基于单片机的火焰、烟雾的显示及报警装置的设计

1.引言

随着现在家庭中家用电器的使用量逐渐增加，用电量也随之增加。而用电量的大幅增加也会增高火灾发生的频率。如果在一般家庭中发生火灾，就会很大程度上出现扑救不及时的情况。另外一种情形是：当晚上睡觉或者白天外出时候，出于防盗的考虑，一般都关闭门窗，如果发生煤气泄露，而没采取相应的措施，后果是非常危险的。在化工厂、煤矿井中，如果发生可燃气体泄露又没及时发现，很可能导致火灾的发生。那么如何防范火灾的发生、有毒气体的侵害以及发生火灾之后能够报警并开启自动灭火装置，就是一个非常意义的课题。本系统设计了以AT89S52单片机为核心，不断采集当前环境中火焰的强度、可燃性气体的浓度，并在数码管上显示出来，一旦火焰强度或可燃性气体的浓度超过设定的阀值就启动报警装置。本系统可用于家庭、工厂的火灾报警，也可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、烟雾等的探测。

2.系统整体架构

系统的整体构架如图1所示。本系统采用单片机AT89S52为控制器，把火焰传感器、烟雾传感器的模拟电压经过AD转换后，送到单片机处理变换后，再送到数码管进行显示，这时在数码管分别显示的是火焰强度和烟雾浓度，当火焰强度或者烟雾浓度超过设定的阀值时，单片机指挥蜂鸣器响起来，继电器动作;当强度或浓度下降后，蜂鸣器停止响，继电器失电。

图1 系统整体架构

图2 主电路

3.硬件设计

3.1 主电路模块

主电路如图2所示。采用AT89S52为cpu，采用RC复位电路，可上电复位及按键复位;P2.0～P2.7接数码管的8个段选，而P1.0～ P1.2接译码器74LS138的三个输入端;P0.0作为控制蜂鸣器的引脚;P3.5接ADC0832的使能端/CS，P3.4接时钟端CLK，P3.3接数据端DO和DI。

3.2 火焰传感器、烟雾传感器和继电器模块

图3 火焰传感器、烟雾传感器和继电器

图4 蜂鸣器电路

3.2.1 火焰传感器

火焰传感器采用一个远红外火焰传感器感应接受管，可用来探测火源或其它一些波长在760纳米～1100纳米范围内的热源，探测角度达60度，其中红外光波长在940纳米附近时，其灵敏度达到最大。当火源的强度增大或靠近时，通过接收管的电流增大，输出电压VAO2减少，并与强度呈现线性反比关系。VAO2与调节电位器的分压分别送入比较器LM393的INB+和INB-两输入端，当INB+小于INB-（即设定的阀值）时，比较器输出端OUTB输出低电平，三极管8550导通，继电器的线圈得电吸合，把原来的常闭触点（5与3）断开，常开触点（5与2）闭合，从而可以启动声光报警装置，说明火焰强度超过了设定值，同时也可把输出电压VAO2送到AD转换芯片进行更精确的显示。

3.2.2 烟雾传感器

当烟雾粒子进入烟雾传感器的电离室后，烟雾越浓，输出电流越大，输出电压VAO1增大，并与强度呈现线性正比关系。VAO1接比较器的INA-端，调节电位器的分压IN端接比较器的INA+输入端，当INA-大于INA+（即设定的阀值）时，比较器输出端OUTA输出低电平，同样可以启动声光报警装置。说明烟雾浓度超过了设定值，同时也可把输出电压VAO1送到AD转换芯片进行更精确的显示。

3.3 蜂鸣器模块

蜂鸣器电路如图4所示。当单片机检测的值超过设定的阀值后，单片机的P0.0输出低电平，三极管8550导通，蜂鸣器得电响起来。

3.4 数码管模块

数码管电路如图5所示。数码管采用共阴型，由2个4位数码管组合成一个8位数码管。高4位用来显示火焰强度，低四位用来显示烟雾浓度。数码管8个段值的控制采用AT89S52的P0.0～P0.7，由于单片机的IO口输出电流不够大，所以中间加了74HC245作为驱动器，74HC245的1脚直接接VCC，不用它的双向功能，直接用单向功能A入B出。而位的控制采用译码器74LS138，即用三个IO口就可以控制8个位数码管。这样不但节省IO口，而且采用动态扫描时，程序控制非常灵活方便。

图5 数码管电路

3.5 模数转换模块

图6 模数转换电路

模数转换电路如图6所示。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，有两个输入通道。其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电输入与参考电压复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快，且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变得更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是/CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。火焰传感器和烟雾传感器的模拟电压分别接ADC0832的CH0和CH1两输入通道，使能端/CS接单片机的P3.5，时钟端CLK接P3.4，数据端DO和DI接P3.3，通过DI选择通道，DO端的数字信号送到单片机进行转换处理。

4.软件设计

程序主要采用C语言编辑，不仅使程序模块化，而且更便于调试。本程序设计流程如图7所示。

图7 程序流程图

AD采集关键代码及注释：

void timer0（void）interrupt 1

{

TMOD = 0x01;

TH0 = 0x00;

TL0 = 0x00;

IE = 0x82;

TR0 = 01;

count++;

if （count == 0x0A）

{

count = 0x00;

dat1= adc0832（CH1）;//采用定时中断，时隔一段时间读取一次数据，否则最后一位不稳定，dat1是火焰强度的数据

dat1_1=255-dat1;//因为火焰传感器是火焰强度越大，输出电压越小，所以用255减去原先的值，就可以得到随火焰强度逐渐增大的值

dat2= adc0832（CH2）;//dat2是烟雾浓度的数据

if（dat2>100） P0.0=0;//如果烟雾浓度超过100，蜂鸣器报警

else P0.0=1;

}

}

把烟雾传感器、火焰传感器的模拟电压转换成数字信号后，送到数码管进行显示，由于ADC0832的分辨率只有8位，所以其值只能在0～255间变化，如果要更精确显示，必须用更高分辨率的模数转换芯片。

5.测量结果及分析

5.1 火焰传感器

在普通的日光灯下，数码管火焰强度显示为0，当点亮一根蜡烛，并逐渐靠近火焰传感器时，发现火焰强度逐渐增大，观测一组数据可得到火焰强度与距离成线性正比关系，据此关系，还可在机器人比赛中，用来作为机器人探测火源的依据。

5.2 烟雾传感器

在通风明亮的环境下，烟雾浓度显示为0，当把一张纸巾燃烧摁灭后冒烟，发现烟雾越浓，烟雾显示越大，说明本设计能检测烟雾浓度变化。同样道理，当用酒精之类的挥发性气体靠近烟雾传感器时，也可发现烟雾浓度值增大。

可见，本系统设计的火焰与烟雾显示及报警装置具有实际意义，本系统可作为下位机，把检测到的数值现场显示或者通过网络进行远距离的输送。室内、厂房、矿井的烟雾浓度及一旦有火灾发生时，能第一时间发出报警，以及烟雾浓度超过设定的阀值就启动声光报警装置，防止事故的发生。

参考文献

[1]宋景文.火焰传感器[J].自动化仪表，1991.

[2]赵志成.基于ARM的机车火灾智能报警灭火系统[J].江西理工大学，2012.

[3]郑岚，郑杨.基于单片机控制的灭火机器人[J].科教导刊（上旬刊），2011.

[4]张霄霞等.火灾烟雾报警系统的设计[J].山西电子技术，2011.

作者简介：

胡应坤，硕士，电子工程师，现供职于广东环境保护工程职业学院，主要从事电子电气方面的教学科研工作。

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