基于多傳感器信息融合的火災報警器設計

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(黃河科技學院, 河南 鄭州 450063)

0 引言

近年來，國家經濟發展的很快，城市的發展也越來越快，各種公眾場所應用而生，各種火災隱患頻繁暴露，為每一次火災發生埋下了隱患。每一次火災造成的損害都是不可估量的，讓無數家庭家破人亡，給社會造成極大的財產損失，給環境造成污染，阻礙了社會主義經濟的發展。如何實現對火災的探測和報警成為亟待解決的問題。

為了減少這種損失，對火災的探測和報警就顯得特別重要了?；馂氖且环N化學反應，通常伴隨著煙霧，一氧化碳，溫度等環境因素的變化[1]。通過對這些環境因素的監控就可以及早發現火災隱患，及時采取措施，就可以盡最大限度避免火災事故的發生。

1 火災探測報警的系統設計

1.1 系統設計原則

單個的火災傳感器對火災特征參量的響應靈敏度不高，造成它的探測能力受到限制，閾值過高，容易延遲報警，閾值過低，容易錯報警。一旦選擇不正確，就容易造成錯報、漏報，帶來極大的安全隱患，嚴重的可能會造成極大的財產損失[2]?；馂陌芏嗵卣鲄⒘?，可以通過對多個特征參量進行檢測，對幾個參量進行邏輯與或其他算法來實現。對多參量探測的響應速度和準確率會比單一探測有很大的提高。在火災發生之前會釋放大量的一氧化碳和煙霧，而且一氧化碳的相對分子質量比空氣輕，擴散速度快，能很快的被傳感器檢測到。正常環境中的一氧化碳和煙霧濃度含量低，不會對傳感器的誤報造成影響。目前，CO氣體濃度的檢測技術已經很先進了，探測的準確性和傳感器的使用時間都已經得到了很大的提高。因此，通過監測CO氣體濃度和煙霧濃度的變化，通過傳感器將這種濃度變化轉換出來，用來判斷是否發生火災。同樣，火災發生前也會產生大量的熱量，導致周圍環境溫度的升高。所以溫度也在被作為火災探測的一個參量。

1.2 系統總體結構設計

根據對報警系統想要完成的任務來進行模塊化的劃分，可以分為以下幾個主要模塊：AT89S52單片機系統處理模塊，CO氣體濃度、煙霧濃度和溫度傳感器檢測模塊，LCD液晶顯示器顯示現場溫度模塊，蜂鳴器和兩個LED燈同時報警，總體結構框圖見圖1所示。

圖1 系統整體框圖

2 硬件設計

2.1 傳感器信號采集電路設計

在火災早期，因為與氧氣接觸不充分，好多可燃物沒有燃燒徹底，產生大量白煙和黑色顆粒子，也產生大量的一氧化碳，同樣燃燒前也會釋放出熱量和水分。因此，煙霧濃度、一氧化碳濃度、溫濕度就是選擇傳感器的重要標志。選擇這3種參量的傳感器，并對它們進行準確的采集和有效的轉換，是整個系統穩定實現的重要條件。傳感器的選型就十分重要，選擇合適的傳感器會給設計帶來極大的便利。

結合系統需檢查的參數，選取適當的傳感器，參考測量原理來設計電路來完成測量功能。單片機通過不斷的讀取測量值，與設定的值進行不斷比較，然后進行與運算后判定。

2.1.1 溫度傳感器選型及電路設計

本次設計通過檢測現場的溫度值，當溫度出現異常，達到設置值時進行報警。通過比較發現DS18B20溫度傳感器比較適合，由于該傳感器自身設計小巧，使用方便在溫度控制領域使用率很高。它采用一根線傳送采集到的溫度值，將所測得的溫度以零和一輸出，簡化了采用模擬溫度傳感器時需要設計很多復雜的電路，讀取和使用更加方便。這種特殊的連接方式僅僅占用一個單片機IO口，可以給單片機留出更多的資源處理完成別的功能。而DS18B20溫度傳感器這種一線式的傳輸方式能夠大大的提高系統的抗干擾能力，其能夠適應周圍復雜的測試環境。DS18B20的測溫范圍是-55℃～+125℃的范圍，最高分辨率可達0.5℃，測量結果以9位數字量顯示溫度值[3]。采用+5V電源供電，與單片機供電電壓相同，可直接使用單片機供電電源，不需要單獨給它設計電源電路。

