《基于STM32的火灾报警系统的设计》8300字（论文）

基于STM32的火灾报警系统的设计摘要随着科学技术的进步，越来越多的电器产品出现在我们的生活中。因此，我们会在生活中频繁的见到有火灾发生，而且，火灾会对我们的人身健康产生威胁以及对公共财产安全造成重大损失。所以，人们希望在火灾出现端倪时，进行有效的预防。随之，大量火灾预警设备出现了，期望在火灾蔓延之前，我们可以进行有效的预警和防护。火灾的威胁一步步在扩大，对我们造成了很严重的后果。所以我们必须将火灾预防在萌芽状态，以达到最大限度地减少对人类造成的危害。由于火灾造成的后果十分严重，因此火灾报警器的发明就显得尤为重要。如果我们有了先进的火灾报警器，就可以对我们自身以及社会安全起到保护作用。之前的传感器都是使用单个传感器监测的方法，这样做无法有效的预防火灾的发生并且误报率十分高。此次设计是以STM32F103C8T6单片机为主控核心，采用复合监测的方式进行设计，即将气体监测，温度监测和火焰检测相互结合。单片机通过对烟雾、可燃气体、温度以及火焰感应，实时监控环境中可能引发火灾的因素，并通过控制蜂鸣器响鸣并报警。这种监控系统有很大的优点，首先它的功耗低，其次其灵敏度与稳定性高，这就避免了许多误报警状况，可普遍应用生活中的各种场所。关键词火灾报警系统STM32F103C8T6目录TOC\o"1-3"\h\u11524摘要 绪论1.1背景意义随着社会的进步，我们遇到火灾的机率也越来越大，它给我们带来了很多的危害，对我们的生活造成了极大的影响。据统计知，在七十年代我国遭受火灾各方面累积起来损失大约为2.5亿元，八十年代的损失大约达到了3.2亿元。科技在不断发展，进入九十年代，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元并且每年因火灾致死的人大约高达2000多人。2022年4月3日，据不完全统计，今年前三个月，全国共接收到火灾报案21.9万起，共有625人因火灾死亡、397人受伤，造成了财产损失高达15.2亿元。所以，为了保护人民的生命财产安全，我们要对火灾进行积极有效的防治。而火灾自动探测报警系统的出现可以帮助我们防患于未然。当火灾发生时，报警器能够迅速发现火情并报警。这为疏散人员提供了有力的保障，为遏制火势的蔓延发挥了重大作用。生活中的易燃品、电子产品等以及人员的操作不当，为火灾的发生留下了巨大隐患，这种隐患使人们受到威胁。因此为了有效避免火灾的发生以及尽量减少火灾灾害导致的重大损失，我选择了此次题目，设计一个火灾报警系统来对火灾的发生进行预防。火灾自动报警系统能够在火灾前期和初期发挥不可或缺的作用。它通过一系列传感器将火灾燃烧时产生的各种物理量，例如：温度，可燃气体及烟雾浓度等转化成电信号，传输到STM32单片机，对数据进行处理之后，发出警报。报警音可以提醒火场附近人员进行疏散，并对火灾的进一步扩大进行预防。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状迄今为止，我国火灾报警装置的研制经历了一个极其漫长的进化过程，从无到有，从简单到复杂，从非智能到智能，一步步的改变都体现着科学进步的不易，但是即便如此，也无法改变我国火灾报警系统起步晚，核心技术掌握不全等一系列问题，而我国有关火灾报警器的研究开始于19世纪70年代，即使在80年代，面对改革开放的主要格局，我国的火灾报警装置也只是一味的模仿，而缺乏自我创新的意识，没有获得真正意义上属于自己国家的专利技术。但也正因为改革开放的前期铺垫，外资与90年代开始了注资进入中国的浪潮，给予我国的不单单是产业的多样化，更是技术的多样化，为我国的发展带来了巨大的生机。国内企业开始与国外融资，获得技术支持，开拓国内市场，在世界范围内也占有一席之地。通过更新产品的性能，我国企业自身拥有的技术水准已经处于国际普通标准之上。无论是时代背景还是政策支持，我国的火灾报警装置行业已经拥有了能和国外优质企业一争高下的实力和契机。我国众多的消防产品企业生产的产品度活跃在消防工作的第一线，他们不仅承担着促进社会经济发展的重大任务还需要为我国的广大消费者提供更多优质的产品和服务。