基于单片机的自动火灾报警的设计.docx

基于单片机的自动火灾报警的设计.docx

《基于单片机的自动火灾报警的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的自动火灾报警的设计.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的自动火灾报警的设计

摘要

火灾作为一种发生频率高、破坏性强的灾害，受到人们的大力重视。

随着经济和城市的建设的快速发展，城市高层，地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及造成的损失呈逐年上升趋势。

火灾自动报警系统，作为火灾的先期预报、火灾的及时扑灭、保证人身和财产的安全，起到了不可替代的作用。

随着电子技术，传感器技术、通信技术、集成电路、微电子技术日臻完善，火灾自动报警系统迎来了良好的发展契机，其智能化程度也越来越高。

系统用AT89S51单片机作为核心，其容量大、数据处理速度快、适合运行较为复杂的算法；采用高灵敏度的温度传感器（AD590）与烟雾传感器（TGS202）作为探测器。

报警系统将传感器输出的电信号经放大滤波处理后送入ADC0809转换，得到的数字信号由单片机进行处理分析，判断是否发生火灾。

火灾自动报警系统通过对传感器采集火情信息，采用多传感融合技术使用智能识别算法实现对火灾的监测。

当报警器监测到火情信息后，立即产生声光报警信号，系统具有声光报警、数据显示、故障自诊断等功能，系统的结构简单、性能稳定、使用方便，智能化程度高。

由于采用了感温和感烟雾探测器相结合探测方法，比使用单一的探测器能更加准确报警，降低了误报率。

关键词：

声光报警系统;AT89S51;温度传感器;烟雾传感器

Abstract

Fireisonekindofhighfrequencyoccurrence,destructivedisaster,peoplearestronglyattachedtothe.Astheeconomyandtherapiddevelopmentofcityconstruction,cityhigh-risebuilding,undergroundbuildingsandlargebuildingsareincreasing,firehiddentroublehasgreatlyincreased,thenumberoffiresandthelosscausedbyarisingtrendyearbyyear.Automaticfirealarmsystem,fireforecast,asadvancefireputoutintime,ensurethesecurityofpersonandproperty,playsanirreplaceablerole.Alongwiththeelectronictechnology,sensortechnology,communicationtechnology,integratedcircuits,microelectronicstechnologyimproving,automaticfirealarmsystemusheredinthegooddevelopmentopportunity,theextentoftheirintelligenceisalsomoreandmorehigh.

ThesystemusesAT89S51microcontrollerasthecore,itslargecapacity,fastdataprocessingspeed,suitableforoperationinmorecomplexalgorithm;thehighsensitivitytemperaturesensor（AD590）andsmokesensor（TGS202）asdetector.AlarmsystemwilloutputsignalamplifyingfilterintotheADC0809conversion,thedigitalsignalisprocessedbyasinglechipmicrocomputeranalysis,todeterminewhetherthefire.Automaticfirealarmsystemthroughthesensortocollectthefireinformation,multisensorfusiontechnologyusingintelligentrecognitionalgorithmoffiremonitoring.Whenthealarmmonitoringtotheinformationaboutthefire,immediatelytoproduceaudibleandvisualalarmsignalswithsoundandlightalarm,system,datadisplay,faultselfdiagnosisfunction,thesystemhastheadvantagesofsimplestructure,stableperformance,convenientoperation,highintelligentdegree.Duetotheadoptionofamildsenseofsmokedetectorwithacombinationofdetectionmethods,comparedtousingasingledetectorcanbemoreaccuratealarm,reducethefalsealarmrate.

Keywords:

soundandlightalarmsystem;AT89S51;temperaturesensor;smokesensor

1概述

1.1火灾自动报警器的发展及现状

1.1.1火灾探测技术

火灾作术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皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究。

火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程，它除了自身的物理化学变化以外还会受到许多外界的干扰，火灾一旦产生便以接触式（物质流）和非接触式〔能量流）的形式向外释放能量。

接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等。

非接触式如声音、辐射等。

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

1.1.2火灾探测器的选择

1）探测器简介

火灾探测器是火灾报警系统的重要组成部分，直接关系到整个系统的正常运行。

当火灾发生时，把火灾产生的各种非电量参数（如烟雾，温度）变成电量参数传送给控制器。

其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数的变化而变化。

火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：

气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类。

①感温探测器

感温探测器一般分为定温式和差温式。

单一的感温探测器灵敏度低、探测速度慢、探测范围小，尤其对阴燃情况不响应，因此不适用于火灾早期的探测，而在设计时往往安装在不宜安装感烟探测器的区域。

②感烟探测器

感烟探测器可以分为离子感烟探测器和光电感烟探测器。

感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在不太好的环境条件场所也会有比较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中。

感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热，但它不能区分火灾信号与非火灾信号，如厨房烟、水蒸气等，所以误报率较高。

