基于单片机的智能火灾报警系统毕业论文Word格式文档下载.docx

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选题的背景及意义1

国内外发展状况和现状1

火灾报警系统发展历程1

国内外火灾报警系统的发展现状2

2火灾报警系统及其整体方案设计4

火灾发生时的特点4

火灾报警系统功能及其类型5

本系统的总体方案设计6

本设计的研究范围6

系统的硬件总体结构7

系统软件总体结构8

3系统的硬件选择与设计9

主要芯片的选择9

单片机的选择9

模数转换芯片的选择10

传感器的选择13

火灾探测器的分类13

温度探测器的选定14

烟雾传感器的选择16

各电路模块的设计19

单片机外围接口电路19

A/D转换电路20

烟雾信号调理电路22

光报警电路23

声报警电路23

报警器故障自诊断23

4火灾报警系统的软件设计24

软件开发环境24

火灾报警系统程序设计24

主程序流程图24

主程序初始化流程图25

数据采集子程序25

火灾判断与报警程序26

滤波子程序27

5功能仿真验证分析29

关于仿真与编程软件29

Protues仿真原理图29

6总结与展望30

总结30

展望31

致谢32

参考文献33

附录34

1绪论

选题的背景及意义

在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁到公众安全和社会发展的主要灾害之一。

它威胁着人们的健康、生命和财产安全，一旦引发火灾，就能使成千上万的财产瞬间变为灰烬，其所造成的损失约为地震的5倍，仅次于干旱和洪涝灾害。

据瑞士——保险公司调查报告，1970年~1985年世界平均每周发生3起大火，15年共造成150万人丧生，使全球5000万人无家可归，如果说天灾是人类共同面对的大敌，那么在尚不发达的发展中国家则是天灾与人祸并重，火灾隐患日益严重。

残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性。

火灾监测预防工作已变得日益紧迫，寻找一种及时有效的预防火灾产生的方法已经变成人们迫切需要解决的问题。

良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失。

智能火灾自动报警系统就是为了满足这一需求而研制出的，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。

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。

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。

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。

国内外发展状况和现状

火灾报警系统发展历程

火灾报警系统的发展也是经历了由单一品种发展成现在样式多样化的过程，由以前误报率较高、安装复杂和监测范围较窄变成现在测量较精准、安装简单、监测范围广等从发展过程来看，大体上可分为以下几个阶段：

第一阶段，从19世纪40年代至20世纪40年代，火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用的探测器主要是感温式的探测器，它通过采集温度信号，然后判定是否超出设定的阂值，从而判断是否有火灾发生。

这一阶段，火灾报警系统简单，仅靠单一的温度参量进行火灾判断。

但是它易受环境中其他干扰源的影响，灵敏度低，响应速度慢，无法判断阴燃火灾，也无法满足智能化火灾报警系统的要求。

第二阶段，20世纪40年代末，瑞士物理学家EmstMeili研究的离子感烟探测器推出以后，引起了人们对离子感烟探测器的重视，随后感烟探测器得到广泛应用，并逐渐占据了绝大部分市场，迫使感温式探测器退居其次；

到70年代末，光电式感烟探测器在光电技术的基础上发展起来，并很快得到大力发展，它的使用寿命长，抗干扰能力强，没有离子感烟探测器的放射性问题。

在这一阶段，火灾报警系统普遍采用多线制布局方式，布线、调试、系统可靠性是系统发展的瓶颈。

第三阶段，20世纪80年代初期，总线型火灾报警系统开始兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。

它使得布线工作量显着减少，安装调试更加容易，更能精确报警定位。

但是这一时期的火灾报警系统的智能化水平不高，采用有线连接对工程要求高。

第四阶段，从20世纪80年代中后期开始，随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代，智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾自动报警系统相继出现。

模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义。

国内外火灾报警系统的发展现状

随着科学技术的发展，新的高科技成果不断被应用到火灾报警系统，特别是近十几年的发展，先进的智能型火灾报警系统，依靠其高灵敏度、低误报率、安装简便灵活、便于集中监控等优点，目前在国外得到了广泛应用。

这种系统的代表产品有如澳大利亚GO－DEX公司生产的GO－DEX型空气采样式感烟火灾智能报警系统，澳大利亚维信防火与保安有限公司（VisionFire&

Security）生产的VESDA产品等，其中维信公司的VESDA产品是最具有代表性的产品。

该系统是全世界空气采样早期智能报警系统领域的领导者，系统对烟雾分析力为%obs/m，以其安装简便灵活，高可靠、高效率、低误报率的极早期探测智能报警性能，惊鸣世界、誉满全球，现在，VESDA已经发展到第三代技术，已经有超过20多万台VESDA的探测器被广泛应用在电信行业在内的各种复杂的应用场所，时刻为用户进行着先进可靠的火灾早期探测报警。

目前，国内一些企业也已经瞄准早期智能报警系统的市场，开始研制一些早期智能报警系统的雏形产品。

比如南京消防集团有限公司研制生产的超早期感烟火灾智能报警系统：

SH97300高灵敏度激光吸气式感烟火灾探测报警系统。

其灵敏度高达m，比普通早期报警的感烟探测器灵敏度高100倍以上，且同样具有安装灵活简便、能够智能报警等。

该系统被广泛应用于重要场所火灾报警，如各单位大楼的计算机房、资料室、图书馆等。

但是由于国内的火灾报警系统较多的是进口产品或是靠引进技术，其系统的灵敏度、对环境变化的自适应能力、探测浓度范围、以及节电设计方面还有待进一步研究提高，在应用到市场之前还有很多问题需要解决。

