基于单片机的防火报警器的设计及制作文档格式.docx
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3.4.2DS18B20的使用方法22
3.4.3DS18B20的使用中注意事项23
3.5气体采集模块设计23
3.5.1气体采集模块24
3.5.2MQ-2型烟雾传感器的工作原理26
3.5.3MQ-2型传感器的特性及主要技术指标27
3.6报警电路模块设计29
3.6.1蜂鸣器29
3.6.2按键报警30
3.7复位及时钟电路30
第4章系统软件设计32
4.1主程序设计及流程图32
4.2防火报警系统对软件设计的要求33
4.3数码管显示子程序33
4.4温度子程序35
4.5控制按键设计流程图37
第5章系统调试38
5.1调试的步骤38
5.2调试过程中遇到的问题及解决方法39
5.3调试结果39
致谢41
参考文献42
附录一原理图与PCB图43
附录二程序源代码45
附录三实物图55
第1章概述
1.1前言
无线火灾传感器硬件和软件平台的设计对于整个系统的开发与应用至关重要，作为整个系统的底层支持，其必然向微型化、高度集成化、网络化、节能化、智能化的方向发展，近几年，随着计算机成本下降和微处理器体积缩小，开发和构造火灾智能无线报警系统将有广阔的应用前景。
工程试验结果充分显示了技术的可行性和实现的有效性。
随着智能楼宇技术应用的迅速发展，商业市场对火灾报警器的需求不断增长，目前主要使用的是智能型总线制分布式计算机系统的火灾报警系统，虽然在系统安装方面比过去大大方便，但仍然不能满足现代需要，其安装成本约占设备成本的33%～70%。
而无线火灾报警系统能够满足目前要求，它具有安装容易、快捷、便宜、无需布线、对建筑物表面的最小破坏性、对功能变化的易适应性等特点。
有关资料统计表明：
凡是安装了火灾自动报警系统的场所，发生了火灾一股地说都能及早报警，不会酿成重大火灾。
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。
火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生。
据联合国“世界火灾统计中心（WFSC）2000统计资料”，全球每年大约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000至75000人。
其中，欧美地区发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平以及消防技术和设施有关;
相比较而言，亚洲地区发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。
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，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。
随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。
一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成极大的危害。
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，还直接危胁生命安全，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伤亡，为社会减少不必要的损失。
火灾自动报警系统（FAS）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。
火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体CO，人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了CO中毒，从而无力逃生，火灾自动报警系统可监测到CO浓度的变化，为人们提供CO浓度超标报警信息，通知人们及时疏散。
火灾自动报警系统可作为城市消防系统的单元，通过城市消防专用网与城市消防报警中心联网，及时将报警信息传递到消防报警中心，城市消防报警中心会自动查找到火灾发生的位置，并为消防队员制定消防路线图，以便消防队员可以迅速抵达火灾地点。
火灾自动报警系统能对火灾进行实时监测和准确报警，有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义，有着很大的经济效益和社会效。
1.1论文研究来源、目的和意义
1.1.1论文研究来源
随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。
为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。
保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。
为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。
因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾型防火报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。
1.1.2论文研究目的和意义
烟雾检测报警装置是能够检测环境中的烟雾浓度并具有报警功能的仪器。
该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。
烟雾报警器属于《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录》中第46项，它归类于物理化学计量器具。
《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）第10.3.2条明确规定:
“散发可燃烟雾、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置烟雾浓度检测报警装置”。
2003年12月，国家执行新的烟雾探测器标准（GB15322-2003）《可燃烟雾探测器》，2004年10月国家颁布《可燃烟雾检测报警器规程《JJG693-2004》，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。
目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。
如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警10%计算，烟雾检测报警器的需求量就达2000万台以上。
随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。
近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。
到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。
可见，烟雾报警器具有十分广阔的市场前景。
1.2防火报警器的国内外现状
防火报警器比较常用的是烟感型的，国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；
另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。
据有关统计，美国1996年~2002年烟雾传感器年均增长率为27%~30%。
随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。
1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。
我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。
但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。
近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。
检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。
若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示烟雾浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。
控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测烟雾的浓度。
探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。
当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。
此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。
1.3本论文主要工作
本篇论文是防火报警器的研制，主要基本部分和扩展部分：
（1）基本部分
（a）对系统进行整体规划和结构设计。
（b）以AT89S52单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。
系统硬件电路主要分为温度电路、键盘电路、烟雾A/D转换电路、声音报警电路、显示电路五个部分。
（c）系统的软件编制。
按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始化子程序、键盘处理子程序、数码管显示子程序、温度子程序、报警子程序、报警限值设置子程序。
在程序的编写过程中，加入了详细的文字注释，便于后期的改进与维护。
（d）硬件电路和软件的综合调试。
第2章系统总体设计方案
2.1防火报警器设计思路
防火报警器是能够检测环境中的烟雾浓度及温度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：
烟雾信号采集电路、测温电路、模数转换电路、单片机控制电路。
烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。
模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。
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，是否大于或等于某个预设值（也就是报警限），如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。
为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。
方便调节报警限，可以加入按键。
以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。
烟雾传感器及单片机是可燃烟雾防火报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是至关重要的。
烟雾传感器的选型在下一节详细介绍。
单片机作为硬件电路的核心，它的选型将在第三章详述。
2.2防火报警器整体设计方案
2.2.1防火报警器工作原理
本论文中的防火报警器以AT89S52单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息及DS18B20测温电路采集温度信息。
首先，烟雾传感器经过AD0832进行转换后，进入单片机，温度通过DS18B20进行采集，用数码管显示温度和烟雾浓度的级别，温度报警的上下限值可以通过三个按钮来设置，另外，还设置一个紧急呼叫按钮，可以通过按此按钮来紧急报警，也可以设置为无人状态，用烟雾和温度自动报警。
2.2.2防火报警器的结构
为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。
