謝永超，楊 利，嚴 俊,2

(1.湖南鐵道職業(yè)技術學院 軌道交通智能控制學院，湖南 株洲 412001；2.中南大學 信息科學與工程學院，長沙 410083)

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，越來越多的城市軌道交通、農(nóng)業(yè)/工業(yè)及民用建筑火災發(fā)生的可能性大大增加，因此需要在城市軌道車輛、農(nóng)業(yè)用的大棚、商業(yè)場所等封閉區(qū)域安裝煙霧探測器，以期預防火災的發(fā)生。通常在正常情況下發(fā)生的火災通常會伴有煙、熱、光、和信號等物理量的產(chǎn)生，根據(jù)這些特點，早期的煙霧探測技術就這樣慢慢開始發(fā)展起來。已有的煙霧探測報警裝置的核心是煙霧探測裝置，再加上煙霧報警裝置、相關的制裝置與其他輔助裝置等幾部分組成，能夠實時探測和檢驗火災的燃燒初期所導致的熱量、煙霧等相關物理參數(shù)的變化，并實時地將測試到的熱量、煙霧等相關信號的變化通過煙霧探測裝置轉換成電信號，并觸發(fā)報警裝置的功能。煙霧探測報警裝置一般均具有故障報警功能、系統(tǒng)自檢功能、電源自動切換功能、報警位置顯示功能及儲存記錄等多樣化的功能[1-10]。

伴隨傳感技術、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術的迅猛發(fā)展，煙霧探測報警裝置主要呈現(xiàn)如下的發(fā)展趨勢。1)煙霧探測報警裝置設備的小型化，隨著新型探測技術、新工藝和新材料的不斷涌現(xiàn)，致使煙霧探測報警裝置的設備趨向小型化和微型化方向發(fā)展；2)煙霧探測報警裝置系統(tǒng)的智能化。煙霧探測報警裝置主動實時動態(tài)采集煙霧濃度、環(huán)境溫度等動態(tài)參數(shù)，并充分運用模糊控制技術等進行處理，實時地對各種各樣的環(huán)境數(shù)據(jù)進行動態(tài)多次的對比判斷，從而有效地監(jiān)測初期火災，進而避免漏報與誤報現(xiàn)象的產(chǎn)生；3)煙霧探測報警裝置系統(tǒng)的無線化，無線煙霧探測報警裝置兼有拆裝簡單方便、使用靈活可靠、容易實現(xiàn)網(wǎng)絡化和擴展功能強等優(yōu)點。目前, 煙霧探測報警裝置通常采用的無線技術主要包括藍牙技術(bluetooth technology)、射頻技術(radio frequency technology)等；4)煙霧探測報警裝置系統(tǒng)的高靈敏化，采用先進的吸氣式煙霧探測器實時對空氣進行不間斷地采樣，其檢測的靈敏度相比于傳統(tǒng)的煙霧探測報警裝置系統(tǒng)的高許多，同時采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡技術(fuzzy neural network technology)進行早期環(huán)境參數(shù)和探測與對比，其能精確測到可燃物體受熱后分解出來的微小粒子濃度，并能在火災產(chǎn)生的萌芽期進行預警[1-10]。

針對現(xiàn)有的煙霧探測報警器存在范圍太小、智能化程度低等問題，為解決上述問題，適應煙霧探測報警裝置的發(fā)展趨勢，本文設計了一種基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器，具有響應時間短、穩(wěn)定性能好、性價比高、壽命長的特點，可廣泛應用于城市軌道交通、農(nóng)業(yè)等領域。

1 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的系統(tǒng)設計

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器由按鍵模塊、復位電路、晶振電路、AD煙霧采集模塊、液晶顯示模塊、聲光報警提示模塊和溫度采集模塊等組成?；贛Q-2型傳感器的煙霧探測報警器的組成結構如圖1所示。

按鍵模塊、復位電路、晶振電路及單片機(STC89C51)構成了基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器小系統(tǒng)模塊，主要實現(xiàn)對AD煙霧采集模塊數(shù)據(jù)的處理，進而控制液晶顯示模塊和聲光報警提示模塊，實現(xiàn)煙霧濃度的實時顯示和煙霧超限報警。其中，AD煙霧采集模塊由MQ-2型傳感器和ADC0809組成，溫度采集模塊由數(shù)字溫度傳感器(DS18B20)構成[11]。該煙霧探測報警器溫度測試與閾值設定范圍為0～99 ℃，煙霧探測范圍為0～99 ℃，能夠滿足城市軌道交通、農(nóng)業(yè)等應用領域煙霧的測試需要，且具有響應時間短、穩(wěn)定性能好、性價比高、壽命長的特點。

