商场火灾报警与自动检测控制系统毕业设计.docx

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商场火灾报警与自动检测控制系统毕业设计

摘要

随着经济的发展，宾馆酒店、办公楼和购物商场等公共场所越来越多，人们的火灾安全意识也越来越强。

为了预防火灾带来的危害，设计一款及时、可靠的火灾检测与自动报警系统具有重要的意义。

该课题围绕商场火灾检测与自动报警控制系统进行设计。

首先，分析课题的研究范围，确定火灾检测与报警控制系统的总结构。

其次，设计系统硬件电路。

选定AT89C51单片机为控制中心，采用ADC0832芯片进行模数转换，利用MQ-2烟雾传感器和DS18B20温度传感器进行烟雾浓度和环境温度的检测和测量，并通过按键对浓度和温度进行预置值，实现声、光双重报警功能。

然后，对系统软件流程进行分析与设计。

根据设计的火灾报警系统主程序与火灾判断子程序，采用C语言进行程序编写，并利用Protues进行仿真调试，建立商场火灾检测与自动报警控制系统仿真模型，通过仿真分析和比较验证设计的可行性和正确性。

最后，对系统硬件电路进行制作与调试，并根据浓度和温度的预置值对报警功能进行了测试，达到了设计的要求。

该系统结构简单、性能稳定、应用性强，能有效预防火灾危害，对保护人身安全和财产安全具有一定的现实意义。

关键词：

烟雾检测；报警器；AT89C51单片机；传感器

ABSTRACT

Asthedevelopmentofecology,therearemoreandmorehotels,officebuildingsandshoppingmalls.Alsomoreandmorepeopleareawareofthesafetyoffire.Topreventthedangeroffire,ithasgreatsignificanceforustodesignatimelyandreliablefiredetectionandalarmsystem.

Thistopicaroundthemallfiredetectionandautomaticalarmcontrolsystemdesign.Firstly,theresearchscopeofthetopicisanalyzed,andthegeneralstructureofthefiredetectionandalarmcontrolsystemisdetermined.Secondly,thedesignofthesystemhardwarecircuit.SelectedAT89C51Microcontrollerasthecontrolcenter,thechipADC0832analog-to-digitalconversion,mq-2smokesensorandtemperaturesensorDS18B20isusedforthedetectionandmeasurementofsmokeconcentrationandambienttemperature,andthroughthebuttonsontheconcentrationandtemperatureofthepresetvalue,achievingsoundandlightdoublealarmfunction.Then,theanalysisanddesignofthesystemsoftwareprocess.AccordingtothedesignoffirealarmsystemmainprogramandfirejudgingsubprogrambyClanguageprogramming,anduseProtuessimulationdebugging,ashoppingmallfiredetectionandautomaticalarmcontrolsystemsimulationmodel,throughsimulationanalysisandcomparisontoverifythedesignisfeasibleandcorrect.Finally,thehardwarecircuitofthesystemismadeanddebugged,andthealarmfunctionistestedaccordingtothepresetvalueoftheconcentrationandtemperature,whichcanmeettherequirementofthedesign.Thissystemhassomeadvantagesofsimplestructure,suchas,stableperformance,strongapplicability,andcaneffectivelypreventthefirehazard,whichhascertainpracticalsignificancetotheprotectionofpersonalsafetyandpropertysafety

Keywords:

