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,整個系統(tǒng)由單片機進行控制。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,單片機是智能火災(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,從而可以進一步的達到檢測和監(jiān)控等功能的實現(xiàn)。其具有靈敏度高、抗干擾性強、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[5],與普通的計算機相比有以下主要特點:

1)集成度高、體積小；

2)可靠性高、抗干擾性強；

3)控制功能性強；

4)低功耗、可擴展性號好。

這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低,開發(fā)時間也大大縮短。而且這種AT89C51單片機應(yīng)用普遍,綜合考慮選用AT89C51單片機作為系統(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來執(zhí)行整個報警系統(tǒng)機制。

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行電路仿真,由于使用Proteus軟件進行電路仿真,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單片機中,進行電路仿真。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。多次試驗都可以達到報警狀態(tài),說明此系統(tǒng)可以正常運行。

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。多次試驗都可以達到報警狀態(tài),說明此系統(tǒng)可以正常運行[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)進入正常工作。為確保測試結(jié)果及時響應(yīng)且達到理想效果,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。