1.2.2国外研究现状国外的诸多发达国家都已经具备了相对完善的火灾报警体系，从预防、报警、扑救及善后处理一系列流程都体现其人性化的一面。同时，为了保障人民群众的生命财产安全，每年政府都会花费相当庞大的一笔财政收入，用以对消防安全设备的更换、维修，甚至于消防安全员，也长期开展培训，培养和锻炼消防安全知识。目前，国外发达国家达到信息共享有两种方法:利用让算机与用户的终端传感器相连接;用户终端和信号采集器连接。及时快捷的将火灾信号进行传输。同时，在美国、日本、加拿大、英国等地则偏好于将自动报警系统接入到公共报警系统中，且有效运行多年，可以说在准确定位、确定火灾类型、及时信息回馈等诸多方面都有着值得我国借鉴的重要意义。国外的火灾传感装置主要开始于19世纪50年代，当时装置主要还是以温度传感为主要传导方式，期灵敏度低并且对于阴火的检测微乎其微，很难实现对于灵敏的火灾报警器的要求。20世纪50年代出现烟感报警器，烟感报警器由于其灵敏度以及探测效果方面成效显著而被广泛应用，但由于人类生活条件的发展，烟感报警器由于使用寿命较短而逐渐不能满足人们对于环保的需求，随着科学技术的发展,又被一种新的材料所代替，那就是光电元件制成的光烟感报警器。1.3发展趋势火灾报警系统经过长时间的不断改进已经可以快速准确的进行火灾报警。它是人类同火灾斗争必不可少的有力武器。其相关的发展主要分为以下几个阶段：第一阶段主要是用一些简单的元件构成的感温探测器为主导的火灾报警系统。这种探测器它的灵敏度比较低，并且对火灾探测的速度也比较慢，所以说无法很好的实现早期火灾报警功能。第二个阶段主要就是成了多线制开关量式火灾探测报警器，这种报警器因为结构太过麻烦，所以也被淘汰掉了。第三个阶段就是模拟量传输式智能火灾报警系统，其主要的特点是传感器测到的信号的大小被以电压或电流的大小形式传送到控制器，探测器本身并不做判断或处理，所有的处理过程都集中在控制器中，探测器仅仅相当于是一只火灾传感器。最后就是智能型火灾报警系统。通过结合前面的步骤，可以看到其未来发展的方向。火灾报警器的发展方向主要是向微型，结构简单和智能化发展。从一开始的简单温度检测器到现在的智能火灾报警系统，火灾报警系统的监测功能越来越齐全，对火灾响应速度越来越快，误报的数量也在迅速减少，这对我们的安全是更好的保证。1.4主要研究内容与论文结构1.4.1主要研究内容此次研究课题的主要内容主要有以下几个方面：了解火灾发生初期的因素，比如说烟雾浓度，可燃气体浓度，周围温度，火光等一系列因素。通过第一步所了解到的参数，确定烟雾传感器，温度传感器和火焰传感器的类型和他们可以检测出的阈值。了解所需要的单片机类型，并且了解此单片机对应的模块。选择报警模块所需要的LED灯和蜂鸣器等硬件。1.4.2论文结构论文一共存在五章：第一章：绪论。开启整篇论文，从各角度分析预防火灾必要性，阐述火灾报警系统，表明主题与整体架构。第二章：火灾监测因素。该章对监测火灾发生的因素进行阐述，并对相关的因素的监测方法进行论述。第三章：对火灾报警器的相关硬件。该章对stm32单片机主板以及监测火灾发生因素的相关传感器进行分析和阐述。第四章：硬件电路设计。该章对单片机的程序进行编写，实现在传感器监测到火灾发生的因素时进行报警使火灾及时被发现。第五章：总结以及展望。该章对整个文章起一个总结的作用，经过前几章的对比分析与详细解说，最后一章简明扼要，直截了当的分析所涉及的这些问题与取得的进步。

第二章火灾监测因素2.1火灾产生原理及过程火灾是一种在时空中不受控制的燃烧的事故。火灾发生时必须具备以下三个因素：可燃物、点火源、助燃剂。只有这三个因素共同存在时，火灾才有可能会发生，造成损失。一般说来，火灾发生的过程主要是以下几个步骤：如果可燃物是气体，根据可燃气体和空气混合物,有两种类型的可燃。如果气体在点燃前与室内空气均匀混杂,则称为预混杂点燃。当易燃气体和空气依次流入混合点燃区内时,这称为扩散点燃。如果可燃物是液态或者是固态,则物体爆炸中挥发溶解成为易燃废气和未点燃的物体,未点燃的物体在室内空气中悬浮就形成了烟雾,在充足的氧气条件实现彻底点燃,形成火光,发射看到光和不可见光,散发出巨大热量,环境温度随时间增加而变高过程如图2-1所示。