毫无质疑的是未来先进的火灾早期智能报警系统在随着科技水平的发展、市场推广的深入和全民火灾防范意识的不断加强，会被越来越多的用户所推崇，应用领域也会延伸至多种行业，火灾系统也会应技术的创新而不断发展更新。

2火灾报警系统及其整体方案设计

火灾发生时的特点

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。

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。

在产生气溶胶的同时，产生分子较大的液体或固体微粒，称为烟雾。

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。

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。

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

火灾报警系统功能及其类型

火灾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。

火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象——气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。

区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出声光报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。

集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，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。

整体电路的框图如图2-2所示及其类型。

图2-2智能火灾报警系统框图

火灾报警系统，一般由火灾探测器、联动单元和控制器三部分组成。

由火灾探测器首先探测到火灾的萌芽而后通过联动单元传输至控制器分析其形势从而实现是否报警。

火灾报警系统除了具有预防报警之外，还有遥控检测功能，它能够根据总台的监测预防

的要求而有所对其功能模块进行远程调节。

根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为以下四种：

（1）感温型火灾报警系统

根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等几种。

（2）感烟型火灾报警系统

感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。

（3）感光型火灾报警系统

感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。

根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。

（4）复合型火灾报警系统

如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。

目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。

本系统的总体方案设计

本设计的研究范围

火灾的发生场合各异，因而火灾发生前和发生时出现的情况也各不相同，比如在居民住宅楼，易燃物品较复杂的各型商场、超市，人员密集度较高的的网吧、影院，车库、粮库、油库等各种类型仓库，汽车、飞机、轮船等现代化的交通工具等场合，有些火灾发生的比较缓慢，随着湿度，温度等的慢慢变化，导致易燃物品接近并达到着火点而产生烟雾和明火，若此时不能得到有效控制则火势会逐渐蔓延，一致酿成大祸。

对这一类火灾如果提高警惕，及时发现，就能够有效控制火灾的发生。

而对于有些发生较快的火灾，通常只有几秒十几秒的时间火势便达到无法控制的地步，如2012年8月26日凌晨发生在陕西省延安市安塞县境内的一起触目惊心的重大车祸，大量的甲醇瞬间燃烧，车内乘客根本没有时间逃生。

对于这类火灾我们只能从根本上采取措施杜绝一切可能产生火灾的因素，否则后果不堪设想。

本文主要研究的是一般场合下的火灾火灾的预警与应对，此类火灾发生比较缓慢，发生之前伴随有温度的非正常变化，火苗出现之前的烟雾等有害气体的产生。

方案涉及到现场温度的检测，烟雾浓度的检测，信号的采集与对比，声音报警，不同险情的不同灯光显示等。

当现场烟雾或者温度发生异常，或者发生火灾时，报警系统会产生相应的报警信号。

本文设计的用于小型防火单位的单片机火灾报警系统具有以下特点:

（1）能对室内烟雾（CO2，CO）及温度突变进行报警,具有声、光双重报警功能。

（2）系统故障报警功能。

当系统出现硬件故障时，能发出故障报警信号。

（3）异常报警功能。

当环境出现异常（如烟雾浓度过大或是温度较高）时，能发出异常报警信号，引起人们注意，尽可能避免火灾的发生。

（4）火灾报警功能。

一旦真出现火灾（烟雾和温度同时出现异常）时，能立即发出声光警报。

据类似本系统的报警器现场模拟实验表明,本系统安全可靠,误报率低。

且由于其体积小、操作维护方便、成本低廉等,具有广阔的应用前景。

系统的硬件总体结构

（1）硬件系统组成

一个完整的火灾报警系统，必须包含以下几个部分：

系统控制模块，火灾探测模块，数据转换模块以及报警模块。

本设计一单片机作为控制系统的核心，以传感器作为其测温装置，来实现火灾报警系统的设计。

该设计可以对室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）硬件系统控制方案设计

报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块组成。

图2-3为火灾报警系统的结构框图。

图2-3火灾报警系统的总体结构框图

火灾报警系统主要实现对火灾现场的测试工作，从而启动火灾报警系统。

其主要由烟雾传感数据采集程序、温度传感数据采集程序、声光报警程序等三个部分组成，其中，烟雾传感数据采集程序完成对烟雾浓度的采集并进行数据转换；

温度采集程序显示对现场的温度进行采集；

系统的工作原理是：

先通过传感器（包括温感和烟感）将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，调理电路将传感器输出的电信号进行调理（放大、滤波等），使之满足A/D转换的要求,最后由A/D转换电路,完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。

报警程序设置报警的下限，当外界指标超出限制，将进行声光报警。

系统软件总体结构

为了便于系统维护和功能扩充，采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。

本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等，系统程序流程图如图2-4所示。

为了降低误报率，系统采用多次采集、多次判断的方法。

每次数据采集后根据得到

的数据对现场情况进行判断，然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。

主程序是一个无限循环体，其流程是：

首先在上电之后系统的各部分包括单片机各个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据存储电路等完成初始化，其次是对芯片内的程序进行初始化，接下来执行火灾报警系统中的数据采集任务，数据通信任务和查询判断任务。

图2-4程序流程图

3系统的硬件选择与设计

主要芯片的选择

单片机的选择

（1）单片机的比较

单片机是本方案的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎，下面我们来拿8031和AT89C51做一下比较。

8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。

用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。

写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。

由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。

后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；

在使用上基本可以直接互换。

我们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列单片机”。

在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89Cx做的编程器均带有这些功能。

显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。

写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。

而且AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。

单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换8051和8751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地（GND），单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；

而8051/8751/89C51因内部有程序存储器，31脚接高电平（Vcc），单片机启动后直接在