火灾自动断路器的设计.docx
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火灾自动断路器的设计
题目火灾自动断路器的设计
学生姓名薛东学号1210064073
所在学院物理与电信工程学院
专业班级电信1203
指导教师宋卫星
完成地点博远楼1012
2016年6月13日
火灾自动断路器的设计
薛东
（陕西理工学院物电学院电子信息科学与技术专业电信1203班，陕西汉中723001）
指导教师：
宋卫星
[摘要]随着现代家庭用火、用电量的增加，火灾发生的频率越来越高。
火灾断路器也随之被广泛应用于各种场合。
本设计以STC89C51为核心控制器，用MQ-2的气体传感器、ADC0809的模数转换器、DS18B20的温度传感器，来实现数据采集。
借助传感器及相关芯片，当环境中可燃气体浓度或温度超过警戒线时系统会发出相应的灯光报警信号及声音报警信号，以此来实现火灾报警，智能化提示，并根据设定的阈值自动切断电源，将损失降到最低。
[关键字]智能控制；自动短路；STC89C51；MQ-2；DS18B20。
ADesignofFireAutomaticCircuitBreaker
Xuedong
（Grade12,Class3,MajorElectronicInformationScienceandTechnology,PhysicsDept.,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi）
Tutor:
Songweixing
Abstract:
Withtheincreaseoftheuseoffireandelectricityconsumptioninmodernfamilies,thefrequencyoffireisgettinghigherandhigher.Firecircuitbreakerhasbeenwidelyusedinvariousoccasions.ThisdesignwithSTC89C51asthecorecontroller,usingMQ-2gassensor,ADC0809analogdigitalconverter,DS18B20temperaturesensor,toachievedataacquisition.Bymeansofsensorsandchips,whenenvironmentflammablegasconcentrationortemperatureexceedsthewarninglinesystemwillsendoutcorrespondinglightalarmsignalandsoundalarmsignal,soastorealizethefirealarm,intelligentprompt,andaccordingtothesettingofthethresholdautomaticallycutoffthepowersupply,losstoaminimum.
Keywords:
Intelligentcontro,Automaticshortcircuit,STC89C51,MQ-2,DS18B20
目录
1引言1
1.1课题的研究背景及意义1
1.2课题的研究内容1
2火灾自动断路器的总体方案设计1
2.1系统的功能要求1
2.2系统的技术要求1
2.3系统的组成及方案设计1
3系统的硬件设计2
3.1主控电路2
3.2MQ-2介绍4
3.3烟雾探测电路的设计5
3.4液晶显示电路设计5
3.5声光报警提示电路6
3.5.1灯光闪烁电路6
3.5.2声音报警电路7
3.6温度采集电路7
3.7按键电路7
3.8自动断路电路8
4系统的软件设计8
4.1系统主程序流程图8
4.2DS18B20的程序流程图8
5火灾报警器的安装与测试9
6结束语10
致谢10
参考文献11
附录A系统仿真图12
附录B系统原理图13
附录C源程序14
1引言
1.1课题的研究背景及意义
火灾作为一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，对人类生命财产和社会安全构成了极大的威胁。
由此引发的重大安全事故比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究。
在我国，随着经济的发展和生活水平的提高，工业与民用建设日趋增多，火灾发生的可能性也随之大幅提高。
另外，现代建筑物中塑料制品和玻璃的大量应用使火场内外部的求援行为困难重重。
现代建筑，尤其是大型商贸、娱乐场所以及居民小区。
对于火灾报警系统也提出了更高的要求。