图2-1火灾发生各个阶段温度和烟雾随时间变化火灾的发生一般是由于空气中存在可燃气体，然后在阴燃阶段，可燃气体燃烧。由于可燃物质的燃烧，会伴随着热量的散发以及蒸发分解的烟雾，随着时间的推移，火灾中产生的烟雾、火焰和散发的热量等都会随着时间的变化不断升高。因此，我们在起初阶段主要是监测可燃气体的浓度，在阴燃阶段主要是通过用某种特定的传感器进行采集烟雾的浓度和温度就可以测定是否产生火灾。在火灾发生时还会产生明火，也可以用相应的传感器来监测。所为了在未完全点燃成火灾事故之前就能检测出火灾,以便及时监测火灾事故情况,我设计出了这个火灾报警器。若烟气感应器能在初燃段根据可燃气体和烟雾浓度就能判断出火灾事故的发展,便可将火灾带来的危害控制在最小范围;若温度传感器可能在火焰燃烧后,根据燃烧物质生成巨大的热能以及火焰感应器对明火的监测就可能进行火灾报警以达到及时有效的监控火灾事故。2.2火灾监测因素所以说监测火灾发生主要是在起初阶段和阴燃阶段。火灾所需监测的因素主要有以下几个方面：1.可燃气体浓度：在火灾发生前期，空气中必然会存在一些可燃气体，如H2，CO等等。这些气体的浓度达到一定阈值就极易引发火灾。所以说可燃气体浓度也可以作为检测火灾是否发生的因素。2.烟雾：伴随着物质的燃烧就会产生浓烟。火灾产生的烟雾通常是由以下三种物质组合成的混合气溶胶：气体燃烧产物、未完全燃烧的液体固体分解所产生的物质以及未燃的高温可燃蒸汽。烟雾是火灾发生产生的重要指标之一所以说可以通过是否产生烟雾来进行监测。3.温度：当物质燃烧的时候，便会释放出许多的热能，因此，周围的温度便会变得越来越高。所以说可以通过监测温度来进行火灾预警。4.火焰：火焰的本质是放热反应中反应区周边空气分子加热而高速运动，从而发光的现象。物质燃烧到发光阶段，是物质的全燃阶段。所以说火焰也可以作为监测火灾是否发生的因素。2.3监测因素指标及检测方法1.烟雾和可燃气体浓度在火灾事故爆发前期会有易燃毒气的存在,可以通过MQ-2半导体废气烟尘含量探测器来监视。MQ-2半电导气体烟尘感应器可以用来监测烟尘以及一些可燃气体。对可燃性气体的检测十分的灵敏。如果一定范围内存在着烟雾气体，那么这种传感器会准确快速的检测出来，如果一定范围内存在着可燃气体，也可以被检测出来。如下图2-2所示是MQ-2型气敏元件的灵敏度特性。图2-2MQ-2型气敏元件的灵敏度特性如图2-3所示是MQ-2烟雾传感器对相关气体的灵敏度特性图2-3MQ-2烟雾传感器的和灵敏度特性在火灾发生时，随着物质的燃烧会产生大量的烟雾，所以要使用MQ-2半导体传感器来监测。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。2.温度图2-4温度随时间变化曲线如图2-4所示可知随着火灾的发生，温度会随时间的增长而不断上升，所以说要选取一个温度阈值当达到此温度时，进行报警。监测温度的变化主要是通过DSl8B20温度传感器来监测。3.火焰在火灾发生时会产生火焰，火焰会发光发热。此时可以通过红外接收二极管来进行监测。使用火光形成的红外线对它极其灵敏的特性,当火苗光度变大时,发射的红外线越多,火苗感应器管脚间的阻抗变小,当火苗光度变小时,发射的红外线越少,火苗感应器管脚间的阻抗变大。2.4本章小结本章主要介绍了预防火灾发生需要监测的因素，并对其相关的指标和检测方法进行简介，对之后的硬件设计和软件设计建立基础。第三章硬件电路设计3.1硬件系统总体框架为了更快、更准确地发现火灾事故，确保在发现火灾事故后及时有效地报警，控制系统必须辅以多个子模块系统。根据对系统所需功能数据的分析可以看出，操作系统的整个子软件模块应由单片机模块STM32F103C8T6、液晶显示模块、温度传感器模块、火焰传感器模块、烟雾传感器模块、报警蜂鸣模块、LED指示灯模块等组成。具体的硬件系统总体框架如图3-1所示。 图3-1硬件系统总体框架根据控制系统的总体模块图，可以得出以下结论。控制系统必须将三个传感器采集到的信息数据输入到STM32F103C8T6单片机控制处理器。STM32F103C8T6单片机模块对接收到的数据信息进行处理后在液晶屏上自动执行，显示相关数字信息，在与设定的阈值进行比较滞后，使用LED灯和蜂鸣器实现有效报警。