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烟雾检测火灾自动报警系统设计
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。
以前，火灾的报警和控制都很落后，造成了巨大的损失。
现在，用户对火灾报警以至自动消防系统的要求越来越高,对火灾预防的意识也越来越强烈。
因此，对火灾的报警系统是很重要的。
在硬件设计方面，本论文选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，DS18B20温度传感器实现温度检测，A/D转换器实现模拟信号转换成数字信号，外加声光报警电路。
外围设备，结合单片机AD89C52芯片控制电路，实现报警提示。
软件方面，设计了烟雾检测以及温度检测的数据采集子程序，声光报警模块程序等。
以AT89C52单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器及数字式温度传感器为核心设计的火灾报警器可实现声光报障自诊断、报警限设置、延时报警及等功能。
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：
报警器烟雾传感器温度传感器
1.绪论
1.1课题研究的目的和意义
火灾自动报警系统是由触发装置、火灾报警装置、火灾警报装置以及具有其它辅助功能装置组成的，它具有能在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量、火焰等物理量，通过火灾传感器器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时显示出火灾发生的部位、时间等，使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少因火灾造成的生命和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。
有关资料统计表明：
凡是安装了火灾自动报警系统的场所，发生了火灾一般地说都能及早报警，不会酿成重大火灾。
现代生活节奏的加快，建筑物又趋向集中化，火灾报警系统就显得格外重要。
在现代城市家庭里，许多人因为不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭转眼间毁于一旦，有的导致家破人亡，而且一旦发生居民家庭火灾，处置不当，抢救不及时，是造成人员伤亡的重要因素。
此时如果有了火灾自动报警系统，能够及时通知消防及居民，就有多余的时间来逃生以及能够及时处理火灾。
作为安防系统中楼宇智能化的重要组成部分，火灾报警系统是预防火灾的一项基础实施。
但火灾的发生却又是不确定的因素，那么智能火灾报警系统在防止和减少火灾危害、保护人身和财产安全方面的重要作用就不断显现出来了。
智能火灾自动报警控制系统具有如下特点：
1.为全面有效地反映被监视环境的各种细微变化，智能系统采用了设有专用芯片的模拟量传感器，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，从而为实现各种智能特性、解决无灾误报和准确报警奠定了技术基础；
2.系统采用主从式网络结构，解决了对不同工程的适应性，又提高了运行的可靠性；
3.利用全总线计算机通信技术，既完成了总线报警，又实现了总线联动控制，彻底避免了控制输出与执行机构之间的长距离穿线布管，大大方便了系统布线设计和现场施工；
4.系统采用大容量的控制矩阵和交叉查寻软件包，以软件编程代替了硬件组合，提高了消防联动的灵活性和可修改性；
5.具有丰富的自诊断功能，为系统维护及正常运行提供了有利条件。
在如今社会快速的发展中，智能火灾报警系统的应用范围不断的扩大，因为火灾对人类的危害性很大，所以智能报警系统对消防机构及时扑灭火灾、减少人员伤亡和财产损失具有十分重要的现实意义。
1.2设计要求
技术指标要求：
1.当室内温度高于50℃或烟雾浓度大于20%LED时进行报警（声光报警）。
2.如果出现硬件故障（如传感器遗落、内部元器件损坏等），能发出故障报警。
3.如果只有一种参数出现异常（如烟雾浓度过大或是温度较高），能发出异常报警信号，令值班人员到现场处理。
4.如果烟雾和温度同时出现异常，则说明有火灾，发出火灾警报，并及时将火灾信息上报消防指挥中心。
工作电压：
220伏或110伏
环境温度：
零下10度到零上45度
静态电流：
小于15毫安
检测烟雾的浓度：
0.05%
检测温度范围：
0-100℃（±0.5℃）完成方案设计及论证、硬件设计、软件设计。
2.火灾报警器系统总体设计
2.1系统组成
一个完整的火灾报警器系统，必须包含以下几个部分：
系统控制模块，火灾探测模块，数据转换模块以及报警模块。
本设计以单片机作为系统的控制核心，以传感器作为其测温装置，来实现火灾报警系统的设计。
改设计可以对室内外温度进行以及烟雾实时采集和检测，当所测温度或者烟雾高于临界温度时自动报警。
温度信号或者烟雾浓度信号采集电路将温度信号或者烟雾浓度信号以数字信号的形式送入单片机。
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，即报警临界温度或者烟雾浓度。
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。
2.2系统控制方案设计
火灾报警系统主要实现对火灾现场的测试工作，从而启动火灾报警系统。
其主要由烟雾传感数据采集程序、温度传感数据采集程序、声光报警程序等三个部分组成。
其中，烟雾传感数据采集程序完成对烟雾浓度的采集并进行数据转换；温度采集程序显示对现场的温度进行采集；报警程序设置报警的下限，当外界指标超出限制时，将进行声光报警。
其系统控制方案的设计原理图如下：
图2-1智能火灾报警系统结构原理框图
2.3系统总体方案设计
2.3.1系统控制器的选择：
对于系统控制器的选型，要求控制器的功能强大，可靠性高，性价比高，精度和响应速度高。
基于上述要求，本设计选用单片机作为其控制系统。
单片机的特点：
（1）高集成度，体积小，高可靠性
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。
芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。
单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。
（2）控制功能强
为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:
分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。
（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品
为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。
（4）易扩展
片内具有计算机正常运行所必需的部件。
芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
（5）优异的性能价格比
2.3.2检测元件的选择：
1根据系统的设计要求及控制结构图，需要检测火灾现场的温度。
对于温度传感器的选型，要求传感器的测温精度高、响应速度快、抗干扰力好、可靠性高。
基于上述要求，本设计选用DS18B20传感器最为系统采集温度信号用的传感器。
DS18B20单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：