一旦发生火灾将很难及时救助，势必要给国家和个人带来不可估量的损失[1]。
基于上述情况，火灾自动断路技术便应运而生，火灾自动断路器不仅仅可以预警火灾，进而可及时的切断电源，保护电路，将相应的损失降到最低。
1.2课题的研究内容
火灾自动断路器，主要检测温度以及烟雾，再通过单片机控制相应的报警和驱动负载。
通过液晶显示当前的烟雾值和温度值，通过按键设定相应的阀值。
该项目主要是为了完成任务，包括：
（1）硬件部分：
包括传感器的选择，显示模块的选择，烟雾信号转换电路的设计，报警驱动电路的设计。
（2）软件部分：
包括微处理器控制程序的编制和原理图的绘制。
（3）系统的综合调试与分析：
在软硬件完成以后，要对系统进行综合的测试与实验，分析系统的可靠性与实用性，调整系统的不足。
2火灾自动断路器的总体方案设计
本设计主要是实现烟雾报警、火灾发生时报警以及自动断路保护控制，下面分别对系统功能要求、系统技术要求及系统实现方案相关阐述[2]。
2.1系统的功能要求
本系统的研制主要实现以下几项功能：
（1）火灾勘测功能：
为了提高火灾报警的及时性和准确性，火灾报警系统需要使用不同的方法进行火灾勘测。
在现实使用中，根据不一样的防火场所，用户可以选择温度探测法、可燃气体检测法和烟雾探测法等适合的火灾勘测方法，用来有效的勘测火灾；
（2）灯光、蜂鸣器报警功能：
如果室内烟雾浓度过大、温度超高或者有火情产生等异常情况发生，报警器就要进行灯光报警，同时蜂鸣器报警。
（3）自动断路功能：
如果场景内烟雾浓度或者温度值比预定值设定高时，报警系统就会智能的切断电源，保护现场电路。
2.2系统的技术要求
在了解这个系统的工作原理和功能之后，就可以基本明确系统的技术要求。
系统所采用的单片机处理器成本相对比较低，可以实现批量生产和各类工程的需求。
对于完整的一个系统而言，为了提高市场的竞争力，这个系统应该符合体积小、功耗低、数传性能可靠以及成本低廉这些技术要求。
具体指标和参数如下:
（1）体积小：
探测器的体积必须尽可能的小，这样占用的空间才能减少，使用以及更换才会方便；
（2）功耗低：
系统可以使用三节5号干电池供电或者5V电源供电。
（3）可靠性高:
因为不确定的电磁干扰有可能存在于系统工作环境中，为了确保系统长时间的可靠工作，并且减少误报次数，因此选择多指示灯，指示不一样的状态。
2.3系统的组成及方案设计
本设计主要由烟雾探测传感器电路、单片机、负载驱动电路、灯光报警电路以及控制程序和编解码程序等组成[3]。
系统的组成结构如图2.1所示。
3系统的硬件设计
3.1主控电路
STC89C51单片机是一种低功耗并且高性能CMOS8位微控制器，可实现8k在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，可实现灵巧的8位CPU以及在系统可编程Flash，使STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活和超高效的解决方案[4]。
可实现以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
STC89C51主要功能如下表3.1所示，其DIP封装如图3.1所示
表3.1STC89C51主要功能
端口功能
兼容MCS51指令系统
4K可以反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可以编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠以及唤醒功能
STC89C51引脚
①主电源的引脚（2根）；
VCC（Pin40）：
电源输入，接＋5V电源；
GND（Pin20）：
接地线；
②外接晶振引脚（2根）；
XTAL1（Pin19）：
片内振荡电路的输入端；
XTAL2（Pin20）：
片内振荡电路的输出端；
③控制引脚（4根）；
RST/VPP（Pin9）：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位；
ALE/PROG（Pin30）：
地址锁存允许信号；
PSEN（Pin29）：
外部存储器读选通信号；
EA/VPP（Pin31）：
程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令；
④可编程输入/输出引脚（32根）；
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根；
P0口（Pin39～Pin32）：