3.2单片机控制电路STM32F103C8T6的实物如图3-2所示。图3-2STM32F103C8T6实物图STM32F103C8T6单片机最小系统电路设计主要如图3-3所示。图3-3最小系统时钟电路单片机的时钟电路主要是包含两个，一个是PC14，PC15接外部低速时钟，采用32.768KHZ的晶振，另一个PD0,PD1接外部高速时钟，用8MHZ的晶振。（2）启动模式选择电路我们可以通过配置BOOT引脚而选择不同的启动模式，如下表3-1所示。表3-1STM32启动模式表启动模式选择脚启动模式说明BOOT0BOOT1X0主闪存存储器启动区域为主闪存存储器01系统存储器启动区域为系统存储器11内置SRAM启动区域为内置SRAM复位电路此最小系统的复位电路包括软件复位和硬件复位两种，上电复位芯片需要足够时间进行初始化，需要在NRST脚保持低电平信号，利用复位电路的电容充放电作用，STM32启动时由低电平变高，芯片从而复位，转换芯片正常工作。3.3火焰传感器电路在监测火焰方面使用YS—17火焰传感器。如图3-4所示此火焰传感器(即红外接收二极管)是用来搜寻火焰的传感器，这种传感器对火光特别灵敏。它的基本原理是运用火光形成的红外线对它极为灵敏的特性,当火苗光度变大时,发射的红外线越多,火苗感应器管脚间的阻抗变小,当火苗光度变小时,发射的红外线越少,火苗感应器管脚间的阻抗变大。图3-4火焰传感器电路3.4烟雾与可燃气体传感器1.简介：MQ-2常用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于烟雾和可燃气体的探测。所以，MQ-2可以准确来说是一个多种气体探测器。MQ-2对可燃气体及烟雾的监测范围十分的广泛。它的优点：灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单。2.结构：MQ-2的结构如图3-5所示。图3-5MQ-2结构图3.特性此传感器对烟雾和可燃气体有很高的灵敏度，尤其对含有烷烃类气体的烟雾更加敏感。此传感器可以重复进行使用并且它的稳定性十分好。这种传感器在开始的时候稳定，响应时间短，而且它在经历了长时间的工作后性能依旧很稳定。但是，这种传感器在使用之前需要预热一段时间，不然它输出的电阻和电压会出现一定的偏差。MQ-2型烟雾传感器检测可燃气体与烟雾的范围十分的广泛，可以达到100~10000ppm(ppm为体积浓度）。这种传感器的电路设计电压范围很大，24V以下均可，在使用之前需要预热，加热电压5±0.2V。典型的测量电路如图3-6所示。图3-6MQ-2测量电路我设计的烟雾浓度采集电路的原理图如图3-7所示。电路中MQ-2的4脚输出随烟雾浓度变化的直流信号，被加到比较器U1A的2脚，Rp构成比较器的门槛电压。当烟气含量较高输出频率大于门槛电流时,比较器自动产生低信号电平(0v),此时LED亮显示告警;当浓度降低感应器的出口电流小于门槛电流时,比较器翻转产生高电平(Vcc),LED熄灭。调整Rp,通过调整比较器门槛电流,进而调整自动报警输入输出电路的敏感度。图3-7烟雾浓度采集电路3.5温度传感器DSl8B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司继DSl820之后更新发布的智能改进型智能温度传感器。与常规的热敏电阻比较,他可以直观读取被测环境温度而且可按照需要进行简易的编程实现9~l2位的数码直读方法。从DSl8B20读取的消息或输入DSl8B20的消息仅要求一根口线(单线连接)读取,温度转换功率来自数据总线端口,总线端口自身也能够向所挂接DSl8B20提供电力,而无需额外电源。因而采用DSl8B20可让控制系统构造更趋简化,安全可靠更好。其内部结构使用在线高温测量技术,测试区域为55~125°C,在-10~85℃时,精确度为±0.5°C。DS18B20的内在构造一般有四部门构成:64位光刻ROM、高温感应器、非挥发性的高温报警触发器TH和TL、配置寄存器。其内部结构大致如图3-8所示。