。 MQ2 氣體傳感器 MQ2 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。 MQ2 氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一 款適合多種應用的低成本傳感器。 MQ2 氣體傳感器特點 ： 1. 具有信號輸出指示。 2. 雙路信號輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出） 3. TTL 輸出有效信號為低電平。（當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機） 4. 模擬量輸出 0~5V 電壓，濃度越高電壓越高。 5. 對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度。 6. 具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性 7. 快速的響應恢復特性 MQ2 氣體傳感器 實物圖和電路原理圖如圖 ： 圖 MQ2 氣體傳感器 液晶模塊 LCD1602 1602LCD 主要技術參數(shù) [2]： 1. 顯示容量 ： 162 個字符 2. 芯片工作電壓 ： — 3. 工作電流 ： () 4. 模塊最佳工作電壓 ： 5. 字符尺寸 ： (WH)mm 1602 字符型液晶顯示器實物圖與電路原理圖如圖 圖 1602 字符型液晶顯示器 引腳功能說明 [3] 1602LCD 采用標準的 14 腳（無背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表 所示： 表 引腳接口說明表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負極 第 1 腳： VSS 為地電源。 第 2 腳： VDD 接 5V 正電源。 第 3 腳： VL 為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時 會產(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調整對比度。 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器