陳 煥，吳 艦

(貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

在現(xiàn)實(shí)生活中火災(zāi)時(shí)常威脅著公眾安全和社會(huì)發(fā)展，是各種重大災(zāi)害之一。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，迅速有效地滅火能夠減少傷害和損失的發(fā)生，但這時(shí)消防人員也不可能及時(shí)地趕到，而人們也不可能一直守在火源處。該課題的研究就是為了防止火勢(shì)的蔓延，及時(shí)地滅火將損失降到最低保護(hù)大家的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

通過調(diào)查，火災(zāi)發(fā)生時(shí)都會(huì)隨著大量的粉塵、煙霧、氣體和溫度的升高，所以該系統(tǒng)采用溫度傳感器和煙霧傳感器共同作火災(zāi)檢測(cè)模塊將采集到的信息傳送到單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)接收到的信息識(shí)別火情的狀況，發(fā)出相關(guān)指令。當(dāng)只有溫度達(dá)到預(yù)設(shè)非正常值時(shí)發(fā)光二極管常亮報(bào)警;當(dāng)只有煙霧達(dá)到預(yù)設(shè)非正常值時(shí)發(fā)光二極管閃爍報(bào)警;當(dāng)煙霧濃度和溫度都達(dá)到預(yù)設(shè)非正常值時(shí)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)控制打開滅火器開關(guān)滅火并聲光報(bào)警;當(dāng)溫度及煙霧濃度回到預(yù)設(shè)正常值時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉滅火器開關(guān)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路圖

1.2 滅火裝置設(shè)計(jì)

模擬一定范圍內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生情況，設(shè)計(jì)了如圖2的滅火裝置模型。當(dāng)檢測(cè)到火災(zāi)時(shí)中央處理器發(fā)出指令打開滅火器開關(guān)，滅火器通過噴頭上的小孔釋放滅火劑。噴頭是活動(dòng)的，所以噴頭在滅火劑噴出時(shí)的壓力作用下旋轉(zhuǎn)，能夠大面積滅火。

圖2 滅火裝置設(shè)計(jì)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于硬件設(shè)計(jì)部分，以單片機(jī)為核心，外圍電路由電源模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、信息采集模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊等組成。

2.1 電源模塊

對(duì)于電源部分，為了防止電壓的干擾該設(shè)計(jì)采取多電源供電，將電機(jī)電源、單片電源、傳感器電源分開供電。綠色發(fā)光二極管作電源信號(hào)指示燈［5］。

2.2 報(bào)警模塊

該設(shè)計(jì)報(bào)警部分采用紅色發(fā)光二極管作高溫、火溫、高濃度報(bào)警。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)與蜂鳴器共同作聲光報(bào)警［2］。

2.3 顯示模塊

在設(shè)計(jì)時(shí)采用LCD1602作該裝置顯示模塊，顯示溫度值和開機(jī)問候語［3］。

2.4 信息采集模塊

該設(shè)計(jì)采用煙霧傳感器和溫度傳感器共同檢查現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)情況。

由于當(dāng)有煙霧或有害氣體產(chǎn)生時(shí)引起傳感器變化的是電阻，所以用圖3所示的驅(qū)動(dòng)電路就可以將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓。即根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時(shí)輸出的電壓經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換接入單片機(jī)可達(dá)到檢測(cè)控制的效果。H兩端接到電源的兩端起預(yù)熱的作用。該設(shè)計(jì)在使用時(shí)采用的是可輸出數(shù)字信號(hào)的煙霧傳感器模塊［5］。

本設(shè)計(jì)中溫度傳感器采用的是DS18B20［1］，它可直接讀出被測(cè)溫度，并僅需要一根口線讀寫，總線本身也可向DS18B20供電，使系統(tǒng)更趨簡(jiǎn)單，方便使用。

圖3 煙霧傳感器典型應(yīng)用電路圖

2.5 驅(qū)動(dòng)模塊

該設(shè)計(jì)采用ULN2803驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)一個(gè)二相步進(jìn)電機(jī)。它的8個(gè)NPN達(dá)林頓晶體管連接陣列非常適合接邏輯接口電平數(shù)字電路和較高的電流/電壓。所有設(shè)備功能由集電極輸出和鉗位二極管瞬態(tài)抑制，可以驅(qū)動(dòng)8根引腳，電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠，且容易控制［3］。

2.6 控制模塊

AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。其編程簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低廉［2］。

