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【摘 要】球团生产目的是通过烧结球团的方式为冶金高炉提供强度适中、化学成分稳定和冶金性能良好的炉料，球团的生产经历了配料、造球、转运、煤气加压和竖炉焙烧等过程，生产过程工艺复杂，火灾隐患始终困扰着球团生产厂的发展。基于以上原因，火災报警系统的研究和设计是球团生产厂必须考虑的问题，为此文章以攀枝花水钢红发矿业有限公司球团生产为例，采用AT89C51系列单片机作为系统的主控芯片、DS18B20作为数字温度传感器、MQ-2作为烟雾传感器、ADC0832作为AD转换电路等对球团生产厂火灾报警系统的硬件电路进行设计，该系统的设计为保障球团的安全生产和火灾预警具有十分重要的意义。
【关键词】火灾报警系统;硬件电路;设计
【中图分类号】TU892 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）07-0046-03
0 引言
球团生产目的是通过烧结球团的方式为冶金高炉提供强度适中、化学成分稳定和冶金性能良好的炉料，球团的生产经历了配料、烘干、润磨、造球、生筛、转运、煤气加压和竖炉焙烧等过程，由于球团生产工艺复杂，火灾隐患始终困扰着球团生产的发展，因此为了消除生产过程中的火灾隐患，保障球团正常的生产，避免球团生产过程中火灾的发生，研究火灾报警系统对球团的安全生产具有十分重要的意义。
球团生产的防火灾报警系统由硬件电路和软件编程两个部分构成，本研究以系统硬件设计为主，在软件设计的支持下，实现球团企业的火灾报警系统设计。
1 球团生产火灾报警系统的设计要求和设计方案
1.1 火灾报警系统的设计要求
基于攀枝花水钢红发矿业有限公司球团生产厂的特点，对火灾报警系统的设计要求如下：？①对厂区的温度和烟雾浓度的监控适实显示在显示屏上;②采用声（蜂鸣器）和光（二极管）报警方式;③烟雾浓度分为0～160等级，温度范围可以在0～99 ℃变化，并且这两个参数可以根据使用的环境进行自动设置;④在进行报警或者实现其他的功能时，系统不会对温度和烟雾浓度的采集产生影响。
1.2 球团企业火灾报警系统的设计方案
基于球团生产的火灾报警系统设计要求，本系统采用的设计方案如图1所示，图1中采用DS18B20作为温度传感器，MQ-2作为烟雾传感器，通过按键电路对报警的阈值参数进行设置，通过LCD1602对温度和烟雾浓度进行显示，通过蜂鸣器和LED灯实现声光报警。
2 系统硬件电路设计
2.1 单片机最小系统电路的设计
单片机的最小系统通常由晶振、复位电路和单片机组成，它是火灾报警系统的控制核心，其中复位电路所产生的复位信号确定微控制器的初始操作状态，它分为自动复位和手动复位两种方式，对于手动复位电路来说，其按键开关必须连接到上拉电阻R2上端，以保证复位信号电平为高电平。时钟电路又称晶体振荡电路，它由STC89C51的XTAL1和XTAL2管脚的内外电路组成，它以正弦信号为参考来决定微控制器的运行速度，它控制着单片机的整个工作过程，具体电路如图2所示。
2.2 烟雾检测电路设计
在烟雾检测电路设计过程中，根据球团生产的特点，选用MQ-2半导体传感器作为气体检测元件，它能比较敏感地探测到烟气、天然气、氢气、烷烃、煤气、乙炔、氨等可燃气体，是以导电率低的金属氧化物（SnO2）为主体结构封装而成的，当环境的烟雾浓度增加，其电导率也随之增加。利用这种性质在设计报警器时，只需通过简单的电路就可以实现将MQ-2的电导率变化值转化为对应的气体浓度输出信号，该传感器具有稳定性好、耐用、灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、输出信号稳定等特点，其管脚如图3所示，图3中，2、5管脚为加热电极，（1、3）/（4、6）管脚为测试电极。
2.3 烟雾检测信号转换处理电路设计