③气体探测器

气体探测器的主要作用是在发生可燃气体泄漏危险时，提醒有关人员采取相关措施以保护现场工作人员、生产设备的安全运转以及周围环境。

气体探测器适用于散发可燃气体和可燃蒸汽的场所。

但由于气体探测器探测对像CO易与还原气体发生化学反应，因此在有还原气体的场所可能会发生误报警。

④图像探测器

图像火灾探测器分为烟雾图像探测器、火焰图像探测器、激光图像感烟探测器等，它们都非常适合于商场大空间建筑。

但烟雾图像火灾探测器对不规则物体或相似图像可能发生误报警;而火焰图像探测器则对高温物体或太阳光照射可能发生误报警；激光图像感烟火灾探测器则由于其良好的探测性能，发生误报警的概率小，非常适合商场建筑的火灾探测。

⑤红、紫外火焰探测器

火灾中能够辐射出红外线的不仅仅是火焰，一些高温物体的表面都能发出与火焰红外线频带相吻合的红外线，因此这些并非火灾的红外源就容易使单波段红外火焰探测器产生误报警。

紫外火焰探测器灵敏度高（ms级），反应快，适合在火灾时有强烈的火焰辐射而无阴燃阶段且需对火焰做出快速反应的场合，但当环境中有紫外辐射、高温物体或有太阳光直射时可能或产生误报警，因此，紫外火焰探测器不宜用于火焰出现前有浓烟扩散或有阳光直射的地方。

烟雾浓度是火灾的特性参数之一，在较大范围的监视场所，烟雾探测一直被广泛使用的火灾探测方法。

火灾中会产生大量的热，温度也是火灾的另一特性参数，和环境温度相比火灾的温升是很明显的，所以温度也被用来进行火灾探测。

然而烟雾探测器在受到外界非火灾的干扰信号会产生误报警，且对于某些黑烟的探测并不敏感。

温度探测器可以很好地补充烟雾探测器造成的漏报，但由于只有在燃烧的后两个阶段才会发生明显的变化，报警的响应时间慢。

因此根据以上情况以及本系统的要求，采用感烟探测器和感温探测器相结合的多传感器探测方法，可以发挥各自的优势、弥补不足之处，在火灾发生的早期就能够更加准确的报警。

2）烟雾探测器

TGS202气体传感器

火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。

TGS202气体传感器能探测CO2,CO,甲烷、煤气等多种气体,他灵敏度高,稳定性好,适合于火灾中气体的探测。

当TGS202探测到CO2或CO时,传感器的内阻变小,VA迅速上升。

选择适当的电阻阻值,使得当气体浓度达到一定程度（如CO浓度达到0.06%）时,VA端获得适当的电压（设为3V）。

3）温度探测器

AD590温度传感器

要准确地进行火灾报警，选择合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提。

本文选择集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。

AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端温度传感器。

由于AD590是电流型温度传感器，他的输出同绝对温度成正比，即1μA/k，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压，所以在AD590的负极接出一个1kΩ的电阻R和一个100Ω的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC0809。

通过调节可调电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV/K。

AD590有以下特点：

1）AD590的测温范围-55℃～+150℃。

2）AD590的电源电压范围为4V-30V。

电源电压可在4V-6V范围变化，电流

变化1

，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。

3）输出电阻为710MΩ。

4）精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线形误差±0.3℃。

1.1.3火灾探测器的发展趋势

探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。

相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术弱信号处理技术、低功耗MCU技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。

火灾着极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐。

近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。

各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。

单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。

由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到任何电子系统中去，同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。

1.2单片微型计算机概述

1.2.1单片机的发展及特点

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。

单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快，自诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面。

其特点为：

1）受集成度限制片内存储器容量较小，一般内ROM：

8KB以下

2）内RAM：

256KB以内。

3）可靠性高

4）易扩展

5）控制功能强

6）易于开发

1.2.2单片机的主要分类

1）安应用领域可分为：

家电类、工控类通信类、个人信息终端类等等

2）安通用性可分为：

通用性和专用型

1.2.3AT89S51单片机的介绍

1）AT89S51的特点

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为众多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kbytesFlash片内程序存储区，128Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟震荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0HZ并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其他功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

1.2.4AT89S51主要功能特性

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到了广泛的应用。

1）兼容MCS-51指令系统

2）4k可反复擦写（＞1000次）ISPFlashROM

3）32个双向I/O口

4）4.5-5.5v工作电压

5）2个16位可编程定时/计数器

6）时钟频率0-33MHZ

7）全双工UART串行中断口线

8）128×8bit内部RAM

9）2个外部中断源

10）低功耗空闲和省电模式

11）中断唤醒省电模式

12）看门狗（WDT）电路

13）软件设置空闲和省电功能

14）灵活的ISP字节和分页编程

15）双数据寄存器指针

看门狗（WDT）电路主要是实现复位功能，当单片机运行出现死循环时，看门狗（WDT）电路可以起到保护功能，实现复位作用.