（1）采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
（2）测量温度范围宽，测量精度高。
DS18B20的测量范围为-55℃-125℃；在-10-85℃范围内，精度为±0.5℃。
（3）在使用中不需要任何外围元器件即可实现测温。
（4）多点组网功能。
多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
（5）供电方式灵活。
DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。
因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。
（6）测量参数可配置。
DS18B20的测量分辨率可通过程序设定9-12位。
（7）负压特性。
电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
（8）掉电保护功能。
DS18B20内部含有EEPROM，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。
DS18B20具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此也就被设计者们所青睐。
2根据系统的设计要求及控制结构图，需要检测火灾现场的烟雾浓度。
对于烟雾传感器的选型，要求传感器的基于灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。
上述要求本设计选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器作为系统采集烟雾信号用的传感器。
MQ-2型半导体可燃气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。
当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中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半导体可燃气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。
这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。
（1）在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度
（2）对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高
（3）长寿命、低成本
（4）简单的驱动电路即可
（5）家庭用气体泄漏报警器
（6）工业用可燃气体报警器
（7）便携式气体检测器
可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。
灵敏度调整：
MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。
2.3.3输入通道方案选择
根据设计方案，需将外界测得的温度和烟雾等模拟量输入转化成数字量。
本设计采用了A/D转换器，可以将多路模拟量进行转化，因而省略了多路开关。
A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位，10位，12位，16位等。
位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。
而就其结构而言，有单一的A/D转换器，有内含多路开关的A/D转换器。
根据设计需要，确定转换器的位数为8位。
2.3.4外围设备的选择
1.显示器的选择。
根据本文的系统要求选择LED作为显示装置。
LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。
LED晶片的一端附着在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。
它具有以下特点：
1）体积小
LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。
2）耗电量低
LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近100%。
一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，比传统光源节能80%以上。
3）使用寿命长
有人称LED光源为长寿灯。
它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。
4）高亮度、低热量
LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。
5）环保
LED是由无毒的材料做成，同时LED也可以回收再利用。
光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源
6）坚固耐用
LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。
灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。
7）多变幻
LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。
它的缺点：
当前价格还太高，光通量低，当前同等照度设计的LED光源价格大约相当于传统光源的4倍。
2.键盘的选择
可以做键盘的有：
独立式按键，矩阵式按键，独立式键盘主要用于按键较少的场合，矩阵式键盘主要用于按键较多的场合，也称行列式键盘。
由于只需要一个键控制复位装置，所以选择独立式键盘。
3.报警电路的设计
报警电路是由一个三极管、一个74ALS08芯片和蜂鸣器组成。
当温度值在设定的范围时，单片机AT89C52不发出动作命令，当超出温度设定值值，单片机发出动作命令，使三极管导通从而发出蜂鸣声进行报警来提醒操作人员实施相应的补救措施。
3.系统硬件设计
3.1控制单元电路设计
根据系统总体方案设计，本设计选用AT89C52单片机。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
3.2信号检测电路设计
3.2.1烟雾报警器模块
此模块使用的是MQ-2烟雾报警器，是半导体型可燃气体敏感元件烟雾传感器。
传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。
当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中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。
1.MQ-2的使用规格：
表3-1标准工作条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Vc
回路电压
≤15V
ACorDC
VH
加热电压
5.0V±0.2V
ACorDC
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
31Ω±3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mW
