基于單片機的智能防火報警裝置設計

周 玲 ，孫慧霞，竇永梅，朱倚嫻，楊修園，王 宇，代少君，陳 晨

（1.運城學院物理與電子工程系，山西運城 044000；2.南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019）

隨著社會的進步和人民生活水平的提高，電子產品的使用越來越廣泛，火災的發生次數和危險性隨之不斷增加[1]。目前高校學生寢室人員密集，電氣火災經常發生，一旦得不到及時的處理，將會延誤火災救助的最佳時機，后果不堪設想。因此，可靠的火災檢測系統對于火災的遏制具有重大作用[2]。針對寢室用電器易電流過大導致短路而引起的火災突發情況，本文設計一種智能防火報警裝置。該裝置通過測量插座溫度的突然上升變化，分階段對火情進行報警和斷電的及時處理，以有效避免和防止火災的發生。

1 防火報警裝置整體方案

基于單片機的智能防火報警裝置系統框圖如圖1 所示。裝置以單片機系統為控制核心，溫度采集模塊實現插座溫度的實時測量，將采集的溫度數據輸入單片機系統，并驅動數碼管顯示電路，以實現溫度的采集、處理與顯示。溫度閾值設置模塊設定高低溫度閾值，通過實測溫度與溫度閾值的比較，單片機系統控制聲光報警模塊和斷電功能模塊作用，以實現對火災的分階段處理。整個報警裝置所需的電源由220 V 轉± 5 V電源模塊供給。

圖1 防火報警裝置系統框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 單片機系統

單片機系統包含單片機芯片、時鐘電路和復位電路[3]，電路原理圖如圖2 所示。單片機提供內部時鐘信號和外部時鐘信號兩種方式，本設計采用12 MHz 的內部時鐘電路，為了穩定電路和快速起振，在晶振兩端外加兩個33PF瓷片電容，有助于振蕩電路起振。單片機的復位電路存在按鍵復位和上電復位兩種復位方式，本設計采用按鍵復位電路。當按鍵按下時，復位引腳輸入高電平，啟動復位；當松開按鍵時，復位引腳輸入低電平，經過一段延時，系統開始正常工作[4]。

圖2 單片機系統原理圖

單片機P1.0引腳與溫度采集模塊相連接，P1.5、P1.6 和P1.7 引腳通過按鍵對溫度閾值參數進行設置，分別為溫度閾值設置，閾值增加和閾值減小[5]。單片機將溫度比較的結果通過P1.1 和P1.2 控制聲光報警模塊，并通過P1.4引腳驅動繼電器斷電功能模塊。P0口和P2口分別控制數碼管顯示電路的段選和位選。

2.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊采用數字溫度傳感器DS18B20對插座溫度進行實時測量，電路原理圖如圖3 所示。DS18B20的三個引腳中，兩個引腳分別為VCC和GND，另一引腳DQ 與單片機的P1.0引腳連接[6]，將采集的數字溫度值輸入單片機。單片機控制溫度傳感器DS18B20完成溫度轉換必須經過初始化，ROM 操作指令和存儲器操作指令三個基本步驟[7]。該設計不僅節約了單片機的引腳資源，而且可以提高系統的抗干擾能力。

圖3 溫度采集原理圖

2.3 數碼管顯示電路

數碼管顯示電路采用共陰數碼管SM420561K，單片機的P2.1、P2.3、P2.5 和P2.7 控制數碼管的4 個位選端口，采集的溫度值通過P0 口和上拉電阻驅動8 個段選端口，電路原理如圖4 所示。當設置高低溫度閾值時，數碼管顯示設定的溫度閾值。其他情況，數碼管顯示插座的實測溫度值。

圖4 數碼管顯示電路原理圖

2.4 聲光報警與斷電功能模塊

根據火災燃點，設定高低雙重溫度閾值，當實測溫度超過低溫度閾值T1 時，觸發聲光報警。聲光報警模塊主要由有源蜂鳴器、PNP型三極管和發光二極管組成[8-9]，原理圖如圖5所示。當單片機的P1.1 為低電平時，三極管導通并驅動蜂鳴器報警。單片機的P1.2引腳控制燈光報警，當引腳為低電平時，發光二極管正向導通，啟動燈光報警。即該電路的主要作用是采集前端信號，并且判斷火災信號的真偽，一旦確定為火災信號，觸發聲光報警系統[10]。

若溫度持續上升，超過高溫度閾值T2時，繼電器電路作為插座的開關功能實現用電器的斷電處理，從而可靠防止火災的發生。繼電器斷電功能模塊電路原理圖如圖6 所示，該模塊主要由繼電器、NPN型三極管、二極管和電阻組成。當溫度低于T2時，P1.4 為高電平，三極管處于飽和狀態，集電極和發射極導通[11]，繼電器因得到足夠的驅動電流而產生磁場，使得銜鐵的動觸點與繼電器的常開觸點吸合，插座接通電源，用電器通電。當溫度高于T2時，P1.4 為低電平，三極管截止，此時繼電器內部的線圈無電流通過，銜鐵的動觸點始終與常閉觸點接觸，插座斷開電源，用電器斷電。由于三極管截止時繼電器線圈產生的感生電動勢可能使得e、c擊穿，因此在繼電器線圈兩端反向并聯一個二極管，吸收該電動勢，起到保護電路的作用。

