基于單片機(jī)的車載火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)

摘要：為了避免因機(jī)動(dòng)車自燃帶來的人身和財(cái)產(chǎn)損害，文章設(shè)計(jì)了車載火災(zāi)報(bào)警器，其用單片機(jī)做主控制芯片，采用K型熱電偶和MAX6675芯片對(duì)機(jī)動(dòng)車上的易燃點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)比較到易燃點(diǎn)溫度和基準(zhǔn)點(diǎn)溫度超過設(shè)定的允許溫差值時(shí)，發(fā)出報(bào)警。進(jìn)行了車載火災(zāi)報(bào)警器運(yùn)行和測試實(shí)驗(yàn)，獲得了預(yù)期的結(jié)果，檢測到了機(jī)動(dòng)車易燃點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度差值，據(jù)此實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)動(dòng)車自燃火災(zāi)的預(yù)報(bào)警。

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年全國發(fā)生機(jī)動(dòng)車火災(zāi)12095起，造成死亡14人，受傷14人，直接財(cái)產(chǎn)損失21417.4萬元。在導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車火災(zāi)的原因中，自燃排第二位，本文設(shè)計(jì)的車載火災(zāi)報(bào)警器主要是針對(duì)機(jī)動(dòng)車自燃現(xiàn)象，對(duì)機(jī)動(dòng)車易燃點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)控，接近自燃臨界點(diǎn)溫度時(shí)報(bào)警，避免機(jī)動(dòng)車自燃現(xiàn)象的發(fā)生。

1 方案設(shè)計(jì)

美國國家火災(zāi)調(diào)查協(xié)會(huì)(NAFI)火災(zāi)及爆炸鑒定調(diào)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?yàn)橛斜姸嘁兹家后w(助燃液)存在。在很多情況下，這些易燃液體都提前預(yù)熱，而且承受一定作用力，這些易燃液體包括(當(dāng)然或許還有其他)汽油、柴油燃料、自動(dòng)變速箱專用油、動(dòng)力轉(zhuǎn)向器油、發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油、傳動(dòng)裝置油、齒輪潤滑油、(液壓器的)剎車油、防凍油、空調(diào)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(gè)自燃溫度，一旦達(dá)到這一溫度就會(huì)點(diǎn)燃，無需任何火花或火焰去激發(fā)。所以，對(duì)相關(guān)自燃點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)控，就可有效地防止汽車自燃。

現(xiàn)有的報(bào)警器主要是煙霧報(bào)警器，是通過監(jiān)測煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)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(chǎn)生的煙霧濃度，并把濃度大小反饋給控制器，經(jīng)控制器判斷后發(fā)出聲光報(bào)警，其最大的缺點(diǎn)是，現(xiàn)場己出現(xiàn)燃燒物，即火災(zāi)已發(fā)生。因此，為了克服這樣的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)在機(jī)動(dòng)車還未發(fā)生燃燒時(shí)，即通過其溫度的變化提前報(bào)警，以避免汽車自燃。

溫度火災(zāi)報(bào)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(biāo)準(zhǔn)(美國電器工會(huì)標(biāo)準(zhǔn))，其中，溫差式溫度火災(zāi)報(bào)警器指當(dāng)環(huán)境溫度在1min內(nèi)上升到比原來的環(huán)境溫度相差22℃時(shí)，也就是指當(dāng)出現(xiàn)警情時(shí)溫度突然上升應(yīng)及時(shí)報(bào)警。本文設(shè)計(jì)的車載火災(zāi)報(bào)警器屬于溫差式溫度火災(zāi)報(bào)警器。

車載火災(zāi)報(bào)警器由測試車輛指定部位的溫度傳感器A、B和作為基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度傳感器C組成。當(dāng)A點(diǎn)與C點(diǎn)或B點(diǎn)與C點(diǎn)的溫差在5s內(nèi)大于設(shè)定值時(shí)，即由設(shè)置于駕駛室內(nèi)的警報(bào)器對(duì)駕乘人員發(fā)出聲光警報(bào)，提示駕駛員立即停車檢查，避免人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失;

硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，選用溫度傳感器并行監(jiān)測A、B、C三點(diǎn)的溫度值，采用單片機(jī)作為主控制器，控制溫度值采樣和比較，如果在一定時(shí)間內(nèi)A與C或B與C的溫差超限，則輸出報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路，蜂鳴器鳴叫，發(fā)光二極管閃爍報(bào)警，直到手動(dòng)復(fù)位。電源電路將車載24V直流電轉(zhuǎn)換成5V直流供報(bào)警器使用。

2 電路設(shè)計(jì)

本報(bào)警器的控制器選用常用單片機(jī)芯片AT89C51。

2.1 電源電路

本文采用LM2576-5芯片為核心元器件構(gòu)成報(bào)警器的電源電路，把車載電瓶的12V或24V直流電轉(zhuǎn)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(dǎo)體公司生產(chǎn)的降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23V)，并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)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(zhuǎn)換電路如圖2所示。

