基于多传感器的智能火灾报警系统设计.docx

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基于多传感器的智能火灾报警系统设计

本科学生毕业设计

基于多传感器的智能火灾报警系统设计

系部名称：

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

职称：

讲师

黑龙江工程学院

二○一二年六月

TheGraduationDesignforBachelor'sDegree

DesignofIntelligenceAutomaticFireAlarmBasedonMultisenor

Candidate：

Specialty：

Class：

Supervisor：

HeilongjiangInstituteofTechnology

2012-06·Harbin

摘要

基于单片机技术和多传感器技术开发设计了一套火灾自动报警系统。

本设计内容包括软件系统和硬件系统。

系统的软件部分包括主程序、按键、温度气体浓度采集、和数码管显示子程序；硬件包括四个部分：

单片机最小系统、温度气体浓度检测电路、显示电路和报警电路。

选用最常用的AT89S52单片机作为控制处理器，对所采集的数据进行处理；采用DS18B20数字温度传感器将温度信号直接转换成数字信号，传递给单片机；选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾浓度的检测；MQ-2型半导体烟雾传感器电路简单，成本低，同时可设置温度报警值，实现声光报警。

CPS3641BR数码管具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。

该火灾自动报警系统结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉，具有一定的实用价值。

关键词：

单片机；温度传感器；烟雾传感器；火灾自动报警；结构简单

ABSTRACT

Wedevelopmentanddesignasetofautomaticfirealarmsystembasedonmicrocontrollertechnologyandsensortechnology.Thisdesigncontainsoftwaresystemandhardwaresystem.Thesoftwareincludemainprogram,key,collectingoftemperaturegasconcentration,subroutineofLEDdisplay.Hardwaresystemincludemicrocontrollerunitsystem,detectioncircuitryoftemperaturegasconcentration,displayingcircuitsandalarmingcircuits.ThissystemchoseAT89S52asthecontrolprocessorandhandlewithcollectingdates.ThissystemchosedigitaltemeperaturesensorDS18B20totransformtemperaturesignaltodigitalsignalandconveyittomicrocontrollerunit.ThissystemchosesemiconductorflammablegassensitivecomponentssensorMQ-2realizethetestingofthedensityoffog.ThecircuitsofsemiconductorsmokesensorMQ-2aresimpleandlowcost.Atthesametimeitcansetpanicvalueandrealizeaudibleandvisualalarm.NixietubeCPS3641BRhasthemeritofhighsensitivity,fastresponse,anti-interferencecapability.Andthepriceischip,thelifetimeislong.Thisautomaticfirealarmsystemhasalotofmeritssuchas,simplestructure,stableperformance,convenienttouse,lowcost,havingpracticalvalueandsoon.

Keywords:

MicrocontrollerUnit;Temperaturesensor;Smokesensor;Automaticfirealarmingsystem;Simplestructure

第1章引言

1.1智能火灾报警器设计的目的和意义

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。

对于火灾，在我国古代，人们就总结出“防为上，救次之，戒为下”的经验。

随着社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生火灾的危险性也在增多，火灾的危害性也越来越大。

据统计，我国70年代火灾年平均损失不到2.5亿元，80年代火灾年平均损失不到3.2亿元。

进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。

实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性就越来越突出。

由此，火灾报警器在消防工作就的作用也尤为突出了。

我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。

但目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。

而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探测报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的语音数字联网火灾报警器是非常必要的。

火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。

即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。

火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温格火光。

这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。

区域报警器能将所在楼层之探测器发出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的房间号；同时还能监视若干楼层的集中报警器（如果监视整个大楼的则设于消防控制中心）输出信号或控制自动灭火系统。

集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具体显示出着火的楼层和房间号，机上停走的时钟记录下首次报警时间性，利用本机专用电话，还可迅速发出指示和向消防队报警。

此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。

本设计是基于多传感器的智能火灾报警系统，能够在火灾初期，将燃烧的烟雾、热量和光辐射等物理量，通过感温、感烟和感光等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，出现异常情况能够进行报警，起到早期发现火灾和通报火灾的作用。

1.2智能火灾报警器的国内外发展情况

许多年前，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，花了好多年时间，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。

消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动。

是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。

依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。

在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，象消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。

在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：

类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的消防报警市场。

1.3本设计主要研究的内容

目的是研究一个由单片机控制的火灾自动报警系统，采用多种传感器，如温度传感器和烟雾传感器，对环境中的温度和烟雾浓度状况进行实时监测，能对周围环境的温度突然升高和烟雾浓度突然的提高进行报警。

通过这个设计提高自己对单片机和传感器的使用能力，了解和掌握单片机、温度传感器和烟雾传感器的使用，巩固自己在大学学习的所有知识，增强自己的实际操作的能力。

要求所设计的火灾自动报警系统能够对温度和烟雾进行实时监测，出现异常状况能够进行及时的报警，起到早期出现火灾并及时通报相关人员和及时扑灭火灾，来减少人员及财产的损失。

