頁(yè)緒論選題目的和意義提出了基于ATMEGA328單片機(jī)的動(dòng)態(tài)火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)方案，以提高火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的精度、響應(yīng)速度和可靠性。該方案不但能有效的解決傳統(tǒng)報(bào)警器在復(fù)雜環(huán)境下所存在的局限性，而且可以結(jié)合煙霧、溫度、氣體多維度環(huán)境資料，利用多傳感器融合技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)偵測(cè)預(yù)警的更加精確和高效功能。作為核心控制單元ATMEGA328單片機(jī)，處理能力高、穩(wěn)定性強(qiáng)，可實(shí)時(shí)采集多臺(tái)傳感器的資料，并能迅速同時(shí)它的優(yōu)點(diǎn)是功耗低，容易整合，適用于這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高。在這一系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，不同類型的傳感器會(huì)通過(guò)多種傳感器的協(xié)同作用，對(duì)火災(zāi)產(chǎn)生的不同特點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)測(cè)。具體地說(shuō)，煙霧感應(yīng)器可以對(duì)空氣中煙霧濃度的變化進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)，而溫度感應(yīng)器則被用來(lái)監(jiān)測(cè)火災(zāi)發(fā)生初期的重要信號(hào)——環(huán)境溫度的上升。而氣體傳感器則可以通過(guò)這些氣體的濃度變化，進(jìn)一步判斷火災(zāi)的發(fā)生和規(guī)模，從而檢測(cè)出在火災(zāi)過(guò)程中可能釋放的一氧化碳等有毒氣體。ATMEGA328單片機(jī)通過(guò)整合這些傳感器數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)分析判斷是否發(fā)生火災(zāi)并發(fā)出相應(yīng)警報(bào)。此外，該設(shè)計(jì)引入了數(shù)據(jù)融合算法(DataFusion算法)，該算法可以對(duì)來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，從而提高火災(zāi)探測(cè)的精確度和響應(yīng)速度。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)某一種感測(cè)器偵測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)并不會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，而是為了避免環(huán)境改變或感測(cè)器錯(cuò)誤造成誤報(bào)，而透過(guò)將其他感測(cè)器的資料整合后進(jìn)行驗(yàn)證。只有當(dāng)多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)一致性達(dá)到一定的閾值時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)發(fā)出火警(purprise)。這種多傳感器的數(shù)據(jù)整合方式，使系統(tǒng)可靠性大大增強(qiáng)，同時(shí)也使單一傳感器可能產(chǎn)生的誤算問(wèn)題得到了減少。在多種復(fù)雜環(huán)境條件下能有效應(yīng)對(duì)火災(zāi)探測(cè)需求，是該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)所在。比如，工業(yè)廠房里，可能會(huì)冒出很多濃煙，溫度也比較高，但這些并不一定說(shuō)明起火，只是一些生產(chǎn)過(guò)程的正?，F(xiàn)象，或者是設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。并且在這樣的環(huán)境下，單一的煙霧或溫度傳感器可能會(huì)頻繁觸發(fā)誤報(bào)，而多傳感器融合的方式則可以準(zhǔn)確識(shí)別是否發(fā)生火災(zāi)，通過(guò)對(duì)溫度、煙霧濃度、有毒氣體等因素的綜合考量，從而避免誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生。目前火災(zāi)報(bào)警器的現(xiàn)狀火災(zāi)報(bào)警器是目前建筑物和工業(yè)設(shè)施中不可缺少的安全設(shè)備，擔(dān)負(fù)著保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全的重任，特別是火災(zāi)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)并發(fā)出報(bào)警，能使事故造成的損失大大降低，是當(dāng)前我國(guó)建筑工業(yè)設(shè)施中必不可少的安全設(shè)備。傳統(tǒng)的火警，一般都是靠煙感器和溫控器辨別火警的初步預(yù)兆。這些設(shè)備多基于光電探測(cè)或離子探測(cè)技術(shù)，前者通過(guò)監(jiān)測(cè)空氣中煙霧顆粒的反射光變化，后者則通過(guò)探測(cè)氣體離子的變化來(lái)判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。然而，傳統(tǒng)的報(bào)警器存在一定的局限性，其誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象在復(fù)雜的環(huán)境中尤為普遍。例如，廚房中的油煙或蒸汽可能會(huì)導(dǎo)致煙霧探測(cè)器的誤報(bào)，而溫度探測(cè)器并不一定能及時(shí)捕捉到火災(zāi)初期的火場(chǎng)，尤其是溫度變化較慢的地方。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)逐漸整合了更多種類的傳感器技術(shù)，使得報(bào)警器的性能和準(zhǔn)確性得到了顯著提升。這些先進(jìn)的火警器，不是靠單一的煙霧或溫度傳感器就能完成的，而是把氣體傳感器、CO2(CO22)傳感器、可燃?xì)怏w傳感器等多種感應(yīng)器集成起來(lái)，利用各種信號(hào)相互交叉驗(yàn)證，使誤報(bào)、漏報(bào)的幾率大大降低。