基于单片机的火灾自动报警系统.docx

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基于单片机的火灾自动报警系统

滨江学院

课程论文

单片机综合实验

题目基于单片机8051的火灾自动报警系统的设计

专业信息工程

学生姓名

学号

指导教师

二Ｏ一一年十二月二十日

基于单片机8051的火灾自动报警系统的设计

摘要

本文设计了一种基于公用电话网,利用单片机8051、DTMF信号收发芯片MT8880、集成语音芯片ISD1420,集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202等,利用多传感器信息融合技术,完成语音报警的实用、可靠的单片机语音自动报警系统,着重讲述了该系统的组成形式及工作原理。

实践表明,单片机技术在系统报警和其它一些自动控制领域中有着广泛的应用前景。

该系统能自动完成对布测点检测，确认火警后能自动报警，并显示火情点，记录火灾发生时间。

关键词单片机传感器数据处理报警

Abstract

ThispaperdesignamethodthatusesinglechipcomputeranddigitalvoicechipISD1420torealizeremotevoicealarm,givesoutthehardwarestructureandsoftwareofsystem,Basedonthesingle-chipmicrocomputerAT89C51,dialchipMT8880andspeechchipISD1420,temperaturesensorAD590andgassensorTGS202areused,andthemulti-sensorsinformationprocessingmethodisadopted.Practicetheenunciation,Thesingle-chipmicrocomputertechniquehastheextensivelyappliedforegroundinsystemalarmandotherautomaticcontrolrealm.

Thissystemcanautomaticallytomonitorthepointswhichareacutetotemperature.Itcanalsosendoutalarm,showthepointsandrecordtheoccurringtimewhenafirehasbrokeout.

KeywordsMCUTransducerDataProcessAlarm

1.引言

无线火灾传感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无线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，商业市场对火灾报警器的需求不断增长，目前主要使用的是智能型总线制分布式计算机系统的火灾报警系统，虽然在系统安装方面比过去大大方便，但仍然不能满足现代需要，其安装成本约占设备成本的33%～70%。

而无线火灾报警系统能够满足目前要求，它具有安装容易、快捷、便宜、无需布线、对建筑物表面的最小破坏性、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。

1.1国内外研究状况

虽然WSN（WirelessSensorNetworks）正处于完善的迅速发展时期，但并没有妨碍它在各领域的应用。

德国、日本、美国等发达国家对无线火灾自动报警系统的研究投入大量人力、财力。

无线火灾自动报警系统是典型的多传感器的事件驱动型无线传感器网络WSN，但又具有其特殊要求：

1系统的可靠性、可信度、必须考虑室内多路径散射、回波、干扰、中断、碰撞探测等处理；2系统的最小工作生命周期为5年；3总机和探测器间必须双向通信；4报警信号的传输时间必须在10秒内；5系统干扰、故障探测反映时间要小于100秒。

无线传感器网络（WSN）综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳（SelfOrganizingHop）的网络方式传送给数据处理中心。

WSN的应用前景十分广阔，在军事、工农业、环境监测，医疗护理、危险区域远程控制等领域都有潜在的应用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视。

1.2课题研究背景及目的

我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程,其智能化程度也越来越高。

目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发,他们采用集中区域报警控制方式,系统复杂、成本较高。

而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位,需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探测报警装置,因此,研制一种结构简单、价格低廉的语音数字联网火灾报警器是非常必要的。

本设计利用单片机8051和多传感器信息融合技术,完成语音报警的实用、可靠的单片机语音自动报警系统,着重讲述了该系统的组成形式及工作原理。

本系统能自动完成对布测点检测，确认火警后能自动报警，并显示火情点，记录火灾发生时间。

2系统硬件设计

2.1概述

硬件电路主要包括单片机电路，2路传感器报警信号电路,模数转换电路，语音报警电路，震铃检测电路、模拟摘机和DTMF解调电路，以及主备电控制电路部分。

图1报警电路方框图

如图1所示,报警器硬件由温度烟雾信号采集模块、声光报警模块以及单片机与收发码模块组成。

图中1,2,3组成数据采集模块,4,5组成现场声光报警模块,5,6组成远程报警模块。

其中,1为传感器（包括烟感和温感）,将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号；2为信号调理电路,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；3为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。

