基于单片机的火灾自动报警设计Word文档下载推荐.docx
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第1章绪论
1.1概述
智能火灾传报警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和现代家庭用火、用电量的增加，智能楼宇、家庭火灾发生的频率越来越高。
智能楼宇以及家庭对火灾报警器的需求不断增长，火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。
探讨现代智能楼宇、家庭火灾的特点及防火对策，对于预防火灾，减少火灾损失具有现实意义。
而智能型火灾自动报警器正好满足这点，同时他的安装也极为便利，有对建筑物表面具有最小破坏性、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。
1.2国内外的研究现状
纵观火灾报警器的发展历程，第一个火灾报警装置诞生于19世纪40年代的美国，从那以后火灾自动报警系统入驻了人们的视野[1]。
1890年，英国首个感温式火灾探测器研发成功，并用它来进行火灾的探测，这就意味着火灾自动报警系统的发展步入正轨[2]。
随着时间的推移，世界科技以惊人的速度发展，火灾监测技术也相应突飞猛进，各式各样的火灾探测器都陆续出现在人们的视野，并越来越完善。
同时，火灾自动报警系统也逐渐蓬勃发展起来，其发展过程可以总结为下面几个阶段:
第一阶段，从19世纪40年代至20世纪40年代，是火灾报警系统发展的初级阶段，刚开始的火灾报警器大部分选用的探测器是感温式探测器，它工作的过程是先采集温度信号，再判断是否超出设定的阂值，用此来判断火灾是否会发生。
这一阶段的火灾报警系统比较简单，通过单一的温度参量进行火灾判断。
它最大的缺点就是很容易受到环境中其他干扰源的影响，而且灵敏度低，响应速度慢，无法判断阴燃火灾，也无法达到火灾报警系统智能化的要求。
第二阶段，20世纪40年代末，自从瑞士物理学家EmstMeili研究的离子感烟探测器问世以来，离子感烟探测器逐渐受到人们的重视，感烟探测器也因此迅速发展并应用广泛，慢慢地成了市场中的主角，令感温式探测器不得不渐渐退出市场；
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，并以惊人的速度发展，它有着耐用、抗干扰能力强和没有离子感烟探测器的放射性问题等众多优点。
在这个阶段，火灾报警系统大多采取多线制布局方式，而布线、调试、系统可靠性成了限制系统发展的瓶颈。
第三阶段，20世纪80年代初期，总线型火灾报警系统首次兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了广泛的应用。
它令布线工作量减少很多，安装调试愈加简单，精确度更高。
然而这一时期的火灾报警系统的智能化水平很低，采用有线连接对工程要求高。
第四阶段，20世纪80年代中后期以后，计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术和智能技术得到快速发展，火灾自动报警系统也因此步入智能化时代，各式各样智能型的火灾自动报警系统逐渐问世。
模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性大幅度提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义[3]。
在我国，火灾报警器行业起步较为晚，到现在为止大部分火灾报警器主要分布在一些智能楼宇，政府部门、医院等一些重要的场所。
随着时代和社会的需要，对火灾报警器的需求将不仅满足上述的一些场合。
根据火灾自动报警器具有安装简便、对建筑物无损坏作用、价格低廉、灵活性高，容易扩展等众多优点，它将会出现在更多的场合，包括居民使用的家庭小型化报警器。
而这种基于单片机的自动火灾报警器设计的系统将会满足这样的趋势[4]。
1.3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，几乎每天都可以看到大小不一的火灾发生。
根据联合国“世界火灾统计中心（WFSC）2000统计资料”显示，全球每年大约有600万至700万次火灾发生，全球每年因火灾死亡的人数大概有65000至75000人。
其中，火灾发生较多的是欧美地区，但因此死亡的人却很少，这和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，然而因此遇难的人却较多，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[5]。
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逐步加大，它不但威胁物质财产，使社会动荡不安，而且直接危胁到人们的生命安全，对人们的心灵造成了阴影。
残酷的现实让人们慢慢意识到监测火灾与消防工作的重要性，完善的监控系统和及时的报警机制可以大幅度减少人员的伤亡[6]。
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预兆，能够把生命财产损失降到最低。
火灾开始发生时，燃烧物质分解，产生大量的CO，人们可能在不知情的情况下就发生了CO中毒，因此遇难。
火灾自动报警系统可以监测到CO浓度的变化，提醒人们CO浓度超标，通知人们及时疏散[7]。
火灾自动报警系统作为城市消防系统的基本单元，通过城市消防专用网和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，并为消防员制定消防路线图，从而使消防员可以方便、迅速地抵达火灾现场[8]。
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益。
第２章火灾报警系统整体方案设计
2.1火灾产生原理及设计思路
根据火灾发生时产生现象的不同，可以将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发展火焰等。
阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，当条件发生变化时，不是自行熄灭，就是转化为明火。
而明火就是火灾发生时，燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红、紫外线的火焰。
快速发展火焰则是火灾扩散的速度非常快，此种火灾一般是空气中混有大量可燃气体[10]。
一般来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：
首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足的条件下才能达到全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并使周围环境变热，使温度升高。
如果产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，此时传感器就应该从此阶段开始进行探测，那么就可以将火灾产生的损失控制在最小限度。
火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境温度升高，如果能在这时能够探测到有效地温度值，就可以比较及时地控制火灾[11]。
2.2火灾报警系统的类型及原理
火灾报警系统的总类：
（1）感温式火灾报警系统：
因为火灾发生时会放出大量的热量，使周围温度迅速变化。
感温式火灾报警系统就是通过监测周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，然后把温度的变化转换为电信号，从而达到判定报警的目的。
（2）感烟式火灾报警系统：
在火灾起初发生时，因为温度很低，大多物质都还处于阴燃阶段，所以会产生大量的烟雾。
感烟式火灾报警系统就是通过监测空气中可见和不可见的烟雾粒子，再把烟雾浓度的变化转换为电信号，以达到判断报警的目的。
（3）感光式火灾报警系统：
物质燃烧时不会放出烟雾与热量，还会产生可见或不可见的光辐射。
感光式火灾报警系统就是通过监测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。
（4）复合式火灾报警系统：
当报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或多种参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。
2.3系统总体方案设计
2.3.1系统总体功能设计
本文设计的火灾自动报警器具有以下功能:
（1）异常报警功能：
当环境出现异常（如烟雾浓度过大或温度较高）时，能发出异常报警信号，引起人们注意，这样可以尽可能的避免火灾的发生。
（2）火灾报警功能：
一旦真正发生火灾（也就是说烟雾浓度和温度同时出现异常）时，能立即报警。
（3）误报解除功能：
在蜂鸣器处设置手动按钮开关，当出现误报或人为干扰产生警报时可以进行手动解除。
（4）数据显示功能：
在实时环境中通过传感器对现场温度和烟雾浓度进行监控，并将记录的数据显示在液晶显示屏上，以方便预防火灾。
2.3.2系统硬件组成
火灾报警系统由探测器、报警器、显示部分组成。
探测器由烟雾传感器和温度传感器组成，他们能分别识别火灾现场产生的物理、化学产物并将这些数据传输至系统控制中心——单片机；
报警器是由蜂鸣器和LED灯构成的简易的声光报警装置。
本文选用的是Atmel公司的AT89S52单片机，它具有体积小、速度快、通信功能强等特点。
报警器设计所选用的温度传感器是DS18B20，他是单线程的数字式的，具有体积小、精确度高、单线程的优点。
烟雾传感器选用MQ-2，MQ-2在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，寿命长、成本低、驱动电路简单，对CO、液化气、丙烷、氢气的灵敏度高等优点。
考虑到MQ-2设计电路时其输出为电压的模拟信号，因此需要外加一个模数转换器ADC0809，它的功能主要是将模拟信号转换成数字信号输出。
便于单片机进行处理。
显示部分采用LCD1602液晶显示屏显示。
整体设计框图如图2.1所示。
图2.1系统设计整体框图
2.3.3系统软件的设计
系统软件设计所使用的语言是单片机C语言，也称为C51，C51编程具有可读性强、通俗易懂、容易修改等特点。
在系统中我们将各个程序模块化，必要时再调用程序，方便理解和对软件结构的认识。
本系统分为LCD显示模块子函数、DS18B20模块子函数、AD模块子函数三大模块子函数。
这三大模块分别是对他们相所对应的硬件电路进行初始化，整体作用都在主体函数中得到体现。
2.4软、硬联调方案的实现
在硬件电路设计完成以及相应的软件设计成功后，要对系统做一个检测和验证系统的可行性的分析。
为了节约成本，在软件上本文设计应用了KeiluVision4集成开发软件进行编译开发。
它具有编译速度快、生成代码紧凑的特点，并将程序的编辑、编译、连接、调试和仿真基于一体，使用方便。
在硬件上，我们使用Proteus7.5进行仿真并实现硬件与软件的联调，联调的方法即将Keil生成的.hex文件烧录至Proteus中的单片机中，点击运行，这样便可实现软、硬联调和仿真，通过现象分析系统的不足和软件的不完善之处，再做分析讨论和修改。
第3章火灾报警系统硬件设计
3.1系统芯片选型及连线方式
要准确地进行火灾报警，选择合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提。
综合考虑各因素，本文选择集成温度传感器DS18B20和烟雾传感器MQ-2用作采集信号的敏感元件。
核心芯片则采用AT89S52作为中央处理器，模数转换芯片采用ADC0809，显示部分采用LCD1602，下面做进一步介绍。
3.1.1DS18B20温度传感器