例如，CO2傳感器可以偵測(cè)到在火災(zāi)過(guò)程中釋放出來(lái)的CO2，幫助系統(tǒng)對(duì)火源的位置和燃燒的嚴(yán)重程度進(jìn)行更快速的、更準(zhǔn)確的識(shí)別，而可燃?xì)怏w傳感器則可以在火災(zāi)產(chǎn)生的燃燒氣體還沒(méi)有擴(kuò)散之前，發(fā)出警報(bào)，并在及時(shí)做出反應(yīng)，從而達(dá)到對(duì)火災(zāi)燃燒氣體進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)的目的。現(xiàn)代火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)除了多傳感器集成外，更先進(jìn)的無(wú)線通訊技術(shù)也開(kāi)始被采用。該技術(shù)的應(yīng)用，使報(bào)警系統(tǒng)的靈活性和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力得到了極大的增強(qiáng)。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備(如智能手機(jī)或電腦)實(shí)時(shí)向中央控制平臺(tái)傳遞火警信息，甚至向相關(guān)責(zé)任人傳遞火警信息。通過(guò)遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)控火災(zāi)發(fā)生時(shí)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，從而在第一時(shí)間采取必要的應(yīng)急措施，無(wú)論是消防隊(duì)員、樓管人員還是安全監(jiān)控中心，都能做到心中有數(shù)。由于這些場(chǎng)所火災(zāi)危險(xiǎn)性較高，及時(shí)準(zhǔn)確的報(bào)警和反應(yīng)對(duì)避免災(zāi)難性后果至關(guān)重要，因此對(duì)于大型建筑群、分布廣泛的工業(yè)設(shè)施或危險(xiǎn)物品儲(chǔ)存場(chǎng)所來(lái)說(shuō)尤為重要。本文的結(jié)構(gòu)本章首先介紹了本研究的背景，闡明了火災(zāi)安全管理在現(xiàn)代社會(huì)中的重要性，特別是在工業(yè)、商業(yè)以及居民生活環(huán)境中的應(yīng)用需求。隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)與滅火系統(tǒng)逐漸面臨更高的精準(zhǔn)性與響應(yīng)速度要求，因此，本研究提出了基于32位高性能單片機(jī)與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)與滅火系統(tǒng)。隨后，本章回顧了相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)，指出了存在的挑戰(zhàn)和潛在的研究空白，展望了火災(zāi)探測(cè)和智能滅火技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展方向，最后簡(jiǎn)明扼要地介紹了研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。第二章詳細(xì)說(shuō)明了本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。首先，從系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，闡述了本火災(zāi)探測(cè)與滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，包括實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的魯棒性。接著，本章介紹了系統(tǒng)的總體架構(gòu)，說(shuō)明了各模塊之間的關(guān)系和數(shù)據(jù)流動(dòng)的路徑。具體來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)采用高性能單片機(jī)作為核心處理單元，確保各個(gè)功能模塊之間的協(xié)調(diào)與通訊。此外，本章還對(duì)硬件模塊的選擇、軟件模塊的配置以及整體性能目標(biāo)進(jìn)行了深入的論證，強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)的可行性。第三章以系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)為主。在硬件設(shè)計(jì)上，負(fù)責(zé)接收各傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理的是系統(tǒng)的核心單片機(jī)作為控制單元。同時(shí)，本章詳細(xì)闡述了各硬件模塊的選擇與設(shè)計(jì)，包括火災(zāi)探測(cè)傳感器、滅火執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)通信模塊等。為了確保系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性與穩(wěn)定性，所有硬件模塊均選用高品質(zhì)且經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試的元件。本章還包括了硬件電路的設(shè)計(jì)分析，詳細(xì)討論了每個(gè)電路功能的實(shí)現(xiàn)原理，提供了系統(tǒng)硬件電路圖，并分析了可能的故障模式與應(yīng)對(duì)方案。第四章介紹軟件設(shè)計(jì)理念及系統(tǒng)執(zhí)行細(xì)節(jié)。本章首先講解了系統(tǒng)的總體軟件架構(gòu)，介紹了各模塊的軟件功能與協(xié)作流程。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，確保各個(gè)模塊的高效調(diào)度與實(shí)時(shí)響應(yīng)。重點(diǎn)討論了火災(zāi)探測(cè)模塊的軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)智能算法精確判斷火點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)報(bào)警；滅火模塊的軟件設(shè)計(jì)則側(cè)重于通過(guò)智能控制判斷最佳滅火策略，并協(xié)調(diào)執(zhí)行單元進(jìn)行滅火操作。第五章對(duì)系統(tǒng)調(diào)試和檢測(cè)的全過(guò)程進(jìn)行了介紹。首先，講解了系統(tǒng)硬件與軟件集成后的初步調(diào)試過(guò)程，重點(diǎn)討論了各模塊之間的通信與數(shù)據(jù)反饋的測(cè)試。然后，進(jìn)行了系統(tǒng)功能測(cè)試，驗(yàn)證了火災(zāi)探測(cè)與滅火功能是否符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。接著，本章展示了在實(shí)驗(yàn)室與實(shí)際環(huán)境中的多輪測(cè)試結(jié)果，包括測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題與相應(yīng)的解決方案。