基于單片機的車載火災報警器設計

摘要：為了避免因機動車自燃帶來的人身和財產損害，文章設計了車載火災報警器，其用單片機做主控制芯片，采用K型熱電偶和MAX6675芯片對機動車上的易燃點和基準點的溫度進行實時檢測，當比較到易燃點溫度和基準點溫度超過設定的允許溫差值時，發(fā)出報警。進行了車載火災報警器運行和測試實驗，獲得了預期的結果，檢測到了機動車易燃點與基準點的溫度差值，據此實現(xiàn)了對機動車自燃火災的預報警。

0 引言

據統(tǒng)計，2011年全國發(fā)生機動車火災12095起，造成死亡14人，受傷14人，直接財產損失21417.4萬元。在導致機動車火災的原因中，自燃排第二位，本文設計的車載火災報警器主要是針對機動車自燃現(xiàn)象，對機動車易燃點進行溫度監(jiān)控，接近自燃臨界點溫度時報警，避免機動車自燃現(xiàn)象的發(fā)生。

1 方案設計

美國國家火災調查協(xié)會(NAFI)火災及爆炸鑒定調查中心(CFEI)專業(yè)工程師理Richard H.Schulze解讀汽車自燃的最大的原因是因為有眾多易燃液體(助燃液)存在。在很多情況下，這些易燃液體都提前預熱，而且承受一定作用力，這些易燃液體包括(當然或許還有其他)汽油、柴油燃料、自動變速箱專用油、動力轉向器油、發(fā)動機潤滑油、傳動裝置油、齒輪潤滑油、(液壓器的)剎車油、防凍油、空調制冷用油(摻雜冷卻劑)等。所有這些易燃液體(助燃液)本身都有一個自燃溫度，一旦達到這一溫度就會點燃，無需任何火花或火焰去激發(fā)。所以，對相關自燃點的溫度進行監(jiān)控，就可有效地防止汽車自燃。

現(xiàn)有的報警器主要是煙霧報警器，是通過監(jiān)測煙霧的濃度來實現(xiàn)火災防范;通常采用煙霧傳感器來探測現(xiàn)場已發(fā)生的燃燒物產生的煙霧濃度，并把濃度大小反饋給控制器，經控制器判斷后發(fā)出聲光報警，其最大的缺點是，現(xiàn)場己出現(xiàn)燃燒物，即火災已發(fā)生。因此，為了克服這樣的缺點，本文設計在機動車還未發(fā)生燃燒時，即通過其溫度的變化提前報警，以避免汽車自燃。

溫度火災報警器中有兩種溫度傳感方式，一種是溫升式溫度傳感方式，另一種是溫差溫度傳感方式。按UL標準(美國電器工會標準)，其中，溫差式溫度火災報警器指當環(huán)境溫度在1min內上升到比原來的環(huán)境溫度相差22℃時，也就是指當出現(xiàn)警情時溫度突然上升應及時報警。本文設計的車載火災報警器屬于溫差式溫度火災報警器。

車載火災報警器由測試車輛指定部位的溫度傳感器A、B和作為基準點的溫度傳感器C組成。當A點與C點或B點與C點的溫差在5s內大于設定值時，即由設置于駕駛室內的警報器對駕乘人員發(fā)出聲光警報，提示駕駛員立即停車檢查，避免人身傷亡和財產損失;

硬件結構框圖如圖1所示，選用溫度傳感器并行監(jiān)測A、B、C三點的溫度值，采用單片機作為主控制器，控制溫度值采樣和比較，如果在一定時間內A與C或B與C的溫差超限，則輸出報警信號，啟動報警驅動電路，蜂鳴器鳴叫，發(fā)光二極管閃爍報警，直到手動復位。電源電路將車載24V直流電轉換成5V直流供報警器使用。

2 電路設計

本報警器的控制器選用常用單片機芯片AT89C51。

2.1 電源電路

本文采用LM2576-5芯片為核心元器件構成報警器的電源電路，把車載電瓶的12V或24V直流電轉換成電壓為5V，最大電流為3A的直流穩(wěn)壓電源供使用。LM2576-5芯片是美國國家半導體公司生產的降壓開關型集成穩(wěn)壓電路，它內含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準穩(wěn)壓器(1.23V)，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路。

LM2756-5芯片的各引腳功能如下：

1腳：Vi，7～40V電源輸入。

2腳：OUTPUT，輸出端。

3腳：GND(PWRGND)，電源地。

4腳：FB，電壓反饋輸入。

5腳：

，TTL電乎低功耗/正常兩種模式控制。

車載電源轉換電路如圖2所示。

輸出電壓U0經過LM2756～5的電壓反饋輸入端送入與基準電壓比較，脈沖控制電路根據比較結果產生可控的脈沖信號控制開關管VT的導通與截止，通過電感L的儲能，經電容C濾波后得到穩(wěn)定的輸出電壓U0，二極管VD在開關管VT截止時為電感L提供了續(xù)流通路。

