基于AT89C51单片机的火灾报警器.docx

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基于AT89C51单片机的火灾报警器

火灾报警器

容摘要：

多少年来，火灾一直是人们所遭遇的最主要灾害之一，曾对人类的文明造成了重大破坏，许多著名的建筑大都毁于火灾。

由火灾引发的重大安全事故比比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究。

本文介绍了一种适用于多种公共场所的基于单片机火灾报警系统。

本系统以AT89C51为主控制器，DS18B20温度传感器为感温器件，离子感烟传感器为感烟元件，将烟雾和温度等信号转化为可检测的电信号。

然后将传感器输出的电信号送入A/D转换电路,完成烟雾传感器和温度传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，再由单片机判断现场是否发生火灾。

若发生火灾，系统会驱动蜂鸣器和LED指示灯报警。

该系统主要由烟感数据采集模块、单片机控制模块、驱动声光报警模块组成，采用高性能的单片机芯片为核心和高灵敏度的离子感烟传感器和温度传感器，而且利用声音和指示灯两种报警形式进行报警提示，大大的提高了系统的精确性和可靠性。

关键词：

火灾报警器离子感烟探测器AT89C51单片机DS18B20

FireAlarm

Abstract:

Formanyyears,firewaspeopleencounteredthemaindisasters,hadtohumancivilizationcausedmajordamage.Manyfamousbuildingsmostlydestroyedinthefire.Amajorsafetyaccidentcausedbyafirecanbefoundeverywhere,sohumanbeingshaveneverstoppedstudyingit.Thispaperintroducesakindoffirealarmsystembasedonsinglechipmicrocomputer,whichissuitableformanykindsofpublicplaces.

ThesystemtakestheAT89C51asthemaincontroller,andtheDS18B20temperaturesensorisatemperaturesensor,theionsensorisasensor,andthesignalcanbeconvertedintoadetectablesignal.ThenthesensoroutputoftheelectricalsignalintotheA/Dconversioncircuit,completethesmokesensorandtemperaturesensoroutputanalogsignaltodigitalsignalconversion,andthenbythemicrocontrollertodeterminewhetherthesceneoffire.Ifafireoccurs,thesystemwilldrivethebuzzerandLEDindicatoralarm.Thesystemmainlybythesmokesensedatacollectionmodule,MCUcontrolmodule,drivethesoundandlightalarmmodule,asthecoreandhighsensitivityofionsmokesensorandtemperaturesensorwithhighperformancesinglechip,andtheuseofsoundandtheindicatorlamptwotypesofalarm,alarm,greatlyimprovetheaccuracyandreliabilityofthesystem.

Keywords:

firealarmsmokedetectorAT89C51MCUDS18B20

1绪论1

1.1课题研究背景1

1.2国外火灾报警器研究历史1

1.3火灾报警技术的发展趋势3

2火灾报警器系统总体方案设计3

2.1火灾产生的原理4

2.2系统设计要求4

3系统硬件设计5

3.1烟感传感器5

3.1.1烟感传感器选择5

3.1.2离子式感烟探测器介绍5

3.2温度传感器6

3.2.1温度传感器选择6

3.2.2DS18B20工作原理6

3.2.3DS18B20特性7

3.2.4DS18B20注意事项8

3.3单片机芯片的选择8

3.3.1AT89C51简介9

3.3.2AT89C51管脚功能说明10

4火灾报警器软件实现与调试11

4.1信号处理电路11

4.2声光报警电路12

4.2.1声报警电路12

4.2.2光报警电路13

4.3系统调试13

4.3.1编程KEIL环境介绍13

4.3.2调试步骤14

5结束语15

参考文献16

火灾报警器

1绪论

1.1课题研究背景

进入上世纪90年代后，我国经济步入高速发展的时期，城市化建设不断加快，城市建筑也由分散式低密度向集中式高密度过渡，林立的高层建筑成了城市的主要的标志。

任何事物的发展都具有两面性，高层建筑中各种通讯线路、动力和照明线路、以及各种系统中线路纵横交错，还有现代人类大量使用煤气、天然气，甚至是烟花等火灾隐患致使火灾的发生概率也在大幅增加。