smokedetector；alarm；AT89C51singlechipmicrocomputer；sensor

1绪论

1.1课题的研究背景及意义

在中国，随着经济的快速发展和人们生活水平的提高，大型饭店、酒店、办公楼和购物商场等公共场所也越来越多。

在这些商场楼宇中拥有大量的塑料制品与木质材料，这将大幅增加火灾的发生概率[1]。

因此，人们对预防火灾的发生也越来越重视，要求火灾检测与报警控制系统具有及时、可靠的特点，以提高火灾检测与报警的功能，保障人们的生命财产安全。

火灾检测与自动报警控制系统采用对信号的检测、传输、报警的运作方式来监控还未变大的火情，并发出警报将火灾可能带来的损失降到最低。

1.2课题的国内外研究现状

中国相比于欧美国家对火灾检测与自动报警控制系统的研发起步较晚。

随着世界经济的发展与科学技术的进步，火灾报警系统也取得了阶段性的变化，从研发品种单一化慢慢的发展到多样化的过程。

19世纪初至20世纪初，人们对火灾检测与自动报警控制系统的研究也才刚开始。

其中主要采用的是温度感应器，利用感应器采集到的温度信号，判定是否超出设定值，得出是否有火灾发生[2]。

这段时期，火灾报警系统结构简单，唯一参量只有温度，很容易受到环境的影响，且温度感应的灵敏度低，响应速度缓慢，准确度低下，很难适合人们的要求。

20世纪40年代末，物理学家EmstMeili研究出离子感烟探测器以后，人们把这种探测器运用到火灾检测当中，取得了非常好的检测效果[3]。

之后，又出现了光电式感烟探测器，它的优点是硬件性能好，具有超强抗干扰能力。

在得到这些优秀的探测器后，所面临的问题是火灾检测与自动报警控制系统的布线繁琐、复杂等问题。

20世纪80年代初期，面对火灾检测与自动报警系统布线的复杂性，出现了总线型的布线方式[4]。

这使得传统火灾报警系统在布线方面有了新的突破，让系统对火灾的检测变的更加方便。

把布线的繁琐变的简单起来，使得安装变的更加方便。

这段时期，由于计算机没有普遍，使得对火灾检测报警系统的自动化程度不理想。

20世纪80年代中后期，在计算机技术快速发展的带动下，集成电路技术，传感器技术等得到了显著的进步[5]。

计算机输入的模拟量能快速准确的确定火灾的大小。

这很大程度上提高了系统的准确性、及时性和稳定性，在火灾检测与自动报警控制系统发展史上具重要的意义。

1.3课题的主要结构

课题主要针对商场火灾报警系统的软硬件与电路调试进行了设计。

硬件包括，单片机、烟雾传感器、温度传感器和各电路模块。

软件包括，采用C语言进行编程，利用Protues软件进行仿真。

电路调试包括，通过硬件电路的制作过程对显示功能和报警功能进行调试与验证。

该课题有五章内容具体包括：

第1章，叙述了火灾报警技术的研究背景及意义，简单介绍火灾报警技术国内外研究现状与课题主要结构。

第2章，叙述了商场火灾的范围，及实施火灾报警所应需要的功能。

简单说明了课题研究的总体设计方案。

第3章，叙述系统硬件电路的设计，介绍了单片机、温度传感器、烟雾传感器和数模转换芯片，并设计了各模块电路。

第4章，叙述商场火灾检测与自动报警控制系统的软件流程设计方案，并对程序进行仿真。

第5章，叙述系统的硬件制作及调试。

通过对电路的通电试验，验证显示功能和报警功能的正确性与合理性。

2商场火灾检测与自动报警控制系统的方案设计

2.1设计的研究范围

该课题主要研究的场合为发生在商场中的火灾。

此类火灾发生的速度比较快，在火势变大之前温度会发生变化，并伴随着烟雾等有害气体的产生。

燃烧时表现为以下形式如图1所示：

首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足的条件下才能达到全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高。

起火过程中，起初和阴燃两个阶段所占的时间比较长，虽然产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器就应该从此阶段开始进行探测，就可以火灾损失控制在最小限度。

火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境温度升高，如果能将这时能够探测到有效地温度值，就可以比较及时地控制火灾[6]。

图1起火过程曲线

由图可知系统需要精确的测量出空气中温度和烟雾浓度，并对采集的温度与浓度进行分析，根据采集到的信息显示出温度与浓度等级，判断是否需要发出声光报警。

由于该课题设计主要应用于商场火灾的预防当中，因此设计的火灾报警系统应具有以下功能:

（1）当检测到商场中有一氧化碳气体、瓦斯气体、煤气、氟利昂（R11、R12）、乙醇等气体烟雾时，能发出声、光双重报警功能。

（2）当检测到商场温度环境出现异常（如温度较高）时，能发出声、光双重报警，以引起人们的注意，尽可能逃离火灾现场。

（3）当检测到商场烟雾和温度同时出现异常时，能发出声、光双重报警。

（4）当发现真的有火灾发生时，能手动发出声、光警报。

2.2火灾检测与报警控制系统设计方案

一个完整的火灾报警系统，主要包含以下几个部分如图2所示：

单片机控制模块，数据采集模块，声光报警模块[7]。

该设计以单片机作为控制系统的核心，以传感器作为其测量装置，来实现火灾报警系统的设计。

图2火灾检测与报警系统的结构框图

单片机控制模块

（1）该模块为单片机处理烟雾传感器与温度传感器采集到的信号进行分析与判断，当烟雾传感器与温度传感器收集到了信号时，经模数转换把收集到的模拟信号转换成数字信号，单片机判断现场是否发生火灾。

