基于单片机的智能火灾报警系统设计+214要点Word文档下载推荐.docx
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2.2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。
2.3本系统的总体方案设计
2.3.1本设计的研究范围
本文主要研究的是一般场合下的火灾的预警与应对，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，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。
2.3.2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
2.3.3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。
图2-4程序流程图
第三章系统的硬件选择与设计
3.1主要芯片的选择
3.1.1单片机的选择
（1）单片机的比较
单片机是报警系统的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度和温度的模拟信号数字信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；
同时，查询是否有键按下的命令。
在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进行相应处理。
AT89C51单片机应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，且适合民用、商用，用途更广泛。
综合以上观点，本论文选定AC89C51作为本系统的核心。
（2）关于AT89C51
本设计的控制芯片使用的是ATMEL公司生产的AT89C51，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）和128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，俗称单片机。
AT89C51的引脚图如图3-1所示。
芯片可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
图3-1AT89C51的引脚图
3.1.2模数转换芯片的选择
模数转换（ADC）亦称模拟一数字转换，与数/模（D/A）转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。
例如，对图象扫描后，形成象元列阵，把每个象元的亮度（灰阶）转换成相应的数字表示，即经模/数转换后，构成数字图象。
通常有电子式的模/数转换和机电式模/数转换二种。
在遥感中常用于图象的传输，存贮以及将图象形式转换成数字形式的处理。
A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10位、12位、16位等。
位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。
而就其结构而言，有单一的A/D转换器，有内含多路开关的A/D转换器。
美国AnalogDevice公司生产的8位逐次逼近式模数转换器ADC0809转换速率高，自带三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连而无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容。
是目前我国应用最为广泛，价格适中的A/D转换器。
综合以上各种条件和因素，也根据本设计的需要，我选择的A/D转换器是ADC0809。
3.2传感器的选择
3.2.1火灾探测器的分类
火灾探测器是火灾报警系统的现场探测部件，它的好坏直接关系到整个系统是否正常运行，它是整个系统最为重要的部件，是识别火灾是否发生的专门仪器。
在发生火灾时，探测器通过把火灾发生时产生的各种非电量参数（如烟、气体浓度等）转化成电量参数从而得到统一测量参数，然后再传送给控制器。
其特点是实时性，准确性。
其能够实时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产生的物理现象可以分为：
感温型、感烟型、图光型、感声型、气敏型五大类。
本文仅探讨现场温度与烟雾这两项与火灾的发生相关的指标的检测，其他与火灾相关的因素本文未予探讨。
3.2.2温度探测器的选定
（1）本设计温度探测器的选择条件
根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用建筑中的温度探测器有定温式、差温式、差定温式等几种。
1.定温式探测器。
定温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时启动报警的火灾探测器。
它有线型和点型两种结构。
2.差温式探测器。
差温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。
它也有线型和点型两种结构。
3.差定温式探测器。
差定温式探测器结合了定温和差温两种作用原理并将两种探测器结构组合在一起。
差定温式探测器一般多是膜盒式或热敏半导体电阻式等点型组合式探测器。
在温度传感器的选型过程中考虑的因素：
ａ被测对象的温度是否需记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传送。
ｂ测温范围的大小和精度要求。
ｃ测温元件大小是否适当。
ｄ在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件的滞后能否适应测温要求。
综合以上多种原因，经对比，本文温度探测器使用DS18B20数字温度传感器，其引脚与实物样式如图3-4所示。
（２）关于DS18B20
DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等。
1.DS18B20的主要特性：
ａ适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线
图3-2DS18B20数字温度传感器引脚图
供电。
ｂ2独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
ｃDS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