烟雾检测信号的处理电路是通过ADC0832完成的，它是将MQ-2型烟雾传感器输出的模拟信号转化为数值信号后卷入到单片机中（如图4所示），其具体原理如下：当MQ-2型烟雾传感器输出模拟信号的值符合A/D转换器ADC0832的输入电平时（检测到的烟雾浓度达到要求时），ADC0832就将模拟信号直接转换成数值信号，直接传递给单片机，STC89C52便发出相应的报警控制指令，报警系统就发出烟雾报警信息，完成系统的声光报警过程。
2.4 温度传感器（DS18B20）电路的设计
DS18B20是最新的智能改进型温度传感器，它具有以下特点：①DS18B20温度的测量范围为-20～100 ℃;②DS18B20的数字温度输出基于“一线总线”方式（“一线总线”是一种特殊的数字信号总线协议，它将独特的电源线和信号线结合在一起;每个芯片都支持网络寻址、零功率等待等），这种特殊的方式可以使多个DS18B20能够方便地形成传感器网络，提高系统的测量效率;③总线自身可以供电，不需要其他的电源供电;④DS18B20在测量温度、时间转换、传输时间距离和分辨率等方面较其他的传感器（如PT100热电阻温度传感器）具有更加突出的优势。在本系统中，由DS18B20温度传感器构成的接口电路如图5所示。
2.5 按键控制电路
按键控制电路由4个按键组成，它们分别为S2紧急报警键、S3设置减键、S4设置加键、S5功能选择设置键。当遇到系统出现问题时、火灾发生时或者其他紧急情形时，就可以按下紧急报警键，此时指示灯和蜂鸣器进行警报。按键控制电路如图6所示。
2.6 显示模块的设计
在传感器检测到外界温度信号和烟雾浓度信号超过阈值电压时，单片机对所检测的信号进行计算，并将检测的数据传送到显示模块进行显示，而显示屏的读/写等操作是通过程序实现的。由于本设计需要显示的内容比较多，所以选用LCD1602液晶显示器作为环境状态显示，该模块的工作电压为5 V，工作电流为2 mA，有16个引脚，VSS（1号引脚）为地电源，VDD（2号引脚）接5 V电源，RS（4号引脚）为寄存器选择端口，当RS为高电平时，系统选择数据寄存器，当RS为低电平时，系统选择指令寄存器，7～14号引脚是双向传输数据线，其电路如图7所示。 2.7 报警电路
当传感器检测到超过阈值的温度数据和烟雾声浓度数据传输给单片机时，单片机通过内部设置的程序发出报警的信息，该驱动信息通过P3.2口经三极管Q1放大，驱动蜂鸣器B1发出报警的声音，同时发光二极管D1不断地闪烁，实现系统的声光报警（如图8所示）。
3 系统软件设计
球团生产火灾报警系统由硬件电路和软件编程两个部分组成，系统在硬件电路设计完成以后，需要对系统的软件进行编程设计。软件编程设计包括主程序的设计、滤波子程序的设计、报警子程序设计、控制按键子程序的设计及显示驱动子程序的设计，其中主程序是整个单片机程序的主体，软件设计的主要思路是将各独立子程序模块通过编程联系起来，实现系统总的功能要求。
4 系统仿真与测试
将以上所设计的硬件电路进行级联，将所设计软件程序下载到系统的单片机中，通过系统的软件调试、硬件调试及软硬件的联合调试后，系统实现了以下的基本功能：①上电后，当温度传感器检测到的温度超过设定阈值或者烟雾传感器检测到的烟雾值超过烟雾设定阈值时，蜂鸣器报警，LED红灯闪烁。②温度传感器检测到的实际温度值和烟雾传感器所检测到的实际烟雾浓度值将显示在LCD1602液晶显示屏上（如图9所示），通过实际测试达到了设计要求的全部功能。
5 结语
通过以上讨论可以看出，基于球团生产防火灾系统的设计要求，本研究主要讨论了防火灾系统的硬件电路设计，在设计过程中，主要采用AT89C51系统单片机作为主控芯片、DS18B20作为数字温度传感器、MQ-2作为烟雾传感器、ADC0832转换模块实现对烟雾数据进行模数转换，LCD1602显示模块显示温度和气体烟雾的浓度，在通过C语言对系统软件编程的情况下，实现了球团生产的环境状态适实显示和火灾声光报警的功能，该系统对于球团企业的安全生产、火灾预警具有十分重要的意义。
参考文献
[1]谢子美.电子线路设计·实验·测试[M].第3版.武汉：华中科技大学出版社，2006.
