基于单片机的火灾烟雾报警系统设计

程望斌;刘凌;杨陈明;李慧;李璇

【摘 要】随着人们防火意识的提高,火灾报警技术也越来越受到重视。针对现有的分布式火灾报警系统的缺点,文中介绍了一种适用范围更广泛的基于单片机的无线火灾烟雾报警系统。系统主机采用STM32F103单片机作为主控MCU,从机则用烟雾传感器和温度传感器作为探测节点,并选用 MSP430G2553系列单片机进行控制。主机和各节点之间通过CC1101无线射频双工通信组成网络。采用软件Altium Designer作为硬件电路设计工具,同时采用软件Keil ARM进行软件设计。最后对完成的实物进行相关实验,结果良好,实现了预定功能。%With the improvement of people's consciousness of fire prevention, fire alarm technology is becoming more and more attention. Aiming at the existing disadvantages of distributed fire alarm system, a kind of wireless smoke fire detection and alarm system which is widely used and based on single chip microcomputer, is introduced in this paper. STM32F103 microcontroller is adopted to be the control core of MCU. As detecting node, with a smoke sensor and a temperature sensor inside, the slaver of the system, choose MSP430G2553 (a kind of MCU) to control. The master and each node are connected as a network by CC1101 wireless radio frequency of duplex. The Master and each node are connected as a network by CC1101 wireless radio frequency of duplex communication network. Using software Altium Designer as a tool, the hardware design and software Keil ARM is adopted to improve the software design. Finally, the actual product was completed, and its function was tested. The results of tests are good and the intended function is achieved.

【期刊名称】《湖南理工学院学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2014(000)003

【总页数】4页(P41-44)

【关键词】单片机;烟雾传感器;火灾报警;模数转换

【作 者】程望斌;刘凌;杨陈明;李慧;李璇

【作者单位】湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳 414006;湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳 414006;湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳 414006;湖南理工学院外国语言文学学院，湖南岳阳 414006;湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳 414006

【正文语种】中 文

【中图分类】TP216

近年来, 随着中国经济的迅速发展和城市化进程的加快, 在给人们带来快捷与方便的同时, 也带来了不少麻烦. 尤其是在人口稠密的城市, 用火用电的密度大, 火灾的防范就变得愈发困难. 因此火灾的预警变得尤为重要[1]. 但由于人们防火意识的薄弱以及城市规划的不合理等使得传统的分布式火灾报警系统的抗干扰能力弱, 误报率高, 拓展能力低下等缺陷越来越明显. 为此火灾报警系统的小型化、无线化、网络化、智能化日益成为现代社会的迫切需要. 基于单片机的火灾烟雾报警系统设计是首先由探测节点采集到火灾信号或者故障信号, 由该节点自行处理信号并决定是否报警, 然后将信号通过无线通信发射模块发送给主机, 主机收集到信号后响应并执行相关操作[2]. 通过此系统可达到设计成本较低、功能良好以及可维护性较强的目的.

系统由火灾探测节点(从机)和主机组成. 首先由烟雾探测器和温度探测器采集信号, 传感器处理和判断采集的信号并决定是否报警, 然后将信号发送给主机. 主机收集到信号后进行响应, 再决定是否发送报警信号; 同时通过人机监控界面提示用户发生火灾或者系统节点发生故障, 并定位信号地址, 实现提醒用户进行灭火或者故障排查等功能[3]. 系统总体设计框图如图1所示.

系统的硬件由六个模块组成: 烟雾传感器探测模块、温度传感器探测模块、无线通信模块、报警显示模块、控制模块以及电源设计模块. MQ-2烟雾传感器主要由LM393和ZYMQ-2气体传感器组成, 其工作电压为5V, 能够很好的检测环境烟雾信号, 并以较为简单的TTL电平方式与单片机进行通信[4]. 温度检测电路使用了对温度敏感的温度传感器PT100, 采用差分放大将变化的电阻值转变为电压信号, 再利用 ADC对信号进行采集、运算, 从而达到测量温度的目的. 无线通信采用的则是低成本的1GHz以下的无线收发器,为极低功耗的无线应用而设计. 报警及显示电路接收信号均采用电平信号, 当接收到烟雾信号时, 主控MCU的I/O口将输出一个高电平来驱动9012三极管, 使其导通, 三极管电路的导通将会接通蜂鸣器电路,蜂鸣器报警, 报警电路工作完成. 控制模块由主机控制模块和从机控制模块两部分控制. 电池供电电源为5V输出, 其中STM32F103、C1101无线通信模块、MSP430G2553从机控制电路均使用5V供电. 液晶显示模块采用的是3.5英寸的LED 液晶彩色显示屏, 该LED 液晶彩色显示屏利用专用芯片SSD1963控制.

