FastBond2阶段1-基于ESP32的火灾报警系统的框图设计

内容介绍

一、项目介绍

火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。人类能够对火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。火，给人类带来文明进步、光明和温暖。但是，失去控制的火，就会给人类造成巨大的灾难。本系统是一个由单片机控制的火灾烟雾浓度、温度检测系统，它将传感器输出地电压信号进行A/D转换、滤波、线性化，由单片机将电压值转换为气体浓度和温度送LED显示，并判断是否超过报警上限，若超过，则发出声光报警。同时用户可以自己设定报警上限和定时时间，使用户可以根据实际情况方便的掌握安全状况。本系统的设计能够及时监测到系统故障和环境中有无火灾，火灾一旦发生将实现声光报警，并采取有效措施控制火情的发展，将火灾消灭在萌芽状态，以确保人身财产安全，最大限度地减少损失。

二、设计目标

通过设计一个以 ESP32单片机为核心外加 MQ-2 型半导体电阻式雾敏感器件的火灾报警器可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。

三、方案框图

根据比赛要求，这次使用得捷的Scheme-it来设计框图，本项目的主要框图如下，链接为：

https://www.digikey.cn/schemeit/project/火灾报警系统-f9f4a1d226bb4e04abc09d5fe2e59fa2

Fhh21mk4pzPaueVdd7Zdp8U9S_f5

四、核心模块

4.1 主控芯片ESP32-C3

ESP32-C3是乐鑫科技推出的一款芯片模组，是ESP8266和ESP32系列的继承者。其采用了一个Tensilica Xtensa LX7内核，主频可高达160MHz，并集成了一个2.4GHz的Wi-Fi 6支持器和一个低功耗蓝牙（BLE）5.0无线模组。它还具备一个高效的硬件安全系统，包括支持WPA3-Personal和WPA2-Enterprise的Wi-Fi安全认证。

ESP32-C3模组具有紧凑的尺寸和低功耗特性，适用于各种物联网（IoT）设备和传感器应用。它支持多种外设和接口，如GPIO、I2C、UART等，并且可以与各种外部传感器和设备进行通信。此外，ESP32-C3也内置了一些基本的功能，如模拟输入输出（ADC/DAC）、PWM控制和定时器。

ESP32-C3主要为物联网设计，智能家具、工业自动化、医疗保健、消费电子产品方面有着重要的应用。

4.2 烟雾传感器介绍

烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：

(a) 利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。

(b) 利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。

4.3 MQ系列传感器介绍

MQ系列传感器使用的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体，传感器加热后，在不同气体浓度中电导率不同。使用简单的电路就可以将电导率的变化转换成与该气体浓度相对应的信号输出了。

4.4 模块介绍

MQ-2传感器对可燃气、烟雾等气体灵敏度高，基于MQ-2的烟雾传感器模块通过电路设计，提供了两种输出方式：

数字量输出：通过板载电位器设定浓度阈值，当检测到环境气体浓度超过阈值时，通过数字引脚DO输出低电平。

模拟量输出：浓度越高，AO引脚输出的电压值越高，通过ADC采集的模拟值越高。

五、系统设计

报警器系统以ESP32为核心，配合外围电路共同完成：

信号采集
浓度显示
时间显示
状态显示
声音及闪烁报警
按键输入
故障自检等功能

报警器采用巡检的工作方式，进行两级报警值设定，并发出不同的光、声信号。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。

5.1 自诊断故障报警功能

当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时，报警器发出警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，及时排除故障，保证安全。

5.2 烟雾浓度显示

通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。

5.3 烟雾报警功能

当烟雾浓度连续 20 秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。

5.4 防止报警器误报功能

快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏，还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。

5.5 看门狗自检单片机状态功能

调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。

5.6 与上位机通讯功能

可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。

5.7 自动控制相关安全装置的扩展功能

留有继电器接口，可以带动排风扇或大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子阀门，可在报警的同时自动启动相关安全装置。

六、结语

以上就是本次FastBond2阶段1的内容，通过这次活动我学习了很多电子设计方面有了一个初步的了解，也学到了不少相关知识，对我来说是一次不可多得的锻炼的机会，这次项目仅仅是一个构想，希望可以通过进一步深入学习有机会将它变成现实。