声光报警模块由单片机和报警电路组成,由单片机控制实现不同的声光报警（异常报警、故障报警、火灾报警）功能。

单片机与远程报警模块由单片机、MT8880收发码电路组成,实现远程报警。

2.2系统芯片和器件的选择

2.2.1AT89C51简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

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。

2.2.2主要性能

·4K字节可编程闪烁存储器

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源·可编程串行通道

·与MCS-51兼容

2.3系统的硬件实现

2.3.1系统功能及特点

本报警器的工作原理:

当发现警情时,探测器将警报信号通过传感器接口送入单片机,单片机的报警中断程序开始运行,调用拨号子程序按照预置号码进行拨号。

此时单片机控制MT8880发送双音频信号拨号,并检测呼叫信号以判定是否可以调用语音模块进行语音报警。

当没有警情时,可以通过另一部话机拨打本机,振铃检测电路将振铃音信号转换成TTL信号传送给单片机,由单片机计数；当经过预设的振铃无人摘机时,系统就会自动摘机,调用远程设置子程序进行远程录音、查询警情等操作。

语音报警系统主要完成的功能：

感温传感器和感烟传感器通过采集现场信号输入中央处理器,若判断出两种传感器中有一种动作,表明有异常现象,发异常语音报警信号“温度超限”或“烟雾报警”,同时相应的指示灯亮。

此时,若另一传感器也动作,则停止异常报警,而进入火警报警状态,有现场语音“火警”报警提示,火警指示灯亮。

同时系统调用远程报警模块,开始逐个拨叫预设的报警电话,直至有一个报警电话拨通,并收到回码。

在拨号后首先判断电话线的状态是否为回铃音及对方是否摘机。

如是,播放录制好的语音报警内容,如“某某区某某单元某某楼层某某房间发生火警”。

否则挂机,拨打下一个号码。

2.3.2MT8880接收电路的设计

图2MT8880接收电路连线图

当MT8880作为DTMF接收器的时候，DTMF信号经由IN＋和IN－输入，经过运算放大滤除信号中的拨号音频率，然后发送到双音频滤波器，分离出低频组和高频组信号，通过数字计数的方式检出DTMF信号的频率，并且通过译码器译成4位二进制码。

4位二进制编码被锁存在接收数据寄存器中，此时状态寄存器中的延时控制识别位复位，状态寄存器中的接收数据寄存器满标识位置位，对外而言，当寄存器中的延时控制识别位复位时，IRQL/CP由高电平变为低电平。

如果用IRQL／CP作为单片机的中断信号，IRQL由高电平变为低电平，向CPU发出中断请求，当CPU响应中断，读出寄存器中的数据后，IRQL返回高电平。

MT8880的D0～D3与单片机的P1.0～P1.3相连，P1.4～P1.7分别与CK，RSO，CSL，R/WL相连。

2.3.3发送电路设计

图3MT8880发送电路连线图

当MT8880作为发送器时数据总线上D0～D3四位二进制码被锁存在发送数据寄存器中[8]，发送的DTMF信号频率由3.58MHz的晶振分频产生。

分频器首先从基准频率分离出8个不同频率的正弦波，行列计数器根据发送数据寄存器中的数据，以八取二方式分离出一个高频信号和一个低频信号，经开关电容做D／A转换，在加法器中合成DTMF信号，并从TONE端输出，电路图如图7所示。

应用MT8880使DTMF信号的收发功能于一体，完成DTMF信号的编码与解码，达到数据传输的目的。

2.3.4灯光报警电路

由AT89C51P0口的P0.0～P0.3分别控制4个发光二极管,予以光报警,如图8所示。

P114～P117控制的灯依次为绿色（正常信号灯）、黄色（故障信号灯）、红色（异常信号灯）和红色（火灾信号灯）。

当这些输出端输出低电平时,对应的信号灯便会发光报警。

图4光报警电路

2.4系统总体电路图

3系统软件设计

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以及通讯子程序等。

3.1数据采集子程序

数据采集部分的程序设计包括：

驱动ADC0809的IN0和IN1进行A/D转换,分别由子程序ADC1（温度转换）和ADC2（烟雾浓度转换）完成；单片机接收转换好的数据,存入指定内存单元,由INT1中断服务程序完成。

