山東科技大學(xué)信息工程系 孫 波

山東科技大學(xué)機(jī)電工程系 劉士彩

山東科技大學(xué)信息工程系 王玉瀟

山東科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心 張家迎

山東科技大學(xué)機(jī)電工程系 高學(xué)輝

山東科技大學(xué)信息工程系 郭 帥

為了避免火災(zāi)以及減少火災(zāi)造成的損失，必須設(shè)計和完善火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，將火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，最大限度地減少社會財富的損失。本文介紹了一個在較小范圍內(nèi)使用的單片機(jī)煙霧報警系統(tǒng)，此系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為控制器，通過NIS-07離子式煙霧傳感器檢測信號，經(jīng)單片機(jī)本身的數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換后，輸入到單片機(jī)，然后利用數(shù)碼管顯示煙霧濃度，通過單片機(jī)的蜂鳴器實現(xiàn)報警功能。

1.引言

近些年，越來越多的地方頻繁的發(fā)生火災(zāi)，引起了人民群眾的廣泛關(guān)注?；馂?zāi)預(yù)警對于保護(hù)個人以及個人的財產(chǎn)安全具有重要的意義。目前市場上存在的煙霧報警器價格比較高，不適合小范圍進(jìn)行使用，如家庭、學(xué)校、小型商場等。本文提出了一種基于單片機(jī)的小型煙霧報警器，價格低，單片機(jī)本身帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換器，適合小范圍進(jìn)行使用，且STM32F103單片機(jī)芯片集成了定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB和UART等多種功能，已被廣泛使用到多個領(lǐng)域。

2.器件介紹

2.1 單片機(jī)

STM32F具有72MHz的工作頻率，集成了存儲器、電源管理、低功耗。模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DMA、調(diào)試模式、計算單元和封裝等模塊。并且該芯片用途廣泛，已普遍應(yīng)用到電力電子系統(tǒng)方面。STM32F103單片機(jī)的引腳圖如圖1所示。

圖1 STM32F103單片機(jī)

VBAT引腳的作用是給RTC和備份區(qū)域供電，保證在VDD斷電的情況下相關(guān)區(qū)域的數(shù)據(jù)內(nèi)容仍然是有效的，一般連接到外部電池；PC13/PC14/PC15引腳的內(nèi)部模擬了開關(guān)，只允許少量的電流通過，驅(qū)動能力小，不可以同時使用；當(dāng)PA0-WKUP引腳處于上升沿時，作為待機(jī)模式喚醒條件；每個VDD各接一個0.1uF陶瓷電容，VDD_3需要再接一個4.7～10uF的鉭電容；對于VDDA，需要連接10nF陶瓷電容+1nF鉭電容。

2.2 NIS-07離子式煙霧傳感器

NIS-07離子式煙霧傳感器，它使用镅241。放射性組織的到了保障，其外部有金屬外殼。因放射能較小，對放射能使用有制約的國家也可以放心使用。NIS-07源片采用低放射能量，適當(dāng)?shù)財U(kuò)大了電離室后，在清潔濕氣中，平衡電壓更趨穩(wěn)定，大大降低了誤報率，并且氣敏式傳感器性能并不如離子式傳感器。本文選擇離子式煙霧傳感器來對煙霧預(yù)警進(jìn)行分析。圖2所示為NIS-07離子式煙霧傳感器。

圖2 NIS-07離子式煙霧傳感器

圖3 蜂鳴器電路圖

2.3 蜂鳴器

壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器為兩種常見的蜂鳴器。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵等器件組成。電源連接后，振蕩器發(fā)出信號，通過電磁線圈，這時電磁線圈會產(chǎn)生磁場，振動膜片在它們的共同作用下，周期性地發(fā)出聲響。本實驗采用的是電磁式蜂鳴器，圖3所示為蜂鳴器電路圖。

2.4 數(shù)碼管

LED數(shù)碼管具有以下幾個特點：

（1）可以在電壓較低，電流較小的條件下發(fā)光；

（2）其發(fā)光時間短，亮度較高；

（3）重量輕，體積不大，抗沖擊的能力強；

（4）壽命長，使用壽命可以達(dá)到100小時；

（5）成本低，已廣泛用在數(shù)字儀器儀表和計算機(jī)的數(shù)顯器件中。

3.硬件設(shè)計

本文提出的設(shè)計思路為：利用NIS-07離子式煙霧傳感器采集環(huán)境中存在可燃?xì)怏w，檢測傳感器阻值變化，轉(zhuǎn)化為電壓值后通過變壓器改變電壓，經(jīng)過32單片機(jī)的A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入到STM32F103單片機(jī)中，設(shè)置門限閾值，超過閾值啟動蜂鳴器報警。

3.1 電源模塊

本文使用較為簡單的USB口模塊插入可充電設(shè)備（如電源）來給單片機(jī)進(jìn)行供電，另外添加指示燈來標(biāo)記是否處于充電狀態(tài)，當(dāng)為紅燈時，表示未接通電源；當(dāng)為綠燈時，表示處于充電狀態(tài)。

3.2 煙霧檢測模塊

本文選用NIS-07離子式煙霧傳感器，當(dāng)電子流經(jīng)電離室過程中存在不平衡現(xiàn)象，收集極會促使電離室平衡。若監(jiān)測不到煙霧濃度，收集極會保持平衡電位。當(dāng)電離室充進(jìn)煙霧時，電流改變。內(nèi)電離室受影響小于外電離室，電流會有所下降，收集極重新充電知道新的平衡電位，這種電位變化可用于觸發(fā)報警電路。

3.3 煙霧濃度顯示模塊

在本電路中，選用了公共陰極LED數(shù)碼管，一端接低電平，P0.0-P0.7接高電平時對應(yīng)點亮數(shù)碼管的一個筆畫，動態(tài)顯示煙霧濃度，通過分析數(shù)據(jù)，得到報警閾值濃度，在顯示模塊達(dá)到這一值時，產(chǎn)生報警。

4.軟件設(shè)計

設(shè)定定時器定時0.5μs，通對中斷程序產(chǎn)生周期為1μs頻率為500Hz的方波,時鐘信號提供給STM32F103單片機(jī)的AD模塊，煙霧傳感器輸出電壓送入該AD模塊中。啟動轉(zhuǎn)換，待EOC=1；OE＝1輸出至單片機(jī)，執(zhí)行中斷后，轉(zhuǎn)而調(diào)用子程序，當(dāng)數(shù)碼管數(shù)字顯示超過閾值后，輸出低電平，解鳴器鳴叫，并通過移動終端可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測；否則，終端不進(jìn)行提示，圖4所示為系統(tǒng)執(zhí)行的總框圖。

圖4 系統(tǒng)執(zhí)行框圖

5.結(jié)語

本文以STM32F103單片機(jī)為控制器，通過離子煙霧傳感器，來檢測煙霧濃度，經(jīng)過該單片機(jī)的A/D模塊轉(zhuǎn)換后，利用蜂鳴器發(fā)出聲響，來實現(xiàn)煙霧報警，并通過代碼對該實驗進(jìn)行了測試，取得了較好的實驗結(jié)果。