基于单片机的火灾自动报警系统Word文档下载推荐.docx

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传感器

Abstract

Automaticfirealarmsystemcanmonitorandaccuratefirealarm,withpreventingandreducingfiredamage,protectthepersonalsafetyandpropertyoftheimportanceofsafetysignificance,hasgreateconomicbenefitsandsocialbenefits.

Thisdesignbasedonthesinglechipcomputer8051,integratedvoicechipISD1420chipsareintroduced,A/Dconverter,integratedtemperaturesensorAD590toandgassensorTGS202,usemulti-sensorinformationfusiontechnology,completevoicealarmpractical,reliablesinglechipmicrocomputerautomaticalarmsystemvoice,theemphasisontheformofthesystemandtheworkingprinciples.

Thissystemcanautomaticallytoaccomplishtothepointswhichareacutetotemperature.Itcanalsosendoutalarmwhenafirehasbrokeout.Thesystemcanbeinstalledinallfireunits,whichisresponsibleforcontinuouslymonitoringthesitetostarttheinspectionsignal,monitorthesiteoftemperature,concentration,andcontinuousfeedbacktothealarmcontroller,thecontrollerwillreceivethesignalandthenormalmemorysettingvaluewasdeterminedbycomparingtodeterminethefire.Whenfireoccurs,canachievesoundandlightalarm,concentrationdisplay,alarmlimitsettingsanddelayalarmisasimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensive,intelligentsmokesensor,hassomepracticalvalue.

Keywords:

Automaticalarm;

MCU;

Transducer

目录

1绪论1

1.1国内外的研究现状1

1.2课题研究的背景和意义2

1.3主要内容和要求3

2火灾报警系统整体方案设计4

2.1系统总体功能概述4

2.2系统硬件总体构架4

2.3系统软件总体构架5

3火灾报警系统硬件设计7

3.1系统核心芯片选择7

3.1.1传感器7

3.1.2ISD1420语音芯片8

3.1.380C51芯片9

3.1.4数码管驱动芯片11

3.2单片机外围接口电路12

3.2.1晶振电路12

3.2.2复位电路12

3.3数据采集和信号处理电路13

3.4模数转换电路14

3.5报警电路16

3.5.1语音报警电路16

3.5.2光报警电路17

3.6数码管显示电路17

3.7火灾报警温度门限设置电路18

4火灾报警系统软件设计19

4.1主程序流程19

4.2主程序初始化流程20

4.3数据采集流程20

4.4火灾判断与报警21

5仿真与调试23

6结论25

致谢27

附录I

附录Ⅰ电路原理图I

附录Ⅱ仿真程序II

1绪论

1.1国内外的研究现状

现代火灾自动报警系统已有百余年的发展历史，19世纪40年代美国诞生的火灾报警装置标志着火灾自动报警系统首次进入人们的视野。

1890年在英国，感温式火灾探测器研制成功并应用于火灾探测系统，标志着火灾自动报警系统的发展走上正轨。

此后，随着世界科技取得了突飞猛进的进步和各种新兴技术的出现和发展，火灾监测技术也相应迅速发展，各种类型的火灾探测器相继问世，并日臻完善，火灾自动报警系统也在此基础上逐渐地蓬勃发展起来，其发展过程可以分为以下几个阶段:

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著减少，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。

在我国，采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。

火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面，一般分为分散式、集中式和分布式。

分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断；

集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；

分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向。

1.2课题研究的背景和意义

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。

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。

1.3主要内容和要求

本设计以80C51单片机作为核心控制电路的火灾智能语音报警系统，通过传感器检测出火灾发生阶段所产生的烟雾、温度信号并且连同外界相关的环境参数一起传送到显示屏以及信号处理系统，允许前置电路对信号进行放大、滤波、电平调整信号的要求。

当检测的信号值大于内部存储的设定的火灾发生上限值时，发出指令，实现语音报警，达到预期效果，提醒工作人员救灾。

为了提高系统的准确性，本设计采用两次采集和判断。

当两次采集的数据大于设定的门限时，红色指示灯亮，系统发出火灾报警语音信号；

当两次采集的数据小于设定的门限时，系统不发出火灾报警语音信号，此时没有火灾发生，且绿色指示灯亮，说明外部环境正常；

当两次采集的数据一个大于设定门限，一个小于设定门限，系统发出报警，同时黄色指示灯亮。

检测人员通过观察显示屏的数据，能够判断当前环境的情况，能够更好地提前预防火灾发生以及采取有效的防御措施，避免不必要的意外损害、人员伤亡和财产损失。

当检测人员发现显示屏的数据超过火灾发生的上限值时，检测人员能够按动报警按钮，开始报警提醒人们火灾的发生以及救灾人员的救援。

当系统自动检测到的温度和烟雾浓度达到火灾的上限值时，系统发出报警指令，控制报警器实现语音报警功能。

当检测人员发现显示屏的数据超过火灾发生的上限值时，检测人员也能够按动报警按钮，使报警器能够有效的正常工作。

为了完成本次设计，本人经多方面查阅资料。

在设计过程中，综合自己所掌握的专业知识，整个系统基本实现了预期的目标。

本报警器电路结构简单、可维护性好。

由于实现了对普通环境中烟雾浓度和温度的实时监控，因此具有非常普遍的意义。

2火灾报警系统整体方案设计

2.1系统总体功能概述

火灾报警系统一般由火灾探测器、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。

报警器将接收到火警信号后经分析处理发出报警信号，警示消防控制中心的值班人员。

整体电路的框图如图2-1所示。

图2-1系统原理及组成框图

2.2系统硬件总体构架

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2-2为火灾报警硬件系统的结构框图。

图2-2硬件系统结构框图

单片机是整个报警系统的核心。

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,然后由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，最后单片机判断现场是否发生火灾。