輸出電壓U0經(jīng)過LM2756～5的電壓反饋輸入端送入與基準(zhǔn)電壓比較，脈沖控制電路根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生可控的脈沖信號(hào)控制開關(guān)管VT的導(dǎo)通與截止，通過電感L的儲(chǔ)能，經(jīng)電容C濾波后得到穩(wěn)定的輸出電壓U0，二極管VD在開關(guān)管VT截止時(shí)為電感L提供了續(xù)流通路。

2.2 溫度采集電路

考慮到機(jī)動(dòng)車所處的可能的環(huán)境溫度和需要檢測的燃燒臨界點(diǎn)溫度值，采用K型熱電偶和MAX6675芯片進(jìn)行溫度采集，熱電偶屬于自發(fā)電型傳感器，測量溫度時(shí)不需要外加電源、結(jié)構(gòu)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(bǔ)償?shù)拇蠯型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。溫度采集電路如圖3所示。

3個(gè)K型熱電偶分別安裝在測溫點(diǎn)A、B、C，采集到的熱電勢經(jīng)MAX6675溫度補(bǔ)償后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)，形成了3個(gè)數(shù)據(jù)采集通道。

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

分別由單片機(jī)的P1.2、P1.3、P1.4，時(shí)鐘端SCK由單片機(jī)的P1.1控制。

2.4 人機(jī)接口電路

本報(bào)警器的人機(jī)接口電路見圖4所示，用數(shù)碼管顯示A、B、C三點(diǎn)的溫度值和溫差設(shè)定值，數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的控制方式，單片機(jī)的P0口經(jīng)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(jù)，用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。從單片機(jī)的P3口接了3個(gè)獨(dú)立式按鍵作為溫差設(shè)定輸入設(shè)備，從P2.7接了三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，從P2.7接了發(fā)光二極管，作為溫差異常時(shí)的聲光報(bào)警。

3 程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思路，由主程序和若干子程序構(gòu)成。

主程序：溫差設(shè)定，設(shè)定溫度采集時(shí)間間隔，啟動(dòng)溫度采集。

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

溫度比較子程序：分別將A、B點(diǎn)溫度值與C點(diǎn)比較，如果超限，在設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)持續(xù)檢測和判斷，確實(shí)超限，輸出軟件中斷信號(hào)。

中斷服務(wù)子程序：驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路。

4 報(bào)警器運(yùn)行及測試

本文設(shè)計(jì)的報(bào)警器反復(fù)運(yùn)行多次，功能都能滿足設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行了溫度檢測性能和報(bào)警器精度測試。

4.1 報(bào)警器運(yùn)行

上電后，每隔5s輪流采集C、A、B三點(diǎn)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(jìn)行溫差范圍設(shè)定，開機(jī)默認(rèn)溫差為20℃。用按鍵K1、K2、K3進(jìn)行其他溫差值的設(shè)定，按下K1短于0.5s，進(jìn)入溫差設(shè)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(diào)整到需要的溫差值后，長按K1大于0.5s，溫差值設(shè)定為調(diào)整值，退出設(shè)定狀態(tài)。

若A點(diǎn)與C點(diǎn)溫差大于設(shè)定值，發(fā)出聲光報(bào)警，顯示兩點(diǎn)的溫差值為AC**，若實(shí)際溫差值大于99，溫差值每位分別顯示為單字節(jié)十六進(jìn)制，如實(shí)際溫差為108℃，將顯示為A8。報(bào)警持續(xù)60s，進(jìn)入下一輪溫度值采集，若溫差超出范圍，報(bào)警，直到兩點(diǎn)溫差值小于設(shè)定值，解除報(bào)警。

B、C兩點(diǎn)溫差報(bào)警，顯示溫差值為BC**，其他與A、C兩點(diǎn)類似。

4.2 溫度檢測性能測試

(1)測試方法。將基準(zhǔn)點(diǎn)(C點(diǎn))的傳感器置于20℃(±1℃)的溫水中，另將測試點(diǎn)(A點(diǎn))的傳感器置于約20℃的空氣中，并設(shè)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(diǎn)(A點(diǎn))的傳感器移動(dòng)到50℃的空氣熱源并記錄傳感器A的輸出達(dá)到90%空氣熱源溫度的時(shí)間。同樣條件測試3次。

(2)測試結(jié)果。經(jīng)過3次測試，A點(diǎn)測試值從20℃上升到45℃(=50℃×90%)的時(shí)間(s)均小于30s。

4.3 報(bào)警器精度測試

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

(2)測試結(jié)果。經(jīng)過9次測試，實(shí)測報(bào)警溫度(℃)值均與由溫差設(shè)定的報(bào)警溫度值相差±10%以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的車載火災(zāi)報(bào)警器能檢測，并根據(jù)易燃點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度差值，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車自燃火災(zāi)的預(yù)報(bào)警，產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行和測試證明，本方法是可行并可靠的，檢測點(diǎn)數(shù)目能根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。