1.2.5AT89S51的基本结构

AT89S51的基本结构如图所示

图1-2AT89S51的基本结构

1.2.6AT89S51单片机的的封装和引脚

AT89S51系列单片机采用双列直插式（DIP）.QFP44（QuadFlatPack）和LCC（LeadedChipCaiier）形式封装。

这里仅介绍常用的总线型DIP40封装。

40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类:

电源、时钟、控制和I/O引脚

1）电源:

 VCC-芯片电源，接+5V；VSS-接地端；

2）时钟:

XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。

3）控制线:

控制线共有4根

ALE/PROG:

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

ALE功能:

用来锁存P0口送出的低8位地址

PROG功能:

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

PSEN:

外ROM读选通信号。

RST/VPD:

复位/备用电源。

RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

VPD功能:

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

EA功能:

内外ROM选择端。

 Vpp功能:

片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4）I/O线:

AT89S51共有4个8位并行I/O口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

图1-3AT89S51单片机的的封装引脚图

1.3传感器概述

传感器是一种以测量为目的,以一定精度把被测量转换为与之有确定对应关系,以便于处理和应用的某种物理量的测量装置。

传感器的输出信号多为易于处理的电量，如电压、电流、频率等。

传感器一般有敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，其组成框图如下:

图1-4传感器组成框图

1）敏感元件它是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、更易于转化为某一物理量的元器件。

2）转换元件敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转化成电路参数量。

3）转换电路上述电路参数接入转换电路，便可转化成电量输出。

应该指出，不是所有的传感器均由以上三部分组成。

最简单的传感器由一个敏感元件（兼转换元件）组成，它感受被测量是直接输出电量，如热电偶传感器。

有些传感器由敏感元件和转换元件组成，而没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块是敏感元件，压电片（块）是转换元件。

有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换另外，一般情况下，转换电路后续电路，如信号放大、处理、显示等电路就不应包括在传感器的范围之内。

1.4论文研究的目的及意义

随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。

家庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。

消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火灾的30%左右。

家庭起火的原因林林种种，可能在我们注意得到的地方，也可能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。

火灾自动报警系统能迅速监测火情，可发现人们不易发觉的火灾早期特征，可将火灾带来的生命财产损失降到最低限度。

火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体CO，人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了CO中毒，从而无力逃生，火灾自动报警系统可监测到CO浓度的变化，为人们提供CO浓度超标报警信息，通知人们及时疏散。

火灾自动报警系统可作为城市消防系统的单元，通过城市消防专用网与城市消防报警中心联网，及时将报警信息传递到消防报警中心，城市消防报警中心会自动查找到火灾发生的位置，并为消防队员制定消防路线图，以便消防队员可以迅速抵达火灾地点。

火灾自动报警系统能对火灾进行实时监测和准确报警，有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义，有着很大的经济效益和社会效益。

一系列火灾造成的惨痛损失也使全国各界意识到了自动火灾报警器的必要性。

据调查，在最近发生火灾的大多数房屋都没有安装报警器。

所以，自动火灾声光报警器在预防火灾发生上有着非常重大的意义。

1.5论文内容

基于社会和经济方面的需求，本课题旨在开发一个能够对监测点实时监控、报警的智能火灾报警系统。

智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理、报警于一体的系统。

随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势，市场上迫切需要一种容量大、可靠性高、使用简单的智能型火灾报警控制系统。

该火灾报警系统是以AT89S51单片机作为控制中心，接受、处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号、温度信号，并进行声光报警。

本文的结构安排如下：

第1章：

概述。

主要介绍课题的研究背景和意义，介绍了火灾报警系统的发展状况及单片机的发展和特点。

第2章：

介绍了火灾探测原理，给出火灾自动报警系统的总体设计构架，并给出系统设计中的主要器件的选型。

第3章：

火灾自动报警系统硬件设计，详细介绍了传感器信号调理电路、单片机处理电路及声光报警电路等，并给出相应的设计原理图。

第4章：

火灾自动报警系统主程序设计，介绍数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等。

2基于单片机的自动火灾报警的设计方案

2.1火灾产生原理及过程

火灾是一种失去人为控制的由燃烧造成的灾害，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和点火源。

可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常是空气中的氧气。

根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式，如果在燃烧前，可燃气就与空气均匀混和，则称之为预混燃烧；如果可燃气体和空气分别进入燃烧区边混合边燃烧，则称之为扩散燃烧。

液体和固体是凝聚态物质，难与空气均匀混合，它们燃烧的基本过程是当从外部获取一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体（如CO、H2等）的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之为气溶胶。

一般气溶胶的分子较小（直径0.01μm）。

在产生气溶胶的同时，产生分子较大（直径0.01一10μm）的液体或固体微粒，称为烟雾。

可燃气体与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。

着火后，燃烧产生的热量使液体或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。

同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量。

这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，导致了火势的扩大，形成火灾。

其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。

根据火灾发生时产生现象的不同，可以将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发展火焰等。

阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，它能长时间自行维持并传播，当条件发生变化时，或者自行熄灭，或者转化为明火。

明火则是火灾发生时燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红、紫外线的火焰。

快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾一般为空气中混有大量可燃气体。

通过大量的研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因。

总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：

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。

起火过程曲线如图2-1所示。

图2-1起火过程曲线

2.2设计方案

2.2.1方案设计思想

此次设计是针对于单片机原理及其