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基于单片机的火灾报警器论文
基于单片机的火灾报警器
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摘要
随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。
本课题是基于单片机的火灾报警器的设计的。
火灾探测器是用烟雾探测器，主要是利用单片机技术、传感器技术和电子技术而开发设计的一种烟雾监控系统。
本系统使用的是Intel公司生产的AT89S51单片机，选用烟雾传感器作为敏感元器件，并利用多传感器信息融合技术，开发了可用于小型单位火灾报警的语音数字联网报警，烟雾传感器具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长等等特点。
关键词：
单片机；传感器；烟雾传感器
目录
摘要I
目录II
第1章绪论4
1.1火灾探测技术4
1.1.1火焰4
1.1.2燃烧产物5
1.2火灾探测器的发展趋势5
1.3火灾探测器类型6
1.4火灾探测原理及功能6
第2章设计要求及方案7
2.1设计要求7
2.2设计方案7
第3章AT89S51单片机和ADC0832转化器选择9
3.1主控制器AT89S519
3.1.1MSC-51芯片资源简介9
3.1.2单片机的引脚10
3.1.389S51单片机的控制线13
3.1.489S51单片机复位方式13
3.2ADC0832模数转换电路14
3.2.1功能特点14
3.2.2外部引脚及其说明14
3.2.3单片机对ADC0832的控制原理15
3.2.4ADC0832典型应用16
第4章系统硬件设计18
4.1单片机的最小系统18
4.2数模转化程序设计18
4.3烟雾采集模块及接口电路19
4.4声光报警模块及接口电路20
4.5状态指示灯及控制键电路21
第5章系统软件设计22
5.1简介KeilUvison222
5.2主程序设计级流程22
5.3调试结果23
结论24
致谢25
参考文献26
第1章绪论
1.1火灾探测技术
火的使用是人类最重要的发明之一，但是一旦失去控制就会发展成为火灾，严重威胁到人的生命财产和自然环境。
由于火灾的突发性且发生频繁，它所造成的破坏仅仅次于干旱和洪涝灾害。
为了减少火灾损失，人们逐渐发展了多种主动探测预防火灾的方法，以期将其扼杀在尚未造成太大破坏发生的早期。
火灾是人们常见的灾害，作为一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，对人类生命财产和社会安全构成了极大的威胁。
由此引发的重大安全事故比比皆是，所以人类一直也为停止过对火灾的研究。
据我国公安消防局2012统计，近年来，全国每年发生家庭火灾5万起，死亡1000余人，占全国火灾死亡人数的70%以上。
直接经济损失超过20亿元。
还逐年呈上升态势。
火灾它的发生和发展是一个极为复杂的非平稳的过程，火灾除了自身的物理和化学变化之外还受到了许多外界的干扰，火灾一旦产生它便以非接触式即能量流和接触式即物质流的两种形式向外界释放自身包含的能量。
非接触式如声音、辐射等。
接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等。
火灾探测技术就是利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另外一种易于处理的物理量。
各种探测器对应的火灾物理参量及探测器,如图1.1所示。
图1.1各种探测器对应的火灾物理参量及探测器
1.1.1火焰
火灾燃烧是一种复杂的放热化学反应过程，火焰的温度通常能到９００～１４００℃。
在这个过程中通常会产生大量的炽热微粒。
正是这些炽热微粒的存在，使火焰发出电磁波辐射，包括可见光，这些光学特性为远距离探测火灾提供了可行性。
（１）火焰辐射：
包括能量辐射和辐射光谱，在可见光和红外波段都有体现，但在红外波段尤为强烈，这是ＣＯ共鸣的ＣＯ原子团发光光谱。
（２）火焰形状：
火焰中炽热的发光微粒的集合就勾画出火焰形状。
一般火灾中，由于燃烧状况不稳定，火焰边缘通常表现锯齿型，且在火灾发展过程中区域增大。
（３）火焰闪烁：
火灾火焰具有闪烁的物理特性，这不仅表现在辐射强度以３～３０Ｈｚ的频率波动，而且也反映在火焰形状的波动上。
1.1.2燃烧产物
燃烧产物即通常所说的烟气，包括气态燃烧产物和固态高温产物，运动速度为每秒几米到几十米。
（１）气态燃烧产物：
主要成分为ＨＯ，ＣＯ和ＣＯ。
由于环境湿度的影响，通常不把ＨＯ作为火灾探测参数。
一般情况下，空气中ＣＯ和ＣＯ的含量极低，而在火灾燃烧时才会大量出现使空气中这两种气体含量急剧增加。
气态燃烧产物的典型物理特征是气体特征光谱、气体浓度和气体温度。
不过针对气体浓度和温度的探测都很容易受到扩散流动的影响。
（２）固态高温产物：
固态高温产物来源于可燃物中的杂质以及高温状态下可燃物裂解所形成的物质，粒径在０．０２５微米到１００微米，温度在数百到上千摄氏度。
高温微粒通常表现出来的物理特征有：
