火灾报警器毕业设计3稿讲解Word文档格式.docx
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大楼火灾报警系统是以AT89C52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。
在本次设计中，该系统需实现以下功能:
1、实现通过MQ-2烟雾传感器和DS18B20温度传感器由蜂鸣器和指示灯来实现报警
2、实现通过MQ-2由ADC0832转换芯片用数码管显示烟雾浓度的数字量
3、实现通过按键由数码管显示设定的和当前的烟雾浓度和温度
根据需要实现的功能，现将本文的结构安排做如下规划:
1、首先向大家介绍本文的火灾探测原理，给出火灾自动报警系统的总体设计方案，给出硬件和软件的整体构架及系统设计中的主要元器件选择。
2、火灾自动报警系统的硬件设计，介绍传感器信号调理电路、单片机处理电路及声光报警电路。
3、整个火灾自动报警系统的程序设计，详细介绍数据采集子程序、火灾判断与报警程序等。
2系统工作原理
2.1形成火灾的原因
在初中的物理、化学课中我们曾学习过，产生火灾的基本要素[1]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。
液体和固体是凝聚态物质，难以与空气均匀混合，它们燃烧的基本过程是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，在产生气溶胶的同时，产生分子较大的液体或固体微粒，称之为烟雾。
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液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。
总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式[1]：
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，阴燃产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器从此阶段进行探测就可以使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，如果能在这时探测到可以比较及时地控制火灾。
有效的温度值，起火过程曲线如图2.1所示：
图2.1起火过程曲线图
2.2火灾探测器的原理
火灾发生时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光，探测器对这些都很敏感。
当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。
本设计中将详细介绍感烟及感温探测器。
1）感烟探测器[2]：
是一种离子感烟探测器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。
在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。
一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号。
还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。
还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，他的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。
近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。
这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。
2）感温探测器[2]：
一种是运用金属热胀冷缩的特性。
正常的情况下，探测器的电路断开，当温度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。
一种是利用某些金属易熔的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它的熔点（70～90℃）时，金属熔化，借助弹簧的作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。
这两种探测器都属定温型，即当外界温度超过某一限值时就会报警；
还有一类是差温型，升温的速度超过特定值时，便会感应报警。
如将两者结合起来，便成为差定温组合式。
3硬件设计
本系统主要以单片机为核心，包括数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块三部分[3]。
如图3.1为本系统的结构框图：
图3.1火灾报警系统的结构框图
该系统的工作原理是：
先通过MQ-2烟雾传感器和DS18B20温度传感器将现场的温度、烟雾等非电信号转化为电信号，调理电路将传感器输出的信号进行放大、滤波等，使它满足A/D转换的要求，再由A/D转换电路，从而完成将DS18B20和MQ-2输出的模拟信号到数字信号的转换，接着单片机判断现场是否达到发生火灾的条件，如果达到，系统中的蜂鸣器和指示灯以声光的形式报警。
下面将详细介绍各个模块。
Ø
硬件组成：
图3.2系统硬件系统结构框图
如图3.2本系统主要由单片机控制模块、烟雾探测模块、温度采集模块、数码管显示模块、声光报警模块构成。
3.1单片机控制模块：
