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基于单片机的温度烟雾与漏电综合火灾报警系统设计

news 2025/10/10 11:52:37

基于单片机的温度烟雾与漏电综合火灾报警系统设计

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1. 系统功能概述

本系统是一种集温度、烟雾及漏电检测于一体的综合型火灾安全监控系统。系统以单片机为核心控制单元，通过温度传感器、烟雾传感器和电流传感器（ACS712）对环境参数进行实时采集与分析，利用多参数联动逻辑，实现高可靠性的火灾报警与漏电保护功能。系统不仅能在异常情况下发出声光报警提示，还支持用户根据不同使用场景设置报警阈值，从而适应工厂、仓库、住宅等多种环境的安全需求。

系统主要实现以下功能：

多参数监测：同时检测温度、烟雾浓度以及电流变化，综合判断火灾或漏电风险。
动态显示功能：通过数码管动态显示当前温度值、烟雾浓度和电流值，实时反映环境状态。
阈值自定义设置：通过按键设置报警阈值，满足不同环境的安全标准与用户偏好。
声光报警功能：当检测到任意参数超过设定阈值，蜂鸣器和LED指示灯立即启动报警。
漏电保护机制：实时检测用电设备电流变化，若电流异常或超过设定范围，则立即报警并切断电源，防止电气火灾。
高稳定性与实时响应：采用高精度采样和智能判断算法，确保报警的准确性和响应速度。

系统以**“主动监测、快速响应、安全可靠”**为设计理念，具有很强的实用性与可扩展性，可广泛应用于智能家居、工厂安全监控、公共场所防火系统等领域。

2. 系统电路设计

整个系统以STC89C52单片机为核心，构成包括温度检测电路、烟雾检测电路、漏电检测电路、按键输入模块、数码管显示模块、蜂鸣器与LED报警模块等部分。系统的整体设计遵循模块化思想，每个功能单元独立运行，同时通过单片机协调，实现数据采集、分析与控制输出的闭环逻辑。

2.1 单片机主控模块

单片机选用STC89C52，它是一种基于8051内核的8位高性能微控制器，具备丰富的I/O口资源与强大的运算能力，能够满足多传感器信号处理的需求。

主要特性如下：

工作电压范围5V，功耗低；
拥有8KB Flash程序存储空间，可满足控制程序需求；
内置定时器、串口通信接口与外部中断功能；
提供丰富的并行I/O口，便于传感器、数码管、蜂鸣器等外设连接。