2 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的硬件設計

2.1 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的主控電路

單片機是整個系統(tǒng)的核心部位，工作受到的干擾越小，那么系統(tǒng)運行的越穩(wěn)定。所以在設計上要保證單片機不被外圍電路影響?；贛Q-2型傳感器的煙霧探測報警器的主控電路，如圖2所示。

2.2 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的煙霧檢測電路設計

煙霧傳感器(MQ-2)具有響應時間快、抗干擾能力強等特點。MQ-2的1、2、3腳短接一起接+5 V電源，4、6腳短接接到ADC0809的26腳上面去，再與一個1 K的電阻和一個104并聯(lián)的電路串聯(lián)接地，5腳接一個5.1 Ω的電阻再去接地。MQ-2型煙霧傳感器輸出的是模擬電壓信號，因而需經(jīng)過AD轉換芯片將其變換成數(shù)字量，才能輸入至單片機小系統(tǒng)(STC89C51)進行信號處理，通常情況下MQ-2會輸出一個高電平，一旦檢測到煙霧的存在，MQ-2就會輸出低電平。MQ-2傳感器的電阻值與濃度存在著一定的關系：logR=mlogC+n(m,n均為常數(shù))，C4與R8組成了一個濾波電路，用來抑制電路中的干擾。煙霧探測電路如圖3所示。

2.3 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的數(shù)模轉換電路

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的數(shù)模轉換電路如圖4所示，其主要功能是將煙霧探測電路檢測到的煙霧濃度信號轉換為數(shù)字信號，并輸入到單片機小系統(tǒng)(AT89C51)進行實時處理。

2.4 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的顯示電路設計

如5圖所示，液晶數(shù)據(jù)口接在單片機上，由于數(shù)據(jù)口的對應可以方便線路的連接，液晶的3腳接上一個由兩個電阻組成的電位器來調節(jié)液晶的對比度。液晶的15、16腳為液晶的背光電源接口，其中4、5、6腳為LCD1602的時序操作引腳，當這3個引腳輸出一定的時序后再結合單片機的I/O口發(fā)送數(shù)據(jù)，便可在液晶上顯示自定義的字符。

2.5 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的聲光報警電路設計

燈光提示電路如圖6所示。D1、D2的陽極分別接一個2.2 K與1 K的電阻再和+5 V電源相連接，陰極連接了單片機的P2口。當煙霧濃度超過設定值時，黃燈亮起；當溫度超過設定值時，紅燈會亮起。最終實現(xiàn)不同顏色的LED預警不同的煙霧濃度。

聲音報警電路如圖7所示。蜂鳴器的一端接+5 V電源，一端接PNP型三極管的發(fā)射極。此時，PNP型三極管(Q1)的構成開關電路，當三極管(Q1)飽和導通時，蜂鳴器報警發(fā)聲；當三極管(Q1)截止時，蜂鳴器不報警。

2.6 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的溫度采集電路

DS18B20的1腳接地如圖8所示，3腳接一個10 K的電阻再接+5 V的電源，2腳接單片機的21腳再與3腳短接，由于DS18B20在讀取數(shù)據(jù)時無需接到特殊的I/O口上，只需要在程序中實現(xiàn)模擬時序就能正常驅動DS18B20讀取到溫度數(shù)據(jù)，顯示在液晶屏上。在實際測溫時由于要求不高的原因，考慮到溫度轉換位數(shù)越高所需的時間也越多，所以溫度顯示不需精確到小數(shù)點就能滿足溫度測量的需求。

2.7 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的按鍵電路設計

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的按鍵設置電路如圖9所示。K1連接了單片機的27腳，用來設置一定的溫度和煙霧值，K2與K3分別對應著數(shù)字的加和減。

3 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的程序設計

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的程序編制主體采用“模塊化”的編程思想。主要是借助微處理器(STC89C51)的軟件編程來直接實現(xiàn)基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的功能，軟件設計部分主要的包括MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的系統(tǒng)主程序、MQ-2濃度讀取程序和DS18B20溫度讀取程序等4個部分組成?；贛Q-2型傳感器的煙霧探測報警器軟件開發(fā)平臺選用的是基于uVision IDE的KeilC51編程軟件，它既能實現(xiàn)仿真調試也能支持下載。基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器程序所采取的編程軟件便于移植、便于模塊化和具有優(yōu)良可讀性的 C語言來進行程序的設計[12-13]。

3.1 主程序設計思路

基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的主程序流程如下，首先需要給傳感器進行預熱，并進行程序的初始化。初始化結束后，基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器進入待測狀態(tài)，如果煙氣濃度大小經(jīng)ADC0832轉變后，單片機進行解析，決定系統(tǒng)是否發(fā)動報警。和火焰?zhèn)鞲衅鳎换鹧鎮(zhèn)鞲衅饔杉t外光敏二極管采集火焰信號，程序初始化后，系統(tǒng)將會進入警惕狀態(tài)，如果探測到火焰的模擬信號，經(jīng)ADC0832轉變成數(shù)字信號后，單片機將其與設定的閾值進行比較，比較后決定是否發(fā)動報警，如圖10所示。