[2]于波.基于单片机的室内环境监测系统设计[D].青岛：中国海洋大学，2011.
[3]柴恒蕾.基于单片机的温度测控系统设计[J].企业技术开发，2011，30（6）.
[4]费红波，吉锤.可燃气体报警器及其检测标定系统的设计[J].江苏现代计量，2010（1）.
[5]刘千，丁会柱，吴晟暌.基于ARM的智能化公寓安防测控系统设计[J].电子设计工程，2011，19（13）.
[6]顾宝良.通信电子线路[M].北京：电子工业出版社，2002.
[7]张萌，和湘，姜斌，等.单片机应用系统开发综合实例[M].北京：清华大学出版，2003.
[8]吴选忠，倪子伟.基于PC机的新型智能火灾报警控制系统研究[J].低压电器，2008（4）.
[9]谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，1999.
[10]马忠梅，籍顺心，張凯，等.单片机的C语言应用程序设计票[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
【关键词】火灾报警系统;硬件电路;设计
【中图分类号】TU892 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）07-0046-03
0 引言
球团生产目的是通过烧结球团的方式为冶金高炉提供强度适中、化学成分稳定和冶金性能良好的炉料，球团的生产经历了配料、烘干、润磨、造球、生筛、转运、煤气加压和竖炉焙烧等过程，由于球团生产工艺复杂，火灾隐患始终困扰着球团生产的发展，因此为了消除生产过程中的火灾隐患，保障球团正常的生产，避免球团生产过程中火灾的发生，研究火灾报警系统对球团的安全生产具有十分重要的意义。
球团生产的防火灾报警系统由硬件电路和软件编程两个部分构成，本研究以系统硬件设计为主，在软件设计的支持下，实现球团企业的火灾报警系统设计。
1 球团生产火灾报警系统的设计要求和设计方案
1.1 火灾报警系统的设计要求
基于攀枝花水钢红发矿业有限公司球团生产厂的特点，对火灾报警系统的设计要求如下：？①对厂区的温度和烟雾浓度的监控适实显示在显示屏上;②采用声（蜂鸣器）和光（二极管）报警方式;③烟雾浓度分为0～160等级，温度范围可以在0～99 ℃变化，并且这两个参数可以根据使用的环境进行自动设置;④在进行报警或者实现其他的功能时，系统不会对温度和烟雾浓度的采集产生影响。
1.2 球团企业火灾报警系统的设计方案
基于球团生产的火灾报警系统设计要求，本系统采用的设计方案如图1所示，图1中采用DS18B20作为温度传感器，MQ-2作为烟雾传感器，通过按键电路对报警的阈值参数进行设置，通过LCD1602对温度和烟雾浓度进行显示，通过蜂鸣器和LED灯实现声光报警。
2 系统硬件电路设计
2.1 单片机最小系统电路的设计
单片机的最小系统通常由晶振、复位电路和单片机组成，它是火灾报警系统的控制核心，其中复位电路所产生的复位信号确定微控制器的初始操作状态，它分为自动复位和手动复位两种方式，对于手动复位电路来说，其按键开关必须连接到上拉电阻R2上端，以保证复位信号电平为高电平。时钟电路又称晶体振荡电路，它由STC89C51的XTAL1和XTAL2管脚的内外电路组成，它以正弦信号为参考来决定微控制器的运行速度，它控制着单片机的整个工作过程，具体电路如图2所示。
2.2 烟雾检测电路设计
在烟雾检测电路设计过程中，根据球团生产的特点，选用MQ-2半导体传感器作为气体检测元件，它能比较敏感地探测到烟气、天然气、氢气、烷烃、煤气、乙炔、氨等可燃气体，是以导电率低的金属氧化物（SnO2）为主体结构封装而成的，当环境的烟雾浓度增加，其电导率也随之增加。利用这种性质在设计报警器时，只需通过简单的电路就可以实现将MQ-2的电导率变化值转化为对应的气体浓度输出信号，该传感器具有稳定性好、耐用、灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、输出信号稳定等特点，其管脚如图3所示，图3中，2、5管脚为加热电极，（1、3）/（4、6）管脚为测试电极。
2.3 烟雾检测信号转换处理电路设计