如果发生火灾，系统以语音、光的形式报警。

本文设计的单片机火灾报警系统适用于小型防火单位，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，能立即发出语音、光警报。

2.3系统软件总体构架

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2-3所示。

图2-3程序流程图

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。

3火灾报警系统硬件设计

3.1系统核心芯片选择

本次设计主要用到单片机、传感器、语音芯片、数码管及数码管驱动芯片。

3.1.1传感器

本设计中的传感器主要有温度传感器和气体传感器。

为了能准确地进行火灾报警，需要选择合适的温度和烟雾传感器。

综合考虑各因素，本文选择集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。

（1）AD590温度传感器

AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端温度传感器。

由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，即1μA/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10kΩ的电阻R26和一个100Ω的可调电阻R27,将电流量变为电压量送入ADC0809。

通过调节可调电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV/K。

AD590的引脚和应用电路如图3-1所示。

图3-1AD590引脚图和应用电路图

AD590有以下特点：

1AD590的测温范围-55℃～+150℃。

②AD590的电源电压范围为4V-30V。

电源电压可在4V-6V范围变化，电流

变化1uA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受24V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。

③输出电阻为710MΩ；

④精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线形误差±

0.3℃。

⑤电阻采用激光修刻工艺，使在+25℃（298.2K）时，器件输出2.982A。

（2）TGS202气体传感器

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,他灵敏度高,稳定性好,适合于火灾中气体的探测。

如图3-2所示,当TGS202探测到CO2或CO时,传感器的内阻变小,VA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,VA端获得适当的电压（设为3V）。

烟雾传感器输出电压V与烟雾浓度P关系为：

V=-0.3P+5.6。

图3-2TGS202应用电路图

3.1.2ISD1420语音芯片

（1）ISD1420各引脚及其功能

电源（VCCA，VCCD）：

芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并且分别引到外封装上，这样可使噪声最小。

模拟和数字电源端最好分别走线，尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容应尽量靠近芯片。

地线（VSSA，VSSD）：

芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线，这两个脚最好在引脚焊盘上相连。

录音（

）：

低电平有效。

只要REC变低（不管芯片处在节电状态还是正在放音），芯片即开始录音。

边沿触发放音（

此端出现下降沿时，芯片开始放音。

电平触发放音（

图3-3ISD1420引脚

录音指示（

处于录音状态时，此端为低,可驱动LED。

话筒参考（MICREF）：

此端是前置放大器的反向输入。

当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，提高共模抑制比。

自动增益控制（AGC）：

AGC动态调节器整前置境益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量（从耳语到喧哗嚣声）时失真都能保持最小。

模拟输出（ANAOUT）：

前置放大器输出.前置电压增益取决于AGC端的电平。

模拟输入（ANAIN）：

此端即芯片录音的输入信号。

对话筒输入来说，ANAOUT端应通过外接电容连至本端。

喇叭输出（SP+、SP-）：

这对输出端能驱动16Ω以上的喇叭。

单端使用时必须在输出端和喇叭间接耦合电容,而双端输出既不用电容又能将功率提高4倍。

录音时,它们都呈高阻态;

节电模式下,它们保持为低电平。

外部时钟（XCLK）：

此端内部有下拉元件，不用时应接地。

输入时钟的占空比无关紧要，因为内部首先进行了分频。

地址（A0-A7）：

地址端有两个作用，取决于最高两位A7、A6的状态。

（2）语音段的寻址

语音芯片与单片机的连接，常通过串行口来实现，串行口也可以通过辅助电路分时多用。

定义好串行口的工作方式（串行口控制寄存器SCON字节地址为98H，可位寻址），当由按键输入或其它需要语音输出，串行口向CPU申请中断，响应中断后，CPU便可从串行数据中识别出语音段编号，输出语音信号。

发送结束，中断由软件清零。

3.1.380C51芯片

下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。

（1）电源引脚VCC和VSS

①VCC（40脚）：

接+5V电源正端；

②VSS（20脚）：

接+5V电源正端。

（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

①XTAL1（19脚）：

接外部石英晶体的一端。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采图3-480C51芯片的引图

用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；

对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

②XTAL2（18脚）：

接外部晶体的另一端。

在单片机内部，接至片内振荡反相放大器的输出端。

当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。

（3）控制信号或与其它电源复用引脚

控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和

/VPP等4种形式。

①RST/VPD（9脚）：

RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。

当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。

当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。

②ALE（30脚）：

当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低8位地址。

③PSEN（29脚）:

片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。

当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。

当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。

④

/VPP（31脚）：

为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。

当

端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS—52子系列为8KB）。

若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。

端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。

对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源VPP。

（4）输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口

①P0口（39脚-22脚）：

P0.0-P0.7统称为P0口。

当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。

当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。

它分时提供8位双向数据总线。

对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。

②P1口（1脚-8脚）：

P1.0-P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。

对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：

P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；

P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。

③P2口（21脚-28脚）：

P2.0-P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。

当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。

对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。

④P3口（10脚-17脚）：

P3.0-P3.7统称为P3口。

它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。

P3口的第2功能见表3-1。

表3-1P3管脚含义

引脚

第2功能

P3.0

RXD（串行口输入端）

P3.1

TXD（串行口输出端）

P3.2

（中断0请求输入端，低电平有效）

P3.3

（中断1请求输入端，低电平有效）

P3.4

T0（时器/计数器0计数脉冲端）

P3.5

T1（时器/计数器1计数脉冲端）

P3.6

（部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）

P3.7

（部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）

综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：

（1）单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能。

（2）单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；

由P0口分时复用作为数据总线。

3.1.4数码管驱动芯片

ICM7218是INTERSIL公司生产的一种性能价格比较高的通用8位L