火灾是一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，加之现代建筑的密闭性较强，一旦发生火灾，整幢大楼就像一个大的火炉，而楼梯道、各种通风管道、线路竖井都是效果极佳的火筒，从而给灭火施救造成了巨大的难度。

由火灾导致的后果给人类、社会和自然造成的危害越来越大，它不仅毁坏物质财产，而且还直接危胁人们的生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。

残酷的火灾引发的重大安全事故比比皆是，因此，人类从未停止过对火灾发生后及时发现、及时控制的研究，火灾报警产品应运而生。

随着科技的发展和人们需求的不断提高，火灾报警器在功能、结构、形式等方面也在不断完善。

1.2国外火灾报警器研究历史

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。

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，并日渐完善，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阀值，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，开始了离子感烟探测器的研究。

这一研究引起了人们的重视，随后离子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。

近年来，采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。

这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制，适用于各类建筑和场所。

无线火灾自动报警系统起初仅用于特殊场合，如博物馆、名胜古迹等不宜布线的场合，而且其价格也比较高。

随着科技进步和元器件成本的降低，无线火灾自动报警系统的研发和生成成本也随之降低，它在性能和价格上都具有很强的竞争力。

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。

由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。

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。

1.3火灾报警技术的发展趋势

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。

由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。

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。

近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。

各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。

单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。

由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到任何电子系统中去，同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需求。

2火灾报警器系统总体方案设计

火灾探测器是消防自动报警的眼睛。

它将火灾信号快速传到报警控制器,发出警报信号。

火灾报警器要根据火灾的特点、针对保护对象的特点进行选择探测器，做到安全适用、技术先进经济合理的系统设计。

2.1火灾产生的原理

火灾是一种失去人为控制的由燃烧造成的灾害，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和点火源。

可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常是空气中的氧气。

一般可燃物在燃烧时先产生燃烧气体，继而产生烟雾，在氧气充足的条件下就会完全燃烧而产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高，其过程如图2.1-1中曲线所示。

起火过程中，刚开始会产生大量的烟雾且持续的时间相对较长，而此时现场的环境温度还不是太高没有骤变，若此时烟感传感器感应到了烟雾就可以及时报警并在火势没扩大之前让人们提前预防和撤离，这样就可以把火灾损失控制在最小限度。

等到火焰燃烧后，它会快速蔓延，产生大量的热而导致环境温度的升高，若能感受到温度的变化而报警提醒人们就可以比较及时地控制火灾。

若以此硬件设计中我会加入温度传感器和烟感传感器配合工作,互补各自的不足，大大的降低了报警器的误报率。

图2.1-1火灾时温度和烟雾随时间变化曲线

2.2系统设计要求

根据以上火灾发生过程的分析，对火灾报警器作以下要求：

（1）声、光双重报警功能。

（2）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。

（3）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，能立即发出声光火灾警报。

3系统硬件设计

此次设计是根据火灾发生过程的特点针对于单片机原理及其应用展开的。

根据方案设计要求，系统主要由烟感数据采集模块、单片机控制模块、驱动声光报警模块组成。

图3-1为系统框架图。

图3-1火灾报警器系统框架图

3.1烟感传感器

3.1.1烟感传感器选择

烟感探测器可以分为离子感烟探测器和光电感烟探测器，本系统采用的是离子感烟探测器。

离子感烟传感器对于烟雾气颗粒检测很有效，它会使两极板间空气分子电离为正、负离子，使原来不导电的空气带电。

当火灾发生时，正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上，使正、负离子相互中和的概率增加，这样烟雾粒子浓度大小可以以电流变化量大小表示出来，实现对火灾参数的检测。

3.1.2离子式感烟探测器介绍

离子感烟式探测器是典型探测器，它是在电离室含有少量放射性物质（镅-241），可使电离室空气成为导体，允许一定电流在两个电极之间的空气过，射线使局部空气成电离状态，经电压作用形成离子流，这就给电离室一个有效的导电性。

