基于STM8S单片机的汽车火灾报警系统设计

许莉娟 孙辰 阴世杰 曹雨婷

基金项目：盐城工学院教改研究课题（JYKT2019A032）;盐城工学院教改研究课题（JYKT2019B064）

摘要：随着汽车的普及，汽车火灾事故也不断增加，但传统的汽车火灾探测方式使用单一传感器对单一物理量进行检测，决策机制单一，存在较高的误报率和漏报率，错过了最佳的扑火时间。为了避免火灾和减少火灾造成的损失，首先确定了汽车火灾探测特征量主要包括温度、烟雾和一氧化碳，然后基于多种传感器和STM8S单片机，设计了汽车火灾报警系统。该系统具有汽车火灾特征量采集、显示、报警和自动破窗的功能。

关键词：汽车火灾；STM8S；报警；自动破窗

中图分类号：U462.2  收稿日期：2024-01-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405020

1 前言

随着经济的发展，汽车作为现代化交通工具日益普及，由于汽车中电子控制系统的不断增加、可燃装饰性材料使用增多等原因，汽车火灾近几年一直呈逐渐上升趋势，因此研究汽车火灾具有一定的价值和社会意义。国内外学者对于汽车火灾报警技术的研究取得了一定的成果，研发制造出了一系列的预防报警及灭火系统[1-2]。

文献[3-6]基于单片机技术和传感器技术设计了汽车火灾探测报警系统，火灾报警系统虽然有一定程度的智能化，但是仍存在一些缺陷。一方面，火灾报警系统对火灾特征参数的检测不够，仅限于对烟雾和温度进行检测；另一方面，火灾报警系统大多基于传统的51单片机，设计时需要增加模数转换芯片，增加了成本，且对火灾进行了探测和声光、无线通信报警，未对火灾发生后的措施进行完善。

因此在上述研究基础上，本文基于STM8S单片机设计并完善了汽车火灾报警系统。首先制定了总体设计方案，接着从硬件和软件两个方面对该系统进行设计。与传统的火灾报警系统相比，本文设计的汽车火灾报警系统火灾判断更科学、准确，可靠性更高。

2 系统总体结构设计

汽车火灾发生时，会产生大量的浓烟和CO，散发出光和热导致车内温度急剧升高。基于这些特点，通过检测现场烟雾浓度、环境温度以及烟雾中CO浓度能够有效检测灾情的发生，从而有能力在火灾源头发生时，达到报警并进一步消灭火灾的目的。本文所设计的汽车火灾报警系统硬件组成主要包括单片机、烟雾温度CO传感器、液晶显示器、按键、声光报警模块和自动破窗模块。系统总体设计框图如图1所示。

系统通过温度传感器检测现场环境温度，烟雾传感器检测烟雾浓度，一氧化碳传感器检测烟雾中CO的浓度；系统设置按键用于设定温度、烟雾浓度、CO浓度的报警阈值；通过液晶显示屏实时显示检测值和阈值。

系统的工作原理：通过温度、烟雾、CO传感器不间断地实时检测汽车所处环境的温度、烟雾浓度和烟雾中CO的浓度，并将检测到的三种数据值传送给单片机，通过液晶显示屏显示呈现，并与预设警戒值进行比较。若超出警戒值，启动声光报警，若温度、烟雾浓度、CO浓度值全部超出警戒值，系统自动破窗，便于救援和灭火。

3 硬件设计

本系统以STM8S105C6T6单片机为核心，配合手工复位电路等构成单片机最小系统，包含温度、烟雾和CO检测电路、按键电路、液晶显示电路、声光报警电路和自动破窗电路，进一步配合软件编程实现所需功能。

31 电源转换电路

STM8S105C6T6单片机的工作电压为295～55 V，而车载电池为直流电源12 V，故需进行直流电源转换，本文采用降压开关型集成稳压芯片LM2596实现12 V到5 V的转换，转换电路如图2所示。

32 STM8S105C6T6单片机最小系统电路

本系统采用STM8S105C6T6单片机作为主要控制芯片，STM8S105C6T6是采用LQPF-48封装的8位微控制器，提供容量为16 K～32 K字节的Flash程序存储器，拥有16 MHz CPU时钟频率，强大的I/O功能，支持10个通道的模拟信号输入，10位ADC转换精度，STM8S105C6T6的最小系统电路如图3所示。

33 烟雾检测电路

本系统采用灵敏度高、稳定性好，性价比高的MQ-2烟雾传感器收集烟雾浓度模拟信号，MQ-2烟雾传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SNO2），当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，烟雾浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。本系统中MQ-2烟雾传感器检测到的烟雾浓度信号可直接输入单片机的模拟端口，无需增加模数转换芯片（ADC）进行模数转换，降低了成本。烟雾检测电路如图4所示，只需将传感器的模拟输出引脚3与单片机的PB1/AIN1引脚相连即可。