ｄDS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
ｅ温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±
0.5℃。
ｆ可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
ｇ在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
2.S18B20的外形和内部结构。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
3.DS18B20引脚定义：
ａDQ为数字信号输入/输出端；
ｂGND为电源地；
ｃVDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
3.2.3烟雾传感器的选择
（１）烟雾传感器的比较分析
1.离子式烟雾传感器
该烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。
2.光电式烟雾传感器
光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过发出警报。
3.气敏式烟雾传感器
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。
通过比较分析，本设计的感烟探测器采用的是日本NEMOTO公司生产NIS-09C离子型感烟探测器，内部有微量的放射性物质媚（Am）241，探测器被金属电极覆盖，放射能不会泄露。
它对白色、灰白和黑色烟雾都有良好的响应，符合美国UL217标准，欧洲EN-54-7标准及GB4715-93国家标准。
NIS-09C是具有低功耗、普适性的传感器，适用于高灵敏度烟雾探测器、火灾报警系统。
（2）烟雾检测器工作原理
首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成大的电压信号送入AT89C51单片机；
后，在AT89C51单片机内A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；
最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反映越快，响应时间和恢复时间就越快。
为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。
为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。
当传感器加热丝或电缆线和传感器断线和接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。
当然几种状态的报警信号是各不相同的。
3.3各电路模块的设计
3.3.1单片机外围接口电路
（1）晶振电路
晶振电路为单片机80C51工作提供时钟信号，芯片中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振荡器一起构成自激振荡器。
电路中的外接石英晶体及电容C2、C3接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，系统的晶振电路如图3-3所示。
由于外接电容C2、C3的容量大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容的容量大小范围为
；
如果使用陶瓷谐振，则电容容量大小为
。
本设计中使用石英晶体，电容的容值设定为30pF。
（2）复位电路
复位电路的基本功能是：
系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。
为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。
单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。
80C51的复位信号是从REST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果REST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有：
手动按钮复位和上电复位，本设计采用的是手动按钮复位。
AT89C51晶振电路与复位电路如图3-3，图3-4所示。
图3-3AT89C51单片机的晶振电路
图3-4AT89C51单片机的复位电路、
3.3.2A/D转换电路
经气敏传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行A/D装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机A/D转换。
电路采用了常用的8位8通道数模转换常用芯片ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端分别接到ADC0809的IN0和IN1。
ADC0809的通道选择地址由AT89S52的P0.0～P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。
当P2.7=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。
其中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。
图中ADC0809转换结束状态信号EOC接到AT89S52的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。
在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。
由于ADC0809片内无时钟，故利用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器四分频后获得时钟。
因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为12MHZ，则ALE信号的频率为2MHZ，经四分频后为500KHZ，与ADC0809的典型值吻合。
电路图如图3-5所示。
当AT89C51的ALE端口不访问外部存储器时，AT89C51的ALE端以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，故晶振设定12MKz，再经过二分频电路，单片机即可向ADC0809输出500KHz的时钟信号。