通過(guò)詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性及可靠性，確保系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境下能夠穩(wěn)定運(yùn)行。最后，本章總結(jié)了調(diào)試過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為后續(xù)系統(tǒng)的優(yōu)化與迭代提供了重要參考。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求采用單片機(jī)、伺服電機(jī)、煙感、溫感、蜂鳴器等設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)火災(zāi)報(bào)警器。該系統(tǒng)硬件部分由單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)組成，系統(tǒng)能完成火災(zāi)燃燒源的定位并滅火。系統(tǒng)基本功能如下：（1）檢測(cè)探測(cè)方式有紅外感應(yīng)器和煙感兩種。（2）判斷結(jié)合采集到的傳感器數(shù)據(jù)，綜合判斷火情信息和著火點(diǎn)。（3）警報(bào)完成檢測(cè)和判斷后立即將火災(zāi)信息上傳發(fā)出警報(bào)?？傮w設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)基于模塊化設(shè)計(jì)方法，圍繞ATmega328單片機(jī)核心，研發(fā)了一種智能三維火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心部分是ATMEGA328單片機(jī)，它通過(guò)最小的系統(tǒng)配置來(lái)確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，包括上電復(fù)位電路和內(nèi)部晶振電路等基本模塊。采用專用電源模塊，保證系統(tǒng)在不同環(huán)境下工作穩(wěn)定，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源。此外，該系統(tǒng)還集成了包括紅外線溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器等在內(nèi)的多個(gè)傳感器模塊，并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)與報(bào)警狀態(tài)通過(guò)無(wú)線通訊模塊上傳到遠(yuǎn)程終端，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，記錄數(shù)據(jù)。ATmega328單片機(jī)為系統(tǒng)的核心控制單元，ATmega328負(fù)責(zé)對(duì)所有傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理和控制命令的發(fā)送?？梢耘c溫度傳感器，火焰?zhèn)鞲衅鳎瑹熿F傳感器，蜂鳴器等模塊通過(guò)單片機(jī)的GPIO引腳進(jìn)行交互。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度的紅外線溫度傳感器會(huì)通過(guò)單片機(jī)偵測(cè)到異常，并在溫度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。溫度異常通常是火災(zāi)發(fā)生的前兆，因此該傳感器對(duì)于火災(zāi)的早期預(yù)警至關(guān)重要。煙霧報(bào)警器檢測(cè)空氣中的煙霧濃度，煙霧的濃度也是火災(zāi)發(fā)生的重要指示，尤其是在火災(zāi)初期，煙霧濃度可能升高。煙感感應(yīng)器的靈敏設(shè)置可以保證預(yù)警的早發(fā)。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)通過(guò)LED燈閃爍顯示的同時(shí)，通過(guò)蜂鳴器發(fā)出聲響警報(bào)，提醒周圍民眾立即撤離。環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)上傳、報(bào)警功能、自動(dòng)滅火等是這款智能火災(zāi)報(bào)警器的核心功能。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境的溫度、煙霧濃度和火焰狀態(tài)，通過(guò)不斷收集傳感器數(shù)據(jù)。系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，啟動(dòng)聲光報(bào)警和滅火系統(tǒng)(待改進(jìn))，當(dāng)探測(cè)到溫度過(guò)高、煙霧濃度異?；蚧鹧娲嬖跁r(shí)。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以將相關(guān)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息通過(guò)無(wú)線模塊實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程終端，使管理者在第一時(shí)間內(nèi)就可以知道發(fā)生火災(zāi)的情況，并作出相應(yīng)的應(yīng)急處置。硬件電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)電路AVR內(nèi)核指令集豐富，通用工作寄存器32個(gè)。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連，這樣一條指令就可以同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)極大地提高了代碼效率，最高可達(dá)普通CISC微控制器10倍的數(shù)據(jù)猶豫率。ATmega328的特點(diǎn)包括：32K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲(chǔ)（具備在編程時(shí)仍可讀取的功能，即RWW），以及1K字節(jié)的EEPROM。2K字節(jié)的SRAM，23個(gè)通用I/O端口，32個(gè)通用寄存器，三個(gè)具有比較模式的靈活定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)，支持片內(nèi)和外部中斷?？删幊痰拇蠻SART，支持字節(jié)級(jí)的兩線串行通信接口，以及一個(gè)SPI串行端口。一個(gè)具有6路10位ADC的器件（TQFP和MLF封裝的型號(hào)具備8路10位ADC），配備有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器。