DS18B20完成溫度的轉換后，以16位二進制輸出，要想讀取這16位二進制數據，必須嚴格按照它的工作時序來操作，這樣才能正常工作。DS18B20的工作流程為：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令、數據傳輸部分[4]。溫度傳感器DS18B20采集電路如圖2所示。

圖2 溫度傳感器DS18B20采集電路

2.1.2 煙霧傳感器選型及電路設計

本次設計要使用的是煙霧傳感器，比較市場上各種類似的傳感器發現它們原理都類似相同，都是將被測氣體的物理量轉為模擬電壓信號。半導體煙霧傳感器是以金屬氧化物SnO2為主要材料的N型半導體材料，當它接觸到被測氣體的時候，隨著被測氣體濃度的增加電導率不斷的增高。本次設計選擇MQ-2煙霧傳感器，它具有靈敏度高，響應信號快，使用時間較長，可以工作在復雜環境條件下[5]。

煙霧濃度是一個物理量，如何采集這個物理量是檢測的關鍵，結合傳感器知識，可以用傳感器將物理量轉化為電壓信號。常用的模擬到數字轉換方法是采用模數轉換器，。按照位數可分為4位，8位，10位，12位等轉換類型，目前市面上有很多這種集成轉換器，這種集成轉換器使用起來方便[6]。

本文選擇比較器來完成電壓信號到數字信號的轉換。同時在比較器的輸出端加一個LED指示燈，輸出為低時LED燈亮，輸出為高時LED燈不亮。單片機通過不斷的讀取該引腳的電平信號，當為高電平使說明還沒有達到報警設定值，為低電平時說明達到報警設計值。煙霧濃度電路圖如圖3所示。

圖3 煙霧傳感器MQ-2采集電路

2.1.3 一氧化碳傳感器選型及電路設計

本設計采用MQ-7一氧化碳傳感器采集一氧化碳氣體濃度，它和MQ-2都屬于MQ系列傳感器的一種，工作原理也都相同。同時，其靈敏度特性、技術指標與 MQ-2 基本相同[5]。

一氧化碳傳感器MQ-7采集原理與煙霧傳感器MQ-2采集原理相似，一氧化碳傳感器信號采集電路如圖4所示。

圖4 CO傳感器 MQ-7 采集電路

2.2 單片機最小系統

2.2.1 供電模塊

根據AT89S52芯片手冊， 該器件采用+5 V電源給單片機供電。

2.2.2 時鐘模塊

AT89S52時鐘輸入引腳和輸出引腳分別接在晶振的兩個引腳上，每個引腳在接一個微調電容，另一端接地。

2.2.3 復位電路

為保證自動復位成功，高電平需要至少兩個機器周期。手動復位是在復位引腳直接連接一個按鍵開關和限流電阻，另一端直接接在+5 V電壓上。當單片機需要手動復位時，按下按鍵開關，按下的瞬間時間已經足夠兩個機器周期了，直接加載高電平實現手動復位。

AT89S52最小系統電路圖如圖5所示。

圖5 AT89S52最小系統電路圖

2.3 LCD1602液晶顯示模塊設計

在系統設計中，液晶經常作為它的顯示器件。具有功耗很低、使用時間長、對環境要求低等特點。由于單個的LCD顯示器容易破碎，不少廠家在生產時就LCD驅動器、控制器、字符發生器ROM和自定義字符RAM集成在一起，方便運輸和保存。集成的LCD叫液晶顯示模塊。模塊的結構緊湊，容易安裝，便于用戶使用[7]。

本設計選擇LCD1602字符型液晶顯示器。正常工作電壓為4.5 V和5.5 V，典型工作電壓為5 V，與AT89S52單片機的典型工作電壓相同，不用單獨為其設計電源供電模塊,工作電流為2 mA。