34 一氧化碳（CO）检测电路

火災现场中烟雾成分主要是CO2和CO，本系统采用MQ-7烟雾传感器来检测空气中的CO浓度，其灵敏度高，反应速度快，响应时间短，成本廉价。MQ-7传感器内部有一块小小的加热器，通过电流加热，使得传感器的工作环境温度升高，同时加速气体分子的运动。模块中的半导体气敏元件表面涂有一层特殊的金属氧化物，当在特定的温度下，空气中的CO气体与金属氧化物接触时，会发生氧化还原反应，使得金属氧化物表面的电阻发生变化，当空气中的CO浓度增加时，电阻减小，从而输出一个模拟信号。

MQ-7传感器共有四个引脚，分别是GND、DOUT、AOUT和VCC。AOUT是模拟输出引脚，用于输出模拟信号，一般使用AOUT读取模块输出的模拟信号。本设计中只需将MQ-7传感器的AOUT引脚连接单片机的模拟通道0，即与PB0/AIN0引脚相连即可。CO传感器检测电路如图5所示。

35 温度检测电路

传统的测温方法主要依靠一些热敏电子元器件进行温度采集，比如热敏电阻等。这种方法存在进度低、速度慢、需额外增加ADC转换芯片的缺点。本系统采用DS18B20数字温度传感器，DS18B20温度传感器测量范围为-55-+128 ℃，测量精度高，其体积小，功耗低，可直接将温度转化成数字信号传给单片机处理，因而可以省去传统的信号放大、A/D转换等外围电路。本系统将DS18B20的信号输入输出端口DQ与STM8S105C6T6单片机的PC1引脚相连，温度检测电路如图6所示。

36 声光报警电路

报警模块采用声光报警的形式，通过三个发光二极管和一个蜂鸣器来实现。报警电路如图7所示。当温度、烟雾浓度、CO浓度检测值任一值超过警戒值时，对应的发光二极管会闪烁报警，同时蜂鸣器会报警。蜂鸣器的报警采用三极管作为开关器件，控制蜂鸣器是否发出声音，当单片机的PC2引脚发出一个低电平时，三极管导通，蜂鸣器发出报警声音，当PC2引脚发出一个高电平时，三极管截至，蜂鸣器停止发声。

37 自动破窗电路

本系统一旦检测并判断出温度、烟雾浓度和CO浓度值全都超出警戒值时，就确定有火灾发生，除了产生声光报警，提示异常状态外，为了减少火灾损失，增加了自动破窗的功能，自动破窗采用继电器驱动电机来实现，电路如图8所示。该电路中采用一个三极管作为电路的控制开关，增强线圈中的导通电流。当单片机PC6管脚的输出低电平时，三极管处于导通状态，电流通过继电器线圈，形成一个磁力吸收触点，从而使继电器能够接通，驱动电机工作，实现破窗。当PC6输出高电平时，三极管断开，继电器不动作，电机不工作。

38 液晶显示电路

LCD是目前火灾报警系统设计时比较常用的显示器件，但因LCD引脚太多，需要耗费太多单片机输入输出引脚，还需要提供背光源等，故本文选用OLED液晶显示器，用于显示检测到的温度、烟雾浓度和CO浓度的值以及所设置的警戒值。OLED屏幕由有机发光二极管组成，能够提供更高的对比度，每个像素点都能独立发光，不需要背光源，可以实现各种亮度和颜色的显示效果，其体积小、功耗低。本系统中选择4针OLED屏模块，工作电源一般为33 V或5 V，该模块有四个引脚，分别是VCC、GND、SCL和SDA，其中SCL是时钟引脚，用于传输数据时的时钟信号，SDA是数据引脚，用于传输数据。OLED显示模块与STM8S105C6T6单片连接时，选择I2C接口，连接方式如图9所示。

4 软件设计

系统流程图如图10所示。

5 结语

本文基于STM8S单片机，对汽车火灾报警系统进行了设计，该系统具有火灾判断及时、准确，可靠性高等优点。

参考文献：

[1]谭淑梅基于单片机的烟雾报警系统的设计与实现[J]大庆师范学院学报，2018，28（6）：40-41

[2]于娇洋，王文鑫，唐雪莹基于STC89C52 单片机的智能火灾报警系统设计[J]电子制作，2022，30（22）：63-65

[3]吴海潮多传感器信息融合的汽车火灾探测报警系统设計研究[J]内燃机与配件，2021（21）：212-213

[4]孔庆奎基于单片机的汽车火灾报警系统[J]数控技术，2012（6）：29-30

[5]杨超基于单片机的汽车火灾报警系统[J]农机使用与维修，2011（2）：73-74

[6]刘伟基于多传感器融合的汽车火灾报警系统设计与研究[D]银川：宁夏大学，2019

作者简介：

许莉娟，女，1983年生，讲师，研究方向为随机系统、非线性系统的鲁棒控制及高等教育教学。