（2）数据采集模块

该模块为烟雾与温度传感器采集到商场中的烟雾浓度值和温度值，当商场发生火灾时，烟雾传感器接收烟雾信号把烟雾浓度产生的各种非电量参数（如烟、气体浓度等）转化成模拟量，然后再传送给模数转换器输入到单片机。

数据采集模块是整个系统中不可或少的部件。

（3）声光报警模块

该模块为报警功能模块，当商场发生火灾时由该模块发出声音与亮光，达到警示人们的作用。

该设计可以对商场内外温度以及烟雾实时采集可检测，当所测温度或者烟雾浓度高于临界温度时自动报警。

温度信号或者烟雾浓度信号采集电路将温度信号或者烟雾浓度信号以数字信号的形式送入单片机。

单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或者等于某个预设值，即报警临界温度或者烟雾浓度。

如果大于则启动报警电路发出报警声音和显示非正常状态，反之则为正常状态。

2.3本章小结

本章主要介绍了商场火灾报警器系统的设计方案，并研究了商场火灾发生的特点，确定硬件控制模块与软件设计思路的的总体结构框架。

3系统硬件电路设计

3.1单片机模块电路

3.1.1AT89C51单片机介绍

基于单片机的火灾检测与报警控制系统中，单片机是系统的核心部件就像人体的大脑一样，所以单片机的好坏决定系统的优劣。

本次设计采用AT89C51单片机，其拥有4K字节的程序存储器、只读存储器、128字节的随机存取存储器和高性能CMOS8位微处理器[8]。

其中最为突出的是片内的4K字节程序存储器，这种存储器可以用电的方式瞬间擦除、改写程序，结合可反复擦写存储器与微处理器，使得开发成本能有效地降低，给用户在使用起来更加灵活方便。

单片机AT89C51内置有8位中央处理器和Flash存储单元，能根据程序的灵活性更好的控制各个模块。

AT89C51单片机的引脚图如图3所示，共有40个引脚，在40个引脚中有32个对外部信号双向输入/输出端口，其中有2个外中断口和2个可编程定时计数器与2个全双工串行通信口[9]。

图3AT89C51单片机的引脚图

AT89C51单片机的部分引脚介绍：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

RST：

复位输入。

P0口：

8位漏级开路双向I/O口。

P1口：

提供上拉电阻的8位双向I/O口。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

EA/VPP：

EA为外部程序存储器访问允许的控制端。

XTAL1：

来自反向振荡器的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.1.2单片机外围接口电路设计

（1）晶振电路

晶振电路就是单片机的时钟电路如图4所示，其中的高增益反相放大器是内部振荡器的核心。

引脚XTAL1为放大器的输入端，引脚XTAL2为是该放大器的输出端。

该放大器与反馈元件的片外石英晶体构成了自激振荡器[9]。

在振荡电路中的外接石英晶体与电容C1、C2并联接在放大器的反馈回路中，一起构成晶振电路。

图4AT89C51单片机的晶振电路

在振荡电路中电容C1、C2的容量大小是决定响振荡频率的高低、起振的程度和温度测量的稳定性。

所以电容的大小非常重要，这里采用石英晶体，它的电容的容量大小范围为

，非常适合电容值为30pF的选择[10]。

（2）复位电路

复位电路的基本功能就是把电路恢复到起始状态，单片机在工作前需要恢复到起始状态，使得CPU及系统各部件处于还未工作的初始状态。

AT89C51单片机的REST引脚是连接复位信号的，复位命令从REST引脚到单片机芯片的触发器中的[11]。

当系统正常工作时，且振荡器已经稳定后，如果REST引脚上的一个高电平并维持24个振荡周期以上，那么CPU就将发出响应使系统复位。

该设计采用的是手动按钮复位能更好的满足火灾报警系统的需要如图5所示，所谓手动按钮复位简单的就是，人为在复位输入端REST引脚输入到单片机芯片的触发器中上加入高电平，把连接REST端与电源VCC之间隔断。