温度传感器的种类众多，但当对精度和可靠性的要求较高场时，DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器是最好的选择，体积小巧，硬件开消小、精度高、抗干扰性强等众多优点，使得DS18B20更受欢迎。
引脚及接线图如图3.1所示。
DS18B20主要特性：
全数字温度转换及输出；
高端的单总线数据通信；
最高12位分辨率，精度可达±
0.5摄氏度；
内置EEPROM，限温报警功能。
DS18B20有三个引脚，其中DQ接单片机的P2.3口，其引脚功能描述如表3-1。
图3.1DS18B20引脚及接线图
表3-1DS18B20引脚功能描述
序号
名称
功能描述
1
GND
接地端
2
DQ
数据输入/输出引脚，开漏单总线，当工作在寄生电源供电时，也可向器件提供充电电流
3
VCC
电源端，当工作在寄生电源供电方式时，此引脚必须接地
3.1.2MQ-2烟雾传感器
火灾中气体烟雾主要是二氧化碳和CO。
MQ-2烟雾传感器使用电导率较低的二氧化锡作为气敏材料，当传感器所处环境中有可燃气体存在时，传感器的电导率会随可燃气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-2烟雾传感器对多种可燃气体的灵敏度都很高，可以检测多种可燃性气体，是一款多用、便宜的传感器。
图3.2MQ-2应用电路图
3.1.3ADC0809模数转换芯片
A／D转换器的主要性能参数有：
（1）分辨率：
指A／D转换器对输入信号的分辨能力。
（2）转换时间：
指A／D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。
不同类型的转换器转换速度相差甚远。
（3）转换误差：
指A／D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示。
（4）线性度：
指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。
本文选用的是8位通用A/D芯片就是ADC0809。
A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，ADC0809由8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成，他的引脚功能如下：
D7-D0：
8位数字量输出引脚。
IN0-IN7：
8位模拟量输入引脚。
VCC：
+5V工作电压。
GND：
地。
REF（+）：
参考电压正端。
REF（-）：
参考电压负端。
START：
A/D转换启动信号输入端。
ALE：
地址锁存允许信号输入端。
EOC：
转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
OE：
输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
CLK：
时钟信号输入端（一般为500KHz）。
芯片引脚图如图3-3所示
图3.3ADC0809引脚
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
在设计中烟雾的输出端经过放大电路后接到ADC0809的IN0端（见图3.2），数据输出端接在单片机的P0口，温度传感器直接接到单片机的P23I/O口（见图3.1）。
由于本设计中数模转换芯片使用的是ADC0809，其工作的时钟信号为500KHz，因其内部没有时钟电路，时钟信号由外部AT89S52的P32端口提供见图3.4。
图3.4ADC0809模数转换接线图
3.1.4单片机AT89S52芯片
AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），可以兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89S52单片机可广泛应用于各种各样的控制领域。
AT89S52引脚图以及与各器件的接线如图3.5所示。
图3.5AT89S52单片机引脚及与外围设备的连线图
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
VCC（40脚）：
接+5V电源端；
VSS（20脚）：
接地。
（2）外接晶振引脚X1和X2
X1（19脚）：
接外部石英晶体的一端。
X2（18脚）：
接外部晶体的另一端。
（3）控制信号和其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。
（A）RST/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。
（B）ALE/P（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
（C）PSEN（29脚）:
片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。
（D）EA/Vpp（31脚）：
EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。
（4）AT89S52除了32个I/O口的P0、P1、P2外，其中P3口（10脚～17脚）：
P3.0～P3.7为双功能口，它不仅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3-2。
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。
表3-2单片机P3.0管脚含义
引脚
第2功能
P3.0
RXD（串行口输入端0）
P3.1
TXD（串行口输出端）
P3.2
INT0（部中断0请求输入端，低电平有效）
P3.3
INT1（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数脉冲端）
P
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