论文部分内容阅读
摘 要：本文设计了一种火灾报警器，它能对温度、火光、烟雾等进行实时监测，一旦达到预警值将发出警报，利用GSM通信模块，自动向户主发送短信通知、拨打电话，并打开灭火装置。51系列单片机为核心，采用多种电阻式传感器对温度、火光、烟雾等情况进行数据采样，是一种结构简单，性能稳定，使用方便，智能化的火灾报警器。
关键词：电阻式传感器；火灾报警器；GSM；单片机
1硬件电路设计
本报警器使用温度传感器检测温度，火焰传感器检测火焰，使用烟雾传感器检测可燃气体，使用STC89C52单片机作为系统控制核心。室内温度变化、光照强度与烟雾浓度等变化引起传感器中电阻值变化，转换为电压量的变化，模拟信号经过A/D转换器数字化，最后数字信号传送到单片机，单片机对接收到的信号进行判断。若超出所设定的阈值则预警，并通过发短信、打电话的方式通知户主检查灾情，甚至可在户主不在现场的情况下，远程控制灭火；当未超过所设定的阈值时，系统处于待机状态。系统硬件结构如图1所示，电路原理如图2所示。
（1）STC89C52单片机
STC89C52是一种低功耗、高性能8位微控制器，具有8K可编程Flash 存储器、中央处理器、数据存储器（RAM）、EEPROM、定时/计数器、I/O接口、UART接口和中断系统、SPI接口、高速A/D转换、PWM以及硬件看门狗、电源监控、片内RC振荡器等模块。本系统设计主要应用其PWM、四路10位高速A/D转换模块、SPI接口、定时/计数器、I/O接口等功能模块。
（2）电阻式传感器
本报警器用到三种电阻式传感器：温度传感器、火焰传感器、烟雾传感器，它们敏感元件分别是热敏电阻，光敏电阻，气敏电阻，具体工作原理如图3所示。
其中，敏感元件是传感器中能直接感受或响应被测量的部分，并输出与被测量成确定关系的物理量（包括电学量）；转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量即非电物理量（如温度、光强、烟雾等）转换为适于传输或测量的电学量（如电路参数量、电压、电流等）；转换电路功能是将电路参数量（如电阻、电感、电容等）转换成便于测量的电學量，例如电压、电流等。
温度传感器是一种双端固态热敏传感器，可以根据温度的微小变化来改变其电阻值，其温度特性与半导体材料的导电机制密切相关。它是一种由高度敏感的金属氧化物制成的固态器件，它们在分子水平上运行，当最外层（价电子）电子变得活跃会产生负温度系数，或者活性降低，产生正温度系数，热敏电阻增加。利用这种电阻随温度显著变化的特性制成。
火焰传感器中的光敏电阻是利用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。在特定波长光的照射下，其阻值迅速减小。光照产生的载流子参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光照愈强，阻值就愈低。
烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏电阻，属于表面离子式N型半导体。处于200～300摄氏度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的调制而变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾浓度的信息，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。
（3）GSM通信模块
本设计中GSM通信采用SIM800L模块，可支持4频GSM/GPRS，工作的频段为：GSM850、EGSM900、DCS1800和PCS1900MHz，工作电压3.7-4.2V（电流峰值1A），模块上电自动开机，自动寻网。通过GSM模块可向预设电话号码报警，亦可向GSM模块拨打电话查询实时温度。
正常情况下，单片机循环启动温度传感器测量温度并存储，当GSM模块收到有电话打入的信号后，把信号传给单片机，再由单片机控制GSM模块，向打入的号码发送实时的温度情况，即温度查询。当超过温度阈值时，自动拨打主人电话进行报警。
（4）声光报警模块
本模块用发光二极管和蜂鸣器来实现声光报警功能。单片机控制BEEP脚的高低电平来控制蜂鸣器和LED工作，Q7为NPN型三极管。BEEP为高电平时，三极管导通，蜂鸣器和LED灯接地；BEEP为低电平时，三极管截止，蜂鸣器和LED不报警。R34为上拉电阻，R35和R36为限流电阻。
2软件设计
本系统的程序由C语言编写，程序流程如图4所示，程序流程如下：
（1）通电，系统初始化；
（2）采用中断方式通过传感器采集现场数据；
（3）数据采集后，系统会自主判断周围情形是否会发生火灾，如果没有出现火灾趋势则返回；如果有火灾趋势，进行声光报警，拨打电话给户主，采取相应措施；
（4）当异常报警结束后（火灾的趋势已被遏制），系统恢复初始状态，继续检测。
3结语
本文主要对基于电阻式传感器的火灾报警器进行了研究和分析，先对报警器的整体设计思路进行了简要说明，之后对单片机、电阻式传感器、GSM通信模块以及其它电路模块进行了详细介绍，并且对报警器主程序做了说明。结果显示，火灾报警器对于预防火灾具有良好的效果，而且，本设计价格低廉，结构简单，性能稳定，尤其适合于家庭小居室的使用要求，具有一定的应用价值。
参考文献：
[1] 贾麟.基于单片机的家居报警系统构建[J].产业和科技论坛，2011年14期.