在LCD液晶顯示器上顯示一個字符，首先要讀取液晶顯示器的狀態，然后寫命令，接著寫數據，最后顯示字符。由于LCD屬于慢顯示器，每次給寄存器寫入命令指令時都需要查詢液晶顯示器狀態，液晶顯示器的忙狀態標志位為BF。當標志位BF=1時，說明液晶顯示器處于忙狀態，顯示需要等待。當標志位BF=0時說明液晶顯示器處于不忙狀態，可以立即顯示[8]。

LCD1602的RS、R/W和E這3個引腳分別接在單片機P2.0、P2.1和P2.2引腳。單片機通過對這3個引腳置“1”或清“0”，就可以對LCD1602進行讀寫操作。讀液晶狀態時需要單片機給液晶LCD1602液晶顯示器發送控制信號，RS=0、R/W=1，E=1，單片機即可讀取液晶顯示器的狀態。寫命令時需要單片機給液晶顯示器發送控制信號，RS=0，R/W=1，E=正脈沖，單片機即可向液晶顯示器寫入命令字。寫數據時需要單片機給液晶顯示器發送控制信號，RS=0，R/W=1，E=正脈沖，單片機即可向液晶顯示器寫入數據字。

單片機把數據寫入LCD模塊中后，可以直接讀字符庫里ROM的字形數據，并把自形數據送到液晶顯示器上，這個過程是自動完成的。顯示器電路圖如圖6所示。

圖6 LCD1602液晶顯示電路

2.4 報警電路設計

報警電路采用無源蜂鳴器報警蜂和LED燈進行報警。無源蜂鳴器工作的理想信號為方波，無源蜂鳴器只接直流電不會工作[9]。通過AT89S52單片機的P3^5口輸出一個時鐘信號即可控制蜂鳴器報警。當溫度值高于設定值時，蜂鳴器報警提醒注意溫度異常，注意查看。當煙霧濃度和CO濃度比參考標準值高時，蜂鳴器報警和LED燈閃爍提示火災發生。具體電路如圖7所示。

圖7 蜂鳴器和LED燈報警電路

3 火災探測報警系統軟件設計

3.1 主程序流程圖

本系統設計是通過硬件電路和軟件程序一起配合下共同完成的，在本系統所需的硬件完全確定下來后，根據硬件的特性編寫軟件程序，編寫軟件時把每個模塊的工作內容區分開來，這里要求將監控分為多個小的模塊，并且對各個小的模塊進行定義[10]。把每個模塊都有序的羅列出來，并合理的為每個模塊定義功能和接口定義。報警控制器主要是對溫度、CO濃度、煙霧濃度進行采集，首先調用溫度采集子程序，判斷溫度是否超出設定范圍，如果溫度超出設定范圍調用報警子程序進行報警；其次調用CO濃度采集子程序，判斷是否超出設定值，；再次調用煙霧濃度采集子程序，判讀煙霧濃度是否超出設定值，若CO和煙霧濃度同時超出設定值，則調用報警子程序進行報警。主程序流程圖如圖8所示。

根據設置的流程圖，本設計的程序設計的采用C語言來完成，它是一種基礎的語言。C語言設計的程序不僅簡單明了，使人很容易看懂，分析起來也比較簡便；而且適用范圍廣泛，語法也比較寬松。

3.2 傳感器采集的子程序流程圖

為便于系統維護和功能拓展，采用模塊化程序設計。報警系統啟動后首先對單片機初始化，通過對3種傳感器采集子程序調用實現報警功能。各傳感器檢測子程序的流程圖如圖9所示。

4 結論

本文針對單一參數火災探測器靈敏度低，易產生誤報警的情況，根據火災發生時同時表現出多種物理現象，采用溫度、

圖8 主程序流程圖

圖9 傳感器采集子程序流程圖

煙霧、CO 氣體3種傳感器對多參量同時進行監測，并融合后作為火災判斷的依據，從而大幅度降低誤報警率。仿真結果表明該系統能夠準確探測各種標準火和試驗火，有很強的抗干擾能力。

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