烟雾检测信号的处理电路是通过ADC0832完成的，它是将MQ-2型烟雾传感器输出的模拟信号转化为数值信号后卷入到单片机中（如图4所示），其具体原理如下：当MQ-2型烟雾传感器输出模拟信号的值符合A/D转换器ADC0832的输入电平时（检测到的烟雾浓度达到要求时），ADC0832就将模拟信号直接转换成数值信号，直接传递给单片机，STC89C52便发出相应的报警控制指令，报警系统就发出烟雾报警信息，完成系统的声光报警过程。
2.4 温度传感器（DS18B20）电路的设计
DS18B20是最新的智能改进型温度传感器，它具有以下特点：①DS18B20温度的测量范围为-20～100 ℃;②DS18B20的数字温度输出基于“一线总线”方式（“一线总线”是一种特殊的数字信号总线协议，它将独特的电源线和信号线结合在一起;每个芯片都支持网络寻址、零功率等待等），这种特殊的方式可以使多个DS18B20能够方便地形成传感器网络，提高系统的测量效率;③总线自身可以供电，不需要其他的电源供电;④DS18B20在测量温度、时间转换、传输时间距离和分辨率等方面较其他的传感器（如PT100热电阻温度传感器）具有更加突出的优势。在本系统中，由DS18B20温度传感器构成的接口电路如图5所示。
2.5 按键控制电路
按键控制电路由4个按键组成，它们分别为S2紧急报警键、S3设置减键、S4设置加键、S5功能选择设置键。当遇到系统出现问题时、火灾发生时或者其他紧急情形时，就可以按下紧急报警键，此时指示灯和蜂鸣器进行警报。按键控制电路如图6所示。
2.6 显示模块的设计
在传感器检测到外界温度信号和烟雾浓度信号超过阈值电压时，单片机对所检测的信号进行计算，并将检测的数据传送到显示模块进行显示，而显示屏的读/写等操作是通过程序实现的。由于本设计需要显示的内容比较多，所以选用LCD1602液晶显示器作为环境状态显示，该模块的工作电压为5 V，工作电流为2 mA，有16个引脚，VSS（1号引脚）为地电源，VDD（2号引脚）接5 V电源，RS（4号引脚）为寄存器选择端口，当RS为高电平时，系统选择数据寄存器，当RS为低电平时，系统选择指令寄存器，7～14号引脚是双向传输数据线，其电路如图7所示。 2.7 报警电路
当传感器检测到超过阈值的温度数据和烟雾声浓度数据传输给单片机时，单片机通过内部设置的程序发出报警的信息，该驱动信息通过P3.2口经三极管Q1放大，驱动蜂鸣器B1发出报警的声音，同时发光二极管D1不断地闪烁，实现系统的声光报警（如图8所示）。
3 系统软件设计
球团生产火灾报警系统由硬件电路和软件编程两个部分组成，系统在硬件电路设计完成以后，需要对系统的软件进行编程设计。软件编程设计包括主程序的设计、滤波子程序的设计、报警子程序设计、控制按键子程序的设计及显示驱动子程序的设计，其中主程序是整个单片机程序的主体，软件设计的主要思路是将各独立子程序模块通过编程联系起来，实现系统总的功能要求。
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将以上所设计的硬件电路进行级联，将所设计软件程序下载到系统的单片机中，通过系统的软件调试、硬件调试及软硬件的联合调试后，系统实现了以下的基本功能：①上电后，当温度传感器检测到的温度超过设定阈值或者烟雾传感器检测到的烟雾值超过烟雾设定阈值时，蜂鸣器报警，LED红灯闪烁。②温度传感器检测到的实际温度值和烟雾传感器所检测到的实际烟雾浓度值将显示在LCD1602液晶显示屏上（如图9所示），通过实际测试达到了设计要求的全部功能。
5 结语
通过以上讨论可以看出，基于球团生产防火灾系统的设计要求，本研究主要讨论了防火灾系统的硬件电路设计，在设计过程中，主要采用AT89C51系统单片机作为主控芯片、DS18B20作为数字温度传感器、MQ-2作为烟雾传感器、ADC0832转换模块实现对烟雾数据进行模数转换，LCD1602显示模块显示温度和气体烟雾的浓度，在通过C语言对系统软件编程的情况下，实现了球团生产的环境状态适实显示和火灾声光报警的功能，该系统对于球团企业的安全生产、火灾预警具有十分重要的意义。
参考文献
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