在需要复位时人为的按下按钮，则隔断电源VCC的+5V电平就会接通到REST引脚端，系统复位成功。

图5AT89C51单片机的复位电路

3.2A/D转换电路

3.2.1ADC0832芯片的介绍

在系统中模数转换就是，将温度传感器与浓度传感器接受到的温度和浓度模拟量转换成离散的数字量的过程。

ADC0832如图6是一种输入输出电平与TTL/CMOS相兼容的芯片[12]，它拥有8位分辨率和双通道A/D转换结构，其性能高，消耗低的优点。

图6ADC0832引脚图

（1）主要特性

a.8位分辨率。

b.双通道A/D转换。

c.输入输出电平与TTL/CMOS相兼容。

d.5V电源供电时输入电压在0~5V之间。

e.工作频率为250KHZ，转换时间为32μS。

f.一般功耗仅为15mW。

g.8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装。

（2）内部结构

ADC0832芯片适合对普通的模拟量进行转换的要求。

其芯片在工作供电时输入电压在0~5V之间，转换时间为32μS。

具有双通道A/D转换，方便校验数据与收集数据以减少误差[13]。

其输入端为DI数据，可方便实现通道功能的切换。

（3）外部特性（引脚功能）

CS_：

低电平连接。

CH0：

模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

CH1：

模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

DI：

数据信号输入，选择通道控制。

DO：

数据信号输出，转换数据输出。

CLK：

芯片时钟输入。

Vcc：

电源，单一+5V电源。

GND：

地。

3.2.2模数转换电路设计

模数转换电路就是，将温度传感器与浓度传感器采集到的温度和浓度的模拟量转换成数字量的过程。

如图7所示模数转换电路其中收集到的零散模拟量无法被单片机直接识别，需要经过放大电路进行A/D模数转换[14]。

再将传感器所检测的模拟信号转化为数字信号输入到单片机。

图7AD转换电路

3.3烟雾传感器电路

3.3.1烟雾传感器的介绍

火灾烟雾传感器在火灾报警系统中相当于人的鼻子一样，它是用来采集商场环境中的烟雾浓度。

当商场发生火灾时，烟雾传感器接收烟雾信号把烟雾浓度产生的各种非电量参数（如烟、气体浓度等）转化成模拟量，然后再传送给模数转换器输入到单片机。

烟雾传感器是整个系统中不可或少的部件。

（1）烟雾检测器的介绍

烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节，目前常用的烟雾检测器有；具有放射性的离子式烟雾传感器、光电一体式的自动烟雾感应传感器、半导体型的气敏式烟雾传感器。

其中，半导体型的气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。

它主要结构是特殊材料的半导体，在遇到不同的气体或烟雾时其导电性会发生变化，根据这一特性能够检测商场中例如：

一氧化碳气体、瓦斯气体、煤气、氟利昂和乙醇等气体[15]。

根据商场火灾发生的特点，以及分析了离子式烟雾传感器、光电一体式的自动烟雾感应传感器和半导体型的气敏式烟雾传感器各个传感器特点。

该设计采用气敏式烟雾探测器其性能更适合检测商场中发生的火灾。

气敏式烟雾探测器中MQ-2气敏式烟雾传感器具有低功耗、普适性和高效性等优点。

（2）关于MQ-2特点

MQ-2烟雾传感器属于气敏式半导体，适用于烟雾、天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔等的检测。

这种传感器在较宽的浓度范围内对烟雾气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在商场的烟雾报警器中。

