基于单片机的火灾报警系统设计Word文档下载推荐.docx
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8
2.1系统总体功能概述·
2.2火灾报警系统的类型·
2.3火灾报警系统的原理·
9
2.4火灾报警系统的功能·
10
3火灾报警系统的硬件设计·
12
3.1核心元器件的选型·
3.1.1单片机的选型·
3.1.2传感器的选型·
13
3.1.3数码管驱动芯片的选型·
14
3.2火灾报警系统的电路设计·
15
3.2.1单片机外围接口电路设计·
3.2.2信号采集及前置放大电路·
16
3.2.3A/D转换电路·
18
3.2.4声音报警系统·
20
3.2.5数码管显示电路·
20
3.2.6状态指示灯及控制键电路·
21
3.2.7报警器故障自诊断电路·
22
4火灾报警系统的软件设计·
24
4.1C51系列单片机调试及开发工具·
4.2火灾报警系统程序流程及设计·
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4.2.1主程序设计及流程图·
4.2.2主程序初始化流程图·
26
4.2.3滤波子程序设计及流程图·
27
4.2.4线性化子程序设计及流程图·
29
4.2.5报警子程序设计及流程图·
30
4.2.6控制按键子程序设计及流程图·
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5实验检定及误差分析·
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5.1烟雾检测报警器检定·
5.1.1爆炸下限（LEL）概念介绍·
5.1.2实验数据分析·
34
5.2实验误差分析·
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结论·
39
致谢·
41
参考文献·
42
摘要
近年来全国火灾事故频繁发生，造成人、财、物的巨大损失。
针对多起火灾事故的分析，排除水压不足等因素，现有的消防隔断未能起到应有的作用，是造成重大损失的关键。
因此，对火灾的报警系统是很重要的。
本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。
其中半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，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。
选用的AT89S52单片机，它具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中应用最广的产品，且其扩展电路很广泛。
以AT89S52单片机和半导体电阻式传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警等功能。
是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器，具有一定的实用价值。
关键词：
传感器；
AT89S52单片机；
模数转换器
ABSTRACTS
Inrecentyearsthenationalfireaccidenthappenedfrequently,causingthehuman,financial,materialgreatloss.Accordingtotheanalysisoftheaccidentfires,ruledoutfactorssuchastheinsufficientwaterpressure,theexistingfirepartitionfailedtoplayitsrole,iscausedheavylossofthekey.Therefore,thefirealarmsystemisveryimportant.
ThispaperstothesmokesensorandMCUresistivetechnologyasthecoreandwithotherelectronictechnologies,designakindoftechnicallevelisgoodsmokealarm.Amongthemsemiconductorcombustiblegassensitivecomponentssmokesensortomakethesmokedetection,hasahighsensitivity,fastresponse,anti-interferenceabilitystrongwaitforanadvantage,andthepriceislow,servicelifelong.TheselectionofAT89S52singlechip,ithashighspeed,lowpowerconsumption,superanti-interferenceetcadvantages,isthemostwidelyusedsimilartechnologyoftheproduct,andtheextendedcircuitisveryextensive.
ByAT89S52singlechipmicrocomputerandsemiconductorresistivesensorasthecoredesignofsmokealarmcanachievesoundandlightalarm,faultdiagnosis,concentration,thealarmlimitthatsetting,delayalarmfunctions.Isakindofsimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensiveandintelligentsmokealarm,hascertainpracticalvalue.
Keywords：
Sensor；
AT89S52SCD；
ADC
1绪论
1.1选题背景及意义
火灾是可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。
火，在给人类带来文明进步、光明和温暖的同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大的灾难。
据统计，我国70年代火灾平均损失不到2.5亿元，80年代火灾平均损失接近3.2亿元。
进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。
严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。
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，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的上网，为社会减少不必要的损失。
随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。
智能化火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。
伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展。
1.2火灾报警器现状及特点
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。
随着电子技术和计算机技术的迅速发展，火灾自动报警系统的结构形式越来越灵活多样，很难精确划分为几种固定的模式。
火灾自动报警技术趋向于智能化系统，这种系统可组合成任何形式的火灾自动报警网络形式，既可以是区域报警系统，也可以是集中报警系统或控制中心报警系统形式。
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。
火灾报警系统具有如下特点：
（1）系统采用了专用芯片的模拟量探测器，对温度和灰尘等影响实施自动补偿，对电干扰及线路分布参数的影响进行自动处理；
（2）系统采用主从式网络结构，解决了对不同工程的适应性，提高了运行的可靠性；
（3）以软件编程代替硬件组合，提高了消防联动的灵活性和可修改性；
（4）具有丰富的自诊断功能，为系统的维护级正常运行提供了有利条件。
1.3论文组织结构
本文采用气体传感器、温度传感器、AT89S52单片机以及LED显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。
是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。
本系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为处理器，主要完成以下工作：
（1）基于AT89S52的火灾报警检测设计方案。
（2）温度传感器AD590、传感器TGS202、A/D转换芯片ADC0809的选择以及与单片机的接口电路设计。
（3）LED数码管驱动芯片ICM7218与单片机的接口电路及其与数码管的硬件连接。
（4）设计主要软件程序模块，完成软件设计。
2火灾报警器系统总体设计
2.1系统总体功能概述
使用探测器件将火灾发生期间所产生的烟、温、光等信号以模拟量形式，连同外界相关的环境参数一起传送给报警器，报警器再根据获取的数据及内部存储的大量数据，利用火灾模型判据来判断火灾是否存在，这样的系统称为火灾自动报警系统。
本设计可以对外界温度进行实时采集和检测，当所测温度高于临界温度时自动报警。
本系统包含以下几个模块：
AT89S52单片机最小控制系统，以DS18B20数字传感器为核心的温度探测模块，A/D转换模块以及报警模块。
系统框图如图2-1所示。