对光线的散射和吸收作用、对离子的俘获和阻挡作用、在流动中保持相当的温度、带静电荷。
1.2火灾探测器的发展趋势
随着科学技术的不断发展，火灾探测技术也在不断进步。
纵观火灾探测器的发展史，火灾探测器的发展主要有两个方向，一是纵向延伸，发展新的火灾判据、新的火灾识别模式和基于此的火灾探测器或复合探测器；一是横向延伸，基于现有的探测器原理方法与其他技术交叉，通过改进信息采集和处理方法来改进系统性能，多参数/多数据的复合探测器可使火灾探测的时间缩短，实现早期报警。
二十多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。
国外的产品和品牌一统天下，占领中国的大部分市场。
由于中国的建设正在飞速发展，市场大的惊人，难道这由中国发展带来的成果只能由外国企业来瓜分？
可幸的是中国企业抓住了机遇，顶住了挑战，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之功，这是典型的自力更生，走自己的路。
当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚启动。
中国企业正虎视眈眈，准备进军海外市场。
1.3火灾探测器类型
火灾现象是与环境条件密切相关的，因此火灾探测技术可以认为是一种特殊的在噪声环境中，根据火灾的相关基本物理特征，检测和识别早期火灾特征信号的技术。
根据火灾探测原理的不同有不同类型的火灾探测器。
1、空气离化探测法
2、光电探测法
3、热（温度）探测法
4、火焰光探测法
5、可燃气体探测法
6、复合式火灾探测法
1.4火灾探测原理及功能
火灾探测能力是火灾信号强度和传感器灵敏度的函数。
本文采用高灵敏度的气体传感器作为探测器，报警系统将传感器输出的电信号经滤波放大处理后送入A/D转换器，得到的数字信号由单片机进行处理分析，当程序判断存在火灾危险时启动声光报警。
本文研制的火灾自动报警系统主要包括火灾探测器、报警控制器等部分。
主要实现以下功能：
利用烟雾传感器对室内烟雾及温度突变进行报警，能进行区域报警；上述这种传感器中一种动作，表明有异常现象，发生异常报警信号；如同时动作说明有火灾，发生火灾报警。
第2章设计要求及方案
2.1设计要求
单片机在各种电子产品中的应用已经越来越广泛，很多的电子产品利用单片机所取得的便利性得到了人们的好评，针对多路数据采集系统的要求提出了以下的方案：
通过传感器对当前的温度、烟雾进行实时采集，通过ADC0832转换为数字信号传输到单片机中，通过对预先设定的阀值进行对比，当超过阀值时，进行声光报警。
本系统的工作原理和实现的功能如下：
多路数据采集系统主要有以下几大功能：
（1）实时采集当前的温度和烟雾浓度
（2）报警系统能通过声音和光提示人们当前数据异常。
2.2设计方案
在本系统设计中，将提出一种基于AT89S51单片机的多路数据采集系统的设计方案，以实现实时数据采集并超过设定的阀值是报警的功能。
系统的总体结构框图如图2.1所示：
图2.1多路数据采集系统的总体结构框图
各模块的功能如下：
A/D转换器：
将电信号（模拟信号）转换为数字信号。
烟雾采集模块：
对实时烟雾浓度的采集，将烟雾信号转换为电信号并传输到单片机中。
第3章AT89S51单片机和ADC0832转化器选择
3.1主控制器AT89S51
3.1.1MSC-51芯片资源简介
89S51是MCS-51系列单片机的典型产品，我们就这一代表性的机型进行系统的讲解。
89S51单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：
如图3.1所示
图3.1单片机内部结构示意图
A.中央处理器
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
B.数据存储器（RAM）
89S51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
C.程序存储器（ROM）
89S51共有4KB掩膜ROM，最大可扩展64K字节，用于存放用户程序，原始数据或表格。
D.定时/计数器：
89S51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
E.并行输入输出（I/O）口：
89S51共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
F.中断系统
89S51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
如图3.2所示
图3.289S51连接图
3.1.2单片机的引脚
89S51单片机内部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的.89S51有40条引脚,与其他51系列单片机引脚是兼容的.这40条引脚可分为I/O接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分.89S51单片机为双列直插式封装结构,如图3.3所示.
