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基于单片机的实验室火情自动报警扑灭器研究

2024-12-10 99 上传者：管理员

摘要：基于单片机的实验室火情自动报警扑灭器以STM32作为控制核心，通过MQ-7烟雾传感器检测烟雾浓度，温度传感器检测温度。烟雾传感器和温度传感器的线传输模块将信息传输到STM32单片机，确定实验室环境的基础情况，识别环境的温度是否变化，让单片机对烟雾传感器、温度传感器等采集到的信号进行处理，并产生相应的报警明灯，最终对喷气装置开关和发声报警装置开关进行控制，实现喷气灭火并伴随声音报警。

关键词：
STM32单片机
实验室
火情
灭火系统
自动报警扑灭器
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随着科技和教育的发展需求，实验室的使用频率越来越高，人们也越来越关注研究人员在实验室的安全问题。虽然实验室等都配置了灭火器，但是由于具有完善措施的灭火系统不是过于笨重就是过于昂贵，价格低廉的往往只有灭火功能，达不到自动灭火的智能要求。针对这一现象，为了有效地预防实验室火灾隐患，本文设计了基于STM32单片机的火情自动报警扑灭器，旨在满足实验室的自动灭火要求。

1、火情自动报警扑灭器结构设计

火情自动报警扑灭器以STM32系列单片机[1]为主控芯片，MQ-7烟雾传感器和NTC温度传感器为辅助模块，蜂鸣器模块配合RGB灯光作为报警装置，通过对单片机进行编程，让单片机对烟雾传感器、温度传感器传输的信号进行处理，实现环境、温度、烟雾的监测功能，并产生相应的明灯警示和蜂鸣器报警；通过电机驱动模块实现对电磁阀的控制，最终实现灭火功能。火情自动报警扑灭器结构框图如图1所示。该火情自动报警扑灭器选择低功耗运行，系统产品追求智能化、自动化、简便化和价格低廉化，可以有效降低实际应用中的成本。

2、硬件电路设计

2.1 主控芯片

该项目选择STM32F103ZET6小系统板作为主控芯片，利用STM32单片机提供的I/O接口连接电源、下载器、蜂鸣器、按键开关、复位以及各类传感器。STM32F103ZET6芯片具有72 MHz CPU的速度和高达1 MB的闪存，包含电动机控制外围设备以及CAN和USB全速接口，其32位闪存微控制器工作时具有低功率和低电压的性能[2]。STM32F103ZET6芯片接口电路如图2所示。

2.2 电机驱动模块

电机驱动模块选用L298N,其最高工作电压为50 V,输出电流为2 A,其输入端与单片机直接相连，从而可以很方便地受单片机控制。为了避免电机对单片机的干扰，使扑灭器能够稳定可靠地工作，本电机驱动模块加入了光耦，进行了光电隔离[3]。电机驱动模块如图3所示。

图1火情自动报警扑灭器结构框图

3、报警装置

该项目设计的基础构想是实现自动化与智能化，因此，需要设计相应的报警装置。在此选择了无源蜂鸣器和RGB三色LED模块。

3.1 无源蜂鸣器

无源蜂鸣器的“源”不是指电源，而是指振荡源。无源蜂鸣器的工作原理与扬声器相同，主要是利用电磁感应现象，即音圈接入交变电流后形成的电磁铁与永磁铁相斥或相吸而推动振膜发声的原理[4]。无源蜂鸣器如图4所示。

在本项目中，无源蜂鸣器以高电平触发，当系统条件未满足时，无源蜂鸣器处于断开状态；当系统条件满足时，无源蜂鸣器收到高电平信号进而被触发。

图2 STM32F103ZET6芯片接口电路

3.2 RGB三色LED模块

RGB三色LED模块由全彩LED制作而成，通过R、G、B三个线口PWM(Pulse Width Modulation, 脉冲宽度调制)电压输入可以完成调节三原色(即红、绿、蓝)强度，从而实现全彩色混色效果。该模块可以满足各种单片机的使用，兼容性极好，通过编程后还可以实现冷光效果。RGB三色LED模块如图5所示。

在本项目中，RGB三色LED模块起着警示明灯作用，提醒现场人员环境可能出现异样，需进行现场检查。

4、传感器

传感器部分构想是选择多传感器，执行“与”门逻辑进行环境监测和信息传递。本项目选用MQ-7烟雾传感器和NTC温度传感器。

MQ-7烟雾传感器的工作原理是基于半导体材料在气体作用下发生电化学性质的变化，通过测量这种变化来检测气体浓度。MQ-7烟雾传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2),传感器的电导率随空气中一氧化碳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[5]。

MQ-7烟雾传感器对一氧化碳的灵敏度高，可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。MQ-7烟雾传感器如图6所示。

图3电机驱动模块

图4 无源蜂鸣器

图5 RGB三色LED模块

图6 MQ-7烟雾传感器

5、结语

该火情自动报警扑灭器选择低功耗运行，通过NTC温度传感器和MQ-7烟雾传感器共同监测实验室火情，由STM32F103ZET6单片机对监测到的信息进行处理，然后将信息传递给蜂鸣器和RGB,实现实时的可视化监测和报警功能，同时，由STM32单片机向电机驱动模块发出动作信号，控制电磁阀开关，实现最后的灭火功能。产品追求智能化、自动化、简便化和价格低廉化，可以有效降低实际应用中的成本[6]。

参考文献:

[1]朱重儒,任哲昆.基于STM32F103控制的NRF24L01多路无线通信设计研究[J].中国新通信,2018(1):13-14.

[2]刘火良,杨森.STM32库开发实战指南:基于STM32F103[M].北京:机械工业出版社,2017.

[3]范汝健,莫泽生,庄宇业,等.基于51单片机的远程操控清洁船设计与控制系统[J].装备制造技术,2017(5):298-302.

[4]陈思宇,慕丽,王欣威.基于Arduino的仓库报警智能小车的设计[J].装备制造技术,2021(6):30-33.

[5]廖光荣,李慧,宋包建.火灾险情探测智能小车创意设计及实施[J].科技视界,2017(9):124-125.

[6]刘凌,王恒,周少勃.智能黑板擦控制系统研究[J].微型电脑应用,2018,34(9):14-22.

基金资助:2023年度西北民族大学校级人才培养质量提升项目(2023XJYBJG-12);2023年度国家民委高等教育教学改革研究项目(23108);西北民族大学2023年校级创新创业教育教学改革研究项目(工程训练创新创业教学平台构建);2024年西北民族大学教育教学改革研究项目(2024YBJG-31);

文章来源:陈响,乌兰,李小勇,等.基于单片机的实验室火情自动报警扑灭器研究[J].机械工程与自动化,2024,(06):177-178.