在系统中，单片机承担以下任务：

采集温度、烟雾、电流传感器的信号；
执行数据转换与报警逻辑判断；
控制数码管显示内容；
触发蜂鸣器和LED进行报警。

2.2 温度检测模块

温度检测采用DS18B20数字温度传感器。该传感器具有高精度、单总线接口及无需外部A/D转换的特点，适用于本系统的实时温度采集。

其主要参数如下：

测量范围：-55℃ ~ +125℃；
精度：±0.5℃；
输出格式：9~12位数字信号；
通信方式：单总线通信，与单片机直接连接。

单片机通过定时读取DS18B20的数字信号，并将结果转换为摄氏温度显示在数码管上。当温度超过设定阈值（如60℃）时，系统自动启动报警。

2.3 烟雾检测模块

烟雾检测部分采用MQ-2烟雾传感器，该模块可检测多种可燃气体（如甲烷、丙烷、烟雾等）。

其输出信号包括：

模拟信号（与烟雾浓度成比例）；
数字信号（通过比较器输出，高/低电平反映是否超过设定浓度）。

系统中使用模拟信号输入单片机A/D接口（通过PCF8591模数转换芯片实现），采集烟雾浓度的模拟值。单片机根据用户设定阈值（如浓度值>150）判断是否报警。

2.4 漏电检测模块

漏电检测部分采用ACS712电流传感器，用于实时监测电流变化，从而判断是否存在漏电或电流过载风险。

主要特性：

额定检测范围：±5A；
模拟输出电压与电流成比例（中心电压2.5V，灵敏度185mV/A）；
线性度高、响应时间快。

单片机周期性读取ACS712输出电压，经换算得出实际电流值。如果电流超过用户设定阈值（如2A），系统立即启动蜂鸣器报警并可联动继电器切断电源。

2.5 数码管显示模块

显示部分采用四位共阴极数码管，由单片机动态扫描驱动。

显示内容包括：

当前温度值（℃）；
烟雾浓度值（ppm）；
实时电流值（A）。

通过显示切换逻辑，系统每隔1秒切换显示不同的监测参数，使用户能全面了解当前环境状态。

2.6 按键设置模块

按键模块用于用户设置报警阈值及切换显示内容。

设计按键如下：

模式切换键：切换显示温度、烟雾或电流；
阈值+键 / 阈值–键：调节报警阈值；
确认键：保存设置参数。

按键接口采用独立方式，外接上拉电阻，按下时输出低电平信号，单片机检测到状态变化后执行相应操作。程序中加入软件消抖机制以避免误触发。

2.7 声光报警模块

报警模块由蜂鸣器与LED指示灯构成，用于在系统检测到异常状态时进行提示。

当温度、烟雾或电流任一超限时，蜂鸣器发出警报声，LED闪烁提示；
若同时有多项超标，蜂鸣器保持长鸣状态，提示紧急状况。

单片机通过控制I/O口输出高低电平，驱动蜂鸣器与LED工作。

3. 程序设计

系统程序采用模块化设计思路，主要包括主程序模块、温度检测模块、烟雾检测模块、漏电检测模块、数码管显示模块、按键控制模块及报警处理模块。各模块协同工作，确保数据采集、判断与报警的逻辑闭环。

3.1 主程序设计

主程序负责系统初始化、数据采集、判断逻辑与报警控制等核心任务。程序运行循环不断执行数据采样与状态更新。

#include <reg52.h>
#include "ds18b20.h"
#include "pcf8591.h"
#include "acs712.h"
#include "display.h"
#include "key.h"
#include "alarm.h"void main() {init_system();  // 初始化端口、定时器、显示、传感器while(1) {read_temperature();read_smoke();read_current();display_update();key_process();alarm_check();}
}

3.2 温度采集模块

温度采集模块通过DS18B20单总线通信方式读取温度数据。

float read_temperature(void) {unsigned int temp_value;temp_value = DS18B20_Read();temperature = temp_value * 0.0625;  // 转换为实际温度return temperature;
}

程序每隔500ms更新一次温度数据，并与用户设定阈值比较，若超出则触发报警标志位。

3.3 烟雾浓度检测模块

通过PCF8591 A/D转换器将MQ-2传感器输出的模拟电压转换为数字信号。

int read_smoke(void) {int value = PCF8591_Read(0);  // 读取A0通道smoke = (value / 255.0) * 500;  // 模拟烟雾浓度换算return smoke;
}

程序根据浓度值判断当前空气质量状态：

<100：正常
100~200：轻微烟雾
200：报警

3.4 漏电检测模块

通过读取ACS712输出电压计算电流值，判断是否存在漏电。

float read_current(void) {int adc_value = PCF8591_Read(1);  // A1通道读取电流信号float voltage = (adc_value / 255.0) * 5.0;current = (voltage - 2.5) / 0.185;return current;
}

若检测电流超过设定阈值（例如2.0A），系统进入漏电报警状态。

3.5 按键控制模块

按键处理模块实现模式切换与报警阈值设置。

void key_process(void) {unsigned char key_val = key_scan();switch(key_val) {case KEY_MODE: mode_switch(); break;case KEY_UP: increase_threshold(); break;case KEY_DOWN: decrease_threshold(); break;case KEY_OK: save_threshold(); break;}
}

通过全局变量记录当前阈值与模式状态，保证用户设置能被实时应用。

3.6 数码管显示模块

显示模块动态切换显示温度、烟雾和电流值，采用定时中断刷新扫描。

void display_update(void) {switch(display_mode) {case TEMP_MODE: show_value(temperature); break;case SMOKE_MODE: show_value(smoke); break;case CURRENT_MODE: show_value(current); break;}
}

每秒切换一次显示内容，直观显示三项关键参数。

3.7 报警处理模块

报警模块通过综合判断当前各参数是否超限，控制蜂鸣器与LED的报警状态。

void alarm_check(void) {if(temperature > temp_threshold || smoke > smoke_threshold || current > current_threshold) {buzzer_on();led_flash();} else {buzzer_off();led_off();}
}