家庭火灾报警系统的设计文档格式.docx

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第1章前言

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，火灾给人类和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

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。

3火灾探测的原理

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。

火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类：

（1）感烟探测器。

一种是离子感烟探测器，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.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。

（3）光辐射探测器。

一种是红外光辐射探测器。

物质在燃烧时,由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后,就能向人们报警。

另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时,火光中的紫外光,使紫外光敏管的电极激发出离子,通过继电器等，就能打开开关电路报警。

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”。

4论文的主要内容

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、烟雾传感器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。

第2章火灾报警系统的工作原理

2.1系统的总体结构框图

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。

整体设计的框图如图2.1所示:

图2.1系统原理及组成框图

2.2系统控制核心AT89S52

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。

图2。

2DIP-40封装AT89S52引脚图

2。

1主要特性

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，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。

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：

2.2.2引脚及功能

VCC：

电源电压输入端

GND：

电源地

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入.P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位.在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时,P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流，这是由于内部上拉的缘故.在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收

P2口:

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故.P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1"

时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1"

后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入.作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故.P3口除了作为普通I/O口,还有第二功能：

P3。

0RXD串行输入口

1TXD串行输出口）

2/INT0外部中断0

P3.3/INT1外部中断1

4T0T0定时器的外部计数输入

P3.5T1T1定时器的外部计数输入

P3.6/WR外部数据存储器的写选通

7/RD外部数据存储器的读选通

I/O口作为输入口时有两种工作方式,即所谓的读端口与读引脚。

读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。

只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。

89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口.除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。

RST：

复位输入端，高电平有效。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

地址锁存允许/编程脉冲信号端。

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低位字节。

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，低电平有效.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信号将不出现。

EA/VPP：

外部程序存储器访问允许。

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET；

当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。

XTAL2：

片内振荡器反相放大器的输出端。

2.3外围芯片选择

3.1集成温度传感器AD590

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

3。

2气体传感器TGS-202

3TGS202检测电路

火灾中气体烟雾主要是CO₂和CO，TGS202气体传感器能探测CO₂，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CO₂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）。

电路图如图3。

3所示。

2.3.3数码管驱动芯片ICM7218

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。

4ICM7218引脚图及内部框图

第3章系统硬件电路设计

3.1单片机晶振和复位电路

AT89S52单片机外围接口电路如图3.1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。

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3.1单片机外围接口电

3.3信号处理电路

图3.6信号处理电路

对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性的要求。

在本报警器电路中，同样要对两类传感器的输出信号进行放大调理。

电路图如上图3.6所示，运算放大器接成电压放大电路.从传感器采集过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信号。

采样时，把相应的模拟电压信号从Vi端送进LM324A进行放大处理后,从Vo端输出送入A/D转换电路。

4A/D转换模块

经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触发器二分频后获得时钟。

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6MHZ，则ALE信号的频率为1MHZ，经二分频后为500KHZ，与ADC0809的典型值吻合.电路图如3.7所示。

图3.7A/D转换电路

3.5声音报警电路

由AT89S52的21脚实现声音报警控制。

当可燃性气体浓度或温度超过限定值时，将P2。

0置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。

其电路原理图如图3.8所示。

8声音报警电路图

6数码管显示电路

数据采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，就被传送到系统的显示模块，让人们更直接地观察到相关数据。

在本系统中，对LED进行的是动态扫描，除了给显示器提供段的输入之外，还要对显示器进行位控制.显示器的第一位显示所选择的通道号，而后三位则显示该通道传送进来的相应的数字量。

本系统显示用的4位七段数码管由数码管专用驱动芯片ICM7218A驱动,27、3、1、25、2、24、26脚分别接数码管的a、b、c、d、e、f、g，15、16、23、20脚为位选，分别控制4位数码管的亮灭，ID0～7为数据线，接单片机P0口,WRITE、MODE是写控制位和模式控制位，分别接单片机P3。

6、P2.6。

其电路图如图3。

9所示.

9数码管显示电路图

3.7状态指示灯及控制键电路

10状态指示灯电路

11控制按键连接示意图

状态指示灯及控制键电路如图3。

10、3。

11所示，单片机AT89S52的P2.2、P2。

3、P2。

4控制输出的状态指示灯。

绿灯亮表示正常状态，环境中没有火灾危险.黄灯亮表示传感器加热丝发生断线或者接触不良。

红灯亮表示环境中烟雾浓度、温度超过报警限值，提醒用户尽快采取相应措施。

控制键电路采用独立式按键设计。

4个按键分别接到片.P1.0、P1。

1、P1.2和RST，对于这种键各程序可以采用中断查询的方法，功能就是：

检测是否有键闭合,如有键闭合,则去除键抖动，判断键号并转入相应的键处理.4个键定义如下：

P2.1：

S1功能转换键，按此键则开始键盘控制。

P2。

5:

S2加,按此键则温度设定值加一度或烟雾浓度增加0。

01％。

6：

S3减,按此键则温度设定减少一度或烟雾浓度减少0.01％。

S4复位键，使系统复位

8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0.

第4章系统软件设计

4.1主程序流程图

主程序流程图如图4.1所示：

图4。

1主程序流程图

首先要给传感器预热三分钟，因为传感器需要预热一段时间才能正常采集烟雾和温度信息。

预热同时，对传感器加热丝故障检测,采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。

程序初始化结束后，系统进入监控状态.AT89S52单片机对传感器检测到的烟雾浓度和温度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将检测值与报警限设定值相比较,判断是否报警.同时送入显示器显示通道及相应的数字量。

主程序还包括状态指示灯及按键功能，中断子程序等,使报警器功能更加完善,给用户带来便利。

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

4.3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。

如果采用一般的平均值法，则干扰将“平均"

到计算结果上去,故平均值法不易消