以及五種可通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的節(jié)能模式。在空閑模式下，CPU停止運(yùn)行，但SRAM、T/C、USART、兩線串行接口、SPI接口以及中斷系統(tǒng)仍然繼續(xù)運(yùn)作。在掉電模式下，晶體振蕩器將停止振蕩，除了中斷和硬件復(fù)位以外的所有功能都會(huì)停止工作，而寄存器的內(nèi)容將保持不變。在省電模式下，異步定時(shí)器仍然在運(yùn)行，以便用戶能夠保持時(shí)間基準(zhǔn)，而設(shè)備的其他部分則進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在ADC噪聲抑制模式下，CPU和所有I/O模塊將暫停工作，而異步定時(shí)器和ADC仍然保持運(yùn)行，以降低ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程中的開(kāi)關(guān)噪聲。在待機(jī)模式下，振蕩器保持工作狀態(tài)，而其他部分處于休眠狀態(tài)，從而使設(shè)備僅消耗極少的電流，同時(shí)具備快速啟動(dòng)的能力。采用Atmel高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的ATMEGA328。片內(nèi)ISPFlash可透過(guò)SPI接口，或通過(guò)通用編程器，引導(dǎo)程式反復(fù)編程。引導(dǎo)程序可將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)，任意接口都可以使用。在更新應(yīng)用FLASH存儲(chǔ)區(qū)域的時(shí)候，引導(dǎo)程序區(qū)的代碼不斷地運(yùn)行起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)了FLASH的WW操作。ATMEGA328為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)靈活低成本的方案，通過(guò)將8位RISCCPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的FLASH集成在一個(gè)芯片內(nèi)。系統(tǒng)框架構(gòu)圖如下：圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s11系統(tǒng)構(gòu)架最小系統(tǒng)是能夠使單片機(jī)獨(dú)立工作所需要最簡(jiǎn)單的電路，包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及電源電路，通過(guò)搭建最小系統(tǒng)，可以直接以此為基礎(chǔ)擴(kuò)展所需的電路。最小系統(tǒng)電路如圖所示:圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s12最小系統(tǒng)電路單片機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按照時(shí)序進(jìn)行工作。而晶振起到的作用就是為單片機(jī)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)內(nèi)部所有的工作都是以這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)為基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行工作的。用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)的電路即時(shí)鐘電路。對(duì)于此款單片機(jī)，晶振頻率是16MHZ，晶體振蕩頻率越高，系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也越高，單片機(jī)的速度也就越快。晶振使用通常需要一端串聯(lián)電容后接地，以使晶振電路產(chǎn)生震蕩。晶振電路如圖所示：圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s13主控外部晶振電路傳感器電路MQ-2煙霧感應(yīng)器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于半導(dǎo)體的表面離子式N型。二氧化錫吸附空氣中的氧，在200~300℃時(shí)，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中電子密度降低，從而使半導(dǎo)體的電阻值增大，從而使其具有了較高的電阻值。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，若晶粒間界處的勢(shì)壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會(huì)造成表面導(dǎo)電率的變化，從而引起表面電導(dǎo)率的變化，從而使表面電感率發(fā)生變化，從而造成表面電感的改變，從而導(dǎo)致表面電流的變化，從而使表面的電感量發(fā)生變化，從而使煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，從而引起表面電感的改變。MQ-2傳感器具有較高的氣體和液化石油氣等煙霧的靈敏度，特別是能準(zhǔn)確排除帶有刺激性的非可燃性煙霧的干擾信息，以對(duì)抗干擾性較好的烷類煙霧。具有良好的重復(fù)性和MQ-2傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。初段平穩(wěn)，反應(yīng)時(shí)間短。須知：必須加熱一段時(shí)間后才能使用，否則其所輸出的電阻值和電壓都是無(wú)法精確的。它對(duì)可燃燒的氣體和煙霧的檢測(cè)范圍在100~10000ppm。MQ-2傳感器實(shí)物圖如下：圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s14MQ2傳感器實(shí)物圖MQ-2傳感器原理圖如下：圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s15MQ2傳感器原理圖MQ-5氣體傳感器采用的氣敏材料是二氧化錫(SnO2)，二氧化錫在清潔空氣中的電導(dǎo)率很低。當(dāng)可燃?xì)怏w存在于傳感器所處的環(huán)境中時(shí)，隨著空氣中可燃?xì)怏w濃度的升高，傳感器的電導(dǎo)率會(huì)增加。MQ-5氣體傳感器靈敏度高，對(duì)甲烷、丙烷和甲烷有較好的兼顧能力，可以很好的兼顧甲烷和丙烷。這種傳感器可以偵測(cè)多種可燃性氣體，尤其是天然氣，是主要用于家庭或工業(yè)上對(duì)液化氣、天然氣、煤氣的監(jiān)控裝置的低成本傳感器，適合多種應(yīng)用。MQ-5傳感器實(shí)物圖如下:圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s16MQ-5傳感器實(shí)物圖MQ-7氣體傳感器所用的氣敏材料為二氧化錫，在清潔空氣中具有較低的電導(dǎo)率。