2.2 溫度采集電路

考慮到機動車所處的可能的環(huán)境溫度和需要檢測的燃燒臨界點溫度值，采用K型熱電偶和MAX6675芯片進行溫度采集，熱電偶屬于自發(fā)電型傳感器，測量溫度時不需要外加電源、結構簡單、使用方便，其電極不受大小和形狀的限制。MAX6675是一種帶有線性校正、熱電偶斷線檢測、冷端補償?shù)拇蠯型熱電偶模數(shù)轉換芯片。溫度采集電路如圖3所示。

3個K型熱電偶分別安裝在測溫點A、B、C，采集到的熱電勢經MAX6675溫度補償后轉換成數(shù)字信號送給單片機，形成了3個數(shù)據采集通道。

MAX6675的輸入端T+、T-和K型熱電偶連接，3個通道的溫度數(shù)據通過串行輸出端SO分別接單片機的P1.0、P1.5、P1.6，片選端

分別由單片機的P1.2、P1.3、P1.4，時鐘端SCK由單片機的P1.1控制。

2.4 人機接口電路

本報警器的人機接口電路見圖4所示，用數(shù)碼管顯示A、B、C三點的溫度值和溫差設定值，數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示的控制方式，單片機的P0口經過74LS245芯片接到數(shù)碼管的段選線，P2.0～P2.3口接位選線：74LS245S是8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據，用于驅動數(shù)碼管。從單片機的P3口接了3個獨立式按鍵作為溫差設定輸入設備，從P2.7接了三極管驅動蜂鳴器，從P2.7接了發(fā)光二極管，作為溫差異常時的聲光報警。

3 程序設計

軟件設計采用結構化程序設計思路，由主程序和若干子程序構成。

主程序：溫差設定，設定溫度采集時間間隔，啟動溫度采集。

讀出溫度子程序：讀取從MAX6675轉換來的熱電勢的二進制代碼值，取出有效的溫度數(shù)據，并依據K型熱電偶分度表，查詢讀到的熱電勢對應的溫度值，并轉換成相應的BCD碼溫度值。

溫度比較子程序：分別將A、B點溫度值與C點比較，如果超限，在設定時間范圍內持續(xù)檢測和判斷，確實超限，輸出軟件中斷信號。

中斷服務子程序：驅動報警電路。

4 報警器運行及測試

本文設計的報警器反復運行多次，功能都能滿足設計要求，并進行了溫度檢測性能和報警器精度測試。

4.1 報警器運行

上電后，每隔5s輪流采集C、A、B三點的溫度，測溫范圍為-55～+125℃，分別顯示為“C***““A***””B***”，若超出測溫范圍，溫度值將顯示為零。

在溫度顯示期間，可進行溫差范圍設定，開機默認溫差為20℃。用按鍵K1、K2、K3進行其他溫差值的設定，按下K1短于0.5s，進入溫差設定狀態(tài)，顯示為EC20，按下K2一次溫差值加1，按下K3一次溫差值減1，調整到需要的溫差值后，長按K1大于0.5s，溫差值設定為調整值，退出設定狀態(tài)。

若A點與C點溫差大于設定值，發(fā)出聲光報警，顯示兩點的溫差值為AC**，若實際溫差值大于99，溫差值每位分別顯示為單字節(jié)十六進制，如實際溫差為108℃，將顯示為A8。報警持續(xù)60s，進入下一輪溫度值采集，若溫差超出范圍，報警，直到兩點溫差值小于設定值，解除報警。

B、C兩點溫差報警，顯示溫差值為BC**，其他與A、C兩點類似。

4.2 溫度檢測性能測試

(1)測試方法。將基準點(C點)的傳感器置于20℃(±1℃)的溫水中，另將測試點(A點)的傳感器置于約20℃的空氣中，并設置一處約50℃的空氣熱源。各處傳感器的輸出穩(wěn)定后，將測試點(A點)的傳感器移動到50℃的空氣熱源并記錄傳感器A的輸出達到90%空氣熱源溫度的時間。同樣條件測試3次。

(2)測試結果。經過3次測試，A點測試值從20℃上升到45℃(=50℃×90%)的時間(s)均小于30s。

4.3 報警器精度測試

(1)測試方法。將基準點(C點)的傳感器置于設定的水中(0、20、50℃)，并將報警溫差設定為30℃。另將測試點(A點)的傳感器置于逐漸加溫的水中，記錄報警時的溫度。不同條件各測試3次。

(2)測試結果。經過9次測試，實測報警溫度(℃)值均與由溫差設定的報警溫度值相差±10%以內。

5 結論

本文設計的車載火災報警器能檢測，并根據易燃點與基準點的溫度差值，實現(xiàn)對機動車自燃火災的預報警，產品的實際運行和測試證明，本方法是可行并可靠的，檢測點數(shù)目能根據需要進行擴展。