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智能火灾报警系统的设计和开发

王亚胜 王景

【摘 要】近年来，在我国人们生活水平提高的同时，石油能耗也随之加大。而在石油工业生产中的防火工作也越来越重要，目前国内的许多研发都侧重于大型工业场所的火灾报警，造价高昂，成本较大。因此，有必要研制一种结构简单、更经济实用的报警器以适应市场的需求，在不影响工业产值的情况下节约成本。基于工业使用的火灾报警器应该具备的基本要求和功能，适合火灾前期烟雾探测的报警器。
【关键词】石油工业生产；经济实用；单片机；火灾报警系统
一、引言
国外从上世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，日本也在六十年代开发完成第一台家用燃气泄漏报警器，报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，我国在70年代初期就才开始了对火灾报警器研究，一方面是由于社会的需要，另外一方面也为了减少国家的经济损失，应用范围从单一到种类繁多，产品数量也在不断增加。不过从发展的角度来看，我们大都是在引进国外先进的传感器技术，并且在国外先进的生产工艺基础之上，对其进行研究从而大力开发属于自己的特色火灾报警器。随着国家的大力发展，近年来，我国在烟雾选择性和产品稳定性上都有很大进步。具备高度集成化、智能化的单片机得到了广泛的应用，它的发展前景巨大，在社会大生产中，单片机无处不在，本设计是单片机联系实际的一个应用，基于单片机的火灾报警器是通过检测可燃性气体浓度作为条件判断报警；若这类气体泄漏达到爆炸极限时，可让单片机经过反应发出声光警报，同时起动流风机等通风设备，预防并阻碍火灾事故的发生。
二、设计思路与方案的选择
（一）整体设计思路
本次设计是基于STC89C52的火灾报警器，能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能。该报警系统的最基本组成部分包括：信号采集模数转换模块、单片机控制电路、流风机电路、声光报警电路和比较器电路等部分。设计的火灾报警器具有显示报警状态，为适应工业生产场所对可燃性易爆烟雾安全性等要求。报警器以STC89C52单片机为控制核心，延时的工作方式，选用MQ-2半导体气体烟雾传感器，用来采集烟雾浓度信息，配合外围电路以构成火灾报警系统，从而达到自己设计的目的。
（二）设计方案的选择
1.烟雾检测传感器选型
烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性，MQ-2烟雾传感器内部结构如图所示。现在的市面上有很多种烟雾探测传感器，有接触燃烧式传感器、半导体烟雾传感器、离子感烟传感器、光电式感烟传感器等等，在众多烟雾传感器的应用特性的对比之下，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出。比如灵敏度高、响应快、体积小、结构简单等优良特性，而且还兼具使用方便、价格便宜等优点，并且在报警的过程中，不具有其他传感器所具备的缺陷，比如探头阻缓及中毒现象，而且在维护成本方面，也是比较低廉的，因而得到广泛应用。因此，本方案中的烟雾传感器采用选用MQ-2半导体气体烟雾传感器。 【1】
三、系统概述与硬件方案的设计
（一）系統总体框架
火灾报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器。该报警系统的最基本组成部分应包括：信号采集模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路等部分组成。
为适应工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的火灾报警器具有显示报警状态。烟雾检测报警器以STC89C52单片机为控制核心，选用MQ-2半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度信息，配合外围电路构成火灾报警系统。本设计包括硬件和软件设计两个部分。
从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：烟雾检测电路、STC89C52单片机主控部分、报警部分、数码输入输出部分。电路总体设计框图如图4所示：
处理器采用51系列单片机STC89C52。整个系统是在系统软件控制下工作的。设置在监测点上的烟雾检测探头将检测到的烟雾变换成电信号，送出模拟信号，给AD采集电路采集。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出火灾报警状态控制信号。驱动蜂鸣器及报警指示灯报警。【2】
（二）电源模块
由于本系统采用电池供电，考虑了如下几种方案为系统供电。
方案1：采用5V蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，在报警器上使用极为不方便。因此放弃了此方案。
方案2：采用4节1.5 V干电池共4.5V做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。
综上所述采用方案2，电源模块原理图如图5所示，其中P1为电池接口，SW1为电源开关。
（三）单片机最小系统
单片机如果需要工作起来，构成为单片机最小系统的基本构成如图所示。单片机是智能火灾报警器的控制中心，单片机最小系统的合理设计是系统平稳运行的前提，所谓最小系统，就是能够保证单片机运行的最精简的硬件设计。【3】
单片机最小系统大致由三部分构成，第一部分包含单片机，第二部分包含复位电路，最后一部分由时钟电路构成，这三部分每一部分都有其独立功能，能够单独工作却又互相协作。
四、结束语
本篇设计对火灾报警系统做了明确的阐述，从选题背景与意义出发，拟定初步设计方案，确定设计思路来实现所制定的功能，虽然基本完成了该系统所要求实现的功能，但仍然存在着诸多不足之处，出于仿真的角度考虑，对单元电路的仿真设计与实际有一定的差别，仿真电路中主要针对的是功能的直观表现，简化了对单元电路的设计，本设计只是火灾报警器中一个比较典型的设计，设计功能还有欠缺，此设计方案也提供一种专业类的教程，在现实生产与操作中更能对现场一线工人进行技术指导，利于设备的维护与保养。我们也将继续在工作生产中进行专业的知识的实际应用与学习，并对后续的系统进行升级与完善。
【参考文献】
[1] Chen，S-J，Hovde，使用烟雾和气体传感器火灾探测，消防安全J.2007，42，507-515
[2] 刘迎春.传感器原理设计及应用，哈尔滨：哈尔滨工业大学出社.2001.89-100
[3] 余成波.传感器与自动检测技术[M].高等教育出版社.2004.34-25

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