火灾报警器的设计与实现

北京信息科技大学自动化院，北京 100101

一、引言

随着人们生活水平的提高，家庭用火、用电量在逐渐增加，家庭火灾发生的频率也越来越高。在家庭火灾中，灭火不及时、缺乏灭火器材以及在场人员惊慌失措、逃生迟缓的现象很容易出现，最终可能会导致重大生命财产的损失，带来不可预测的后果。为了能及时检测到火灾的发生，避免火灾所产生的严重后果，火灾报警器越来越受到人们的重视。而设计一种成本低，简单实用，安全可靠，维修方便的家用火灾报警器在市场上会占据更大的竞争力。

本文主要针对家庭住宅设计了基于单片机的火灾报警器，它利用烟雾传感器和火焰传感器对环境进行检测，对超过报警限的情况进行声光报警并且吸合继电器启动换气扇和水泵工作。并且设计了显示模块来显示相应的检测结果和设定值。此报警器不仅成本低，体积小，功耗低，可靠性高，而且简单实用。

二、系统总体设计

系统总体结构如图1所示。本系统主要由烟雾和火焰探测模块、A/D转换电路、单片机电路、液晶显示模块、报警模块和按键模块组成[1,4]。

火灾报警器安装在室内容易发生火灾的地方，传感器将检测到的烟雾和火焰信息转换成电压信号，然后将转换的电信号送到A/D转换电路转换成数字信号再送到单片机，单片机进行处理后，然后进行相应的报警。按键模块是用来设定报警限的。

三、系统硬件电路设计

系统硬件有直流电源、单片机最小系统、信号采集电路、A/D转换电路、显示电路、按键电路、状态指示灯电路、声音报警电路、继电器电路。下面就对其中一些重要的电路做简单介绍[1]。

1、单片机最小系统

单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。最小系统原理图如图2所示。

2、信号采集电路及A/D转换电路

本系统中的烟雾检测选择了MQ-2传感器，火焰的检测选择了红外接收管，传感器将检测到的烟雾和火焰信息转换成电压信号，然后把电压信号送到ADC0832，模数转换电路将模拟信号转换成数字信号给单片机，单片机再读取相应的数值进行处理[2]。其电路如图3所示。

MQ-2型气体传感器可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。其优点是灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单。

由于着火后，燃烧产生的热量使液体或液体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量。所以火焰传感器选用红外线接收管来检测火焰。

ADC0832是串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用[3]。

3、继电器电路

当检测到现场烟雾浓度超限时，继电器K1吸合，启动换气扇工作，当检测到烟雾和火焰值同时超现时，继电器K2吸合，绿色指示灯亮，同时启动水泵进行洒水灭火。水泵的连接电路与换气扇是相似的，这里只给出继电器K1与换气扇的连接电路，如图4所示。

4、状态指示灯电路

状态指示灯电路如图5所示，红色指示灯与单片机的P2.2相连，黄色指示灯与单片机的P2.1相连。当烟雾浓度超限时，黄色指示灯亮；当火焰浓度超限时，红色指示灯亮。

5、声音报警电路

声音报警电路如图6所示，包括一个三极管、一个蜂鸣器、一个限流电阻。三极管Q1起开关作用，其基极的低电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极高电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。

四、系统软件的设计

报警器通电之后，先进行初始化工作，然后传感器进行火焰和烟雾浓度的采集，再判断火焰和烟雾浓度是否达到报警限，如果达到报警限则执行相应的报警程序。如果有按键按下，则进行报警限参数的设置。主程序流程如图7所示。

五、测试结果与结论

1、测试结果

此报警器初始设定的火焰和烟雾报警限都是20，液晶屏可显示的火焰值和烟雾值都是0～255。液晶屏上第一行显示的是当前火焰值（HY）和当前烟雾值（YW），第二行显示的是设定的火焰值报警限（HH）和设定的烟雾报警限（HY）。

报警器下方有三个按键，从左至右依次是，第一个按键是调节

火焰和烟雾报警限设定值的选择键，第二个按键是加1键，第三个按键是减1键。按一下第一个按键，HH的个位变成浮动状，可以重新设定火焰报警限，此时按下第二个按键火焰报警限的值加1，按下第三个按键火焰报警限的值减1。按两下第一个按键，HY的个位变成浮动状，可以重新设定烟雾报警限，此时按下第二个按键烟雾报警限的值加1，按下第三个按键烟雾报警限的值减1。按三下时保存设定好的值。再重新按下第一个按键时，又可以依次循环上述的设定。

检测烟雾的结果如图8所示。用打火机放气，当前烟雾值为44，超过烟雾报警上限20，黄灯亮，蜂鸣器响，启动风扇驱散毒气。

检测火焰的结果如图9所示，当前火焰值为54，超过火焰报警上限20，红灯亮，蜂鸣器响。

同时检测火焰和烟雾的结果如图10所示，当前火焰值为22，当前烟雾值为213，都超过火焰和烟雾的上限值20，红灯和绿灯都亮，蜂鸣器响，启动风扇和水泵。

2、结论

本论文设计的火灾报警器由烟雾和火焰信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成，用系统方框图、硬件电路图和软件流程图，全面、具体地阐述了系统中各个部分的原理和功能。测试结果表明，该火灾报警器可以有效的进行报警，并且具有体积小、功耗低、安装调试简单、可靠性高等优点。