图3.389S51引脚分配图
引脚功能说明如下：
VCC：
电源电压。
GND：
地。
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据线复用口。
作为输出口时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端。
在访问外部数据储存器或程序储存器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。
作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2口：
P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。
作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序储存器或16位地址的外部数据储存器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据储存器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。
P3口：
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。
作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
P3除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，具体功能说明如表3.1所示。
表3.189S51单片机的外接晶体引脚
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（穿行输出口）
P3.1
TXD（穿行输入口）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器0）
P3.6
WR（外部数据写选通）
P3.7
RD（外部数据读选通）
（1）XTAL1：
片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。
采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。
（2）XTAL2：
片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。
采用外部振荡器时，该引脚悬空。
外接晶体引脚。
89S51单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是80C51的19脚和18脚。
在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。
如图3.4所示：
图3.4振荡电路
石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，使MCS-51片内的OCS电路按石英晶振相同频率自激震荡。
通常，OCS的输出时钟频率fosc为0.5MHZ~16MHZ，典型值为12MHZ电容器C1和C2通常取30pF左右，对震荡频率有微调作用。
调节它们可以达到微调震荡周期fosc的目的。
3.1.389S51单片机的控制线
（1）RST：
复位输入端，高电平有效。
（2）ALE/PROG：
地址锁存允许/编程线。
（3）PSEN：
外部程序存储器的读选通线。
（4）EA/Vpp：
片外ROM允许访问端/编程电源端。
3.1.489S51单片机复位方式
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把程序计数器PC值初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动单片机。
RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效，其有效时间应持续24个震荡周期（即两个机器周期）以上。
若使频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间超过4μs才能完成复位操作。
复位操作由上电复位和按键手动复为两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图所示。
只要电源VCC的上电时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。
按键手动复位分为电平方式和脉冲方式两种。
其中，电平复位是复位端通过电阻与VCC电源接通而实现的。
脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。
复位电路虽然简单，但其作用非常重要。
一个单片机系统能复正常运行，首先要检查是否能复位成功。
单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态，在这种情况下都需要复位.复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态重新开始工作.
89S51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET（RST）引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位.复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变.复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路3种,如图3.5所示.