每次驱动A/D转换后等待外部中断,中断到来说明A/D转换已经完成,通过中断服务程序读取转换得到的数据。

A/D采样程序如下:

本程序分住程序和中断服务程序两部分。

主程序用来对中断初始化，给ADC0809发起动脉冲和送模拟量路数地址等。

中断服务程序用来从ADC接受A/D转换后的数字量和判断一遍采集完否。

参考程序如下：

主程序：

ORG0A00H

MOVR1,#30H//输入数据区始址送R1

MOVR4,#2//模拟量总路数送R4

MOVR2,#00H//IN0地址送R2

SETBEA//开CPU中断

SETBEX1//允许INT1L中断

SETBIT1//即INT1L为边沿触发

MOVR0,#0F0H//送端口地址F0H到R0

MOVA,R2//IN0地址送A

MOVX@R0,A//送IN0地址到A/D

SJMP$//等待中断或其它

中断服务程序:

ORG0013H

AJMPCINT1//转中断服务程序

ORG0100H

CINT1:

MOVR0,#0F0H//端口地址送R0

MOVXA,@R0//输入数字量A

MOV@R1,A//存入输入数据区

INCR1//输入数据区指针加1

INCR2//修改模拟量路数地址

MOVA,R2//下个模拟量路数地址送A

MOVX@R0,A//送下路模拟量路数地址,并启A/D

DJNZR4,LOOP//若未采集完2路,则LOOP

CLREX1//若已采集完2路,则关INT1L中断

LOOP:

RETI//中断返回

END

3.2火灾判断程序

为了降低误报率,系统采用了多次采集、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:

00H表示正常；

01H表示异常；

02H表示火灾。

然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。

具体判断方法如下:

（1）对温度和烟雾进行了两次数据采集与判断

温度≥100℃,温度异常,置标志位为1,否则为0；

烟雾（CO,CO2）浓度≥0106%,烟雾浓度异常,置标志位为1,否则为0。

（2）根据温度和烟雾的异常标志位判断现场情况

2个标志位均为0,表示情况正常,给53H或56H单元送00H；

2个中仅有1个为1,表示情况异常,送01H；

2个均为1,表示有火灾发生,送02H。

（3）综合两次情况做最后判断,并予以报警

若53H和56H中数据不相同,说明是误报,调故障报警子程序；否则按该单元中的数据调相应的报警子程序。

00H为情况正常,返回；

01H为情况异常,调异常报警子程序；

02H为现场有火灾,调火灾报警子程序,并向消防中心报告火情。

3.3电话报警流程设计

电话报警模块主要通过中断服务程序来实现。

该程序的基本流程是:

报警器摘机,自动拨叫号码簿上相应的报警号码,如110、119,或一组用户的自己设置的固定电话号码、手机号码。

拨叫时,报警器摘机后先对电话线上的信号进行检测,检测到拨号音就拨号,检测不到拨号音说明电话线已有问题,无法拨号,就自动挂机。

拨号后等待三秒再检测有无回铃音或忙音,如果都没有,就表明已经接通,可以进行语音报警。

如遇回铃音就等待三秒再检测,若等待三次后线路仍然不通,就拨叫下一个号码；若遇忙音就先挂机再等待10s,重新拨号,如此三次后仍然拨不通,就拨叫下一个号码,直到将电话簿上的所有号码拨完为止。

