智能烟火报警器的设计与实现
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摘要：随着社会和经济的发展，我国对火灾的监测系统研发的方向多偏向于大型防火的报警设计，其繁杂的系统与研究需要的资源多、花费高，对于普通家庭不实用。在住宅、厂房等人口较为集中的区域，为了降低火灾发生的概率，我们需要开发一种廉价高效且容易操作的家庭智能防火报警系统。随着人们物质生活条件的改善，家庭生活中使用的大功率电子电气设备越来越多，对于一些不会合理使用电器的家庭和老旧房屋住宅区的居民，老旧电线更换不及时，用电负荷不断加重，发生电气火灾事故的可能性增大。因此大批量的火灾报警器应用在我们生活中，目前大部分火灾烟雾报警器都是由火灾烟雾探测芯片组成，烟雾探测芯片接收到相关信号，然后对数据进行分析处理，从而判定是否有火灾发生，这种设计方式虽然结构简单但反应慢实时性差，会产生漏报和错报等一系列问题。为此我们需要完善火灾报警器设计方法。提高其安全性、准确性和实用性。
关键词：烟雾报警器;单片机;传感器;GMS网络
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）02-0238-02
1 研究背景
目前，我国对火灾的监测系统研发的多方向偏向于大型防火的报警设计，其复杂的系统与研究需要的资源多花费高，对于普通家庭不实用。同时在恶劣条件下防火灾报警器的抗干扰能力较差，缺乏实用性。在住宅、厂房、学生及员工集体宿舍等小型预防区域，为了达到实时监测的效果，我们需要开发一种廉价高效且容易操作的家庭智能防火报警系统。
2 项目基本情况简介
为了实现对容易发生火灾的区域的全方位监测，及时发现并排除火灾隐患，该智能烟雾报警器将计算机网络、传感网进行有效的结合，报警器通过无线烟雾传感器、无线温度传感器实现对场地的烟雾、温度自动监测，当发生火灾时，利用无线传输技术发送数据，能够完成对火情初期迅速自动感应。本项目开发一种智能煙雾防火报警系统，主要实现人们居住安全所需的火灾实时监控和防范报警功能，其控制运行简捷又可靠，使用传感器和现有的无线通信技术，实现家庭火灾防范的目标。当烟雾进行上升运动时，到达智能烟火报警器监测范围内能够通过对烟雾的探测发现火灾。即便在你还没有看到火苗或闻到烟雾时，烟雾传感器已经探测到了。它的工作周期长，在电源接通设备完好的情况下，它不停工作，实时监测准确率高。当发出警报时，它发出很大的声音，直到烟散开。在真实的火灾中其监测实效性高。
3 主要设备的选择
3.1 单片机的介绍
在设计中把单片机作为该烟雾报警系统的核心部件，在设计方案中使用AT89S52单片机作为核心处理器件，单片机即单片微型计算机，它采用大规模集成电路技术把微处理器、数据存储器、输入输出电路时钟电路、A/D转换器等电路集成到一块独立的芯片上，组成一个完善的微型计算机系统[1]。在相应软件的控制下，这些电路能够独立、高效、精确、迅速地完成程序所给定的任务。单片机不仅可以接收到传感器的模拟信号同时做出信号检测，还可以分别对信号进行数据处理，控制电路后续的相关工作。
AT89S52单片机属于8位单片机，一般情况下它适用于大部分常规编程器，采用flash-rom技术能够实现与MCS-51系列完全兼容。 AT89S52单片机采用CMOS工艺制造其优势是使用性能好功耗较低，AT89S52单片机具有价格低、工作稳定、通用性强、准确率高等特点，给许多嵌入式应用系统提供了灵活、高效的解决方案[2]。
3.2 传感器的介绍
传感器是能接收到输入变量的信息，并依照相应的规律转换成可用输出信号的一种器件。在项目方案设计中把烟雾传感器视为控制系统和监测装置的重要前提与环节，烟雾报警器的信号都是由烟雾传感器采集和输送的。本设计所应用的传感器是MQ2型烟雾传感器。利用烟敏电阻来检测烟雾浓度，从而实现火灾报警的功能。MQ-2烟雾传感器是在200摄氏度时，二氧化锡会在空气中吸附氧气，形成负离子吸附，从而减小半导体中的电子密度，放大其电阻值[3]。当与烟接触时，如果烟对晶界势垒进行调节，则表面电导率会发生变化。利用这些条件，可以有效获取烟雾存在的信息。烟雾浓度越高，电导率越大，输出电阻越低，输出模拟信号越大。
特点：
1） 具有信号输出指示。
2） 双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）。