是一款便携式烟雾气体检测器，满足商场火灾发生的特点。

（3）烟雾检测器工作原理

MQ-2型烟雾传感器材料具有特殊性，其表面附有离子式的二氧化锡半导体。

当这种半导体处与高温下时半导体中的二氧化锡会吸附空气中的氧气。

在半导体表明形成氧的负离子，把半导体内的电子密度稀疏，使得电阻值变大。

还有一种情况是当半导体与烟雾接触时，半导体表明会发生变法从而引起电导率的变化。

MQ-2型烟雾传感器的灵敏性高，在接受到的浓度越大，半导体的导电率也会变大，则使电阻变小，传感器的模拟信号越清楚[16]。

根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。

主要技术指标如表1：

表1MQ-2的技术指标

特点

技术指标

加热电压

回路电压

负载电阴

清洁空气中电阻

灵敏度

响应时间

恢复时间

元件功耗

检测范围

使用寿命

AC或DC5±0.2V

最大DC24V

2KΩ

≤2000KΩ

≥4（在1000ppmC4H10中）

≤10S

≤30S

≤0.7W

50—10000ppm

2年

3.3.2烟雾传感器电路设计

烟雾检测采用的是MQ-2传感器，其传感器电路设计运用滤波电路使的有用频率信号可以通过，同时抑制无用频率，从而稳定输出清楚的烟雾浓度信号。

在选择滤波电路时有，一阶滤波电路和二阶滤波器电路，其中一阶滤波电路过渡带较宽，可能会影响到数据的准确性。

要想提早发现火灾，及时性是不可缺少的。

为使滤波器的滤波特性接近理想特性和及时性，系统采用二阶滤波电路[17]，电路如图8所示。

烟雾传感器电路先将两节RC低同网络串联，再与反向电压跟随电路连接。

这样就形成了烟雾调理电路的二阶低通滤波器。

其中电路

，

。

图8烟雾传感器电路

3.4温度传感器电路

3.4.1温度传感器的介绍

火灾烟雾传感器是火灾报警系统中类似于人的皮肤一样，能感受周围环境温度的变化。

它的性能直接影响到控制系统能否正常工作，是整个系统中不可或少的部件，其功能是判断火灾温度的变化，当商场发生火灾时，温度传感器接收温度信号把温度产生的各种非电量参数转化成模拟量，然后再传送给单片机。

（1）温度检测器的介绍

目前常用的温度检测器有；定温型温度检测器、差温型温度检测器和差定温型温度检测器三种类型探测器。

其中DS18B20作为测温电路的温度传感器。

它在具有测量精度准、模数转换时间短、数据传输距离快、制作成本低、温度分辨率高等方面的优点，相比于其他温度传感器更加适合商场火灾检测中。

（2）DS18B20温度检测器特点

a.电压范围：

3.0～5.5V。

b.接口方式：

单线。

c.组网功能：

支持多点组网。

d.元件结构：

集成式。

e.测范围：

－55℃～+125℃。

f.分辨率：

9～12位。

g.输出方式：

一线总线。

h.负压特性：

短接不会烧毁。

（3）DS18B20的内部结构

DS18B20温度传感器如图9所示主要由：

64位ROM、高速缓冲存储器、CRC生成器、温度敏感器件、温触发器及配置寄存器等部件组成[18]。

图9DS18B20数字温度传感器引脚图

DS18B20的引脚说明如下：

GND:

接地。

DQ：

数据I/O。

VDD:

电源。

3.4.2温度传感器电路设计

DS18B20温度传感器工作原理为：

当温度系数晶振的振荡频率受到影响时，即温度传感器接受到温度模拟信号时。

DS18B20温度传感器会产生固定频率，这种频率脉冲信号输入到单片机计数器，计数器把这个信号记录下来。

在设定寄存器的数值为50℃为一个基数值，计数器和晶振脉冲信号进行对比相减直到计数器设定值为0时，温度寄存器相反值将往上加1。

那么计数器对信号将重新设定。

设定好的计数器会对温度系数产生的脉冲信号进行计数，循环计数使计数器读取的数值为0时，停止循环，输出数据如图10所示温度感应电路[19]。

如此工作即为温度传感器测得的温度。

图10温度感应电路

3.5按键控制电路

按键控制电路设计了四个按键，设置键、加键、减键、紧急报警键如图11所示。

其中设置键为功能为设定数值（浓度和温度）预置值，当超过时马上报警。

加、减键为设置键提供数值的加减值用。

紧急报警键为当人们发现有火灾的发生时，按下紧急报警键，蜂鸣器和灯光进行报警以提醒有火灾发生。

图11按键控制电路

3.6声光报警电路

声光报警为系统的显示模块如图12所示，蜂鸣器与发光二极管并联在电路中，当单片机给出报警信号时，则声光报警电路为低电平，蜂鸣器发出响声，发光二极管灯亮，当单片机没有给出信号时声光报警电路为高电平。

图12声光报警电路

3.7本章小结

本章主要介绍了系统硬件电路模块的设计，包括单片机电路、A\D转化电路、烟雾传感器电路、温度传感器电路、和按键控制电路与声光报警电路。

对单片机采用了AT89C51芯片，温度传感器采用了DS18B20器件，烟雾传感器采用了MQ-2器件，对转换电路采用了ADC0832芯片。

并对它们的硬件选择和电路设计进行详细的介绍，以实现对火灾的检测与自动控制报警功能。

4系统软件流程设计

4.1软件开发环境

软件程序