利用高低溫循環(huán)檢測(cè)法對(duì)一氧化碳進(jìn)行低溫檢測(cè)（1.5V加熱），隨著空氣中一氧化炭氣體濃度升高，傳感器的電導(dǎo)率增大，當(dāng)高溫時(shí)吸附的氣體被高溫(5.0V加熱)。利用簡(jiǎn)單的電路，電導(dǎo)率的變化就可以轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)，對(duì)應(yīng)于這種氣體濃度。MQ-7傳感器實(shí)物圖如下:圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s17MQ-7傳感器實(shí)物圖電源電路通過(guò)一顆1117-3.3的LDO線性降壓穩(wěn)壓芯片把輸入的5V電壓轉(zhuǎn)化成主控芯片所需要的3.3V工作電壓。系統(tǒng)電路連接圖如下：圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s18系統(tǒng)電源電路連接圖紅外火焰?zhèn)鞲衅骷t外光線是在760納米至1mm的微波和可見(jiàn)光波之間波長(zhǎng)的電磁波，波形要比紅光更長(zhǎng)，自然界所有的物體只要溫度高于絕對(duì)零度(-273.15℃)，表面就會(huì)輻射紅外線，波形的不可見(jiàn)光是紅光較長(zhǎng)的不可見(jiàn)光。燃燒的火焰發(fā)出的輻射顯著具有紅外線特征，基于這一特性，可以將紅外傳感器用作火焰探測(cè)器。實(shí)物圖如下：圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s19紅外火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)物圖火焰?zhèn)鞲衅髟韴D如下：圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s110紅外火焰?zhèn)鞲衅麟娐吩韴D報(bào)警這套由蜂鳴器和LED指示燈組成的報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了報(bào)警功能的發(fā)揮。通過(guò)GPIO(一般輸入輸出端口）的控制，適用于在安全監(jiān)視、偵測(cè)等現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)中能夠發(fā)出聲響，并能給出視覺(jué)上的指示。下面的就是詳細(xì)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的步驟系統(tǒng)下面就是系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的流程：。1.系統(tǒng)組成蜂鳴器：用以發(fā)聲提示、有效誘人語(yǔ)聲。LED指示燈：用紅LED用于視覺(jué)上的反饋，以達(dá)到增強(qiáng)警覺(jué)性的目的。微控制器：作為本系統(tǒng)核心，它承擔(dān)著采集傳感狀態(tài)、對(duì)蜂鳴器及LED的起動(dòng)或停止的控制等功能。狀態(tài)檢測(cè)：在偵測(cè)至異常時(shí)，由微型控制器對(duì)傳感器狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)性讀取，從而引起告警。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖本程序?qū)崿F(xiàn)的功能是：首先系統(tǒng)完成各個(gè)模塊子系統(tǒng)的初始化和自檢，包括火災(zāi)傳感器的初始化，以采集當(dāng)前環(huán)境的溫度和煙霧濃度。該系統(tǒng)通過(guò)GD60914感溫器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，同時(shí)通過(guò)MQ-2煙霧感應(yīng)器、MQ-7一氧化碳感應(yīng)器、MQ-5可燃?xì)怏w感應(yīng)器監(jiān)測(cè)空氣中的煙霧濃度。一旦檢測(cè)到可燃?xì)怏w泄漏，或溫度及煙霧濃度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制。運(yùn)行過(guò)程中，如果檢測(cè)到異常情況，系統(tǒng)會(huì)上傳警報(bào)信息提醒用戶，系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的報(bào)警條件和閾值自動(dòng)執(zhí)行滅火措施。各個(gè)程序模塊的結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s11主程序流程圖OLED顯示程序使用U8g2lib庫(kù)和點(diǎn)陣取模實(shí)現(xiàn)oled中文的顯示#defineSCREEN_WIDTH128//設(shè)置OLED寬度,單位:像素#defineSCREEN_HEIGHT64//設(shè)置OLED高度,單位:像素//自定義重置引腳，教程雖未使用，但對(duì)于Adafruit_SD1306庫(kù)文件來(lái)說(shuō)，教程是必不可少的。#defineOLED_RESET4Adafruit_SSD1306display(SCREENLAY，SCREENUCK，&Wire，OLED_RESET)；//創(chuàng)建u8g對(duì)象U8GLIB_SSD1306_128X64u8g(U8G_I2C_OPT_NONE);部分字模字庫(kù)的十六位信息如圖：圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s12中文字體字模氣體傳感器檢測(cè)程序氣體傳感器可以輸出模擬信號(hào)量和數(shù)字信號(hào)量，使用digitalRead(CO)這條函數(shù)功能是檢測(cè)IO口的輸入是高電平還是低電平，其中‘CO’為此傳感器當(dāng)前與單片機(jī)連接的引腳。如果是高電平則這條函數(shù)返回值為1，如果是低電平返回值為0，當(dāng)氣體傳感器檢測(cè)沒(méi)有超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)輸出高電平，超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)輸出低電平，只需要digitalRead(CO)判斷讀取到的電平是否為低，如果低電平就觸發(fā)報(bào)警，使用的幾種不同功能的氣體傳感器檢測(cè)邏輯一樣，只改變讀取傳感器與單片機(jī)連接的引腳序號(hào)digitalRead傳入的參數(shù)（CO）就可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)所有的氣體傳感器，下面是一氧化碳?xì)怏w傳感器的檢測(cè)判斷程序：if(digitalRead(CO)==0)如果一氧化碳傳感器檢測(cè)超標(biāo)

