基于单片机的火灾报警系统的设计与实现

赵华峰

摘要：火灾的及时报警能够减少人员的伤亡和财物的损失，在现在社会变得尤为重要。利用单片机和传感器结合设计与实现的火灾报警系统，采用MQ-2型传感器实现烟雾的检测，温度传感器进行温度检测，在满足报警条件时产生声光报警，经软硬件调试测试，设计与实现的系统响应快、灵敏度可调、抗干扰强、成本低、使用时间长，具有一定的实用价值。

关键词：单片机；火灾报警系统；MQ-2

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）25-0184-02

目前，随着集成制造技术的发展，单片机的功能越来越强大，功耗低，体积小，价格低使得其得到了广泛地应用。现代社会的建筑规模越来越大、人员密集度高和众多的设备都对防火提出了严格的要求。为了及时发现并迅速火灾报警，防止和减少火灾危害，在宾馆、图书馆、科研和商业部门，火灾报警系统已成为必不可少的设施。火灾报警系统要求能够在火灾初期，对燃烧产生的烟雾热量和光辐射等物理量进行检测，通过光电、烟雾和温度等传感器变换成电信号，传输给火灾报警控制系统，根据实际情况对发生的火灾及时报警。因此，设计并实现性价比高的火灾报警系统有着非常大的应用前景。

1 系统方案的设计及构成

火灾报警系统的核心采用51系列单片机AT89S52，对温度及烟雾的情况通过温度传感器和烟雾传感器进行实时数据采集，辅以必要的AD转换，由单片机进行数据处理和阈值判断，若出现环境的温度及烟雾的突变，在火灾发生的早期就能够及早报警，告知人们尽快灭火，减少危害防止损失。系统的构成框图如图1所示。

火灾报警系统由控制处理部分（AT89S52单片机）、阈值设置（按键）、数据采集部分（DS18B20和MQ-2）、显示部分（数码管或者液晶屏）以及报警装置等部分构成。数据采集部分的数据包括温度传感器DS18B20采集来的数字信号和MQ-2采集的烟雾信号，要经过ADC0832转换为数字信号，还有手动按钮产生的报警信号。报警装置分为声音报警和闪烁灯光报警。显示部分可在数码管上实时显示温度和MQ-2传送的数据。控制处理部分使用常见的AT89S52单片机能够方便地实现在线编程。

2 系统的工作原理和硬件电路组成

设计的火灾报警系统的工作原理为，首先通过按键设置报警临界值，包括温度报警值和浓度报警值，这两个都是越过门限报警。也可以使用默认的报警值（在程序中应预先设定，也称为缺省值），在使用前最好预先实验测定一下，免得默认值和实际值相差太悬殊影响报警效果。然后单片机对手动报警信号判断，若有立刻报警，若无手动报警信号，再对采集来的实时温度和浓度数据进行处理判断，并在数码管上显示数值，若单片机判断数据超过门限值，立即驱动声、光报警装置进行报警，若没超过门限值，则进入下一轮循环：有无门限阈值设定→有无手动报警信号→数据采集判断是否报警→数据显示。

系统的硬件电路是在单片机最小系统的基础上增加按键、数据采集模块、报警装置和显示模块构成。以下是硬件部分的关键模块设计说明。

2.1温度采集模块

系统的实时温度监测元件采用DS18B20数字温度传感器，该芯片是单总线数字芯片，体积小，外形上看像三极管，连线方便，可以采用寄生电源接线方式（即数据线供电）指示器件的温度，温度范围是-55℃到+125℃，步进量为0.5℃[1]，其多点能力能方便地进行分布式温度检测，实现更大空间范围内的温度测量。

2.2 气体浓度采集模块

气体浓度采集模块通过MQ-2传感器进行测量，传感器测量环境中的烟雾等气体浓度得到的是模拟信号，要让单片机进行处理和判断，必须转换为数字信号才行，这个转换功能可以采用A/D芯片实现，也可以选择具有系统内置A/D模块的MSP430单片机去实现。测量处理后由数码管显示气体浓度等级。

采用MQ-2型半导体烟雾传感器的原因是不会发生探头阻缓和中毒现象，而且响应速度快、灵敏度高、维护成本较低、使用起来非常方便，性价比高的优点。MQ-2型传感器使用的是SnO2半导体气敏材料，表面为离子式N型半导体。当温度在200～300℃时，SnO2吸附空气中的氧，即对氧的负离子进行吸附，减少了N型半导体中的电子密度，导电性能能变差，即电阻值增加。当存在烟雾接触时晶粒间界处的势垒相当于受到烟雾的调制，这将会导致表面电导率的变化，由此獲得烟雾浓度的相关信息[2]。应该特别注意的是为了使其工作在较安全的范围内，必须按照厂家推荐的加热电压进行加热[3]。

3 系统的软件程序设计及编程

系统中软件实现对硬件工作流程的控制，首先进行初始化操作，实现软硬件的配置，包括单片机的相关SFR的设置，传感器的配置和预热；然后扫描有无键按下，若有判断是门限设置还是直接报警，并进入相应的处理模块，若无键按下，则进入下一环节进行数据的采集、判断和显示，当超出设定的报警值时候驱动报警装置[4]，若未超限，显示并延迟一段时间后，进入下一次大循环。系统的主程序流程图如图2所示。程序调试成功后，通过电编程很方便地实现对单片机的烧写。

4结束语

通过Proteus+Keil μVision4的联机仿真调试进行了软硬件原理验证后，绘制PCB版图，焊接元器件做出实物并进行测试。在MQ-2的相关资料中表明，要达到最佳工作状态对其预热应不少于24小时[5]。经实验测试，该系统要到相对较稳定的状态预热3-5分钟就可以了，当然若要进行精密的测量，建议预热时间按照说明书进行。测试表明系统能够正确的实现实时显示，提供各种报警条件均能达到对应的报警效果，后续工作是适度的功能扩展和完善。

参考文献：

[1]. 谢维成 杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计（第3版）[M].北京：清华大学出版社，2014：280-301.

[2] Yoon D h， Yu J h， Choi Gm. CO Gas Sensing Properties of Zn0-CuO Composite[J]. Sensors and Actuators. 1998（46）：15-23.

[3] 冯长江.基于单片机的智能烟尘测试仪[J].电子技术应用，1999（4）：19-20.

[4] 蔡文斋.专业级串口调试器设计[J].现代电子技术， 2006（11）：69-72.

[5] 李永生，杨莉玲.半导体气敏元件的选择性研究[J].传感器技术，2003（3）：2-5.