二分频电路由D触发器实现，R、S端接地，D接Q非，Q端作为输出端，CLK接AT89C51的ALED端。
D触发器的特性方程为
由于当CP=1时，D触发器有效；
CP=0时，触发器保持原来状态。
故D触发器能实现对ALE端口的信号二分频。
由于本火灾报警系统只采集温度、烟雾信号，经过调理的温度、烟雾信号分别进入ADC0809的IN-0和IN-1端口，其余输入引脚接地，8个
图3-5AD转换电路
数字量输出引脚接AT89C51的P0口。
单片机的P0口接受ADC0809传输来8位数字量，向A/D输出的8位地址经地址锁存器74LS373锁存，选择低3位地址作为A/D的通道选通地址。
本设计使用74LS373作为地址锁存器，当三态允许控制端OE为低电平时，输出端O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
3.3.3烟雾信号调理电路
滤波电路能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分，滤除或衰减无用频率信号到足够小。
一阶滤波电路过渡带较宽，幅频特性的最大衰减频率仅为-20dB/十倍频。
为使滤波器的滤波特性接近理想特性，即在通频带内特性曲线更平缓在同频带外特性曲线衰减更陡峭，只有增加网络的级数，系统使用二阶滤波器电路。
由于在火灾发生早期，温度烟雾信号是一种缓变信号[25]，故系统使用二阶有源低通滤波器电路（LowPassFilter，LPF）。
将串联的两节RC低通网络直接与反向电压跟随器电路相连，可构成烟雾、温度
图3-6烟雾信号调理电路
调理电路中的简单二阶低通滤波器电路。
二阶低通滤波电路中
，
3.3.4光报警电路
此类报警根据单片机所给电压，确定LED灯中的电流流向，以驱动灯发光。
连接电路如图3-7所示：
图中当单片机为低电平时，小灯是亮的；
高电平时，小灯灭。
图3-7光报警电路
3.3.5声报警电路
其电路图如图3-8所示
图3-8声报警电路
3.3.6报警器故障自诊断
判断传感器电源连接情况。
在传感器的地端串联一个电阻R，当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P2.1口检测到：
如果如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0V。
第四章火灾报警系统的软件设计
4.1火灾报警系统程序设计
4.1.1主程序流程图
火灾报警系统控制器上采用80C51作为主控芯片，其主要功能包括：
控制IO端口、逻辑判断处理、驱动外部电路、语音报警和A/D采样等，该部分是火灾报警系统智能化的集中体现。
为了便于系统维护，在火灾报警系统的软件设计中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。
既使得程序结构清晰，又便于以后进一步扩展其功能。
本系统主要包括主程序、温度烟雾数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等。
系统程序流程图如图4-1所示。
图4-1程序流程图
4.1.2主程序初始化流程图
主程序初始化流程图如图4-2所示。
这部分实现的功能包括各种I/O输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等。
首先设定定时器工作方式，然后开系统中断，以便响应中断定时，及时对气体浓度和温度进行采样。
然后关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。
图4-2主程序初始化流程图
4.1.3数据采集子程序
数据采集是火灾报警系统中的重要环节。
为了降低误报率，系统设计时对温度烟雾采用了两次采集、两次判断的方法。
每次采集温度烟雾数据后，将数据存入单片机的寄存器，然后在火灾判断程序中，将采集的数据与设定的阈值进行比较，判断现场是否发生火灾。
系统温度烟雾信号采集程序流程图如图4-3所示。
在火灾自动报警系统的程序设计中使用了延时程序，延时10ms的程序如下：
voiddelay_10ms（uinti）
{
while（i--）
{
uchari，j，k；
for（i=5；
i>
0；
i--）
for（j=4；
j>
j--）
for（k=248；
k>
k--）；
}
4.1.4火灾判断与报警程序
（1）火灾报警数据处理方法
固定门限检测法是使用最早，且应用最广泛的火灾探测方法，优点是计算量小且易
于实现，其原理是根据火灾探测器的信号幅值作为火灾报警的依据，并与固定的阈值进行比较：
当信号幅值超过报警阈值时，则发出报警，否则解除报警。
火灾报警系统中使用的是温度传感器DS18B20和烟雾传感器NIS-09，烟雾传感器输出电压v与烟雾浓度p关系为：
v=-0.3p+5.6。
在本设计中报警温度设为57℃，烟雾报警浓度设为3.2％FS（参照市面销售的火灾报警器温度烟雾的报警临界值）。
经过换算可得出温度烟雾传感器输出火灾报警临界电压值为：
（2）火灾判断与报警
系统对温度和烟雾进行了两次数据采集与判断，每次信号采集后根据得到的数据与设定的阈值比较，当温度≥57℃，温度异常，置寄存器变量a为1，否则为0；
当烟雾浓度≥3.2％，烟雾浓度异常，置寄存器变量b为1，否则为0。
综合两次温度烟雾信号的采集，根据温度和烟雾的寄存器变量a和b的状态，判断现场情况：
2个寄存器变量
图4-3数据采集流程图
变量均为0，表示情况正常；
2个中仅有1个为1，表示情况异常；
2个均为1，表示有火灾发生。
系统对现场进行报警判断后，间隔20s后（通过系统的延时程序实现），再一次采集现场的温度烟雾信号进行判断，即每一次语音报警持续20s，直到系统做出下一次判断结果。
当系统状态为00时，表示正常，80C51的P2.2口变成低电平，绿灯亮。
当系统状态为01或10时，表示异常，P2.3口变为低电平，P2.1口变为低电平，黄灯亮，蜂鸣器报警。
当系统状态为11时，表示发生火灾，P24口变为低电平，P2.1口变为低电平，红灯亮，蜂鸣器报警。
如果两次采集同一种信号寄存器变量不相同，说明系统出现故障，P24口变为低电平，P10口变为高电平，红灯亮，蜂鸣器报警。
4.1.5滤波子程序
在对气体浓度采样时，可能会遇到尖脉冲干扰的现象。
干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。
如果
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