自动电话语音报警程序在发生报警时调用,其程序流程图如图10所示。

图5报警流程图

报警拨号后对方回铃音和忙音的区别：

按规定回铃音为1s高电平4s低电平方波信号，忙音为高电平和低电平均为0135s方波信号，回铃音和忙音呼叫时间60s，60s后自动挂机。

当有报警信号送单片机时,通过软件模拟摘机,预留电话拨号输出后,在接到第一声回铃音或忙音时,定时器开始定时，计数器开始计输入的回铃音或忙音的个数。

然后判别在60s内，若计数值大于15个脉冲（这时无论60s定时到否）则表示对方为忙音,，应挂机，拨打下一个报警电话。

若在60s内计数小于14个脉冲，则表示为回铃音。

若在少于12个脉冲中间回铃音中断表示对方有人接听，可以播放报警信号对应的报警语音[12]。

若60s内一直有回铃音，且定时到，表示对方无人接听，则挂机拨打下一个报警电话，直到电话报警完成。

3.4MT8880的数据发送程序设计

图6MT8880的数据发送图

程序清单如下：

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0100H

MAIN:

MOV30H,#08H

MOV31H,#04H

MOV32H,#07H

MOV33H,#09H

MOV34H,#04H

MOV35H,#06H

MOV36H,#02H

CLRP1.6//CS写CRB,CRB对MT8880进行初始化

CLRP1.4//CK

CLRP1.7//R/W\

SETBP1.5//RSO

MOVP1,#0DH//写CRA

SETP1.4//触发CK信号

NOP

NOP

CLRP1.4//清CK信号

MOVP1,#00H//写CRB

SETBP1.4//触发CK信号

NOP

NOP

CLRP1.4//清CK信号

SETBP1.6//关闭片选

END:

CLRP1.6//CS选择MT8880的发送数据寄存器

CLRP1.4//CK

CLRP1.5//RSO

CLRP1.7//R/WL

LOOP:

MOVR0,30H

MOVR1,#7H//将发送的数据个数给R1寄存器

MOVA,@R0//将数据首地址给寄存器

MOVP1,A//将数据送入P1口

SETBP1.4//触发CK信号

ACALLDELAY//调用延时子程序

CLRP1.4//清CK信号

INCR0//数据地址加一

DJNZR1,LOOP//数据个数减一

3.5MT8880数据接收程序设计

图7MT8880的数据接收流程图

程序清单如下：

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0100H

MAIN:

MOV30H,#00H// 赋初值给30-36的地址范围

MOV31H,#00H

MOV32H,#00H

MOV33H,#00H

MOV34H,#-00H

MOV35H,#00H

MOV36H,#00H

MOVTMOD,#20//初始化定时器/计数器作为波特率发生器

MOVTL1,#0FDH//装入低位的记数初值

MOVTH1,#0FDH//装入重装值9600的波特率

CLRET1//禁止T1中断

SETBTR1//T1启动

MOVSCON,#40H//串口初始化为方式1

MOVPCON,#00H//使SMOD=0

CLRP1.6//CS写CRA,CRB对MT8880进行初始化

CLRP1.4//CK

CLRP1.7//R/W\

SETBP1.5//RSO

MOVP1,#2DH//写CRA

SETBP1.4//触发CK信号

NOP

NOP

CLRP1.4//清CK信号

MOVP1,#20H//写CRB

SETBP1.4//单发CK信号

NOP

NOP

CLRP1.4//清CK信号

SETBP1.6//关闭片选

NOP

NOP

MOVR0,30H//接收数据的首地址

MOVR1,#7H//接收数据的个数

结论

本系统是一种基于公用电话网,将单片机和多传感器信息融合,完成语音报警的实用、可靠的单片机语音自动报警系统，它具有功能强、灵活性高、可靠性好、抗干扰能力强、实时性高等优点。

不过，还存在一些缺陷，比如：

系统需要的模块较多，编写程序时有点复杂。

希望在以后的研究中进一步优化整个系统。

尽量简化线路数量和布线方式,减少设备种类,系统功能尽可能由软件实现,提高系统可靠性和维护性,同时建立良好的人机界面,方便人们使用。

总之，此系统整体结构还是比较简单、容易实现自动报警功能，符合安全系统的规则和要求。

参考文献

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电子科技大学出版社,1998.1;174～185期

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西安电子科技大学出版社,1998.1

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