在本设计中，采用的是ATMEL公司生产的AT89C52[4]，它一种带8K字节闪烁可编程可擦除的只读存储器（FPEROM）和256字节的随机存取数据存储器（RAM）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。
AT89C52是一个低功耗高性能单片机，片内置通8为中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，可灵活应用于各种控制领域40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。
AT89C52的引脚功能排列如图3.1.1图：
图3.1.1DIP-40封装AT89S52引脚图
主要引脚功能如下[4]：
VCC:
电源引脚。
GND:
接地引脚。
P0口:
P0口是一个三态双向口，在有外部扩展存储器时被作为地址/数据分时复用口，被定义为数据/地址的低八位，此时是一个真正的双向口。
在没有外部扩展存储器时，也可以作为通用I/O接口，就是一个准双向口。
在输出数据时，必须外接上拉电阻。
P0口的输出级具有驱动8个TTL负载，即输出电流不大于800uA。
P1口:
P1口是8位准双向I/O口，内部提供上拉电阻。
当作为输入时，被内部上拉为高电平，P1口管脚写1。
P1口被外部下拉为低电平时，可提供电流，这是由于内部上拉的缘故。
P1口具有驱动4个TTL负载的能力
P2口:
P2口作为输入输出口的同时，还可以作为地址总线的高8位。
由于P2口内部具有上拉电阻，当被内部上拉为高电平，作为输入使用。
当被外部下拉为低电平时，作为输出使用时输出低电平。
当P2作为输出使用时可以驱动4个TTL电路。
P3口:
P3口是具有内部上拉电阻的双向I/O口，向内部写入高电平时作为输入使用，。
当被外部下拉为低电平，P3将作为输出使用，此时将可以驱动4个TTL电路。
P3口除了作为通用的I/O口使用外，还具有第二功能，通常会使用P3口的第二功能，P3口的第二功能如表3.1.2：
表3.1.2P3口功能表图
端口引脚
引脚
第二功能
P3.0
10
RXD（串行输入口）
P3.1
11
TXD（串行输出口）
P3.2
12
INT0（外中断0）
P3.3
13
INT1（外中断1）
P3.4
14
T0（定时/计数器0）
P3.5
15
T1（定时/计数器1）
P3.6
16
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
17
RD（外部数据存储器读选通）
单片机接线图：
图3.1.3单片机接线图
3.2烟雾探测模块[5]：
本设计中，烟雾探测器方面我采用的是MQ-2气体传感器，MQ-2气体传感器[5]所使用的气体材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。
当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随着空气中可燃气体浓度的增加而增大，这里使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
下面将向大家分别介绍本设计中所采用MQ-2的工作原理、预热，参数范围等。
1、工作原理：
MQ-2是一种体电阻控制型的气敏器件,其阻值随被测气体的浓度而变化。
气敏器件又是一种“气——电”传感器件，它将被测气体的浓度（成分）信号转变成相应的电信号[5]。
气敏器件阻值与气体浓度之间一般为非线性关系，但在浓度域的气体检测时可近似认为是线性的，如图3.2.1所示。
因此，在本设计中一定的浓度范围内的检测是有效的。
图3.2.1阻值与浓度关系图
2、预热及其原因：
MQ-2在不通电放置一段时间后，再通电使用时，阻值是先下降，然后又上升，不能立即采集氧气浓度，所以需要先预热一段时间，需要通电几分钟后才能稳定到与气氛状态相应的阻值。
但工作温度不宜太高（一般不要超过35℃），否则会造成性能衰减，降低气敏灵敏度。
在本设计中是先将传感器预热3分钟，预热的时候，用软件方式检测电缆线是否断线或者接触不良。
图3.2.2是MQ-2的基本工作电路图，它是一个惠斯登电桥，当空气中某种可燃气体的浓度超过某值时，电桥电路失去平衡，有电压输出，起到检测作用。
一般气敏器件很难消除环境温度的影响，通常在电路中加入热敏电阻进行温度补偿。
图3.2.2MQ-2基本工作电路图
4、MQ-2参数范围：
A．标准工作条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Vc
回路电压
≤15V
ACorDC
Vh
加热电压
5.0V±
0.2V
Rl
负载电阻
可调
Rh
加热电阻
31Ω±
3Ω
室温
Ph
加热功耗
≤900mW
B.环境条件
Tao
使用温度
-10℃-50℃
Tas
储存温度
-20℃-70℃
RH
相对湿度
小于95%RH
O2
氧气浓度
21%（标准条件）
氧气浓度会影响灵敏度特性
最小值大于２％
C.灵敏度特性
Rs
敏感体表面电阻
3KΩ-30KΩ
（1000ppm异丁烷）
探测浓度范围
100ppm-10000ppm
液化气和丙烷
300ppm-5000ppm丁烷
5000ppm-20000ppm甲烷
300ppm-5000ppm氢气
100ppm-2000ppm酒精
α
（3000/1000）
异丁烷
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度：
20℃±
2℃Vc:
0.1V
相对湿度：
65%±
5%Vh:
5.0V±
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