圖5 聲光報警原理圖

圖6 繼電器斷電電路原理圖

2.5 電源模塊

電源模塊為智能防火報警裝置的各個模塊電路的正常工作提供持續、穩定的直流電源。該模塊由降壓電路、整流電路、濾波電路和穩壓電路組成，其電路原理圖如圖7 所示。首先降壓變壓器將220 V的交流電轉換為符合整流電路所需的交流電壓，然后經過由4個二極管構成的單向橋式整流電路，利用二極管的單向導電特性，將正弦式的交流電壓轉變為單向的脈沖電壓，再通過電解電容C1和C2 等儲能元件組成的濾波電路將殘留的交流成分濾除，從而得到比較平滑的電壓。為避免整流濾波后得到的電壓受到電網波動和負載變化的影響，采用三端串聯型集成穩壓芯片LM7805 和LM7905，電容C3、C4、C5和C6用于旁路高頻干擾脈沖和改善波紋。防振電解電容C7和C8用于防止輸出端自激以得到穩定的直流電壓[12]。此外，在三端穩壓器的輸入端與輸出端分別跨接保護二極管，防止防振電容放電損壞穩壓器[13]。F1 和F2 為熔斷絲，起到過流保護的作用，LED1和LED2為電源指示燈二極管。

圖7 電源電路原理圖

3 系統軟件設計

圖8 主程序的流程圖

程序采用模塊化設計，系統主流程圖如圖8所示。首先對單片機、溫度傳感器、溫度閾值設置等進行初始化操作，溫度傳感器將采集的溫度值經過變換后送數碼管顯示。通過按鍵設置高低溫度閾值，比較后進行聲光報警和斷電處理。系統的溫度閾值設置主要通過K1、K2和K3三個按鍵相互配合完成，子程序流程圖如圖9所示。K1按鍵控制系統溫度閾值的設置功能，通過K2鍵和K3鍵分別調節溫度閾值大小。當K1 鍵彈起時，系統進入高溫度閾值設置模式；當K1鍵按下時，系統進入低溫度閾值設置模式。K2鍵和K3鍵分別增加或減少溫度閾值。模塊化程序設計便于功能擴展和系統升級。

圖9 溫度閾值設置子程序流程圖

4 實驗測試結果

4.1 溫度閾值設置結果

系統通電后自動進行初始化操作，當系統正常啟動時，電源指示燈將亮起。若通電后系統啟動失敗或是初始化不正確，綠色的指示燈將不會亮起，用戶即可獲知系統出現故障。在模擬實驗中，用綠色的LED 燈來表示電源指示燈，如圖10 和圖11 所示。程序初始化后，DS18B20 溫度傳感器采集插座溫度，經單片機處理并由數碼管顯示當前檢測的溫度值。圖10 中設置的低溫度閾值為25°C，圖11 中高溫度閾值顯示為30°C。此外，用戶可以根據季節氣候或實際需求自主設置高低溫度閾值。在溫度設置的過程中，綠色的電源指示燈始終被點亮。

圖10 低溫度閾值顯示結果

圖11 高溫度閾值顯示結果

4.2 聲光報警與斷電功能測試結果

根據當前設置的溫度閾值，當實測溫度高于低溫度閾值25°C 時，通過聲光雙渠道同時報警實現對火災一級預警，蜂鳴器會發出“滴……滴……滴”報警聲，同時LED紅燈會持續閃爍，系統進入報警狀態，結果如圖12 所示。當聲光報警沒有通知到用戶做出相關避險操作時，插座溫度會持續上升，當超過上述設置的高溫度閾值30°C 時，系統將進行火災二級預警，通過單片機控制繼電器，使繼電器的常閉接點吸合，實現外接用電器的斷電處理。實驗中，采用黃燈的亮滅模擬繼電器的開關工作，如圖13所示。在防火報警裝置單獨供電情況下，當實際溫度超過高溫度閾值30°C時，黃燈點亮，表明繼電器常閉觸點吸合，用電器斷電功能實現，并且一級預警狀態下的聲光報警將不會停止，持續提醒用戶進行避險操作。當實際溫度低于高溫度閾值30°C時，常亮的黃燈自動熄滅，繼電器常開觸點吸合，用電器通電。

圖12 聲光報警測試結果

圖13 斷電功能測試結果

5 總結

本設計以STC89C51 單片機為控制核心，通過外圍電路對插座溫度的實時監測，包括采集、處理、顯示和比較，實現對火災模擬場合的應急處理。智能火災報警裝置由硬件模塊和軟件模塊組成，可有效地實現溫度閾值設置、聲光報警和用電器斷電模擬功能，對電氣火災的報警預防有一定效果。