本火灾智能报警系统包括很多部分：

触发电路、报警电路、显示电路、转换电路、数据处理和控制电路等。

触发电路由温度传感器和烟雾传感器等组成。

报警电路由报警装置蜂鸣器和光报装置LED灯。

显示电路由数码管显示模块实现由温度传感器和烟雾传感器所传送过来的数据。

采用单片机作为主控芯片来进行数据的处理和控制。

本设计包括软件和硬件两部分，软件部分包括主程序、温度和气体的浓度的采集、单片机处理和控制程序及数码管显示子程序；硬件包括单片机最小系统、触发电路、显示电路和报警电路。

第2章多传感器的智能火灾报警系统总体方案设计

2.1系统的基本方案

根据设计的要求系统硬件部分可分为单片机控制和处理部分、传感器部分、显示电路和报警电路。

为实现各模块的功能，分别做了几种不同的方案设计并进行论证。

2.2主控芯片的选择

方案一：

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，主要特点如下：

1、4kBytesFlash片内程序存储器；

2、128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；

3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；

4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断；

5、6个中断源；

6、2个16位可编程定时器/计数器；

7、2个全双工串行通信口；

8、看门狗（WDT）电路；

9、片内振荡器和时钟电路；

10、与MCS-51兼容；

11、全静态工作：

0Hz-33MHz；

12、三级程序存储器保密锁定；

13、可编程串行通道；

14、低功耗的闲置和掉电模式。

方案二：

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用ATMEL公司高密非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效地解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，8个中断向量源，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，主要特点如下：

1、8位字长CPU；

2、振荡器和时钟电路，全静态操作：

0-33MHz；

3、8KB系统内可编程Flash存储器；

4、4个I/O端口共32线；

5、3个16位定时/计数器；

6、全双工串行口通道；

7、ISP端口；

8、定时监视器；

9、双数据指针；

10、20多个特殊功能寄存器；

11、电源下降标志。

通过比较AT89S51和AT89S52本质上没有太大的区别，只不过AT89S52是AT89S51增强型，成本差不多，电源下降有明显的标志，所以选择AT89S52作为本设计的主控芯片。

2.3传感器的选择

本设计主要使用两样传感器：

温度传感器和烟雾传感器。

1、温度传感器选择DS18B20是最好的方案，它直接能把收集到的温度信号直接转化成单片机识别的数字信号，不需要增加外围电路，直接可以和单片机进行相连接。

结构简单，使用起来方便，所以它是最好的选择。

2、烟雾传感器选择MQ-2烟雾传感器是最好的方案，它具有信号输出指示，双路信号的输出，对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。

具有长期的使用寿命和可靠的稳定度，快速的响应恢复特性，试用与家庭或工厂的气体泄漏监测装置。

综合以上的优点所以选择MQ-2是最好的选择。

2.4A/D转换器芯片选择的论证

A/D转换器的作用是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。

随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换的新设计思想和制造技术层出不穷。

并为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构的不同、性能各异的A/D转换芯片应运而生。

尽管A/D转换器的种类繁多，但目前广泛应用在单片机应用系统中的有以下几种类型：

逐次比较型转换器、双积分型转换器、∑-△式转换器。

方案一：

ADC0809转换器

ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换，由单一的+5V电源供电。

片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选的通道。

ADC0809完成一次转换需100微秒左右，它可对0-5V的模拟信号进行转换，但是它在精度、速度和价格上都适中。

方案二：

ADC0832转换器

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨率可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0-5V之间。

芯片的转换时间仅为32微秒，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强。

通过比较ADC0832具有较快的转换时间且稳定性能强，所以选择ADC0832作转换芯片选择。

2.5显示电路的选择论证

方案一：

LED灯显示

LED按显示方式可分为静态显示和动态显示。

静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下一次显示时再传送一次新的数据。

只要当前显示的数据没有变化，就无需理睬数码管显示。

静态显示的数据稳定，占用CPU时间少。

静态显示中，每一个显示器都要占用单独具有锁存功能的I/O口，该接口用于笔画段字形代码。

这样单片机只要把显示的字型数据代码发送到接口电路，该字段就可以显示要发送的字型。

要显示新的数据时，单片机再发送新的字型码。

另一种方法是动态扫描显示。

动态扫描方法是用其接口电路把所有显示器的8个笔画字段（a-g和dp）同名端连接在一起，而每一个显示器的公共极各自独立接受I/O线控制。

CPU向字段输出端口输出字型码时，所有显示器接收相同的字型码，但究竟使哪一位则由I/O线决定。

动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示器的公共极，使每个显示器轮流点亮。

在轮流点亮的过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二级管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。

方案二：

LCD显示器

LCD是液晶显示器的缩写，它是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，从而达到白底黑字或者黑底白字显示的目的。

