許莉娟 孫辰 陰世杰 曹雨婷

基金項目：鹽城工學院教改研究課題（JYKT2019A032）;鹽城工學院教改研究課題（JYKT2019B064）

摘要：隨著汽車的普及，汽車火災事故也不斷增加，但傳統(tǒng)的汽車火災探測方式使用單一傳感器對單一物理量進行檢測，決策機制單一，存在較高的誤報率和漏報率，錯過了最佳的撲火時間。為了避免火災和減少火災造成的損失，首先確定了汽車火災探測特征量主要包括溫度、煙霧和一氧化碳，然后基于多種傳感器和STM8S單片機，設計了汽車火災報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有汽車火災特征量采集、顯示、報警和自動破窗的功能。

關鍵詞：汽車火災；STM8S；報警；自動破窗

中圖分類號：U462.2? 收稿日期：2024-01-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405020

1 前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車作為現(xiàn)代化交通工具日益普及，由于汽車中電子控制系統(tǒng)的不斷增加、可燃裝飾性材料使用增多等原因，汽車火災近幾年一直呈逐漸上升趨勢，因此研究汽車火災具有一定的價值和社會意義。國內(nèi)外學者對于汽車火災報警技術(shù)的研究取得了一定的成果，研發(fā)制造出了一系列的預防報警及滅火系統(tǒng)[1-2]。

文獻[3-6]基于單片機技術(shù)和傳感器技術(shù)設計了汽車火災探測報警系統(tǒng)，火災報警系統(tǒng)雖然有一定程度的智能化，但是仍存在一些缺陷。一方面，火災報警系統(tǒng)對火災特征參數(shù)的檢測不夠，僅限于對煙霧和溫度進行檢測；另一方面，火災報警系統(tǒng)大多基于傳統(tǒng)的51單片機，設計時需要增加模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，增加了成本，且對火災進行了探測和聲光、無線通信報警，未對火災發(fā)生后的措施進行完善。

因此在上述研究基礎上，本文基于STM8S單片機設計并完善了汽車火災報警系統(tǒng)。首先制定了總體設計方案，接著從硬件和軟件兩個方面對該系統(tǒng)進行設計。與傳統(tǒng)的火災報警系統(tǒng)相比，本文設計的汽車火災報警系統(tǒng)火災判斷更科學、準確，可靠性更高。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

汽車火災發(fā)生時，會產(chǎn)生大量的濃煙和CO，散發(fā)出光和熱導致車內(nèi)溫度急劇升高。基于這些特點，通過檢測現(xiàn)場煙霧濃度、環(huán)境溫度以及煙霧中CO濃度能夠有效檢測災情的發(fā)生，從而有能力在火災源頭發(fā)生時，達到報警并進一步消滅火災的目的。本文所設計的汽車火災報警系統(tǒng)硬件組成主要包括單片機、煙霧溫度CO傳感器、液晶顯示器、按鍵、聲光報警模塊和自動破窗模塊。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

系統(tǒng)通過溫度傳感器檢測現(xiàn)場環(huán)境溫度，煙霧傳感器檢測煙霧濃度，一氧化碳傳感器檢測煙霧中CO的濃度；系統(tǒng)設置按鍵用于設定溫度、煙霧濃度、CO濃度的報警閾值；通過液晶顯示屏實時顯示檢測值和閾值。

系統(tǒng)的工作原理：通過溫度、煙霧、CO傳感器不間斷地實時檢測汽車所處環(huán)境的溫度、煙霧濃度和煙霧中CO的濃度，并將檢測到的三種數(shù)據(jù)值傳送給單片機，通過液晶顯示屏顯示呈現(xiàn)，并與預設警戒值進行比較。若超出警戒值，啟動聲光報警，若溫度、煙霧濃度、CO濃度值全部超出警戒值，系統(tǒng)自動破窗，便于救援和滅火。

3 硬件設計

本系統(tǒng)以STM8S105C6T6單片機為核心，配合手工復位電路等構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，包含溫度、煙霧和CO檢測電路、按鍵電路、液晶顯示電路、聲光報警電路和自動破窗電路，進一步配合軟件編程實現(xiàn)所需功能。

31 電源轉(zhuǎn)換電路

STM8S105C6T6單片機的工作電壓為295～55 V，而車載電池為直流電源12 V，故需進行直流電源轉(zhuǎn)換，本文采用降壓開關型集成穩(wěn)壓芯片LM2596實現(xiàn)12 V到5 V的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

32 STM8S105C6T6單片機最小系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)采用STM8S105C6T6單片機作為主要控制芯片，STM8S105C6T6是采用LQPF-48封裝的8位微控制器，提供容量為16 K～32 K字節(jié)的Flash程序存儲器，擁有16 MHz CPU時鐘頻率，強大的I/O功能，支持10個通道的模擬信號輸入，10位ADC轉(zhuǎn)換精度，STM8S105C6T6的最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

33 煙霧檢測電路

本系統(tǒng)采用靈敏度高、穩(wěn)定性好，性價比高的MQ-2煙霧傳感器收集煙霧濃度模擬信號，MQ-2煙霧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，煙霧濃度越大，導電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號就越大。本系統(tǒng)中MQ-2煙霧傳感器檢測到的煙霧濃度信號可直接輸入單片機的模擬端口，無需增加模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（ADC）進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，降低了成本。煙霧檢測電路如圖4所示，只需將傳感器的模擬輸出引腳3與單片機的PB1/AIN1引腳相連即可。