表3-2环境条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Tao
使用温度
-10℃-50℃
Tas
储存温度
-20℃-70℃
RH
相对湿度
小于 95%RH
O2
氧气浓度
21%（标准条件）
氧气浓度会影响灵敏度特性
最小值大于２％
表3-3灵敏度特性
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体表面电阻
3KΩ-30KΩ
（1000ppm异丁烷）
探测浓度范围
100ppm-10000ppm
300ppm-5000ppm丁烷
5000ppm-20000ppm甲烷
300ppm-5000ppm氢气
α（3000/1000）
异丁烷
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度：
20℃±2℃Vc:
5.0V±0.1V
相对湿度：
65%±5%Vh:
5.0V±0.1V
预热时间
不超过1小时
3.2.2温度报警器模块
此模块采用的是DS18B20数字温度传感器。
1.DS18B20单线数字温度计
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
（5）温度范围-55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度±0.5℃。
（6）可编程分辨率为9～12位，对应的可分辨温度为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
（8）测量结果直接输出数字信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
（9）负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
3.2.3光报警模块
此类报警根据单片机所给电压，确定LED灯中的电流流向，以驱动灯发光。
连接电路如图3-1所示：
图中当单片机为低电平时，小灯是亮的；高电平时，小灯灭。
图3-1光报警图
3.2.4声报警模块
其电路连接图如图3-2所示：
图3-2声报警图
4.系统软件设计
4.1总体设计思想
硬件电路和软件程序是组成一个系统不可缺少的两部分，二者的正确与否将直接影响整个程序的可实现性。
本次设计的软件要实现的功能是：
当传感器在有火灾信息时，采集信息，用单片机实现对火灾信号处理，并在LED和蜂鸣器上显示结果。
4.1.1系统工作原理
系统软件部分主要实现对温度检测以及烟雾浓度的检查，对指标超标进行声光报警。
主要包括温度检测程序、烟雾传感数据采集程序设计、声光报警程序设计。
图4-1是系统软件主程序流程图。
图4-1系统软件主程序流程图
由上图可以看出主程序执行过程：
首先对单片机的IO口进行初始化使LED灯不亮，蜂鸣器停止蜂鸣。
然后调用温度测量函数控制DS18B20进行温度测量并获取温度值。
然后紧接着调用烟雾浓度采集模块程序采集环境烟雾浓度。
在得到温度值与烟雾浓度后进入判断程序，判断温度值与烟雾浓度是否有超标的量。
若其中有一项或两项都超标就进行声光报警。
4.1.2程序设计方法选择
通常应用程序设计的方法有：
模块化设计和结构化设计。
根据系统的工作过程，本设计采用模块化设计方法，主要包括：
主程序模块、数据采集及处理子程序模块、控制算法子程序模块以及键盘显示程序模块。
1.模块化设计方法：
（1）原理：
模块化程序设计方法的基本原则是：
高聚合、低耦合及信息隐藏。
高聚合是指一个模块只能完成单一的功能，不能“身兼数职”，在描述功能时不能出现“和”、“与”等连词。
低耦合是指模块之间参数传递尽量少，还不能通过全局变量来实现数据传递。
信息隐藏是指把不需要调用者知道的信息都包装在模块内部隐藏起来。
只有实现了高聚合、低耦合，才可能最大程度的实现信息隐藏，从而实现真正意义上的模块化程序设计。
（2）特点：
各模块相对独立，功能单一，结构清晰，接口简单；
避免程序开发的重复劳力；
易于维护和功能的扩冲；
程序设计的复杂性得到有效的控制。
4.1.3程序设计语言的选择
常用的汇编语言有：
机器语言、汇编语言和高级语言。
由于汇编语言适合编写一些对速度和代码长度要求高的程序和直接控制硬件的程序，所以本系统选择汇编程序。
汇编语言（AssemblyLanguage）是面向机器的程序设计语言。
在汇编语合中，用助记符（Memoni）代替操作码，用地址符号（Symbol）或标号（Label）代替地址码。
这样用符号代替机器语言的二进制码，就把机器语言变成了汇编语言。
汇编语言直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互，它具有如下一些优点：
1）能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口；
2）能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全的控制；
3）能够对关键代码进行更准确的控制，避免因线程共同访问或者硬件设备共享引起的死锁；
4）能够根据特定的应用对代码做最佳的优化，提高运行速度；
5）能够最大限度地发挥硬件的功能。
4.2主程序设计
4.2.1主程序设计
首先要给传感器预热三分钟，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。
程序初始化结束后，系统进入监控状态。
本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟，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。
AT89C52单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。
同时送入数码管显示烟雾浓度值。
主程序还包括状态指示灯及按键功能设置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。
4.2.2主程序初始化
给传感器预热后，程序开始执行初始化子程序，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等。
首先设定定时初值50ms，利用IAP写入EEPROM，作为取值间隔。
然后设置定时器0，选择方式1。
方式1状态下定时器的工作寄存器TH1、TL1是全16位参与操作。
接下来定时器0中断允许位置1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值，设定为20%LEL。
4.2.3报警子程序设计及流程图
当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应通道的红灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全，避免火灾和爆炸事故的发生。
为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。
报警子程序流程图如图4-2所示.
图4-2报警子程序流程图
参考文献
[1]何立民.单片机应用系统设计.北京:
航天航空大学出版社.
[2]李广第.单片机基础（第1版）.北京:
北京航空航天大学出版社.
[3]夏继强.单片机实验与实践教程.北京:
北京航空航天大学出版社.
[4]赵燕.传感器原理及应用.北京：
北京大学出版社.
[5]任松.安全监测监控技术及应用.
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