装置以 STC89C51 单片机为主控制器，采用 DS18B20 数字温度传感器实时测量插座温度，并配合数码管显示实测温度 值。通过实测温度值与温度阈值的比较，装置可实现声光报警和排查断电功能。实验结果表明：当实测温度超过低温度 阈值时，装置产生报警功能；当实测温度超过高温度阈值时，实现用电器的断电处理，该装置对火灾预警具有一定功效。
关键词: 单片机；温度传感器；声光报警；断电；防火装置
随着社会的进步和人民生活水平的提高，电 子产品的使用越来越广泛，火灾的发生次数和 危险性随之不断增加 。目前高校学生寝室人员 密集，电气火灾经常发生，一旦得不到及时的处 理，将会延误火灾救助的最佳时机，后果不堪设 想。因此，可靠的火灾检测系统对于火灾的遏 制具有重大作用 。针对寝室用电器易电流过大 导致短路而引起的火灾突发情况，本文设计一 种智能防火报警装置。该装置通过测量插座温 度的突然上升变化，分阶段对火情进行报警和 断 电 的 及 时 处 理 ，以 有 效 避 免 和 防 止 火 灾 的 发生。
1 防火报警装置整体方案
基于单片机的智能防火报警装置系统框图 如图 1 所示。装置以单片机系统为控制核心，温 度采集模块实现插座温度的实时测量，将采集的 温度数据输入单片机系统，并驱动数码管显示电 路，以实现温度的采集、处理与显示。温度阈值 设置模块设定高低温度阈值，通过实测温度与温 度阈值的比较，单片机系统控制声光报警模块和 断电功能模块作用，以实现对火灾的分阶段处 理。整个报警装置所需的电源由 220 V 转 ± 5 V 电源模块供给。
2 系统硬件电路设计
2.1 单片机系统
单片机系统包含单片机芯片、时钟电路和复位 电路 ，电路原理图如图 2 所示。单片机提供内部 时钟信号和外部时钟信号两种方式，本设计采用 12 MHz 的内部时钟电路，为了稳定电路和快速起 振，在晶振两端外加两个33PF 瓷片电容，有助于振 荡电路起振。单片机的复位电路存在按键复位和 上电复位两种复位方式，本设计采用按键复位电 路。当按键按下时，复位引脚输入高电平，启动复 位；当松开按键时，复位引脚输入低电平，经过一 段延时，系统开始正常工作 。
单片机 P1.0 引脚与温度采集模块相连接， P1.5 、 P1.6 和 P1.7 引脚通过按键对温度阈值参数进行设 置，分别为温度阈值设置，阈值增加和阈值减小。 单片机将温度比较的结果通过 P1.1 和 P1.2 控制声 光报警模块，并通过P1.4 引脚驱动继电器断电功能 模块。P0 口和 P2 口分别控制数码管显示电路的段 选和位选。
2.2 温度采集模块
温度采集模块采用数字温度传感器 DS18B20 对插座温度进行实时测量，电路原理图如图 3 所 示。DS18B20 的三个引脚中，两个引脚分别为 VCC 和GND ，另一引脚 DQ 与单片机的 P1.0 引脚连接， 将采集的数字温度值输入单片机。单片机控制温 度传感器DS18B20 完成温度转换必须经过初始化， ROM操作指令和存储器操作指令三个基本步骤。
该设计不仅节约了单片机的引脚资源，而且可以提 高系统的抗干扰能力。
2.3 数码管显示电路
数码管显示电路采用共阴数码管 SM420561K ， 单片机的P2.1 、 P2.3 、 P2.5 和 P2.7 控制数码管的 4 个 位选端口，采集的温度值通过 P0 口和上拉电阻驱 动8 个段选端口，电路原理如图 4 所示。当设置高 低温度阈值时，数码管显示设定的温度阈值。其他 情况，数码管显示插座的实测温度值。
2.4 声光报警与断电功能模块
根据火灾燃点，设定高低双重温度阈值，当实 测温度超过低温度阈值 T1 时，触发声光报警。声 光报警模块主要由有源蜂鸣器、PNP型三极管和发 光二极管组成 ，原理图如图 5 所示。当单片机的 P1.1为低电平时，三极管导通并驱动蜂鸣器报警。 单片机的P1.2 引脚控制灯光报警，当引脚为低电平 时，发光二极管正向导通，启动灯光报警。即该电 路的主要作用是采集前端信号，并且判断火灾信号 的真伪，一旦确定为火灾信号，触发声光报警系统 。 若温度持续上升，超过高温度阈值T2 时，继电 器电路作为插座的开关功能实现用电器的断电处 理，从而可靠防止火灾的发生。继电器断电功能模 块电路原理图如图 6 所示，该模块主要由继电器、 NPN型三极管、二极管和电阻组成。当温度低于T2 时，P1.4为高电平，三极管处于饱和状态，集电极 和发射极导通 ，继电器因得到足够的驱动电流而 产生磁场，使得衔铁的动触点与继电器的常开触点 吸合，插座接通电源，用电器通电。当温度高于T2 时，P1.4 为低电平，三极管截止，此时继电器内部 的线圈无电流通过，衔铁的动触点始终与常闭触点 接触，插座断开电源，用电器断电。由于三极管截 止时继电器线圈产生的感生电动势可能使得e 、c击 穿，因此在继电器线圈两端反向并联一个二极管， 吸收该电动势，起到保护电路的作用。