液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点，因此被广泛应用在仪器仪表和控制系统中。

通过比较LCD是具有很多优点，但是本设计中用LED灯就能实现其很好的功能，且节约成本。

所以选择LED。

2.6整体方案

根据基于多传感器的智能火灾报警系统的基本工作原理：

当有火灾发生时，气体的浓度和环境中的温度会升高，温度传感器把感受的温度信号直接转化成数字信号再传送给单片机来处理和控制，烟雾传感器把感受的烟雾信号经过放大再经过A/D转换电路把模拟信号转换成数字信号发送给单片机来处理和控制。

通过单片机处理过的信号与预订的门限值进行对比，如果达到门限值单片机通知报警电路进行报警。

图2.1系统总体方案框图

2.7本章小结

通过控制芯片、传感器、显示部分的对比和分析，对本设计的主要器件进行论述，最终确定了各部分所用的元器件。

主控芯片选择AT89S52作为控制核心，DS18B20温度传感器和MQ-2烟雾传感器作为数据搜集电路，并用LED作为显示电路。

第3章多传感器的智能火灾报警系统的硬件设计

3.1AT89S52单片机简介

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（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AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

3.1.1AT89S52单片机的封装及其引脚功能说明

图3.1单片机PDIP封装

VCC：

电源供电电压。

GND：

电源地电平。

XTAL1：

当外接晶振时，接外部晶振的一个引脚。

片内振荡器由一个单级反相器组成，XTAL1为反相器的输入。

当外部振荡器提供时钟信号时，则由XTAL1端输入。

XTAL2：

接外部晶振的另一个引脚，片内为单级反相器的输出。

当由外部时钟源提供时钟信号时，则本引脚悬空。

P0口：

8位并行I/O口，作为输出口时，每个管脚可带8个TTL负载。

在外扩存储器时，它定义为低8位地址/数据总线。

当定义为I/O口时，为准双向I/O口，需外接上拉电阻，在写入“1”后就成为高阻抗输入口。

在对片内Flash编程时P0口接收字节代码，在程序校验时输出字节代码。

程序校验期间应外接上拉电阻。

P1口：

内接上拉电阻的8位准双向I/O口，能负担4个TTL负载。

在Flash编程和校验时定义为8位地址线。

P2口：

内接上拉电阻的8位准双向I/O口。

能接4个TTL负载。

当访问外部存储器时定义为高八位地址总线，只需八位地址线时，它将输出特殊功能寄存器中内容。

P3：

内接上拉电阻的8位准双向I/O口，能负担4个TTL负载。

它的第二变异功能如下。

P3.0RXD（串行输入口）。

P3.1TXD（串行输出口）。

P3.2/INT0（外部中断0）。

P3.3/INT1（外部中断1）。

P3.4T0（记时器0外部输入）。

P3.5T1（记时器1外部输入）。

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）。

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）。

RST：

复位信号输入端。

当单片机运行时，此引脚加上持续时间大于2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以对单片机完成复位操作。

RST引脚上的高电平有效。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号不会出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，此时外部程序存储器地址为0000H-FFFFH，不管是否有内部程序存储器。

加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此时为内部程序存储器。

在FLASH编程时，此引脚用来通12V编程电源，即VPP。

3.2晶振电路和复位电路

AT89S52单片机各个功能部件的运行都以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。

所以在单片机系统设计中，振荡电路的设计是十分重要的一个环节，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定。

图3.2晶体振荡电路

电路中的电容C1和C2的典型值通常采用选择为30pF左右。

该电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。

晶体振荡频率的范围通常是在1.2-12MHz。

一般的情况下，单片机的晶体振荡为并联谐振状态，两个电容的取值应该是相同的，或者相差不大，如果相差太大，容易造成谐振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。

输出的信号与单片机的18、19脚相连。

复位是单片机初始化的操作，单片机重新启动时都需要进行复位，使得CPU处于准备开始的状态，并且从这个状态开始工作。

AT89S52单片机的复位是由外部的复位电路实现的。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

按键手动复位有电平和脉冲两种方式。

本设计采用按键手动复位的电平复位电路。

当AT89S52单片机的复位引脚RST出现两个机器周期以上的高电平时，单片机执行复位操作。

图3.3复位电路

3.3温度采集电路

3.3.1DS18B20的介绍

本设计采用的温度传感器是美国DALLAS公司生产的DS18B20传感器，它与其他传统的温度传感器不同，DS18B20可以把采集到的温度直接转化成串行数字信号，直接提供给单片机进行处理，它具有耐磨耐碰，体积小，低功耗，高性能，抗干扰能力强，使用方便，适用于各种狭小空间设备数字的测温和控制领域。

通过编程，温度传感器DS18B20可以实现9-12位的温度读数。

信息经过单个引脚送入温度传感器DS18B20或从温度传感器DS18B20的一个引脚送出，因此从单片机到DS18B20仅仅需要连接一个引脚。

本身有电源可以支持读、写和执行温度变化所需要的电源，而不需要外接的电源。

每片DS18B20在出厂时都设有唯一的产品序列号，此序列号存放在它的内部ROM中，微处理器通过简单的协议就能识别这些序列号，因此多个DS18