图3-8DSl8B20的内部结构图DS18B20的管脚排列如图3-9所示。图3-9DS18B20的管脚DS18B20的引脚说明如下：GND:地DQ：数据I/OVDD:电源NC：空脚DS18B20温度传感器与单片机连接的原理图如图3-10所示。图3-10度传感器接口电路图3.6电源模块由于本控制系统使用电池供电。所以我们使用4节1.5V干电池共4.5V做电源,通过实测证明控制系统实际工作时,单片机控制模块、感应器的工作电压稳定可以达到控制系统实际工作的需要。电源接口电路原理图如图3-11所示。其中P1为电源线接口,SW1为电源开关。图3-11电源接口电路3.7按键控制电路此次按键控制工作电路系统设计了四种按钮,依次为设置键、加键、减键、应急告警键,当出现情况时,可按下应急告警键,使鸣声器完成告警。按键连接电路工作原理图如图3-12所示。图3-12消音按键连接电路图3.8声音报警电路本集成电路是利用三极管基极和一组电阻串连之后与单片机模块PB8端口相连进而实现控制蜂鸣器报警。声音自动报警电路工作原理图如图3-13所示。图3-13声音报警电路图3.9显示模块本次系统中使用LCD1602来作为显示屏件输出数据信息。液晶显示模组具备容积小、耗电低、展示信息内容丰富多彩等优势,而且不要求外加控制驱动集成电路,现在液晶显示模组早已变成了嵌入式数字单片机应用领域产品设计中最普遍的显示屏件了。显示电路原理图如图3-14所示。图3-14LCD1602液晶显示图3-15各引脚功能LCD1602的引脚功能等情况如图3-15所示。3.10本章小结本章主要对相关的硬件进行设计和介绍，在完成硬件调试之后进行程序的编写以实现相关的报警功能。第四章软件设计4.1主程序及其流程框图主程序流程图如下图4-1所示图4-1火灾报警系统主程序流程图4.2子程序及其流程图烟雾传感器子程序流程图如下图4-2所示。图4-2烟雾传感器子程序流程图温度传感器子程序流程图如图4-3所示图4-3温服传感器子程序流程图LCD1602显示屏子程序如图4-5所示：图4-5LCD1602子程序流程图4.3本章小结本章主要介绍基于stm32单片机的火灾报警系统的软件程序及其流程图。对硬件进行编程实现相关的报警功能。、总结与展望随着现代社会的不断进步和科技创新能力的迅速提高,人民的生活蒸蒸日上。在衣食住行等各个方面都都获得了很大的方便并且人民的生活获得了很大的提高。然而,任何事情都是一支双刃剑。科技在给我们提供很大方便的时候也带给了许多风险,导致了许多灾难的发生，例如火灾。生活中的电子产品以及各种易燃易爆物品，为火灾的发生留下了巨大隐患。通常人们会受到火灾的威胁，为了有效避免火灾的发生以及尽量减少火灾所造成的人身安全的威胁以及其他经济社会层面的重大损失，所以进行了此次设计。此篇论文主要是介绍了基于stm32单片机的火灾报警系统的设计，主要是在单片机的基础上复合了火焰传感器，温度传感器和烟雾传感器。通过传感器来监测火灾发生时的一系列因素例如火焰、烟雾浓度、空气中的可燃气体浓度、温度。当达到传感器规定的阈值时进行报警，以达到在火灾前期以及火灾初期对火灾进行预防的效果。科技在随着时间而变得越来越发达，我们在享受科技给我们带来便利的同时，也要利用科技来预防它所造成的不好的后果。在此次设计之后，我希望可以通过不断得加强我的专业知识来不断改进现有得事物，使这个社会更加安全。参考文献[1]邓飞消防火灾报警系统的设计[J].自动化与仪器仪表.2012(06)[2]李明关于单片机的火灾报警器的设计[J].经营管理者.2010(07)[3]贾姝娟，顾春禄，张艳杰基于单片机火灾自动报警系统设计[J].信息与电脑(理论版).2010(10)[4]于波,王琮泽,蒋智伟,等.基于无线网络的烟雾及温度信号报警[J].科学技术创新，2021（20）：163-164.[5]李继红,安迎建.基于51单片机的智能家居火灾报警的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2021（12）：60-61.[6]周航帆，傅宁，刘宇翔，等.北斗通信与森林防火应急终端的设计[J].通信电源技术，2018（5）：162-165.[7]林佩仰.超