a.上电复位电路b.手动复位电路c.自动复位电路
图3.5单片机复位电路
3.2ADC0832模数转换电路
ADC0832简介：
ADC0832是NS（NationalSemiconductor）公司生产的串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用。
ADC0832为8位分辨率8位串行A/D转换器ADC0832
3.2.1功能特点
A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
其主要特点如下：
8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V；
5V单电源供电；
输入模拟信号电压范围为0～5V；
输入和输出电平与TTL和CMOS兼容；
在250KHZ时钟频率时，转换时间为32us；
具有两个可供选择的模拟输入通道；
功耗低，15mW。
3.2.2外部引脚及其说明
ADC0832有DIP和SOIC两种封装，DIP封装的ADC0832引脚排列如图3.6所示。
各引脚说明如下：
CS——片选端，低电平有效。
CH0，CH1——两路模拟信号输入端。
DI——两路模拟输入选择输入端。
DO——模数转换结果串行输出端。
CLK——串行时钟输入端。
Vcc/REF——正电源端和基准电压输入端。
GND——电源地。
图3.6ADC0832引脚图
3.2.3单片机对ADC0832的控制原理
一般情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。
但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。
当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。
当要进行A/D转换时，须先将CS端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。
此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK提供时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。
在第1个时钟脉冲到来之前DI端必须是高电平，表示启动位。
在第2、3个时钟脉冲到来之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，其功能项如表3.2所示。
表3.2ADC0832配置位
输入形式
配置位
选择通道
CH0
CH1
CHO
CH1
差分输入
0
0
+
-
0
1
-
+
单端输入
1
0
+
1
1
+
如表3.2所示，当配置位2位数据为1、0时，只对CH0进行单通道转换。
当配置2位数据为1、1时，只对CH1进行单通道转换。
当配置2位数据为0、0时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。
当配置2位数据为0、1时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。
到第3个时钟脉冲到来之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。
从第4个时钟脉冲开始由DO端输出转换数据最高位D7，随后每一个脉冲DO端输出下一位数据。
直到第11个脉冲时发出最低位数据D0，一个字节的数据输出完成。
也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个时钟脉冲输出D0。
随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。
最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。
如图3.7所示为ADC0832时序图。
图3.7ADC0832时序
3.2.4ADC0832典型应用
SPI串行接口方式
SPI是MOTOROLA公司推出的一种同步串行外设接口，允许MCU也各个厂家生
产工具的标准外围设备直接接口，以串行方式交换信息。
SPI使用4条线与主机（MCU）连接：
串行时钟SCK，主机输入/从机输出数据线SO，主机输出/从机输入数据线SI和低电平有效的从机选择线CS。
SPI串行扩展系统的主器件单片机，可以带有SPI接口，也可以不带SPI接口，但从器件必须具有SPI接口。
如图3.8所示
图3.8AT89S51与ADC0832的SPI方式连接
第4章系统硬件设计
4.1单片机的最小系统
如图4.1所示
图4.1单片机的最小系统
4.2数模转化程序设计
由温度、烟雾和光强传感器采集的数据，送至A/D转换器，在CS为低电平时，启动A/D转换器,经过四个时钟脉冲后，由DO开始一位一位的读取并由函数存储数据，读完8位数据后，CS为高电平，此时关闭A/D转换器，将经过处理的数据返回，送至单片机。
模数转换程序设计流程图如图4.2所示。
图4.2模数转换程序设计流程图
4.3烟雾采集模块及接口电路
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。
它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。
它的应用主要有：
一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
烟雾传感器的特点：
⑴广泛的探测范围
⑵高灵敏度／快速响应恢复
⑶优异的稳定性／寿命长
⑷简单的驱动电路
应用：
可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。
烟雾传感器的模块外形和特性曲线及原理图如图4.3所示、如图4.4所示和如图4.5所示：
图4.3烟雾传感器模块外形图
图4.4气敏传感器特性曲线
图4.5烟雾传感器原理图
4.4声光报警模块及接口电路
声光报警电路在AT89S51的控制下，可以根据不同的情况（火灾、异常、故障），发出不同的声光信号报警。
由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。
声报警电路由单片机的P10引脚进行控制，当P10输出的电平为高电平时，三极管导通，蜂鸣器的电流形成回路，发出声音报警；否则，三极管截止，蜂鸣器不发出声音[10]。
声音报警器原理图如图4.6所示：
图4.6蜂鸣器报警原理图
4.5状态指示灯及控制键电路
状态指示灯及控制键电路图如图3.5所示。
单片机AT89S51的21脚（P2.0）、22脚（P2.1），控制输出的状态指示灯。
绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低。
红灯亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。
如图4.7和图4.8所示
图4.7状态指示灯电路图
图4.8控制紧急按键连接示意图
第5章系统软件设计
5.1简介KeilUvison2
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（UVISION）将这些组合在一起。
Keil有以下几个特点：
●全功能的源代码编辑器；
●器件库用来配置开发工具设置；
●项目管理器用来创建和维护用户的项目；
●集成的MAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用；
●所有开发
升级会员 