刘凡 许亮 孙弘忆 王笑影
1. 引言
随着科学技术的飞速发展，人们的生活水平和质量也日益提高。人们幸福感提升的同时，越来越多的安全隐患由于工业生产和日常生活而产生。为了早期发现和通报这些安全隐患，保护人们的生命财产安全，建立报警系统是必要的。火灾安全是众多安全隐患的问题之一。而随着电子技术、计算机科学技术等领域的提高，对于火灾发生的地点与原因也多样化起来。但是火灾报警系统仍有待完善。本文研究重点是面向家庭设计一款结构简单、廉价的单片机火灾报警系统。
2. 系统整体方案设计
基于单片机的火灾报警系统总体包含三个部分，第一部分是以STM32F103单片机的中央处理器。单片机在电路中就像人的大脑，主要负责数据的处理，报警器的状态控制与显示电路的控制等。第二部分是烟雾和温度传感器，通过传感器实时检测当前环境的温度和烟雾数据。并将数据通过其他电路转换成数字信号，最后由单片机处理。第三部分是显示与按键，用户可通过按键控制报警器的阀值同时也能通过显示器看见当前环境的温度与烟雾浓度。该系统总体设计框图如图1所示：
3. 系统硬件方案设计
3.1 STM32F103单片机
STM32F103单片机使用的是MCS-51内核，具有32个I/O接口，8K字节的FLASH存储器，512字节的RAM，程序的语言使用C语言即可完成编译，然后再使用相应的烧录器烧写程序就可以实现该单片机对外围器件的控制了。并且STM32系列的单片机自带A/D转换，这对电路的化简和成本上有一定的作用。而STM32F103具有高性能、低成本、低功耗等优势在32位MCU中性能最强。时钟频率能达到72MHz，功耗也只有36mA是市面上同类产品中性能最高的产品。完全能达本次设计的需求。
3.2 烟雾传感电路
烟雾传感器采用的是MQ-2烟雾传感器，是一种模拟传感器。其工作原理是将空气中的烟雾气体加热然后再经过化学反应从而使传感器内部的电阻丝的电流产生变化，根据其电流的变化量再参考器件使用手册就可以推算出当前环境的烟雾浓度。为了准确的读出气体的浓度值，烟雾传感器需要与STM32F103的A/D接口相连接，再向存储器内写入对应的转换量，就可以将模拟量转换成数字量了。MQ-2烟雾传感器可以检测出烟雾、天然气、煤气、氢气等气体适用于家庭、学校、仓库、工厂等诸多领域。可以满足本设计的场景需求。
3.3 温度传感电路
本设计采用的是DS18B20温度传感器模块。DS18B20是一款单线数字式传感器，所有的元器件以及转换电路都被集中在一个元器件内。输出的结果是以数字量串行输出，可直接与单片机的I/O口相连接，整体工作电压为3.0V-5.5V，测温范围为-55～+125℃，测温精度为±0.5℃，精度转换的最大时间为 750m，反应快、精度高、供电方便、抗干扰能力强，待机零功耗等优点受用于各种工作环境。在寄生电源方式下需使用10K欧的电阻对数据线进行上拉，当总线空闲时，为高电位，可确保稳定。
3.4 显示电路
考虑到需要显示的是温度和烟雾浓度这两组数据，所以只需要能够显示两行以上的显示器即可。所以本设计采用LCD1602液晶显示器。它是一款工业字符型液晶显示器，可以显示两行数据，每行可以显示十六个数字、字母或者符号，可以满足设计的需要。它体积小巧，功耗较低，显示效果良好。LCD1602工作在3.5V-5.0V的电压下，有16个引脚可以控制其内部的读写操作，是一款非常实用的液晶显示设备。
3.5 报警电路
报警电路主要采用的是蜂鸣器、NPN三极管和LED灯组成。通常蜂鸣器的工作电流比较大，电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，所以增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流。在蜂鸣器上并联一个LED二极灯管，当火灾发生时，单片机检测到该环境的火灾信息后会控制报警电路发出警报，届时蜂鸣器与二极管将同时工作以满足不同场景的需求。其电路图如图2所示：
3.6 电源与按键设计电路
单片机的按键电路其实就是一个对高低电平的检测。当按键被按下时，单片机就会来根据电平特性判断程序应该要执行的操作。为了适应不同场景需求，我们设计了三个按键：按键1选择菜单，按键2控制数值加一，按键3控制数值减一。选择菜单可切换两种模式：一是对烟雾报警阀值的大小控制;二是对温度报警阀值的大小控制。
单片机的供电电源我们通过芯片手册知道是5V供电，步进电机和报警液晶显示等电路都是5V供电电压。所以我们采用市场上常用的USB5V供电。
4. 系统软件设计
系统的软件设计其实设计系统的工作程序，主要包括烟雾和温度传感器的采样程序设计、显示电路的显示程序以及按键程序的设计。主程序的执行过程：首先对烟雾和温度传感器以及LCD1602显示器初始化，然后判断温度与烟雾数值是否超过预设阀值，如果超过则警报并显示当前信息，如果否则直接顯示当前信息。初始化后可直接调节警报阀值，采样器时刻采集环境信息。主程序流程图如图3所示：
5. 系统硬件测试
该设计主要是由STM32F103单片机、LCD1602液晶显示器、MQ-2烟雾传感器、DS18B20温度传感器、蜂鸣器、LED灯、电源和三个按键组成。在电路板上能具体看清元器件及其位置。显示屏经过背光调节可以显示当前环境的温度以及烟雾浓度，同时能通过按键调节当前报警的阀值。值得注意的是，MQ-2烟雾传感器是通过加热气体后才能准确测量环境烟雾浓度，所以开机后需要等待一分钟让烟雾传感器预热，否则采集数据将不准确。而且烟雾传感器在工作中放热，所以要注意烟雾传感器与温度传感器在电路中的位置，避免两种传感器相互产生的干扰。总体集成测试成功，实物总体框架图如图4所示：
该火灾报警系统主要靠温度传感器和烟雾传感器组成，实现了对环境温度和烟雾浓度的实时检测，超过上限则进行声光报警。实物实用性强，造价低可以拓展到多点部署方式。按键可调节报警阀值，能灵活运用在不同环境要求下。在实际应用场景中可广泛运用在城市安防、家庭、公司、学校、仓库、石油、化工、燃气输配等多种易起火区域部署。该火灾报警器能第一时间进行报警，以最快的速度进行火情控制。
参考文献：
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