3 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

由于protues仿真中沒有煙霧傳感器，所以在仿真時(shí)采用引腳為P3.5的按鈕開關(guān)模擬霧傳感器的檢測(cè)功能。系統(tǒng)仿真采用51單片機(jī)作控制芯片，LCD液晶顯示屏作顯示模塊顯示溫度值及開機(jī)問候語;DS18B20溫度傳感器和P3.5口的按鈕開關(guān)模擬的煙霧傳感器作信息采集模塊;LS1蜂鳴器作報(bào)警模塊;STEPPER步進(jìn)電機(jī)作滅火器開關(guān)控制器，正轉(zhuǎn)時(shí)打開滅火器開關(guān)，反轉(zhuǎn)時(shí)關(guān)閉滅火器開關(guān);D1、D2作信號(hào)指示燈其中D1為紅色發(fā)光二極管，D2為綠色發(fā)光二級(jí)管;P3.3口的按鈕開關(guān)作手動(dòng)控制報(bào)警按鈕(如圖4)。

圖4 硬件設(shè)計(jì)圖

D2為電源指示燈，系統(tǒng)通電常亮，當(dāng)溫度傳感器探測(cè)溫度≥38℃，煙霧傳感器探測(cè)煙霧濃度未達(dá)到預(yù)設(shè)值(P3.5口為高電平)時(shí)D1常亮，步進(jìn)電機(jī)不做反應(yīng);當(dāng)溫度傳感器探測(cè)溫度＜38℃，煙霧傳感器探測(cè)煙霧濃度達(dá)到預(yù)設(shè)值(P3.5口為低電平)時(shí)D1閃爍，步進(jìn)電機(jī)不做反應(yīng);當(dāng)溫度≥50℃，煙霧傳感器探測(cè)濃度達(dá)到預(yù)設(shè)值(P3.5口為低電平)時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)并聲光報(bào)警;當(dāng)溫度傳感器探測(cè)溫度＜38℃時(shí)D1不亮，煙霧傳感器探測(cè)煙霧濃度＜預(yù)設(shè)值時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。按下手動(dòng)按鈕開關(guān)時(shí)蜂鳴器報(bào)警，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。

4 滅火劑選擇

由于大多數(shù)滅火劑對(duì)人體還是存在一定的危害，所以我們選擇了火冰滅火器這種對(duì)人體危害較小的滅火器。當(dāng)火冰滅火器與水低濃度混合后能吸收自身重量數(shù)倍的水，形成無毒的滅火膠體。在火冰遇火時(shí)，其吸收的水分蒸發(fā)，膠體瓦解，這種膠體形成屏障蒸汽的粘性層，增強(qiáng)了水的滅火效果，不僅帶走了火災(zāi)的熱量和氧氣，還降低了發(fā)生復(fù)燃的可能性。而泡沫滅火劑往往會(huì)很快就被瓦解了。火冰的這種特質(zhì)使其擁有了比其他滅火劑更長(zhǎng)效的保護(hù)性能?；鸨鶞缁疬^程中不會(huì)產(chǎn)生煙霧，從而有效避免火災(zāi)中窒息而亡的惡性后果。

5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)于軟件設(shè)計(jì)部分采用C語言編程實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)控制。圖5為系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖。

火災(zāi)發(fā)生時(shí)傳感器發(fā)生反應(yīng)，單片機(jī)通過接收到的信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)使滅火器打開滅火，并發(fā)出聲光報(bào)警。滅完火的情況下，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉滅火器，聲光報(bào)警消失。煙霧傳感器中0表示未達(dá)到預(yù)設(shè)濃度值，1表示達(dá)到預(yù)設(shè)濃 度。溫度傳感器中0表示未達(dá)到預(yù)設(shè)溫度值，1表示達(dá)到預(yù)設(shè)溫度。如表1所示。

圖5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖

表1 滅火裝置狀態(tài)表

6 結(jié)束語

目前自動(dòng)滅火裝置的研究越來越重要，也逐漸引起大家的重視。而該裝置的設(shè)計(jì)相比于市場(chǎng)上的設(shè)備更趨智能化，生產(chǎn)成本也低。裝置通過溫度傳感器和煙霧傳感器的共同探測(cè)能夠準(zhǔn)確地判斷火災(zāi)發(fā)生，大大降低誤報(bào)的情況。其安裝簡(jiǎn)單方便，能夠自動(dòng)有效地滅火，在關(guān)于單片機(jī)的滅火裝置設(shè)計(jì)中具有一定的實(shí)用性和參考價(jià)值。

［1］王俊峰，孟令啟.現(xiàn)代傳感器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］陳海宴.51單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［3］鐘富昭.8051單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［4］李平.單片機(jī)入門與開發(fā)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［5］李增國.傳感器與檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.