3） TL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直连单片机）
4） 可以迅速感应到液化气、天然气、城市燃气具等易燃气体的存在。使用寿命长，稳定性可靠。
4 设计概述
我们在学习了单片机的工作原理及其应用之后着手研究该项烟火报警器的设计，熟练掌握与运用所学的单片机技术和传感器知识去设计开发该智能烟火报警器系统。其中单片机控制电路和烟雾传感电路是烟雾报警器的重要组成部分。把报警电路设备、传感器与单片机紧密结合在一起，预先给烟雾报警器设置一个固定的参数值，当监测区域达到预先给定的参数值时，烟雾传感器把被测的物理量作为输入参数，转换成电量输出。用A/D转换电路将传感器检测信息转换成单片机可处理的数字信号，模拟-数字转换电路将烟敏电路输出的模拟信号转换为可被单片机识别和读取的数字信号，最后发送给单片机。此时设置单片机的一种输出方式和输入方式，单片机对该数字信号进行相应的处理，同时单片机对处理后的数据做出分析，与预先给定的数值进行比较，如果小于则烟雾报警器处于正常工作状态，反之烟雾报警器将立即开启报警电路并发出报警声音。完成智能烟火报警器整体设计 。使用传感器收集得到实际监测范围内的烟雾浓度信息，协同电路组成完整的烟雾报警系统。把单片机和烟雾传感器作为烟雾报警设备的两大重要组成部分，此时选择什么类型的单片机和传感器是该项设计的首要问题。 5 智能烟火报警器的整体设计方案
通过对器件进行实验比较，我们最终选择使用AT89S52单片机和MQ-2传感器作为该项研究的重要设备完成智能烟火报警器的方案设计。本文选用AT89S52单片机作为控制器，选用MQ-2半导体可燃气体传感器实现烟雾探测功能。与外围电路结合形成烟雾报警系统。AT89S52单片机是报警设计的核心部件。不仅控制着A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，还可以通过计算机对采集到的数字电压值进行处理，得到相应的二进制码，并与设定值进行比较。
该设计同时采用GSM短信息模块来实现无线数据传输功能，把GSM网络作为传输的媒介。本设计方案主要是利用它的数据传输功能，该智能烟火报警器系统的信息传输方式与两个手机用户间通信方式很相似。微控制器单片机是本设计的核心，根据SMS通信模块的通信协议与GSM短消息通信模块进行通信，发送和接收短消息。主控单片机电路接收并解释短信息指令，对连接在系统上的各功能子模块进行控制。通过主控单片机，可以实现对所监测区域烟雾浓度实时监测，在外部环境出现异常时烟雾报警器发出报警声响同时按照程序预先设置的号码进行短消息报警。在系统报警时提供备用电源，在无电情况下自动切换交直流电源，以确保系统在发生停电时能够继续工作。整个系统的软件编程通过C语言实现了单片机AT89S52的控制功能。烟火报警系统初始化完成后系统开始正常工作，（MQ-2体传感器需开机预热几分钟）AT89S52单片机对传感器获取到的烟雾信号进行模数转化，然后与预先设置的数值对比，如果超过限定值报警器发出报警声音，实现报警功能。主程序流程图如图1所示。
6 总结
该智能烟雾报警器是一款火灾预警设备。它主要应用于住宅区、学生公寓、厂房、仓库等人口聚集火灾容易发生的场所。我们的日常生活中火灾发生的风险总是存在的。如果对火灾的预防不到位，小型火灾事故未及时发现等到火势蔓延，需要花费很长的灭火时间，灭火难度较大，破坏力极强，通常会损害人们的人身安全和财产安全。烟雾报警器能尽早发现火源，极大程度上提高了火灾救援效率，最大限度地减少火灾损失。所以，安装智能烟火报警器能够在火灾发生时，及时发出报警讯号，通知有关人员及时展开救援行动，尽量减少损失。研发出一款实用性强的火灾报警器很有必要。
参考文献：
[1] 曾炜.远程火灾报警器的设计与研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2005.
[2] 王树勋.MCS- -51 单片微型计算机原理与开发[M].北京：机械工业出版社，1995.
[3] 何希才.传感器及其应用电路[M].北京：电子工业出版社，2001.
【通聯编辑：梁书】
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