{

Serial.write("CO\r\n");串口發(fā)送報(bào)警信息

i=1;標(biāo)志位置一，當(dāng)其他程序讀取此標(biāo)志位為1時(shí)啟動(dòng)報(bào)警

digitalWrite(beep,HIGH);控制蜂鳴器報(bào)警

digitalWrite(LED,HIGH);控制LED燈光報(bào)警

delay(100);在程序循環(huán)中加入延時(shí)即可實(shí)現(xiàn)有間隔的警報(bào)

digitalWrite(beep,LOW);關(guān)閉蜂鳴器

digitalWrite(LED,LOW);關(guān)閉LED燈

delay(100);繼續(xù)延時(shí)，防止關(guān)閉時(shí)間間隔過(guò)短導(dǎo)致無(wú)法分辨警報(bào)

}火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)程序火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測(cè)原理和氣體傳感器檢測(cè)類似，都是通過(guò)電位器預(yù)先設(shè)定閾值然后傳感器檢測(cè)超過(guò)閾值后輸出一個(gè)低電平的信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)讀取和此傳感器連接的引腳的電平信號(hào)判斷是否檢測(cè)到火焰并發(fā)出警報(bào)?；鹧?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)代碼如下：if(digitalRead(CO)==0)如果一氧化碳傳感器檢測(cè)超標(biāo){Serial.write("CO\r\n");串口發(fā)送報(bào)警信息i=1;標(biāo)志位置一，當(dāng)其他程序讀取此標(biāo)志位為1時(shí)啟動(dòng)報(bào)警digitalWrite(beep,HIGH);控制蜂鳴器報(bào)警digitalWrite(LED,HIGH);控制LED燈光報(bào)警delay(100);在程序循環(huán)中加入延時(shí)即可實(shí)現(xiàn)有間隔的警報(bào)digitalWrite(beep,LOW);關(guān)閉蜂鳴器digitalWrite(LED,LOW);關(guān)閉LED燈delay(100);繼續(xù)延時(shí)，防止關(guān)閉時(shí)間間隔過(guò)短導(dǎo)致無(wú)法分辨警報(bào)}系統(tǒng)的調(diào)試軟件調(diào)試程序硬件設(shè)備初始化代碼這個(gè)函數(shù)首先對(duì)串口初始化設(shè)置波特率115200完成之后初始化OLED屏幕通信需要用到的I2C通信，然后設(shè)置每一個(gè)傳感器引腳的輸入輸出功能。下面是初始化的部分代碼：voidsetup(){