3.2 MQ-2濃度讀取程序設計

煙霧報警器的設計性能及實現(xiàn)與硬件編寫有著密切的關系，系統(tǒng)硬件首先對各個模塊開展初始化，接著再讀取AD轉換后的實時煙霧值，并判斷當下的煙霧濃度與溫度范圍，再接著執(zhí)行相對應的指示控制，判斷按鍵是否按下，如果案件沒有按下，那就繼續(xù)讀取AD轉換的煙霧濃度值；如果按鍵處于按下狀態(tài)，則需要設置相對應的參數(shù)值，液晶屏同時實時顯示設置的數(shù)值，最終結束所有進程，如圖11所示。

3.3 DS18B20溫度讀取程序設計

煙霧報警器的報警功能與溫度與濃度的讀取有著很大的關系，當DS18B20開始讀取溫度的時候，它開始儲存數(shù)據(jù)，然后發(fā)出溫度轉換命令，再將其寫入DS18B20中。在控制時只需要配置單片機的I/O口輸出相應的時序就可以讀取到溫度信息。一旦檢測到的溫度大于設定值時，煙霧報警器就開始報警，如圖12所示。

4 基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的系統(tǒng)調試

MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的總體功能測試。具體方法是：通電之后按下電源開關，可以看到數(shù)碼管亮，蜂鳴器，初始化，數(shù)碼管實時顯示“當前煙霧濃度”和“當前溫度”的值。測試過程中，模擬了6種不同環(huán)境狀態(tài)進行總體功能的測試，測試結果如表1所示。

表1 MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器總體功能測試結果

測試結果表明：MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器能夠準確快速地檢測出環(huán)境的溫度和煙霧濃度，其中溫度的誤差范圍為0%～0.8%，煙霧濃度的誤差范圍為0%～1.1%，達到了煙霧探測報警器預期的設計目的。

MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的溫度報警模塊功能測試。具體方法是：首先按下設置鍵S5，使得MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器置于溫度設置模式，溫度閾值的設置范圍為0～99 ℃。然后由單片機判斷如果SD18B20感應到的溫度(數(shù)字信號)超過了設定閾值則由P36發(fā)送給聲光報警器一個低電平使聲光報警器開始報警。然后，通過多次重復性實驗測試，測試MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的溫度報警模塊功能實現(xiàn)情況，結果如表2所示。

表2 MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器溫度報警功能測試結果

MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的煙霧報警模塊功能測試。具體方法是：首先通過煙霧設置模塊的加減按鍵來設置報警煙霧大小，設置煙霧閾值范圍為0～9級，然后煙霧傳感器測得煙霧濃度以模擬信號發(fā)送給AD轉換成數(shù)字信號并由單片機判斷煙霧超過設定閾值級數(shù)，超過則由P36端發(fā)送給聲光報警器一個低電平使聲光報警器開始報警。然后，通過多次重復性實驗測試，測試MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器的煙霧報警模塊功能實現(xiàn)情況，結果如表3所示。

表3 MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器煙霧報警功能測試結果

MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器火焰模塊測試，程序進入初始化后，用打火機模擬火焰，由紅外探頭探測到火焰后，并將其轉換為溫度、煙霧濃度信號，并產(chǎn)生相應的模擬值，經(jīng)過ADC0832采集后并將器轉換為數(shù)字信號傳給單片機，由單片機P36端發(fā)送給聲光報警器一個低電平使聲光報警器開始報警。測試結果表明，MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器能夠實時反饋火焰的變化。

5 結束語

設計了一種基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器。該煙霧探測報警器遴選單片機小系統(tǒng)(STC89C51)作為主控芯片，使用氣體傳感器(MQ-2)與溫度傳感器(DS18B20)實時采集煙霧濃度和溫度信號，并通過ADC0809模數(shù)轉換器來進行模擬信號與數(shù)字信號之間的相互轉換，然后把轉換完成的數(shù)字量輸入單片機(STC89C51)中，單片機(STC89C51)再將煙霧濃度、溫度等數(shù)字量輸入LCD1602實現(xiàn)實時信號的顯示。當環(huán)境中可燃氣體濃度或溫度等超過系統(tǒng)設定的閾值，煙霧探測報警器會通過燈光、聲音2種方式進行報警，以實現(xiàn)智能化的預警提示。基于MQ-2型傳感器的煙霧探測報警器具有響應時間短、穩(wěn)定性能好、性價比高、壽命長的特點，可廣泛應用于城市軌道交通、農(nóng)業(yè)等領域。