基于STM32F407 的自动灭火报警器的设计

陈紫照，刘付永红，焦耀霆，梁达龙，李灿桐，谢再晋

（1.华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州 510641；2.华南理工大学物理与光电学院，广东广州 510641）

在日益密集的城市建筑群中，火灾隐患不容忽视。近年来发生的多起重大火灾事故让人们意识到火灾的防控工作刻不容缓，其中火情的及时警报又是最重要的一环。

楼宇内部相对于户外，空间比较狭小，这意味着楼宇火警危险系数猛增，因此及时的大范围避险警示是十分必要的。假设楼宇一位置发生火情，其中一带探测器的灭火器感应到火源或者被拿起时，需要向其他装有相同探测器的灭火箱发送无线电信号，使得短时间内设定范围的灭火器都响起警报，让更多人及时发现火情，提高灭火效率。因此，自动检测火情并通报就成为该研究的主要目标。该项目基于多传感器信息融合技术，通过单片机、火情相关传感器、无线传输网路，实现对于被测环境火灾信息的预判和处理，同时将信息在已有通信网络中进行传输和交换。

1 系统总体方案

探测火情信息，需要对建筑物进行全面的检测，灵活获取周围环境的温度、烟气、火焰等参数[1]。

该项目使用单片机STM32F407，通过温度传感器DS18B20、一氧化碳传感器MQ-7、烟雾传感器MQ-2以及火焰传感器对环境进行实时检测[2],把相应传感信息传输给单片机进行整合处理，并通过蜂鸣器发出警报。同时，用NRF24L01 模块构成多个单机无线通信的组网式预警系统[3]，使得在任一位置发生火灾时，该处警报器第一时间发出警报声，同时发出无线电信号，让系统网络内其他灭火器箱也发出警报声。这样既可以让人们及时逃生，也方便人们及时拿起灭火器进行灭火操作。除此之外，增设了手动按键进行报警。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件模块划分

该项目选择了STM32F407 最小系统板作为控制芯片，利用其提供的I/O 口，连接电源、下载器、蜂鸣器、按键开关以及火情探测传感器。

基于火灾现场的特点，传感器部分选用传感器MQ-2探测烟雾，传感器MQ-7探测一氧化碳，传感器DS18B20 探测火焰及温度，通信模块选用NRF24L01模块，控制芯片STM32F407接口电路如图1所示。

2.2 传感器与通信模块的选型

1）温度传感器DS18B20

数字温度传感器DS18B20因为“单线总线”（Oneline bus）接口技术深受用户青睐，同时体积小、电压宽、精度高也是选择它的重要因素。DS18B20 模块测量温度范围为-55～+125 ℃、精度为±0.5 ℃，其内部结构如图2 所示。

2）烟雾传感器MQ-2 和一氧化碳传感器MQ-7

烟气浓度传感器MQ-2 结构主要包括微型AL2O3（氧化铝）陶瓷管和SnO2（二氧化锡）敏感层。SnO2在洁净空气中具有低导电性，电阻值较高，遇到烟雾后电阻值会降低，引起相应传感器输出电压的变化。

MQ-2 工作原理:当传感器模块上电后，SnO2敏感层吸附空气中的氧气，表面出现O-（氧负离子），致使半导体元器件电子密度下降，导电能力减弱，电阻值相应增加。然而在火情现场，SnO2会吸附带颗粒的烟雾，这些正离子颗粒附着在氧负离子的表面，导致半导体元器件表面负电荷减少，正电荷数量上升，电子密度增加，导电能力上升，电阻值随之下降，产生相应电压信号变化。即烟雾浓度大小的变化可以导致导电能力的改变，进而改变电压信号。烟雾浓度传感器MQ-2 内部结构图如图3 所示。

MQ-7 是一款能在多种气体中精准检测出一氧化碳含量的一氧化碳传感器[5]，与烟雾浓度传感器MQ-2 类似，气敏材料同样为二氧化锡（SnO2），火场内的一氧化碳与敏感层的氧离子结合导致器件电阻变化，检测采用高低温循环检测方式：低温时使用1.5 V 电压加热，检测一氧化碳浓度，传感器的电导率与气体浓度成正相关，高温时用5.0 V 电压加热，清洗低温时吸附的一氧化碳气体。

MQ-2 与MQ-7 模块有模拟电压输出和TTL 高低电平输出两种控制方式。由于该系统只需要根据检测到的烟雾浓度输出判断信号而不需要将其A/D转换成具体浓度参数，故使用电路较为简单的模拟电压输出的控制方式。使用时给模块进行5 V 电压供电，然后采集模拟通道电压。

3）火焰传感器

火焰传感器的工作原理：火焰包含了高温气体、各种燃烧产物、中间体、碳氢化合物等物质，同时伴随有连续的固体辐射光谱和不连续的气体辐射光谱的热辐射。通常，火焰中对应于1～2 μm 的近红外波长部分具有最大的辐射强度。当火焰信号被传感器的红外探头检测到时，模块输出低电平。通过检测输出电平，可以知道当前是否存在环境火焰[6]。