图2-1系统原理及组成框图
2.2火灾报警系统的类型
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
由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。
感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判断报警的目的。
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
烟雾是早期火灾的重要特征之一。
在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。
感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。
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
物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。
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。
2.3火灾报警系统的原理
本论文中的火灾报警器以AT89S52单片机为控制核心，采用电阻式半导体传感器采集烟雾信息。
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，转化成较大的电压信号送入AT89S52单片机；
然后，在AT89S52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，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。
另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，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或接触不良时，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。
火灾报警器是重要的安全设备，一切重要的场所，如大型物资仓库、隧道、大型船舶、高层建筑都应该安装。
它还可以与自动灭火设备一起组成自动报警、自动灭火的“自动消防队”。
2.4火灾报警系统的功能
（1）自诊断故障报警功能
当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时，报警器发出警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，及时排除故障，保证安全。
（2）烟雾浓度显示
通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。
（3）烟雾报警功能
当烟雾浓度连续20秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。
因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。
（4）防止报警器误报功能
快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏，还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。
（5）看门狗自检单片机状态功能
调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。
（6）与上位机通讯功能
可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。
3火灾报警系统的硬件设计
3.1核心芯片的选型
3.1.1单片机的选型
在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。
它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作；
与此同时查询是否有键按下的请求。
在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况进行相应的处理。
并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。
根据多方面的比较，本设计选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制器。
AT89S52是一个低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片内含4kBytes（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，功能强大的计算机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。
AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。
根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。
片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。
可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。
不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。
根据本次设计的具体情况，采用双列直插DIP-40封装。
AT89S52的引脚图如图3-1所示：
图3-1DIP-40封装AT89S52引脚图
3.1.2传感器的选型
（1）集成温度传感器AD590应用电路如图3-2所示。
图3-2AD590应用电路
AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端传感器，电路如图所示。
由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，及1
A
∕K，，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10千欧的电阻R1和一个100欧的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC080。
通过调节可调电阻便可在输出端V
获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV∕K,温度0℃时输出为0，温度25℃时输出为2.982V。
这样便于A/D转换器采集数据。
AD590的应用电路如图3-2所示。
（2）气体传感器TGS-202检测电路如图3-3所示。
火灾中气体烟雾主要是CO
和CO，TGS202气体传感器能探测CO
，CO，甲烷，煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。
如上图所示，当TGS202探测到CO
或CO时，传感器的内阻变小，V
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，V
端获得适当的电压（设为3V）。
3.1.3数码管驱动芯片的选型
ICM7218是INTERSIL公司生产的一种性能价格比较高的通用8位LED数码管驱动电路,28脚双列封装,是一种多功能LED数码管驱动芯片,可与多种单片机接口使用。
ICM7218的输出可直接驱动LED显示器,不需外接驱动电路,工作电压为+5V,其构成的显示电路结构简单,使用方便。
同样由单片机向ICM7218写控制字及数据，编程部分像给外部RAM写数据一样简单。
当单片机写入模式控制字后，ICM7218以约定的方式接收显示数据并将数据写入静态显示RAM中。
数据接收结束，ICM7218在扫描控制电路的控制下，按设定的译码模式，以动态扫描显示方式向段显示驱动器和位控驱动器发出控制信号，直到下一个控制字写入前，不停地进行动态显示工作。
其引脚图和内部框图如图3-4所示。
3.2火灾报警系统的电路设计
3.2.1单片机外围接口电路
AT89S52单片机外围接口电路如图3-5所示，主要包括：
（1）晶振电路：
内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHZ~12MHZ之间（该设计选用6MHZ），外接两个谐振电容。
该电容的典型值为30pF,该设计选用33pF。
（2）复位电路：
单片机复位采用按键高电平复位，而单片机在平时则复位端为低电平0。
（3）直流电源
图3-5单片机外围接口电路
3.2.2信号采集及前置放大电路
传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。
本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。
由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销；
反之，如果采用反相放大，则一般需要利用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然会造成浪费。
常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。
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