34 一氧化碳（CO）檢測電路

火災現(xiàn)場中煙霧成分主要是CO2和CO，本系統(tǒng)采用MQ-7煙霧傳感器來檢測空氣中的CO濃度，其靈敏度高，反應速度快，響應時間短，成本廉價。MQ-7傳感器內(nèi)部有一塊小小的加熱器，通過電流加熱，使得傳感器的工作環(huán)境溫度升高，同時加速氣體分子的運動。模塊中的半導體氣敏元件表面涂有一層特殊的金屬氧化物，當在特定的溫度下，空氣中的CO氣體與金屬氧化物接觸時，會發(fā)生氧化還原反應，使得金屬氧化物表面的電阻發(fā)生變化，當空氣中的CO濃度增加時，電阻減小，從而輸出一個模擬信號。

MQ-7傳感器共有四個引腳，分別是GND、DOUT、AOUT和VCC。AOUT是模擬輸出引腳，用于輸出模擬信號，一般使用AOUT讀取模塊輸出的模擬信號。本設計中只需將MQ-7傳感器的AOUT引腳連接單片機的模擬通道0，即與PB0/AIN0引腳相連即可。CO傳感器檢測電路如圖5所示。

35 溫度檢測電路

傳統(tǒng)的測溫方法主要依靠一些熱敏電子元器件進行溫度采集，比如熱敏電阻等。這種方法存在進度低、速度慢、需額外增加ADC轉(zhuǎn)換芯片的缺點。本系統(tǒng)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，DS18B20溫度傳感器測量范圍為-55-+128 ℃，測量精度高，其體積小，功耗低，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳給單片機處理，因而可以省去傳統(tǒng)的信號放大、A/D轉(zhuǎn)換等外圍電路。本系統(tǒng)將DS18B20的信號輸入輸出端口DQ與STM8S105C6T6單片機的PC1引腳相連，溫度檢測電路如圖6所示。

36 聲光報警電路

報警模塊采用聲光報警的形式，通過三個發(fā)光二極管和一個蜂鳴器來實現(xiàn)。報警電路如圖7所示。當溫度、煙霧濃度、CO濃度檢測值任一值超過警戒值時，對應的發(fā)光二極管會閃爍報警，同時蜂鳴器會報警。蜂鳴器的報警采用三極管作為開關器件，控制蜂鳴器是否發(fā)出聲音，當單片機的PC2引腳發(fā)出一個低電平時，三極管導通，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，當PC2引腳發(fā)出一個高電平時，三極管截至，蜂鳴器停止發(fā)聲。

37 自動破窗電路

本系統(tǒng)一旦檢測并判斷出溫度、煙霧濃度和CO濃度值全都超出警戒值時，就確定有火災發(fā)生，除了產(chǎn)生聲光報警，提示異常狀態(tài)外，為了減少火災損失，增加了自動破窗的功能，自動破窗采用繼電器驅(qū)動電機來實現(xiàn)，電路如圖8所示。該電路中采用一個三極管作為電路的控制開關，增強線圈中的導通電流。當單片機PC6管腳的輸出低電平時，三極管處于導通狀態(tài)，電流通過繼電器線圈，形成一個磁力吸收觸點，從而使繼電器能夠接通，驅(qū)動電機工作，實現(xiàn)破窗。當PC6輸出高電平時，三極管斷開，繼電器不動作，電機不工作。

38 液晶顯示電路

LCD是目前火災報警系統(tǒng)設計時比較常用的顯示器件，但因LCD引腳太多，需要耗費太多單片機輸入輸出引腳，還需要提供背光源等，故本文選用OLED液晶顯示器，用于顯示檢測到的溫度、煙霧濃度和CO濃度的值以及所設置的警戒值。OLED屏幕由有機發(fā)光二極管組成，能夠提供更高的對比度，每個像素點都能獨立發(fā)光，不需要背光源，可以實現(xiàn)各種亮度和顏色的顯示效果，其體積小、功耗低。本系統(tǒng)中選擇4針OLED屏模塊，工作電源一般為33 V或5 V，該模塊有四個引腳，分別是VCC、GND、SCL和SDA，其中SCL是時鐘引腳，用于傳輸數(shù)據(jù)時的時鐘信號，SDA是數(shù)據(jù)引腳，用于傳輸數(shù)據(jù)。OLED顯示模塊與STM8S105C6T6單片連接時，選擇I2C接口，連接方式如圖9所示。

4 軟件設計

系統(tǒng)流程圖如圖10所示。

5 結(jié)語

本文基于STM8S單片機，對汽車火災報警系統(tǒng)進行了設計，該系統(tǒng)具有火災判斷及時、準確，可靠性高等優(yōu)點。

參考文獻：

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[2]于嬌洋，王文鑫，唐雪瑩基于STC89C52 單片機的智能火災報警系統(tǒng)設計[J]電子制作，2022，30（22）：63-65

[3]吳海潮多傳感器信息融合的汽車火災探測報警系統(tǒng)設計研究[J]內(nèi)燃機與配件，2021（21）：212-213

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[5]楊超基于單片機的汽車火災報警系統(tǒng)[J]農(nóng)機使用與維修，2011（2）：73-74

[6]劉偉基于多傳感器融合的汽車火災報警系統(tǒng)設計與研究[D]銀川：寧夏大學，2019

作者簡介：

許莉娟，女，1983年生，講師，研究方向為隨機系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的魯棒控制及高等教育教學。