整个系统则通过传感器模块检测到烟雾和温度的信息之后, 由从机通信电路进行数据采集与通信,主机控制电路负责检测和控制系统工作. 系统设计框图如图2所示.

3.1 火灾烟雾报警系统总体设计思路

火灾烟雾报警系统以MPS430G2553作为核心控制单元．对烟雾传感器进行实时数据采集, 将采集到的数据进行滤波, 判断是否达到报警阈值, 同时对处理后的数据进行压缩编码、打包, 最后通过CC1101无线模块发送给主机. 主机接收数据后, 以STM32F103作为核心控制单元, 进行统一的解压缩和处理,判断出每个节点的工作状态, 并以表格形式显示在TFT液晶屏上. 若某个节点不正常, 则整个系统发出报警. 同时主机网络接口, 可通过串口将各个节点的数据及其整个系统的工作状态上传到PC机.

3.2 火灾烟雾报警系统主要功能模块设计

火灾烟雾控制系统功能模块主要有数据采集和报警控制两个模块. 其系统设计流程图分别如图3(a)和(b)所示.

数据采集模块中, 对烟雾传感器数据采用周期定时启动MSP430的内部ADC采集其模拟输出电压值,同时将数字接口线作为单片机的中断触发, 以实时监测高浓度的烟雾值, 对温度传感器的监测则在周期定时启动MSP430采集烟雾浓度的同时[5], 采用内部ADC的另外一个通道进行温度数据的采集.

数据分析处理模块中, 需要对采样数据进行滤波, 本设计采用平均值滤波法, 即对N个采样数据进行比较, 去掉其中的最大值和最小值, 然后对剩余的数据求平均值. 根据理论的曲线关系, 以其单片机的处理能力, 把曲线分成若干段, 然后对每一小段分别线性化.

报警控制模块中, 若报警温度值或烟雾浓度高于用户设定的报警值时, 节点的蜂鸣器就会发出报警声, 同时报警指示灯闪亮, 并将报警数上传到主机. 为防止错误的报警, 程序设计时, 对烟雾浓度和温度进行快速重复检测和延时报警, 从而区别出是烟雾的泄露, 还是由于暂时打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失, 防止错误的报警.

4.1 系统硬件测试及结果

本设计从三个方面对系统做了测试: 不同烟雾浓度下系统的功能实现情况、不同环境温度下系统的功能实现情况以及不同通信距离下系统的功能实现情况.

(1) 不同烟雾浓度下系统的功能实现情况

该测试项目利用香烟燃烧产生的烟雾作为模拟信号源, 以同时间点燃的香烟数量作为信号源的强度梯度. 测试环境为20m2的普通房间, 测试距离模仿实际情况. 测试结果见表1.

(2)不同环境温度下系统的功能实现情况

该测试项目利用实验室的焊刀作为模拟温度信号源, 同时以测温万用表进行数据参照, 选用适当距离模拟火灾真实情况. 测试结果如表2所示.

4.2 无线通信距离测试及结果

不同通信距离下系统的功能实现情况如下: 首先将从机设置为每2s发送一次报警信号, 如果每次主机都能收到报警信号, 则会记录并显示收到报警信号的次数. 每个不同距离的测试点测试5min. 测试结果如表3所示.

火灾烟雾报警系统在对烟雾、温度传感器和报警技术进行深入研究的基础上, 通过设计一个以ATS52单片机为核心的火灾报警器实现声光报警、故障自诊、浓度显示、报警时限设置、延时报警以及对普通环境中烟雾浓度和温度的实时监控的功能. 火灾报警器是防火、防爆和安全生产所必备的仪器,具有广阔的市场空间与发展前景. 本报警器电路结构简单、可维护性好. 由于实现了对普通环境中烟雾浓度和温度的实时监控, 因而具有非常重要的应用价值和现实意义[6].

【相关文献】

[1] 祝 莹. 火灾自动报警技术的应用现状及其发展趋势[J]. 工业技术, 2012, (8): 93

[2] 李友化. 火灾自动报警技术的应用及研究发展趋势[J]. 现代商贸工业, 2007, 19(7): 195～196

[3] P. Stahl.Fire alarm systems-concepts for tunnels[J].TechnischeUberwachung, 2006, 47(1): 14～18

[4] 刘子巍. 式光电感烟火灾探测报警器电路研制[D]. 大连: 大连理工大学硕士学位论文, 2008

[5] 李 维, 谢 云. 基于WinCE6.0的LPC3250串口驱动程序开发[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2009, (8): 36～39

[6] 张 勇. 火灾报警系统设计思路探讨[J]. 价值工程, 2012, (13): 160～161