Serial.begin(115200);//串口初始化

Wire.begin();//I2C通信初始化

//初始化OLED并設(shè)置其IIC地址為0x3C

display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC,0x3C);

pinMode(CO,INPUT);設(shè)置一氧化碳傳感器信號(hào)輸入引腳

pinMode(fumes,INPUT);設(shè)置煙霧傳感器信號(hào)輸入引腳

pinMode(Combustible_gas,INPUT);設(shè)置可燃?xì)怏w傳感器信號(hào)輸入引腳

pinMode(flame,INPUT);設(shè)置紅外火焰?zhèn)鞲衅餍盘?hào)輸入引腳

pinMode(beep,OUTPUT);設(shè)置蜂鳴器報(bào)警輸出控制引腳

pinMode(LED,OUTPUT);設(shè)置led燈光報(bào)警控制引腳}實(shí)現(xiàn)串口初始化和輸出輸入方式定義、GPIO引腳。OLED屏幕驅(qū)動(dòng)顯示代碼這個(gè)函數(shù)主要通過(guò)U8g2庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)已經(jīng)取好字模的文字顯示到OLED屏幕上，首先設(shè)置顯示頁(yè)面為第一頁(yè)（firstPage），然后使用drawBitmapP把具體字模轉(zhuǎn)化成OLED屏幕的像素點(diǎn)顯示出來(lái)，使用定義結(jié)構(gòu)體的具體用法如下：u8g.firstPage();執(zhí)行對(duì)屏幕具體像素點(diǎn)位置的設(shè)置并顯示文字信息

u8g.drawBitmapP(0,0,2,16,logo0_glcd_bmp);

u8g.drawBitmapP(16,0,2,16,logo1_glcd_bmp);

u8g.drawBitmapP(32,0,2,16,logo2_glcd_bmp);

u8g.drawBitmapP(48,0,2,16,logo3_glcd_bmp);

u8g.drawBitmapP(64,0,2,16,logo4_glcd_bmp);

u8g.drawBitmapP(80,0,2,16,logo5_glcd_bmp);

u8g.drawBitmapP(96,0,2,16,logo6_glcd_bmp)；

u8g.drawBitmapP(0,16,2,16,logo7_glcd_bmp);

u8g.drawBitmapP(16,16,2,16,logo8_glcd_bmp);

u8g.drawBitmapP(32,16,2,16,logo13_glcd_bmp);判斷有火災(zāi)后自動(dòng)改變OLED顯示的狀態(tài)信息代碼使用if語(yǔ)句判斷報(bào)警標(biāo)志位是否為真（1），如果為真則執(zhí)行使用u8g2庫(kù)函數(shù)對(duì)OLED屏幕上的文字內(nèi)容修改為危險(xiǎn)狀態(tài)，如果報(bào)警標(biāo)志位非真（不等于1），則把文字內(nèi)容修改為安全狀態(tài)并顯示到屏幕上。具體代碼如下：if(i==1)

{

u8g.drawBitmapP(48,16,2,16,logo11_glcd_bmp);

u8g.drawBitmapP(64,16,2,16,logo12_glcd_bmp);

}

else

{

u8g.drawBitmapP(48,16,2,16,logo9_glcd_bmp);

u8g.drawBitmapP(64,16,2,16,logo10_glcd_bmp);

}

}while(u8g.nextPage());讀取所有傳感器數(shù)據(jù)并判斷是否有火災(zāi)的主要代碼通過(guò)把這個(gè)函數(shù)放在主循環(huán)中運(yùn)行即可持續(xù)檢測(cè)每一個(gè)傳感器的狀態(tài)數(shù)值。連續(xù)使用if語(yǔ)句判斷每一個(gè)傳感器的狀態(tài)是否超標(biāo)異常，如此條未超標(biāo)則繼續(xù)執(zhí)行下面的if判斷，把每一個(gè)if判斷放在一個(gè)函數(shù)中，再把這個(gè)函數(shù)放到主循環(huán)里就可以實(shí)現(xiàn)程序每循環(huán)一遍就能全部判斷一遍所有傳感器的狀態(tài)，如果狀態(tài)異常則會(huì)修改報(bào)警標(biāo)志位讓5.1.3小節(jié)中的屏幕改變顯示信息。封裝好的函數(shù)里包含了所有的傳感器判斷功能，其具體實(shí)現(xiàn)如下：voidmode_read(void){

if(digitalRead(CO)==0)如果一氧化碳傳感器檢測(cè)超標(biāo)

