基于STM32火灾报警系统设计

基于STM32火灾报警系统设计

在现代社会，火灾是普遍发生的，而且损失也越来越大，人们更加重视对火灾的快速預警。现在有很多火灾预警装置，以红外线探测器和单感应器为主，但其易受热源、阳光等其他因素干扰引起误报，且具有灵敏度低的缺点。针对这种情况，文章设计了基于STM32的火灾报警系统，采用紫外线感应和烟雾感应组合的方式，该系统具有性能稳定、灵敏度高、探测方位广等优点，火焰响应速度极快，可以探测185nm-260nm不同狭窄光谱敏感源。该系统应用范围广，可以用在仓库、厂房、家庭等多种场合。

标签：STM32；紫外线；烟雾感应；自动报警；ADC

1 概述

现代社会中，火灾发生的频率越来越高，逐渐成为最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。因此我们必须将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会经济的损失，尽可能地减少火灾及其对人类造成的危害。由于火灾的巨大危害，因此报警器得以应运而生，报警器在火灾报警方面发挥着无可比拟的优势。传统的报警器采用红外线感应或者单传感器检测的方式，误报率高。针对这种情况，本设计是以Atmel公司的STM32单片机为主控核心，采用紫外线探测和QM2烟雾复合探测的方式。STM32通过紫外线感应和MQ2烟雾感应实时监控环境，当MQ2探测到烟雾时，进行预报警，当紫外线感应到火焰时，STM32通过继电器控制蜂鸣器响鸣并报警。这种监控系统，功耗低，灵敏度与稳定性高，避免了许多误报警状况且应用范围广泛，可普遍应用各种场所。

2 系统硬件设计

2.1 STM32F103RCT6的选用

该芯片为嵌入式32位微控制器，程序存储器容量256KB，RAM容量为48K 最高运行速度可72MHz，采用64-LQFP的封装形式，工作电压为3.3V，工作温度-40℃～85℃，达到工业级要求。对该芯片的设计包括芯片供电、配置晶振、配置引脚、设置复位功能等，设计其连通性能满足CAN、IIC、SPI、UART/USART、USB 等多种总线及串口通信，多通道的选择可以为后期的系统优化和升级提供可行性。

2.2 电源模块设计

系统采用12V直流电源供电，其中12V转5V采用LM2596开关电压调节器，其属于降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的负载调节和线性特性。该器件内部具有集成频率补偿和固定频率发生器功能，开关频率为150KHz，在特定的输入电压和输出负载的条件下，设计输出电压的误差保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内，设计待机电流

仅为80μA的，可以实现外部断电，并且具有一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路。其电路原理如图1所示。

其中5V转3.3V采用AMS1117开关电源芯片，AMS1117是一款正电压输出低压差的三端线性稳压电路，其内部集成过热保护和限流电路，确保芯片和电源系统的稳定性。最高输出电流可达1A，输出电压精度高达2%，温度范围：-20℃-120℃。其电路原理如图2所示。

2.3 MQ2烟雾探测模块设计

MQ2加热电压如果过大会导致的内部信号细线被烧断而无法正常工作，因此需要串联一个电阻分压。MQ-2采用在空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）为半导体气敏材料。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中烟雾浓度的增加而增大。设计简单的电路将电导率的变化转换为与烟雾浓度相对应的输出电压信号，浓度越高输出电压越高，通过电路转换控制电压为0～3.3V，输入到STM32的ADC引脚进行信号处理。设计加热电压为5±0.2V（DC），灵敏度大于3dBV，响应时间小于10S，模块回复时间小于30S，模块功耗小于0.7W，使用寿命为5年。

2.4 火灾紫外线检测模块设计

紫外线检测模块采用R9533紫外线特隆管，可以探测185nm- 260nm不同狭窄光谱敏感源，模块的驱动电路结构如图3所示。该电路作为紫外线特隆管驱动电路，也被用作信号处理电路。电源采用+12V直流供电，通过恒压电路转换为+5V通过高压转换电路升至+350V驱动R9533工作以及为信号处理电路供电，当有紫外线接收到时会产生+3.3V的脉冲波，然后通过集电极开路输出输入到STM32的ADC引脚进行信号处理。该模块紧凑、重量轻、低电流消耗。

2.5 报警模块

当监测到有火情发生时STM32会发出电压信号，三极管8050导通继而继电器吸合，使报警灯电路导通并报警。其电路原理如图4所示。

3 系统软件设计

3.1 ADC_CR1寄存器的操作

STM32拥有的ADC，可以独立使用也可以使用双重模式（提高采样率），是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换采用扫描模式执行，SCAN位设置为1。将各传感器测试数据结果以右对齐方式（ALIGN位设置为0）存储在16位数据寄存器中。模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出报警的高/低阀值。寄存器的各位描述如图5所示。

3.2 软件程序设计

该系统的软件部分的程序设计分为3个部分：MQ2烟雾检测程序、紫外线检测程序、报警模块程序。

MQ2烟雾检测程序：MQ2在没有烟雾状态下输出电压为0，且电压值会随烟雾浓度的增大而升高。测试过程中，使用香烟产生的烟雾为检测量，设置一个阈值。当达到此阈值时，IO口触发中断，节点退出休眠状态，并向STM32上传异常状态即判断有烟雾产生，此时会预报警相应指示灯闪烁。

紫外线检测程序：紫外线传感器正常情况下输出电压为0V，传感器输出电压会随火焰强度的增大而增大。利用紫外线探测火焰中特定波段的紫外线所发出的脉冲量及持续发生时间为检测量，当火焰中特定波段的紫外线所发出的脉冲量及持续发生时间达到预定值时，唤醒模块进入工作状态并向STM32输出脉冲信号。报警模块程序：当STM32控制器检测到火灾发生时，会向控制继电器的STM32引脚输出电压使继电器导通，进而报警灯报警。该模块实现了以低电压控制高电压的功能。系统的流程图如图6所示。

4 测试

MQ2烟雾监测模块在无烟的房间内，烟雾传感器测试的返回值大概在0V左右。点燃香烟距离烟雾50CM左右时，烟雾传感器测试的返回值在2.5V左右，浓烟时MQ2烟雾传感器测试的返回值在3.3V左右。

紫外线传感器的正常工作电压在12V，检测方式采用蜡烛的火焰，经测量紫外线传感器最远监测距离为16M。测得紫外线传感器工作电流为0.025A，报警电流为0.036A，可得最大功率为0.432W，耗电量低。

以紫外线传感器的特隆管为零点，以其正面180°内进行角敏感度测量，并绘制图形如图7所示。从中可以看出传感器的有效感应角度为其正面120°左右范围。

5 结束语

通过对文章中所设计的报警系统进行实验，初步验证了其报警功能。当有烟雾、火焰产生，系统能够迅速响应，启动报警灯报警。设计的系统具有性能稳定、灵敏度高、探测方位广、功耗低的特点。基本可以证明本火灾报警系统的设计是可行可靠的。

参考文献

[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第三版）[M].高等教育出版社，2001.

[2]周峰.基于单片机的智能火灾报警器的设计[J].内江科技，2014（09）.