多路传感器火灾报警系统的设计

摘 要：火灾及时预警一直是全球各国非常重视的课题之一，各种火灾报警装置占据了很大的市场份额。本设计以LM041L为显示器，AT89C52单片机为控制核心，采用MQ-2气体式烟雾传感器及DS18B20温度传感器为探测核心制作的多路传感器火灾报警系统可实现报警限值的任意设置，多处检测数据的实时更新显示，火灾声光报警及报警点指示等功能。该系统是一种结构较简单、造价成本低、性能稳定的智能化火灾报警系统。

关键词：火灾报警；AT89C52；LM041L；烟雾传感器；DS18B20

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）10-00-03

0 引 言

火灾是一种发生概率最高的灾害，它具有极大的危害性，会给人们的生命财产安全带来不可逆的损害，甚至剥夺人的生命。而现代社会房间密封性越来越好，各种用电设备或燃气设备使用的越来越多，这使得火灾发生的频率达到了前所未有的高度[1-4]。为了更好地预防和控制火灾的发生，各式火灾预警或报警装置层出不穷，本文以技术难度不高、造价成本低、系统使用方便、性能稳定为宗旨，设计了一套多路传感器火灾报警系统。

1 系统总体方案设计

该火灾报警系统由火灾探测器、A/D数据转换器、核心控制器、显示器及报警电路等组成，系统框图如图1所示。为了及时准确地预警火灾的发生，环境探测使用两种元件进行，一是使用DS15B20温度传感器对温度进行采集，二是使用MQ-2型烟雾传感器对常见的多种可燃气体或烟雾进行探测，把气体浓度大小转换为电压，经A/D转换送入单片机。采集的数据通过LM041L实时显示，AT89C52是核心控制器，主要起到输入和输出之间的桥梁作用。当温度或烟雾浓度超过设定值时，AT89C52也会控制报警电路发出声光报警。

2 系统各模块设计

2.1 电源模块设计

电源模块主要由整流电路、滤波电路、集成稳压电路等组成。电源模块如图2所示。220 V的交流电通过变压器TR1转变为14 V交流电，经四个二极管D1D4（型号1N4007）桥式整流后将14 V交流电压变成脉动的18 V直流电压，再经滤波电容C1（1 000 μF）、C2（0.01 μF）滤除纹波，输出的直流电压经集成稳压芯片7805稳压后得到+5 V电压，电容C3（0.1μF）能改善负载的瞬态影响，从而为单片机提供稳定的+5 V工作电压[5]。

2.2 单片机及其最小系统

AT89C52作为控制核心，是一个高性能并且功耗较低的8位单片机，它有40个引脚，32个外部双向输入输出I/O口，内含2个外部中断，3个定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线[6]。单片机要正常工作，除了要提供5 V左右的电源外，还必须具备最小系统的结构，即晶振和复位电路，在这里我们仍采用经典的晶振和复位电路，其结构和参数不再缀述。单片机40个引脚的功能分配及电路连接见图3所示的系统仿真结构图。

2.3 温度传感器模块

温度传感器采用DS18B20芯片，该器件无需外部元件，电压范围为3.0 V至5.5 V，可以和单片机使用同一个电源，测量温度范围为-55℃至+125℃、精度为±0.5℃。在9位分辨率时最多在93.75 ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750 ms内把温度值转换为数字[7]，速度更快且直接输出数字温度信号。本系统采用12位分辨率。由于单片机引脚个数的限制，本系统只能最多同时测量3路温度和烟雾情况，所以使用了三块DS18B20芯片。DS18B20芯片引脚使用简单，只有三个引脚接入电路，电源线，地线，另外一个DQ引脚连接单片机，这里三个芯片的DQ引脚分别与单片机的P3.4、P3.5、P3.6端口相连。

2.4 烟雾传感器模块

MQ-2烟雾传感器适用于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测，具有灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单等优点[8]。一般来说，MQ-2检测可燃气体与烟雾的范围为100～10 000 ppm，其特点在于当烟雾存在时，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，输出的电压就越大，输出电压的范围为05 V，若输出的电压足够大，则可不通过放大处理而直接经A/D转换与单片机相连，本文采用AD0832芯片完成A/D转换[9]。MQ-2的静态电压一般为0.3 V1 V，当有烟雾或可燃气体时就会超出这个范围，可将1 V电压设置为阈值，若超出，则报警。

