摘要：随着城市化进程的加快和人口的迅速增长，我国火灾发生的次数、频率、造成的损失都不断上升。因此，如何在最短时间内发现火灾并控制灾情，使人民生命、财产损失降到最小就显得尤为重要。该文采用STC89C52单片机为中央控制单元，应用MQ-2 型半导体气敏式烟雾传感器和DS18B20数字温度传感器为检测单元，外加4个功能设置按键，4位一体数码管显示屏，设计出的可以对火灾进行实时监控，并可自动报警的智能火灾报警器。
关键词：烟雾传感器；温度传感器；自动报警；单片机
中图分类号：TP23 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）12-0210-03
Design of Intelligent Fire Alarm Based on Singlechip
ZHANG Qiang， ZHANG Chao-long， LI Nan， JIANG Shan-he， LI Yan-mei
（School of Physics and Electronic Engineering， Anqing Normal University， Anqing 246011， China）
Abstract： Along with the acceleration of urbanization and the rapid growth of the population， the numbers， frequency， causing losses of fire in our country are rising. Therefore， it is particularly important to find fire and control the disaster in the shortest time and minimize the loss of people"s life and property. Singlechip STC89C52 is selected as the central control unit in the paper， where detection unit is composed of a MQ-2 type semiconductor gas sensitive smoke sensor and a DS18B20 digital temperature sensor. Four function setting keys and the four bit digital tube display screen are included in the design. Intelligent fire alarm can be used to real-time monitor fire and automatically alarm.
Key words： smoke sensor； temperature sensor； automatic alarm； singlechip
1 背景
当今社会，随着城市化的深入发展，城市人口密度的增加，让火灾越来越成为人们关注的重要安全隐患之一。为了减少火灾造成的损失，有必要加强对火灾的监控，最大限度地减少社会财富的损失[1，2]。鉴于此，本文提出了一种智能火灾报警系统，采用STC89C52单片机作为主控核心，由温度传感器模块[3]、烟雾传感器模块[4]等组成，从而对温度和烟雾进行双重自动检测。一旦温度或烟雾值超标，系统会准确、及时自动报警，可以较为准确的探测火灾灾情。用户可以根据需要，自行设置报警值，并可以手动开启报警。本设计性能稳定，结构简单，易操作，成本低，适用于各类生产环境中的火灾检测。
2 火災检测原理
对火灾的检测，主要是检测火灾产生的温度和烟雾。本设计使用数字温度传感器、气敏式烟雾传感器来实现对温度和烟雾的检测。气敏式烟雾传感器的检测原理如下：气敏式烟雾传感器对烟雾的检测主要利用了气敏式烟雾传感器中的半导体材料的电导率随可燃气体的浓度发生变化而变化这一原理，当可燃气体与气敏式烟雾传感器中的半导体材料接触时，可燃气体自身释放电子变成正离子，然后吸附在半导体表面，其释放的电子进入半导体，使半导体材料内部可移动电子数量增加，即使半导体的电导率下降。用电路将半导体材料电导率的变化与气体浓度变化一一对应，便可实现对烟雾的检测[5]。
3 设计总体规划
火灾探测器检测现场的温度和烟雾浓度后送至控制器。经控制器分析处理后将数据送至数码管进行显示，并控制报警器是否发出报警。设置按键可以对烟雾浓度和温度值进行预设。当控制器接收的现场数据大于预设报警值时，控制器立即控制报警器报警，并在LED数码管显示器上显示现场检测的烟雾级别和温度值。
4 硬件设计
