基于单片机的火灾语音报警器设计方案

随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，现代建筑的不断增加，火灾隐患也随之增加。为了避免火灾以及减少火灾给我们造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。
因此，我们运用STC89C52单片机作为报警器的核心控制器，选用DS18B20温度传感器对环境温度进行检测，选用MQ-2烟雾传感器对烟雾信息进行检测，设计出了能及时发现火灾隐患并报警的报警设备，在现代智能建筑中起着极其重要的安全保障作用。

1 系统整体设计

该系统将STC89C52单片机作为主控芯片，DS18B20温度传感器对温度进行采集，MQ-2烟雾传感器对烟雾信息进行采集，并将采集到的烟雾浓度信息转化为模拟电信号，通过电压比较器将模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机，然后单片机对温度传感器和烟雾传感器采集到的信号进行处理，并对处理后的数据进行分析，使语音芯片做出相应的报警。
系统结构如图1所示。

图1：系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 单片机的选型

在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾的信号，另一方面要对这两种信号分别进行分析处理，以控制语音报警电路进行相应动作。本系统要求单片机具备较快的运算速度，抗干扰能力强和低功耗的特点。根据多方面的比较，选用由宏晶科技公司生产的STC89C52单片机作为控制系统的核心。STC 89C52是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，STC89C52使用经典的MCS-51内核，并在其基础上做了很多改进，指令代码完全兼容8051单片机，无需专用编程器或专用仿真器，可直接使用串口下载。相比传统的51单片机，89C52综合性能更高。其主要参数为：时钟频率最高可达80 MHz，内置8 kB的flash，512B的RAM和2KB的EEPROM;3个16 bit定时器/计数器;一个6向量二级中断结构。

2.2 温度采集模块电路的设计

本系统选用DS18B20数字式温度传感器，它可通过编程方式实现9—12位的数字温度直读：温度范围为-55～125℃，最高12位分辨率，在 -10℃～85℃时，精度可达0.5℃，可设置超限温度报警;现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。本系统温度采集电路如图2所示。将DS18B20温度传感器的单总线DQ接在STC 89C52单片机的P3.7端口上，通过STC89C52单片机对DS18B20的读写操作，从而实现单片机对数据的存储和读取的处理。

图2：温度采集模块

2.3 烟雾报警模块设计

烟雾报警模块的设计选用MQ-2烟雾传感器，MQ-2烟雾传感器不仅具有探测范围广、高灵敏度、快速响应恢复、驱动电路简单、寿命长等优点，还能检测火灾，检测燃气泄露，是一个可检测多种可燃性气体，应用广泛，成本低的传感器。并且MQ-2烟雾传感器所使用的气敏材料是在洁净的空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。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可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，本设计中MQ-2传感器的4脚输出随烟雾浓度变化的直流信号，被加到比较器LM393的2脚，R6与VCC构成比较器的门槛电压。当烟雾浓度较高输出电压高于门槛电压时，比较器输出低电平，此时LED亮报警;当浓度降低传感器的输出电压低于门槛电压时，比较器翻转输出高电平，LED 熄灭。调节R6，可以调节比较器的门槛电压，从而调节报警输出的灵敏度。烟雾报警模块电路如图3所示。

图3：烟雾报警模块

2.4 语音报警电路

由STC89C52单片机P1.2，P1.3，P3.0分别控制烟雾、温度、烟雾与温度报警。WT588D采用一线串口模式，当温度过高超过警戒温度时P1.2引脚电平拉低，触发语音WT58 8D芯片发出“温度过高请注意检查”声音。同理当可燃性气体浓度超过限定值时，将P1.3置为低电平，WT588D语音芯片发生报警。语音报警电路如图4所示。

图4：语音报警电路

3 系统软件设计

3.1 系统软件设计流程

火灾报警系统控制器上采用STC89C52作为主控芯片，其主要功能包括：控制I/O端口、逻辑判断处理、驱动外部电路、语音报警等功能，此程序是一个无限循环体，其流程是：首先在上电之后系统的各部分包括单片机输出输入端口的设置、数据存储电路、外围驱动电路等完成初始化，数码管显示当前环境温度，接下来执行火灾报警系统和烟雾报警系统的数据采集程序、火灾温度判断、报警判断。系统初始化后，STC89C52的P1为高电平，P1.2、P1.3、 P3.0为高电平，语音芯片不报警。

程序初始化这部分主要实现的功能包括各种I/O输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断、温度烟雾数据采集程序、火灾判断与报警程序等。系统程序流程图如图5所示。

图5：软件设计流程图

3.2 数据采集程序设计

数据采集是火灾报警系统中的重要环节。为了降低误报率，系统设计时对温度烟雾采用了循环采集、循环判断的方法。每次采集温度烟雾数据后，将数据存入单片机的寄存器，然后在火灾判断程序中，将采集的数据与设定的阈值进行比较，判断现场是否发生火灾。

具体流程是：系统和程序初始化后，驱动DS18B20对温度信号采集，单片机接受转换好的数据，存入寄存器，由INT1中断服务程序完成;系统延时10 ms，转换完成后存入寄存器。系统延时50 ms，进行温度烟雾信号采集，将转换好的数据存入寄存器中。等待数据信息采集，通过中断服务程序读取转换得到的数据，当温度过高或烟雾浓度超标时，进行语音报警。

由于设计采用的是模块化设计，系统实现报警功能是通过调用子程序实现的。在数据采集子程序中，一次温度烟雾信号采集延时10 ms。当系统采集温度烟雾信号后，转换好的数据存入单片机的寄存器中，系统再调用火灾判断子程序。

4 系统实物

本系统实物如图6所示。

图6：实物图

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