8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7；
P1口（Pin1～Pin8）：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7；
P2口（Pin21～Pin28）：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7；
P3口（Pin10～Pin17）：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7；
最高运作频率选用35MHz，6T或者12T可选。
最小系统有单片机以及其所需的必需要的电源、时钟、复位这些部件，可以使单片机一直处于正常的工作状态。
电源电路以及时钟电路等是使单片机可以运行的必备条件，能够将最小系统用作应用系统的核心部分，通过对其存储器进行扩展、A/D扩展等，可以使单片机完成较为复杂的功能[5]。
STC89C51单片机是片内拥有ROM/EPROM的单片机，所以，这种芯片所构成的最小系统简单并且可靠。
用STC89C52单片机构成最小应用系统的时候，只需要将单片机接上时钟电路以及复位电路即可，结构如图3.2所示，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
（1）时钟电路
STC89C51单片机的时钟信号通常有2种方式可以产生：
内部时钟方式和外部时钟方式。
内部时钟方式如图3.3所示。
在STC89C51单片机内部存在一个振荡电路，只要在单片机的XTAL1（18）以及XTAL2（19）引脚外接上石英晶体（简称晶振），于是构成了自激振荡器并且在单片机内部产生了时钟脉冲信号。
图3.3中电容C1和C2起的作用是稳定频率并且快速起振，电容值在5~30pF间，典型值是30pF。
晶振CYS的振荡频率范围在1.2~12MHz间选择，典型值是12MHz和6MHz。
（2）复位电路
当STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并且保持2个机器周期时，单片机内部就会执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。
比如最简单的上电自动复位电路里上电自动复位是靠通过外部复位电路的电容充放电来实现。
只要Vcc的上升时间小于等于1mS,就能实现自动上电复位。
除了上电复位之外，有的时候还需要用按键来手动复位。
本设计就是采用的按键实现手动复位。
按键手动复位存在电平方式和脉冲方式这两种。
其中电平复位是通过RST（9）端和电源Vcc导通而实现的。
（3）STC89C51中断技术概述
中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理[6]。
这是由片内的中断系统来实现的。
当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。
中断服务处理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。
图3.5为整个中断响应和处理过程。
如果单片机没有中断系统，单片机的大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生的定时查询操作上。
采用中断技术完全消除了单片机在查询方式中的等待现象，大大地提高了单片机的工作效率和实时性。
3.2MQ-2介绍
MQ-2型气体传感器用于以氢气为主要成分的城市煤气、天然气、液化石油的测量，而且它抗干扰能力强，水蒸气、烟等干扰气体对它的影响小。
MQ-2型气敏元件具有以下特点：
（1）采用烧结半导体所形成的敏感烧结体，具有稳定的R（即器件在纯洁空气中的阻抗）阻值，从而保证了长期工作的稳定性。
（2）单电源供电，其功耗仅0.7W左右。
（3）对所测试的气体有极高的灵敏度和信噪比。
MQ-2型气敏元件有两种型号。
MQ-2A型适用于天然气、城市煤气、石油液化气、丙丁烷及氢气等;MQ-2型适用于烟雾等减光型有害气体[7]。
器件的灵敏度：
S=Ro/Rx为10~30。
常见为QM系列的S值仅8左右。
Rx为器件在丁烷浓度为0.2%时的阻抗。
3.3烟雾探测电路的设计
如图3.6所示，在这个电路中，有两个部分，主要是烟雾传感器检测烟雾，将电压信号给ADC0809；模数转换电路将模拟信号转换成数字信号给单片机，单片机再读取相应的数值和处理。
MQ-2则是一个阻性传感器，当烟雾浓度增大的时候电阻值减小，R7是保护电阻，C4是一个滤波电容，R8是1k的分压电阻和传感器分压，IN是输出电压将电信号送给ADC0809的26脚，当外界烟雾浓度变大传感器电阻变小，输出电压变大。