因proteus中不含MQ-2仿真模型，且MQ-2的工作特性与光敏电阻相仿，所以在仿真中使用一个光敏电阻代替MQ-2，再串联一个可调电阻共同接入+5 V的电源。可调电阻有两个作用，一是调节MQ-2的静态电压值，使其处于合适的范围，即对MQ-2进行校准；二是调节MQ-2的灵敏度。

AD0832芯片工作时需要的CLK信号由单片机软件编程实现。

2.5 液晶显示模块

本系统共分成三路采集各处的温度和烟雾值，为了显示方便，采用16×4型LM041L液晶屏作为显示器，采用与LCD1602相同的内核芯片，其引脚及功能完全相同，只是LCD1602是16×2型的，因此LM041L仅比LCD1602多出两行显示，这两款液晶屏在驱动和程序编写上有很多相似甚至相同的地方。LCD1602只有两行，那么显示三行数据必须交替显示，很不方便，因此采用LM041L后可以很方便地同时显示三路采集数据。在本设计中，烟雾浓度以烟雾传感器输出电压的大小进行显示。

2.6 键盘模块

键盘共设置四个按键，第一个键为SET，即设置键，用来选择对温度和烟雾浓度的报警限值进行设置，该键按奇数下选择烟雾设置，按偶数下选择对温度设置。第二和第三个键分别称为UP和DOWN，对温度限值进行调节时，按这两键分别使得限值增加1℃和减少1℃，对烟雾的电压限值进行调节时，每次使烟雾浓度电压限值增加0.1 V或减少0.1 V。第四个键是SET_OK，按下此键即表明已经设置好两种报警限值，电路开始采集信息。

2.7 报警电路

本系统采用声光同时报警电路，共使用三个发光二极管和一个扬声器。三个发光二极管分别对应三个被测地点，当某个地点温度或烟雾浓度超限时，对应的发光二极管开始闪烁，由此可知何处发生或可能发生火灾，任何一处超限，扬声器就会有节奏地响起，提醒大家注意。

3 软件设计

本系统主要包括主程序、温度数据采集程序、烟雾数据采集程序、火灾报警程序等。主程序流程图如图4所示。温度采集程序、烟雾浓度采集程序及液晶显示程序都通过调用相应的子程序来实现，火灾报警程序则通过查询中断的方式实现。在检测温度、烟雾是否超限时，只要其中的一个指标超限，即判为超限并报警，并非限度同时达到，这样在实际应用中虽然可能增加误判率，但能更好地起到提前预警的作用。

4 仿真结果

在Keil中把程序调试完成后输出“.hex”文件，然后把“.hex”文件装入Proteus中的单片机运行电路。图5所示为等待设定界面仿真图，图6所示为系统正常工作运行时的仿真图[7]。通过图6可以看出，在温度采集和显示上该系统非常精确；在烟雾浓度对应电压采集方面，本系统稍有误差，如第2路电压表显示为1.57 V，液晶屏显示为1.56 V，第3路电压表显示为0.75 V，液晶屏显示为0.76 V，都在误差允许的范围内。

系统默认温度报警门限值为70℃，烟雾浓度电压报警门限值为1 V，在系统正常工作时，第2路烟雾浓度电压超限，所以可以看到第2路探测点对应的LED灯闪烁，扬声器也发出报警声，系统报警正常。

此外，通过对不同温度和烟雾浓度电压限值的调整，以及各路探测点处DS18B20的温度高低和光敏电阻亮度的调整，本系统在每种情形下都可以精确地显示数据，并在需要报警时及时报警。

5 结 语

该多路传感器火灾报警系统能精确测量并显示出被测点的温度和烟雾情况，并及时报警，指出报警点位置，并且该系统使用的元件成本低，电路结构简单，具有较好的市场前景和应用空间。

参考文献

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[2]张琳，孙耀杰，张坤.TN9红外温度传感器在火灾报警系统中的应用[J].传感器与微系统，2012，31（10）：146-148.

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