当烟粒子进入电离化区域时，它们由于与离子相接合而降低了空气的导电性，形成离子移动的减弱。

当导电性低于预定值时，探测器发出警报。

图3.1.2-1为离子式感烟探测器。

离子感烟探测器有双源双室和单源双室之分，它利用放射源制成敏感元件，并由电离室KR、外电室KM及电子线路或编码线路构成。

双源双室探测器是由两块性能一致的放射源片（配对）制成互相串联的两个电室及电子线路组成的火灾探测装置。

一个电室开孔称为采样电离室（或称为外电室），烟可以顺利进入，另一个是封闭电离室，称为参考电离室（或电离室），烟无法进入仅能与外界温度相通。

在串联的两个电离室两端直接接入直流电源，两电离室形成一个分压室。

两电离室电压之和等于工作电压，流过两个电离室电流相同。

采用、外电离室

串联的方法，是为了减少环境温度、湿度、气压等自然条件对电离电流的影响，提高稳定性，防止误报。

图3.1.2-1离子式感烟探测器

3.2温度传感器

3.2.1温度传感器选择

温度传感器一般分为定温式和差温式。

温度传感器只有在温度发生较为大的变化时才能检测到，而温度突然升高时火灾已经发生，火苗已经出现，所以温度传感器检测不适用于火灾发生的早期，但可在火灾发生时烟雾较少时再次报警，它往往感测的围较小，一般安装在不宜安装感烟探测器的区域。

本文选择的温度传感器是DS18B20。

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。

DS18B20可用数据线供电，电压围为3.0V--5.5V，其测温围：

-55℃--125℃，固有测温分辨率为0.5℃。

3.2.2DS18B20工作原理

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器，其实物图如图3.2.2-1。

图3.2.2-1DS18B20实物图

与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms和750ms完成9位和12位的数字量,并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，其原理图如图3.2.2-2所示。

温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

图3.2.2-2DS18B20工作原理图

3.2.3DS18B20特性

DS18B20具有以下特性：

◆独特的单线接口方式。

DS18B20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。

◆在使用中不需要任何外围元件。

◆可用数据线供电,电压围：

3.0V--5.5V。

◆测温围：

-55℃--125℃，固有测温分辨率为0.1℃。

◆通过编程可实现9--12位的数字读数方式。

◆用户可自设定非易失性的报警上下限值。

◆负压特性,电源极性接反时,不会因发热而烧毁,但不能正常工作。

3.2.4DS18B20注意事项

主机控制DS18B20完成温度转换时，在每一次读写之前，都要对DS18B20进行复位，而且该复位要求主CPU要将数据线下拉500μs，然后释放。

DS18B20收到信号后将等待16～60μs左右，之后再发出60～240μs的低脉冲。

主CPU收到此信号即表示复位成功。

实际上，较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿。

由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送方式，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格地保证读写时序，否则，将无确读取测温结果。

对于在单总线上所挂DS18B20的数量问题，一般人们会误认为可以挂任意多个DS18B20，而在实际应用中并非如此。

若单总线上所挂DS18B20超过8个时，则需要解决微处理器的总线驱动问题，因此，在进行蓄电池单体多点测温系统设计时该问题要加以注意。

连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。

试验中，当采用普通信号电缆且其传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。

而将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，如采用带屏蔽层且每米绞合次数更多的双绞线电缆，则正常通信距离还可以进一步加长。

这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的，因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

3.3单片机芯片的选择

单片机是烟感报警器系统最重要的部分，可以说是它的心脏。

它用来接收信号并根据判断结果驱动报警装置。

51系列单片机的优点是价钱便宜，程序空间大，I/O口多，它是检测系统中比较理想的选择。

本设计使用的控制芯片是ATMEL公司生产的AT89C51，高性能CMOS8位微处理器。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，片置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可灵活应用于各种控制领域。

40个引脚，2个全双工串行通信口。

芯片可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，能反复擦写有效地降低开发成本。

本设计主要采用AT89C51芯片。

AT89C51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片时钟振荡器。

3.3.1AT89C51简介

硬件设计中最核心的器件是单片机AT89C51。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，其实物图如图3.3.1-1。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

图3.3.1-1AT89C51实物图

3.3.2AT89C51管脚功能说明

AT89C51共有40个管脚，其管脚分布如图3.1.2-1所示，下面介绍各管脚的功能。

图3.3.2-1AT89C51管脚分布图

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

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P0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外部必须接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个部提供上拉电阻的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，这是由于部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个部上拉电阻的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口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如图3.3.2-1所示：

表3.3.2-1P3口管脚功能

口管脚

功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/I