本设计硬件部分共有8个模块，分别为STC89C52最小系统模块、DS18B20温度传感器模块、MQ-2烟雾传感器模块、A/D转换模块、报警器模块、状态指示灯模块、控制键模块、七段数码管显示模块。
4.1 STC89C52最小系统模块
STC89C52最小系统模块由复位电路、时钟电路和单片机三个主要部分组成。当按下复位开关，STC89C52单片机的RST引脚出现高电平，单片机内部就开始复位。STC89C52单片机提供了上电复位和按键复位两种方式，本设计中采用按键复位电路[4]。STC89C52提供了外部时钟电路和内部时钟电路两种方式，本设计采用12MHz晶振的内部时钟电路方式，在晶振两端接2个30pf的陶瓷电容，作用是稳定频率和快速起振。
4.2 DS18B20温度传感器模块
本设计所采用的用于温度测量的PR-35封装方式DS18B20数字温度传感器，该封装仅有3个引脚：用于给芯片供电的正负端VCC、GND和用于数据传输的DQ。接线时可采用外部电源供电或内部寄生电源供电方式，用于数据传输的DQ引脚需要外接上拉电阻，电阻值通6.8KΩ[5]使用第一种供电方式，在使用时VCC、GND与电源相连接，为芯片供电，DQ引脚接6.8KΩ左右的上拉电阻后再与单片机的P3.3引脚连接，为单片机提供数据输入。
4.3 MQ-2烟雾传感器模块
本设计使用的是用二氧化锡半导体材料作为主要器件制成的MQ-2型气敏式烟雾传感器。MQ-2烟雾传感器由于其内部特殊的结构，使用时会出现发热的现象，故要先预热一定的时间才能进行烟雾检测。
4.4 报警器模块
报警电路蜂鸣器的负极接地，正极与PNP型三极管的集电极相连；三极管的发射极与电源VCC相连；基极经1KΩ的电阻后接至单片机的P3.7引脚，当P3.7引脚为低电平时三极管导通，在延时程序的作用下，P3.7引脚往复发出高低电平，从而蜂鸣器发出蜂鸣声报警。
4.5 控制键模块
控制键电路包括4个按键S1、S2、S3、S4一端同时接电源负极，另一端与单片机的P0.0至P0.3四个引脚相连。4个控制按键有以下几个功能，S1：手动报警键，按下后进入手动报警功能。S2：报警值设置键，对烟雾浓度和温度报警值进行设定。S3：报警值减键，减小当前设定项的报警值。S4：报警值加键，增大当前设定项的报警值。
4.6 整体电路图
整体电路图如图2所示。
6 系统软件设计
主程序流程如图3所示，系统初始化后不断执行以下四种基本功能：1、显示数据，由单片机处理采集的数据后送到数码管中进行数据显示。2、判断是否开启手动报警，若开启手动报警，则进行声音报警和状态显示，同时判断是否取消手动报警，若不取消，则蜂鸣器发声、红黄绿三灯循环闪烁；若取消手动报警或不开启手动报警，则进行第三功能。3、判断是否设置报警值，若是则进行报警值的设置，同时判断是否结束设置，若不结束，则继续设置，若结束或不开启设置报警值，则进行第四功能。4、判断是否显示精确值，若显示，则显示浓度的值和温度的三位有效数值，同时判断是否退出精确值的显示，若不退出则继续显示，若退出或不显示精确值，则循环主程序的四项功能。
7 测试
图4是在室内的测试图，室内温度为15摄氏度，均低于预设的报警值，此时绿色LED指示灯亮起。
图5是在按下S4按键后，显示屏仅显示温度的精确值，用火源靠近温度传感器时测得的瞬时温度为57.1摄氏度，高于20摄氏度的预设温度值，此时红色LED指示灯亮起，蜂鸣器发出滴滴声报警。
图6是在按下S3按键后，显示屏仅显示烟雾的浓度，然后用雾源靠近烟雾传感器测得的烟雾浓度值为68，高于预设烟雾等级，此时黄色LED燈亮起，蜂鸣器发出滴滴声报警。
8 总结
本设计是以STC89C52单片机为核心的可以实现自动报警、声光报警、浓度显示、温度显示、报警值设置、精确数据显示等功能的智能火灾报警器。本设计采用Altium Designer13绘制电路原理图，Keil uVision3和stc-isp-15xx-v6.86I进行软件编写和程序烧制， Visio 2007进行流程图与原理框图的绘制。本设计的软件部分是用C语言进行编写，与汇编语言相比，具有编写简单、模块清晰等特点。本设计还可以进一步创新，比如可以添加一个自动灭火的装置，当检测到发生火灾时，系统通过控制马达打开水阀，达到灭火的目的。
参考文献：
[1] 范维澄， 刘乃安. 中国火灾科学基础研究进展与展望[J].中国科学技术大学学报，2006，36（1）：1-8.
[2] 梁运涛， 罗海珠. 中国煤矿火灾防治技术现状与趋势[J].煤炭学报，2008，33（2）：126-130.
[3] 樊强. 基于DS18B20的温度采集系统设计实现[J].农机化研究， 2011，11（12）：161-164.
[4] 郑道林. 基于MQ-2与GSM的CO监测报警系统的设计[J].电子设计工程，2014，14（4）：162-165.
[5] 宋彦雄， 蔡岱贤. 基于单片机的楼宇火灾智能报警系统设计[J].机电工程技术，2011，1（5）：45-48.
【通联编辑：谢媛媛】