3.4液晶显示电路设计
LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16×2即32个字符（16列2行）。
本设计的显示器件通过LCD1602液晶显示模块来实现，液晶显示模块在万用表、计时器、电子表以及许多家用的电子产品中都可以看到，主要显示的是数字、图形以及专用符号。
在单片机人机交流的界面中，
通常的输出方式有以下3种：
发光管、LED数码管、液晶显示器[8]。
发光管和LED数码管最为常用，软件硬件都比较简单。
液晶显示电路如图3.7所示。
LCD1602引脚说明：
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL是液晶显示器的对比度调整端，当它接正电源时对比度最弱，当它接地时对比度最高，而对比度过高的时候会产生“鬼影”，所以使用时可以用一个10k的电位器来调整对比度。
第4脚：
RS是寄存器选择，当它输出高电平时选择数据寄存器、反之低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W是读写信号线，当输出为高电平时进行读操作，输出低电平时则进行写操作。
当RS与R/W相同为低电平时可以显示地址或者写入指令，当R/W为高电平RS为低电平时可以读忙信号，当R/W为低电平RS为高电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块就会执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
3.5声光报警提示电路
3.5.1灯光闪烁电路
LED发光二极管，是一种可以实现将电能转化为可见光的固态半导体器件，它能够直接把电转化为光；改变了白炽灯钨丝发光及节能灯三基色粉发光的原理，从而采用电场发光。
LED的特点很明显，比如寿命长、光效高、辐射低并且功耗低。
LED灯光提示电路如图3.8所示
右图3.8是LED指示电路，如图LED正极都接在电源上，负极D1接在单片机STC89C51的23引脚上，D2接在单片机STC89C51的22引脚上，所以只要单片机的I/O给一个低电平时，相对应的LED灯亮。
R3，R4为分压电阻，因为LED的工作电压为3.3V，而本设计提供的电压为5V，所以说必须加一个分压电阻，按照理论值计算电阻值肯定小于1k，但是由于那样选取LED灯的显示会比较亮，所以本设计选取2.2k电阻做分压电阻。
由于黄色LED的驱动电流比红色大，所以黄色LED的分压电阻选取1k。
3.5.2声音报警电路
右图3.9为蜂鸣器驱动电路，蜂鸣器的驱动采用的是9012PNP型三极管，只要单片机的I/O口输出低电平，三极管导通，也就是起到三极管的开关作用[9]。
FR1为限流电阻，左端接单片机26引脚，当单片机的I/O口输出低电平，三极管导通，电流方向就是从电源经过蜂鸣器经过三极管回到地。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHz的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：
一个三极管、一个蜂鸣器、一个限流电阻。
蜂鸣器为发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流/方波）等。
这些都可以根据需要来选择。
本设计采用有源蜂鸣器。
三极管Q1即9012PNP型三极管起开关作用，其基极的低电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极高电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止工作。
3.6温度采集电路
如图3.10所示，本设计采用的智能温度传感器为DS18B20，它作为温度测量装置已经广泛的被应用于人们的日常生活以及工农业生产中。
因为DS18B20正是朝着多功能、高精度、安全性、总线标准化及高可靠性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统这些高科技的方向迅速发展[10]。
3.7按键电路
如图3.11，本设计采用按键接低的方式来读取按键，单片机初始时，因为为高电平，当按键按下的时候，会给单片机一个低电平，单片机对信号进行处理[11]。
K1接STC89C51的27引脚，K2接STC89C51的28引脚，K3接STC89C51的17引脚。