[2] 陈昭文.基于传感器和GSM短信报警的智能家居系统[J].无线互联科技，2013年12期.
[3] 吴立刚.智能火灾报警系统设计中单片机的应用[J].电子技术与软件工程，2018年14期.
关键词：电阻式传感器；火灾报警器；GSM；单片机
1硬件电路设计
本报警器使用温度传感器检测温度，火焰传感器检测火焰，使用烟雾传感器检测可燃气体，使用STC89C52单片机作为系统控制核心。室内温度变化、光照强度与烟雾浓度等变化引起传感器中电阻值变化，转换为电压量的变化，模拟信号经过A/D转换器数字化，最后数字信号传送到单片机，单片机对接收到的信号进行判断。若超出所设定的阈值则预警，并通过发短信、打电话的方式通知户主检查灾情，甚至可在户主不在现场的情况下，远程控制灭火；当未超过所设定的阈值时，系统处于待机状态。系统硬件结构如图1所示，电路原理如图2所示。
（1）STC89C52单片机
STC89C52是一种低功耗、高性能8位微控制器，具有8K可编程Flash 存储器、中央处理器、数据存储器（RAM）、EEPROM、定时/计数器、I/O接口、UART接口和中断系统、SPI接口、高速A/D转换、PWM以及硬件看门狗、电源监控、片内RC振荡器等模块。本系统设计主要应用其PWM、四路10位高速A/D转换模块、SPI接口、定时/计数器、I/O接口等功能模块。
（2）电阻式传感器
本报警器用到三种电阻式传感器：温度传感器、火焰传感器、烟雾传感器，它们敏感元件分别是热敏电阻，光敏电阻，气敏电阻，具体工作原理如图3所示。
其中，敏感元件是传感器中能直接感受或响应被测量的部分，并输出与被测量成确定关系的物理量（包括电学量）；转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量即非电物理量（如温度、光强、烟雾等）转换为适于传输或测量的电学量（如电路参数量、电压、电流等）；转换电路功能是将电路参数量（如电阻、电感、电容等）转换成便于测量的电學量，例如电压、电流等。
温度传感器是一种双端固态热敏传感器，可以根据温度的微小变化来改变其电阻值，其温度特性与半导体材料的导电机制密切相关。它是一种由高度敏感的金属氧化物制成的固态器件，它们在分子水平上运行，当最外层（价电子）电子变得活跃会产生负温度系数，或者活性降低，产生正温度系数，热敏电阻增加。利用这种电阻随温度显著变化的特性制成。
火焰传感器中的光敏电阻是利用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。在特定波长光的照射下，其阻值迅速减小。光照产生的载流子参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光照愈强，阻值就愈低。
烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏电阻，属于表面离子式N型半导体。处于200～300摄氏度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的调制而变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾浓度的信息，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。
（3）GSM通信模块
本设计中GSM通信采用SIM800L模块，可支持4频GSM/GPRS，工作的频段为：GSM850、EGSM900、DCS1800和PCS1900MHz，工作电压3.7-4.2V（电流峰值1A），模块上电自动开机，自动寻网。通过GSM模块可向预设电话号码报警，亦可向GSM模块拨打电话查询实时温度。
正常情况下，单片机循环启动温度传感器测量温度并存储，当GSM模块收到有电话打入的信号后，把信号传给单片机，再由单片机控制GSM模块，向打入的号码发送实时的温度情况，即温度查询。当超过温度阈值时，自动拨打主人电话进行报警。
（4）声光报警模块
本模块用发光二极管和蜂鸣器来实现声光报警功能。单片机控制BEEP脚的高低电平来控制蜂鸣器和LED工作，Q7为NPN型三极管。BEEP为高电平时，三极管导通，蜂鸣器和LED灯接地；BEEP为低电平时，三极管截止，蜂鸣器和LED不报警。R34为上拉电阻，R35和R36为限流电阻。
2软件设计
本系统的程序由C语言编写，程序流程如图4所示，程序流程如下：
（1）通电，系统初始化；
（2）采用中断方式通过传感器采集现场数据；
（3）数据采集后，系统会自主判断周围情形是否会发生火灾，如果没有出现火灾趋势则返回；如果有火灾趋势，进行声光报警，拨打电话给户主，采取相应措施；
（4）当异常报警结束后（火灾的趋势已被遏制），系统恢复初始状态，继续检测。
3结语
本文主要对基于电阻式传感器的火灾报警器进行了研究和分析，先对报警器的整体设计思路进行了简要说明，之后对单片机、电阻式传感器、GSM通信模块以及其它电路模块进行了详细介绍，并且对报警器主程序做了说明。结果显示，火灾报警器对于预防火灾具有良好的效果，而且，本设计价格低廉，结构简单，性能稳定，尤其适合于家庭小居室的使用要求，具有一定的应用价值。
参考文献：
[1] 贾麟.基于单片机的家居报警系统构建[J].产业和科技论坛，2011年14期.
[2] 陈昭文.基于传感器和GSM短信报警的智能家居系统[J].无线互联科技，2013年12期.
[3] 吴立刚.智能火灾报警系统设计中单片机的应用[J].电子技术与软件工程，2018年14期.