基于单片机的配电火灾报警系统设计

孙雪景

（吉林建筑大学 市政与环境工程学院 长春 130118）

引言

火灾一直是影响人类安定生活的隐藏杀手，为了处理火灾突发与频发的情况，尤其是针对现有建筑配电系统火灾早期预警问题，值得更加关注和重视。本系统针对该问题设计了一种更加合理的消防报警系统，在数据传输上采用无线通信模块进行技术上的改进，从而做到早发现、早预防、早处理，从而在源头进行防控和检测火灾，使得人民财产损失降到最低[1]。

1 系统总体设计方案

本文将单片机与传感器、无线传输模块以及串口调试技术相结合设计消防报警和联动系统，使用了烟雾传感器和温度传感器两种传感器，将室内的温度和日常生活环境的测量结果与设定的限值进行对比，从而确定日常生活中的环境有无着火。本设计采用STC89C52单片机与NRF24L01无线通信模块为核心，实现了对烟雾、温度的检测。系统由主控电路、电源电压电路、温度传感器等组成，系统功能的主体由两部分组成，第一部分是依靠传感器去采集信息，第二部分是当温度值和烟雾值超出设定的上限时，蜂鸣器和LED等会发出警报。具体的系统机制是通过Proteus软件先设定烟雾及温度的上限值，然后依靠keil软件编写温度和烟雾的相关程序和串口助手软件设定某些基本数据。仿真时，如果串口助手我们设置的数据超过烟雾或温度的上限浓度，LED灯及蜂鸣器就会进行报警。该系统具有较强的抗干扰能力，程序设置简单，价格低廉，对火灾的早期预警有一定的防范价值。系统的发送侧和接收侧结构框图如图1和图2所示。

图1 发送侧系统结构框图

图2 接收侧系统结构框图

2 系统硬件电路设计

2.1 硬件选型

根据智能消防控制系统硬件系统设计需要,本文对电源电压模块、无线传输模块、液晶显示器、火灾探测器、烟雾传感器等主要模块和设备进行选型并进行详细地分析说明。表1为消防报警和联动系统设备类型及选型。

表1 设备类型及选型

2.2 无线传输模块

本文利用NRF24L01的无线收发模块[2]，将探测到的数据传输到接收端，实现对火情的实时监测和声光报警。NRF24L01是一种单片无线收发芯片，适用于（2.4～2.5）GHz国际标准的 ISM波段。无线收发信机由频率发生器、增强型 SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器等组成，输出功率，频道选择，以及协议设定都可以用 SPI界面来设定。其功耗非常小：工作于-6 dBm时，其功耗为9 mA，而在接收方式下为12.3 mA。在电源下降和备用状态下，功耗更小。

2.3 火灾探测器

本论文选择了JTF-YW-ZM2251TB智能复合感温感烟火灾检测器。它兼具光电式烟雾检测和温度检测，具有较强的抗干扰能力、高灵敏度、全方位可视指示灯、可以实现远程显示、磁体试验等优点。复合式火警探测器工作原理不管什么火源参数，只要有一个火源参数达到了一定的检出值，它就会立即发出警报，图3为无线传输模块原理图。复合式火灾检测器利用微型加工的芯片，对全部检测器进行测量。复合式火灾探测器能够准确、有效地探测各类火灾，极大地降低了虚警率，减少了火灾的发生。该系统智能化程度高，可靠性高，功能多样。

图3 无线传输模块原理图

2.4 烟雾传感器模块

此次设计涉及两种新型的烟雾感应器，一种是用一种氧化物半导体陶瓷材料制造的烟雾感应器，另一种是用一种单晶半导体器件制造的烟雾感应器。按其敏感性，可分为两类：电阻型和非电阻型。半导体气体传感器可分为 N类和 P类。N型阻值随烟气浓度的增大而减小；P型阻值随烟气浓度的增大而增大。MQ-2型二氧化锡气体敏感元件是一类具有表面离子的 N类半导体元件。二氧化锡在（200～300）℃时，能吸收空气中的氧，从而产生负离子，从而使半导体器件的电子密度下降，并使其电阻增大。当它与烟尘接触时，如果因此烟尘的调整而使粒子间的位垒发生变化，就会引起其表面电导率的变化。用这种方法可以获得有无烟的数据。

2.5 声光报警模块

蜂鸣器在正常状况下的工作电流较高，想要驱动单片机的 I/O端口，就需要使用放大电路，通常采用三极管对其进行放大。用P2.0管脚来控制声告警，P2.0的电平状态处于低电平状态时，三极管会被接通，蜂鸣器会发出声响警报；否则，三极管断开，蜂鸣器就不会响了。声音报警电路如图4所示。三种不同颜色的LED灯报警电路图如图5所示，通过单片机的P2.1控制绿灯，P3.4控制红灯，P3.5控制蓝灯。当设计的消防报警和联动系统感应到火情突然发生时，三个LED灯的端口在单片机的控制下会在自上到下的顺序输出低电平时，对应的三个灯也会按照自上到下的顺序交替闪烁发出光芒报警，直到解除报警。

图4 报警器报警电路图

图5 灯光报警电路图

3 系统软件设计

该系统包括主程序，温度数据采集子程序，烟雾数据采集子程序，火焰信号采集子程序，火灾判断和警报子程序。主程序先对 LCD进行初始化，然后配置无线发送模块，确认无线信号传输，如果正常，可以进行无线传输，延迟一段时间后，更新数据，液晶显示。图6中显示了主要程序的流程。

图6 主程序流程图

4 系统实际仿真与制作

本系统具有抗干扰性强、成本低、体积小、编程容易的特点，因此对于实际电路能够较容易实现。系统仿真需要将设计所需的各种元器件放置并连线以后，选中并双击单片机，点击Program File后的小文件夹，找到.hex为后缀的程序文件，并点击确定，设定串口调试软件的相关参数，原理图中的Compim元器件的物理端口选择com1，串口调试软件选择com2，波特率为4 800，液晶显示器的烟雾极限值与温度极限值分别设定为100和50，烟雾和温度设定的极限值液晶显示图如图7所示。程序仿真完成以后要进行原理图PCB板的绘制，首先点击菜单栏的PCB布局，进入PCB板界面以后点击左下角的布局选择器，选择Board Edge绘制封闭区域，此外，选择Board Edge进行布局的时候要右击选择放置，再利用正方形选择封闭区域，选完封闭区域之后，选择菜单栏的自动定位器，自动将原理图用到的元器件以PCB形式布局，为了便于观看，点击自动定位器旁的自动路由器，封闭区域内的PCB元器件自动连线，PCB板显示图如图8所示。

图7 液晶数据显示图

图8 PCB板显示图

5 结论与展望

本文主要针对建筑中的低压电气火灾报警进行设计，基于ZigBee无线技术采用CC2530芯片以STC89C52单片机为核心，分别利用MQ-2烟雾传感器与DHT11温湿度传感器进行周围环境的信息采集，通过ZigBee无线技术进行信息传输，通过将采集到的信息与阈值进行对比，两次检测数值均大于阈值的情况下，通过声光报警模块进行报警，蜂鸣器报警的同时亮起红色LED灯，本文所提方案为低压配电火灾报警系统提供理论借鉴。