单片机键盘存在矩阵式键盘以及独立键盘两种：
矩阵式键盘的接法程序相对复杂，但所占用的I/O少；而独立键盘的每一个I/O口上仅仅接一个按键，并且按键的另一端接电源或者接地（一般接地），这种接法程序相对简单并且系统更加稳定。
根据本设计的需要这里选用了独立式键盘接法[12]。
当按键按下去单片机的I/O口就会检测到低电平，程序上检测低电平，当有低电平的时候执行相应的控制程序。
K1是切换模式，K2、K3设置温度或者烟雾浓度值的大小。
3.8自动断路电路
如图3.12，当R9左端接P2.1，当STC89C51的22引脚输出低电平三极管Q2导通，继电器K1吸合，继而引发继电器K2吸合，从而实现自动断路功能。
电路总图见附录B。
4系统的软件设计
对火灾报警自动断路系统软件有如下要求：
实时性——由于火灾报警自动断路系统是一个实时控制系统，对于系统响应时间要求较高，所以对应用软件的执行速度有一定的要求，既能够在采集现场数据后，在允许的时间间隔内，及时的对数据进行计算、处理、并作出正确判断，对系统进行控制。
由于对程序执行速度要求相对较高，因此通常使用汇编语言来编写，但由于自己对于汇编语言不精通，所以本设计采用C语言编程，对于需要随机中断并处理的一些任务，可以由中断系统来实现，并且让不同的任务设置有不同的中断优先级，以此来保证需要及时处理的任务能够及时被响应。
通用性和灵活性——为了具有相对较高适应能力并且节省内存，软件部分采用模块化结构，当编写程序的时候，采用从顶部向底部的分析方法，使整个软件系统区分为不同的软件功能模块，然后针对每一个功能模块编写相对应的子程序。
之后如果需要修改或添加功能功能，仅仅需要修改或添加子程序就可以。
可靠性——在火灾报警自动断路系统的软件设计中，可靠性是非常重要的，它是系统争吵运行的根本保障,为了确保系统软件的可靠性，通常需要设计一个诊断程序，用来对系统进行定期诊断并且防止程序失控。
4.1系统主程序流程图
如图4.1，当单片机上电之后温度传感器开始工作，初始化液晶，然后进入while循环，读取当下烟雾值和温度值，判断是否有按键按下，如果存在按键按下，则执行按键程序，结束；如果不存在按键按下则判断是否有设置状态，如果设置状态则执行按键程序结束，如果没有设置状态则判断温度或者烟雾值是否超过设置，如果超过设置则启动报警，结束；如果没有超过设置则关闭报警。
4.2DS18B20的程序流程图
如图4.2，DS18B20的基本工作协议流程为：
初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。
DS18B20的工作时序为初始化时序、写时序以及读时序三部分。
因此主机控制DS18B20完成温度转换必然经过以下三个流程：
首先，在每一次读写DS18B20之前需要对它进行复位;其次，在对DS18B20复位成功后需要发送一条ROM指令;最后，必须发送RAM指令。
这样就可以进行预定的操作。
Y
5火灾报警器的安装与测试
5.1系统调试
调试过程中首先要检测的就是硬件电路的设计原理是否正确、能否达到预期效果以及实现方法是否简便等等；其次在焊接好难有线电路之后，认真检查电路的焊接情况。
这次采用的是分块调试的方法，烟雾探测电路，控制电路以及单片机控制电路进行调试。
在对每个模块的进行调试过程中又采用了由局部到整体，由简单到复杂的调试方法，最后再将各个模块总和成一个整体。
在调试过程中遇到的问题有：
由于在焊电路之前没有认真的查看STC89C51的管脚，使得管脚的顺序全部焊错了，最后只好重新买器件重焊；
烟雾值一直显示很高，经过查阅资料和换元件测试发现，烟雾传感器初次使用得通电几小时以上才可以正常使用，要做老化试验。
在解码程序的编写过程中，随着理解的深入也作了相应的修改。
5.2数据分析
表5.1状态与误差分析
当前烟雾浓度
显示的烟雾浓度
当前环境温度
显示的温度
0
3
16
16
45
45
40
40
100
99
80
80
200
198
110
99
表5.2发声火灾时状态分析
火灾时烟雾浓度
显示的烟雾浓度
火灾时环境温度
显示的温度
60
59
56
55
110
111
85
86
150
148
96
98
220
217
120
99
6结束语
火灾为一种由于燃烧失去控制所引发的灾害，对人类的生命财产和社会安全稳定构成了极大的威胁。
由此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火灾的研究。
本文在参考了国内外大量资料的基础上，针对传统的一系列火灾报警探测器存
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