基于51单片机智能火灾报警系统

张 立，李 林，林祥锐

（广东白云学院机电工程学院，广州 510450）

0 引言

随着用电器种类和数量的增加，用电安全成为人们关注的焦点。金润泽等［1］使用YOLO 模型对火焰进行检测，改善了以往的火灾报警器响应慢、误报率高等问题。张改莲［2］设计了一款基于单片机的智能火灾报警系统，该系统对异常烟雾检测误报率低，应用性能显著。秦莉艳［3］对单片机智能烟雾报警系统进行设计，该系统对温度监控得非常精准，具有高灵敏性与灵活的应用度。单纯的声光报警功能已经不能满足实际的报警需求，火灾初期及时通信报警是室内无人时最好的提醒方式。实验设计的火灾报警器可以利用GSM 模块［4-7］通信报警，并及时启动处理装置，切断室内电源，启动通风风扇。从而达到远程监控是否有可燃气泄漏、是否有火灾发生，有效地避免火情蔓延，帮助室内有可能存在的人员及时安全撤离，实现智能全面的系统预防。

1 系统设计

仿真使用STC89C51 单片机为控制单元，MQ-2 烟雾传感器结合DS18B20 温度传感器对环境中温度烟雾实时监测，通过STC89C51 单片机对数据处理，将其监测到的温度和烟雾浓度在LCD1602 液晶显示屏幕显示，正常工作时显示模块显示温度和烟雾浓度。当检测到环境中烟雾浓度或温度超过预先设定的上限值，单片机发送低电平信号给电磁式继电器切断电器供电电源，利用备用电源继续工作，接通蜂鸣器和LED 灯或通过报警按钮开始报警，并通过GSM模块以短信形式通知用户。

工作原理如图1所示。

图1 工作原理图

2 系统硬件电路设计

2.1 主控芯片模块

STC89C51 是一个高性能、低功耗、扩展灵活的微控制器，在单片机内部有一个8 位CPU，包含运算器、控制器和多个寄存器，有利于提高CPU 工作效率和中断响应速度。选用STC89C51 是为了进行之后的系统功能拓展。单片机通过P3.6 和P3.7 引脚与A/D 转换模块连接进行数据接收，P3.2 引脚与温度传感器连接，实时检测温度；单片机RXD 引脚和TXD 引脚与GSM模块连接实现通信。

2.2 GSM模块

通信模块选用GSM 模块，该模块抗干扰能力强、传输速率快、寿命长且通话质量好，具有发送SMS 短信、语音通话等基本功能。GSM模块的RX 引脚和TX 引脚与单片机连接，使用标准的AT命令来控制GSM模块，实现各种无线通信功能。

2.3 液晶显示模块

液晶显示模块使用LCD1602，具有低功耗、体积小、结构轻巧等优点。LCD1602 液晶显示内容丰富，画质高且不会闪烁。通过单片机改变R/W 和RS 引脚高低电平实现读写操作，可以只用D4～D7作为四位数据分两次传送以便节省I/O口资源。

2.4 温度传感器模块

温度传感器选用DS18B20，是一款单线接口测温芯片，具有体积小、抗干扰能力强、测温精度高等优点。精度为±0.5℃。DS18B20 是单线通信，即接收和发送都是同个通信脚进行的，将DS18B20芯片的DQ引脚和单片机的一个IO 口连接即可，既传输时钟又传输数据，节省了I/O口资源。

2.5 烟雾传感器模块

烟雾传感器使用MQ-2 模块，具有灵敏度高、检测范围广、响应速度快等优点。将MQ-2芯片的A 引脚连接到PCF8591 转换模块AIN0～AIN3模拟信号输入引脚即可，MQ-2的气敏材料是SnO2半导体，根据半导体电导率判断烟雾气体浓度，浓度越高，电导率越高，因此AOUT引脚输出电压值越高，当浓度超过预设值，DOUT引脚输出低电平。

2.6 A/D转换模块

A/D 转换模块采用PCF8591，是一个单电源、低功耗、转换速率快、成本低的数据采集器件，通过一个串行I2C 总线接口与单片机通信，不需要额外片选电路，最多8 个器件就可与总线连接，单片机通过A/D 转换模块的SDA引脚和SCL引脚通信读取转换值。

2.7 自动断电及通风风扇模块

自动断电模块选用电磁式继电器，具有灵敏度高、控制功率小、耐压耐温性能强的特点，通过电磁继电器可实现利用低电弱电流间接控制高低强电流电路，保证在发生火灾情况下能及时切断室内电源。在有火情发生时，可燃物的燃烧产生有毒气体可致人中毒甚至死亡，通风风扇及时启动，可以使室内空气流通。

实验选用的备用电源可以实现在未发生火灾情况下充电，在火灾发生切断总电源后放电供硬件电路使用，工作流程图如图2所示。

图2 工作流程图

3 系统软件设计模块

基于STC89C51 芯片技术已经相当成熟，本系统的核心采用STC89C51 单片机芯片进行监测，极大地提高了系统的可靠性和实用性。在报警器正常运行下，通过主函数调用LCD1602函数显示开机界面，而后进行烟雾以及温度的监测，此时主函数对PCF8591 函数进行调用，将模拟量转换为数字传递给单片机后通过主程序进行实时监控。

按键模块防止发生误报漏报情况，LCD1602 显示函数对整个系统所监测到的数据进行显示，采用LCD1602 液晶显示屏幕，首先将其初始化，而后进行字节的读写，使其根据监测到数据进行不断读取显示，如图3所示。

图3 工作流程图

A/D 模块采用PCF8591 芯片，通信接口是I2C 总线。单片机对其进行初始化，发送器件地址、PCF8591 控制字节和地址字节三个字节即可，器件地址七位代表地址，一位代表读写方向；控制字节的第六位为1 时，DA 输出引脚使能，产生模拟电压输出功能，第四、五位可以把模拟输入设置成单端或差分模式，仅用模拟信号转换为数字信号功能时不用发送地址字节。

4 结语

本文实验所设计的基于51 单片机的火灾报警系统对能量的消耗较低，结构简单、性能稳定，对于温度和烟雾的监控度非常精准。该系统可以实时监测烟雾气体浓度和温度，将其信息传递至51 单片机，通过单片机与阈值进行对比，超过阈值时开启声光报警，GSM 模块以短信形式通知用户，并及时切断室内电源，启动通风风扇使室内空气流通，有效地避免火灾进一步扩散，帮助室内可能存在的人员及时安全撤离。满足了室内及大多数公共场所对火灾报警器的需求，对于完善工业生产和室内的消防领域，对预防火灾有着重要意义。