{

Serial.write("CO\r\n");串口發(fā)送報(bào)警信息

i=1;標(biāo)志位置一，當(dāng)其他程序讀取此標(biāo)志位為1時(shí)啟動(dòng)報(bào)警

digitalWrite(beep,HIGH);控制蜂鳴器報(bào)警

digitalWrite(LED,HIGH);控制LED燈光報(bào)警

delay(100);在程序循環(huán)中加入延時(shí)即可實(shí)現(xiàn)有間隔的警報(bào)

digitalWrite(beep,LOW);關(guān)閉蜂鳴器

digitalWrite(LED,LOW);關(guān)閉LED燈

delay(100);繼續(xù)延時(shí)，防止關(guān)閉時(shí)間間隔過(guò)短導(dǎo)致無(wú)法分辨警報(bào)

}

elseif(digitalRead(fumes)==0)煙霧報(bào)警器如果異常

{

Serial.write("fumes\r\n");串口發(fā)送報(bào)警信息

i=1;標(biāo)志位置一，當(dāng)其他程序讀取此標(biāo)志位為1時(shí)啟動(dòng)報(bào)警

digitalWrite(beep,HIGH);控制蜂鳴器報(bào)警

digitalWrite(LED,HIGH);控制LED燈光報(bào)警

delay(100);在程序循環(huán)中加入延時(shí)即可實(shí)現(xiàn)有間隔的警報(bào)

digitalWrite(beep,LOW);關(guān)閉蜂鳴器

digitalWrite(LED,LOW);關(guān)閉LED燈

delay(100);繼續(xù)延時(shí)，防止關(guān)閉時(shí)間間隔過(guò)短導(dǎo)致無(wú)法分辨警報(bào)

}如果所有傳感器均未檢測(cè)到有異常情況則表明當(dāng)前環(huán)境安全，關(guān)閉蜂鳴器和LED燈的報(bào)警，并使報(bào)警標(biāo)志位置零if(digitalRead(CO)==1&&digitalRead(fumes)==1&&digitalRead(Combustible_gas)==1&&digitalRead(flame)==1){

digitalWrite(beep,LOW);關(guān)閉蜂鳴器

digitalWrite(LED,LOW);關(guān)閉LED燈

i=0;報(bào)警標(biāo)志位置零

}}硬件調(diào)試初步軟件程序?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)各個(gè)傳感器模塊的信息讀取和判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷是否起火，隨程序功能的逐步完善，逐步完善對(duì)火災(zāi)的掃描判斷功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)起火信息的精準(zhǔn)判斷。在完成之后加入無(wú)線上傳報(bào)警功能，最后完成整個(gè)產(chǎn)品的測(cè)試。系統(tǒng)硬件的驗(yàn)證過(guò)程隨著系統(tǒng)軟件的完善而分為如下幾個(gè)階段：1、連接煙霧傳感器紅外傳感器到MCU單片機(jī)系統(tǒng)，編寫燒錄程序，驗(yàn)證傳感器功能，并根據(jù)傳感器的閾值進(jìn)行調(diào)整程序。2、連接無(wú)線通訊模塊到系統(tǒng)，完成對(duì)監(jiān)測(cè)到的所有信息進(jìn)行整理和上傳。3、完成所有模塊的總裝，模擬起火信息進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。連接原理圖如下所示：圖STYLEREF1\s5-SEQ圖\*ARABIC\s11硬件連接原理圖調(diào)試結(jié)果初步完成了主系統(tǒng)程序的編寫工作，各傳感器的功能整合工作已順利實(shí)現(xiàn)。具體地說(shuō)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果作出相應(yīng)反應(yīng)，通過(guò)紅外溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器和一氧化碳傳感器。在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)可燃性氣體接近火警時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警，提醒周圍人員火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)就能迅速感知并正常工作。同時(shí)，該系統(tǒng)還能精確探測(cè)一氧化碳濃度升高，并能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，直接探測(cè)火焰的存在。此外，系統(tǒng)搭載的OLED屏幕可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境的狀態(tài)，對(duì)于是否出現(xiàn)異常情況也能清晰顯示，便于管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行及時(shí)了解。智能消防報(bào)警器實(shí)物調(diào)試示意圖如下：環(huán)境正常：圖STYLEREF1\s