2.5 电源模块
电源模块为智能防火报警装置的各个模块电 路的正常工作提供持续、稳定的直流电源。该模块 由降压电路、整流电路、滤波电路和稳压电路组 成，其电路原理图如图7 所示。首先降压变压器将 220 V的交流电转换为符合整流电路所需的交流电 压，然后经过由4 个二极管构成的单向桥式整流电 路，利用二极管的单向导电特性，将正弦式的交流 电压转变为单向的脉冲电压，再通过电解电容 C1 和C2 等储能元件组成的滤波电路将残留的交流成 分滤除，从而得到比较平滑的电压。为避免整流滤 波后得到的电压受到电网波动和负载变化的影响， 采用三端串联型集成稳压芯片LM7805 和 LM7905 ， 电容C3 、 C4 、 C5 和 C6 用于旁路高频干扰脉冲和改善 波纹。防振电解电容C7和C8用于防止输出端自激 以得到稳定的直流电压。
此外，在三端稳压器的 输入端与输出端分别跨接保护二极管，防止防振电 容放电损坏稳压器 。 F1 和 F2 为熔断丝，起到过 流保护的作用，LED1 和 LED2 为电源指示灯二极管。
3 系统软件设计
程序采用模块化设计，系统主流程图如图 8 所 示。首先对单片机、温度传感器、温度阈值设置等 进行初始化操作，温度传感器将采集的温度值经过 变换后送数码管显示。通过按键设置高低温度阈 值，比较后进行声光报警和断电处理。系统的温度 阈值设置 主要通过 K1 、 K2 和 K3 三个按键相互配合 完成， 子程序流程图如图 9 所示 。 K1 按键控制系统 温度阈值的设置功能， 通过 K2 键和 K3 键分别调节 温度阈值大小。当K1 键弹起时，系统进入高温度 阈值设置模式；当K1 键按下时，系统进入低温度阈 值设置模式。 K2 键和 K3 键分别增加或减少温度阈 值。 模块化程序设计便于功能扩展和系统升级。
4实验测试结果
4.1 温度阈值设置结果
系统通电后自动进行初始化操作，当系统正常 启动时，电源指示灯将亮起。若通电后系统启动失 败或是初始化不正确，绿色的指示灯将不会亮起， 用户即可获知系统出现故障。在模拟实验中，用绿 色的LED 灯来表示电源指示灯，如图 10 和图 11 所 示。程序初始化后，DS18B20 温度传感器采集插座 温度，经单片机处理并由数码管显示当前检测的温 度值。图10 中设置的低温度阈值为 25°C ，图 11 中 高温度阈值显示为30°C 。此外，用户可以根据季节 气候或实际需求自主设置高低温度阈值。在温度 设置的过程中，绿色的电源指示灯始终被点亮。
4.2 声光报警与断电功能测试结果
根据当前设置的温度阈值，当实测温度高于低 温度阈值 25°C 时，通过声光双渠道同时报警实现 对火灾一级预警，蜂鸣器会发出“滴……滴……滴” 报警声，同时LED 红灯会持续闪烁，系统进入报警 状态，结果如图 12 所示。当声光报警没有通知到 用户做出相关避险操作时，插座温度会持续上升， 当超过上述设置的高温度阈值 30°C 时，系统将进 行火灾二级预警，通过单片机控制继电器，使继电 器的常闭接点吸合，实现外接用电器的断电处理。 实验中，采用黄灯的亮灭模拟继电器的开关工作， 如图13 所示。在防火报警装置单独供电情况下，当 实际温度超过高温度阈值30°C 时，黄灯点亮，表明 继电器常闭触点吸合，用电器断电功能实现，并且 一级预警状态下的声光报警将不会停止，持续提醒 用户进行避险操作。当实际温度低于高温度阈值 30°C时，常亮的黄灯自动熄灭，继电器常开触点吸 合，用电器通电。
5 总结
本设计以 STC89C51 单片机为控制核心，通过 外围电路对插座温度的实时监测，包括采集、处 理、显示和比较，实现对火灾模拟场合的应急处 理。智能火灾报警装置由硬件模块和软件模块组 成，可有效地实现温度阈值设置、声光报警和用电 器断电模拟功能，对电气火灾的报警预防有一定 效果。