设计中选择的是深圳宇松电子生产的四线红外火焰传感器，工作电压范围为3.3～5 V，有DO 数字开关量输出和AO 模拟电压输出两种输出形式。

4）NRF 通信模块

通信模块NRF24L01 选用了八个引脚，包括数据输入输出脚、片选信号输入脚、SP 时钟输入、发送接收模式信号输入脚以及可屏蔽中断脚。使用时给模块进行3.3 V 供电，其内部结构图如图4 所示。

图4 NRF24L01内部结构图

综合考虑到成本及现场设计要求，项目采用NRF24L01 作为短距离无线收发模块[7]，该模块具有稳定性高、功耗低、抗干扰能力强等特性，其主要性能指标如下：

1）工作频率范围：2.4～2.525 GHz；

2）126 个通信通道，6 个数据通道；

3）MCU 可通过引脚IRQ 快速判断数据接收和完成情况；

4）支持4 线SPI 在线通信端口，最大通信速度达到8 Mbps。

2.3 电路原理

温度传感器DS18B20 输出数字信号。火焰传感器和DS18B20 在该系统中使用3.3 V 工作电压，同时与数字输出端之间加上滤波电容和上拉电阻。各传感器接口电路设计如图5 所示。

图5 各传感器接口

整个系统使用7.2 V 电池电源，除火焰传感器和温度传感器DS18B20 均使用3.3 V 直流供电外，其他模块需要5 V 供电。所以使用LM2940 稳压集成芯片，将7.2 V 电源稳定输出为5 V 电压，再使用系统板内部稳压结构输出3.3 V 电压给其他模块供电[8]。

对于供电电源，使用一个简单开关控制电源输入，在电池输入电压（7.2 V）接口后面增加一个钽电容进行滤波。为了确保当前电源的电压不致偏离设计值，连接一个电压测量电路至最小系统板。采用两个发光二极管分别指示电源的连接和系统板IO口的正常工作[9]。稳压电路与电源管理电路如图6所示。最后使用五项开关控制各个模块调控，轻触按键作复位键使用。探测到的火情信息最终由蜂鸣器实现报警。

图6 稳压电路与电源管理电路

2.4 PCB设计

在设计PCB 时，主要元器件和排母均分布在正面，PCB 板正面设计图如图7 所示，左上角为电源、电源指示灯、电源开关以及电源输入滤波。从电源引出两个稳压模块分别对传感器和STM32 进行5 V供电。为了安装方便，将传感器与通信接口分别安装在板子的上、下两侧。中间部分是两个稳压模块，最小系统板覆盖在该模块的上方。

图7 PCB 板正面设计图

轻触按键和五项开关均与译码器相连，再与最小系统板连接，控制各模块的开关与调试。

3 系统软件设计

3.1 软件流程图

整个软件部分的设计主要包括两个部分，即手动报警和自动报警，具体流程如图8 和图9 所示。

图8 手动报警程序流程图

图9 自动报警程序流程图

手动报警时按下报警按键，板上的LED 灯亮、蜂鸣器响，同时通讯模块发送数据到接收板，使系统内的其他LED 灯亮、蜂鸣器响，直到按下取消按钮，所有灯灭、蜂鸣器不响。

自动报警程序由火焰/烟雾/氧化碳浓度的检测程序、发送板响应程序和NRF 的数据传输程序等部分组成，遇到火情可自动检测并向系统发出报警信号。

3.2 软件实现功能

程序的设计主要由各模块的引脚分配、使能和初始化、操作函数以及发收端的程序组成。在主函数中设置全局变量，并初始化各模块，包括LCD 屏幕的初始显示（“SAFE!!!”字样和实时温度）。编写手动报警的代码在最前，当按下对应按键时，蜂鸣器使能口电平被拉高。在自动报警环节中，设置当接收到火焰信号/一氧化碳浓度过高信号/烟雾浓度过高信号时，对应的变量key1/key2/key3 为低电平，使蜂鸣器响并进一步判断是哪一种或几种信号，通过LCD屏幕显示对应的字样，LED 灯也随之亮起。在发送端写入接收端的地址后，该板子就会通过NRF 发送数据到接收板上，使接收板上的蜂鸣器也响，LED 灯也变亮。

4 系统测试

当没有检测到火焰信号/一氧化碳浓度未超过设置值/烟雾浓度未超过设置值时，LCD 屏幕显示安全字样。当检测到火焰信号时，LCD 屏幕显示“Fire！！！”的字样提醒；当检测到一氧化碳浓度超过设置值时，LCD 屏幕显示“CO！！！”的字样提醒；当检测到烟雾浓度超过设置值时，LCD 屏幕显示“Smog！！！”的字样提醒；当环境安全和三种信号均被检测出来时的屏幕显示分别如图10（a）、（b）所示。

图10 屏幕显示分类情况

屏幕显示情况汇总如表1 所示。

表1 LCD 屏幕显示测试

5 结论

该项目作为自行设计的智能传感器应用系统，具有以下创新点：

1）系统中既有手动报警，又有自动联动报警，兼顾了可靠性及灵活性；

2）系统使用的电源为低压稳定电源，可设独立电源，当发生火警，供电电路短路，依然可以工作。

3）多路传感器并行工作，温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器等任何一路指标超标均可引起警报，使其敏感性、可靠性均大大提升。

综合其优点，该系统具有较强的实用价值；结合其造价，还有很高的性价比，值得推广。