其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。
报警器系统结构框图如图2.1所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入等功能。
报警器采用巡检的工作方式，进行两级报警值设定，并发出不同的声信号。
系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。
单片机
时钟电路
复位电路
采集温度电路
采集烟雾电路
按键电路
数码管显示
图2.1防火报警器结构框图
2.3烟雾传感器的选型
烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。
传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。
由此可见，传感器的选型是非常重要的。
2.3.1烟雾传感器介绍
（1）烟雾传感器的分类
烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：
（a）利用物理化学性质的烟雾传感器：
如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。
（b）利用物理性质的烟雾传感器：
如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。
（c）利用电化学性质的烟雾传感器：
如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。
（2）烟雾传感器应满足的基本条件一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；
可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。
但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：
（a）能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；
（b）对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；
（c）对检测信号响应速度快，重复性好；
（d）长期工作稳定性好；
（e）使用寿命长；
（f）制造成本低，使用与维护方便。
（3）常见烟雾传感器简介
下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。
（a）半导体烟雾传感器
半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。
自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。
该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。
按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。
（b）固体电解质烟雾传感器
固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。
由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传感器。
但这种传感器制造成本高，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中有优势。
（c）接触燃烧式传感器
当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。
接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时将铂丝通电，保持300度~400度的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；
通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道烟雾的浓度。
（d）高分子烟雾传感器
利用高分子气敏材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。
高分子气敏材料在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。
高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。
高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。
（e）电化学传感器
电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。
烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。
它的优点是：
反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大约两年）。
它主要适用于毒性烟雾检测。
目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。
（f）热传导传感器
热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。
它的测量原理是：
将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。
温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。
（g）红外传感器
红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。
在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。
未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。
非扩散式红外探测器NDIR（non-dispersiveIR）是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。
不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。
由于非碳氢化合物易燃烟雾（如氢）不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。
（4）见烟雾传感器可检测烟雾种类
由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。
例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。
固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。
表1简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。
传感器种类
C0
CO2H2SNH3
HCN
HCI
COCI2
CI2NOX
SO2
O2
CH4
C3H2
H2
H2O
半导体气体传感器
○
固体电解质传感器
接触燃烧式传感器
◎
电化学式传感器
高分子电解质气体传感器
注：
○好◎不太好
表1各种烟雾传感器可检测的烟雾种类
2.3.2烟雾传感器的选定
烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。
使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。
阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。
虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。
中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。
当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。
因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。
一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。
半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。
半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）。
经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：
灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。
因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。
而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。
2.4温度传感器的选型
2.4.1温度传感器的介绍
监测温度和采集数据的传感器种类繁多。
从单一房间的温度监测到复杂的批次过程控制应用都依赖精准的温度获取。
电阻温度计（RTD），热电偶，积体电路温度计（ICTD）,热敏电阻，红外线传感器是用于以上目的的主要传感器类型。
RTD决定于材料电阻和温度的关系，它读数精确（一般小数点后2-3位），具有多种封装形式。
他们一般由镍，铜及其他金属制造，但是较早前，RTD是由铂制造的，很大程度上因为铂的电阻在较宽的温度区间里与温度成线性关系。
但是由于铂价格昂贵且当温度超过660度时不能适用,因为在这范围以外铂的惰性会失效导致读数不准。
RTD需要一个小功率激励源才能进行操作，且RTD应用性很强，在较大范围内它侦测温度非常准确漂移很小。
热电偶是由双金属导体制备，受热时产生的电压与温度成比例.同RTD一样，热电偶常用于工业设置里。
其种类丰富（B,J,K,R,T等），提供不同的温度敏感范围。
热电偶读数没有RTD那么精确，有时可能高达一度之差。
热电偶和RTD一样本身及其脆弱，使用时它通常附有一根耐用探针。
一般热电偶价格不贵，但若装了特殊外壳或装置，其价格将大大上升。
因为热电偶种类繁多测温范围很大，最高可达1800度，能用在高温条件下（但值得注意的是，高温使用一般需要特殊外壳、包装或绝热材料）。
ICTD是常见的通用温度传感器，其价格不贵，类似2线晶体管装置，工作电压在5-30V之间，由此产生的电流与温度成线性比例。
也和RTD一样，ICTD低噪音，但比RTD更易使用，因为其无需电阻测量电路。
ICTD的特点在于其简易，工业应用偏少，在-50~100度范围内温度测量较准确，例如在HVAC，制冷机和室内温度监控等应用上。
热敏电阻工作原理是由电阻调节获得不同温度。
这样看来热敏电阻和RTD的工作原理类似，差别在于前者使用2线互连，对温度更加敏感，但是一定程度上读数不准。
除此，电热调节器所用材料通常是陶瓷或聚合物（而RTD使用纯金属），这样使其具有价格上的优势。
热敏电阻适应于大容量的温度监测，范围在-40~200度，并且允许一定量的漂移的场合。
红外传感器代表了温度监测设备中最新前沿的仪器。
红外辐射通过监测物体的电磁辐射（也叫做热摄影或高温测量）来对其进行远程温度测定，红外监测对快速移动的物体或难以测得高温易变化的环境有很好的效果红外广泛应用在制造流程中，如对金属、玻璃、水泥、陶瓷半导体、塑料、纸品、织物及涂层的温度。
2.4.2温度传感器的选型
温度传感器的测量性能要求：
（a）测量范围（b）分辨力（c）准确度
在决定使用哪种测温器件时，需着重考虑的是价格、温度测量所需达到的精度、设备对环境的适
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