基于单片机的智能火灾报警系统.docx

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基于单片机的智能火灾报警系统

目录

1绪论1

1.1选题的背景及意义1

1.2国内外发展状况和现状1

1.2.1火灾报警系统发展历程1

1.2.2国内外火灾报警系统的发展现状2

1.3火灾显示盘控制器软件设计的研究内容

2火灾报警系统及其整体方案设计4

2.1火灾发生时的特点4

2.2火灾报警系统功能及其类型5

2.3本系统的总体方案设计6

2.3.1本设计的研究范围6

2.3.2系统的硬件总体结构7

2.3.3系统软件总体结构8

3系统的硬件选择与设计9

3.1主要芯片的选择9

3.1.1单片机的选择9

3.1.2模数转换芯片的选择10

3.2传感器的选择13

3.2.1火灾探测器的分类13

3.2.2温度探测器的选定14

3.2.3烟雾传感器的选择16

3.3各电路模块的设计19

3.3.1单片机外围接口电路19

3.3.2A/D转换电路20

3.3.3烟雾信号调理电路22

3.3.4光报警电路23

3.3.5声报警电路23

3.3.6报警器故障自诊断23

4火灾报警系统的软件设计24

4.1软件开发环境24

4.2火灾报警系统程序设计24

4.2.1主程序流程图24

4.2.2主程序初始化流程图25

4.2.3数据采集子程序25

4.2.4火灾判断与报警程序26

4.2.5滤波子程序27

5功能仿真验证分析29

5.1关于仿真与编程软件29

5.2Protues仿真原理图29

6总结与展望30

6.1总结30

6.2展望31

致谢32

参考文献33

附录34

摘要

科学技术的飞速发展与进步给人们的生活带来了前所未有的便利，如电力技术的迅猛发展与应用，合成材料的诞生，新能源的不断涌现，自动化程度的不断提高等等，使人们的衣食住行条件得到了极大的改善。

然而其负面的作用也随之凸显出来，如液化石油气，各种电子产品，易燃装饰材料等我们身边经常接触到的一些普通生活用品，为火灾的发生埋下了巨大的隐患，人们在享受科技带来的便利之外无时不在受到潜在的火灾的威胁。

所谓水火无情，为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，让人们的生活更加安宁，残酷的现实以及触目惊心的教训要求我们必须设计和完善火灾自动报警系统，提高火灾的预警与早期处理水平，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。

基于此，本文从生活中的实际情况着手，设计了一种适用于多种公共场所的基于单片机的火灾智能报警系统。

该火灾报警系统是以AT89C51单片机作为控制中心，接受、处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号、温度信号，并进行声光报警。

它通过不断的向现场发射巡检信号来监视现场的温度、烟雾浓度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较、判断确定是否有火灾的发生。

当现场烟雾或者温度发生异常，或者发生火灾时，可实现声光报警、烟雾浓度、温度报警限设置、故障自诊断、延时报警等，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾传感器，具有一定的实用价值。

关键词：

AT89C51单片机，智能报警，传感器，控制器

Abstract

Therapiddevelopmentandprogressofscienceandtechnologyhasbroughtunprecedentedconveniencetopeople'slife,astherapiddevelopmentofelectrictechnologyandapplicationofcompositematerials,theconstantlyemergingofthenewenergy,theconstantimprovementofthedegreeofautomation,etc.makepeople'sfoodandclothinglivelineconditionsimprovedgreatly.However,itsnegativeeffectalsostandsout,someordinaryarticlesfordailyusesuchasliquefiedpetroleumgas（LPG）,allkindsofelectronicproducts,flammabledecorativematerialsaroundus,buriedthehugehiddentroubleforthebeginningofthefire,peopleenjoyingtheconveniencefromtechnologyconstantlyunderthethreatofpotentialfire.So-calledwaterruthless,inordertoavoidfireandreducefirelosses,makepeople'slifemorepeaceful,theharshrealityandshockinglessonrequiresustodesignandimprovetheautomaticfirealarmsystemandimprovetheleveloffireearlywarningandhandling,whichwillmakeafireinthebud,tominimizethelossofwealthofsociety.Basedonthis,thistextsetaboutfromtheactualsituationinlife,wedesignakindofintelligentfiredetectionandalarmsystemsuitableforavarietyofpublicplacesofbasedonsinglechipmicrocomputer.ThefirealarmsystembasedonAT89C51asthecontrolcenter,acceptsandtreatsthesignalofsmokeconcentrationandtemperatureofthesmokefiredetector,alarmingwithsoundandlight.Throughsendinginspectionsignaltothesiteinspection,itmonitorsthetemperatureandsmokeconcentration,andconstantlyfeedbackstoalarmcontroller,thecontrollerwillreceivethesignalcomparedwiththenormalsettingvalueofthememoryandjudgmentwhetherthereisafirehappening.Whenthesmoketemperatureanomalies,orthereisafire,itcanrealizesoundandlightalarm,thesettingofsmokeconcentrationandtemperaturealarmlimit,faultself-diagnosis,delayedalarm,etc.It'sakindofintelligentsmokesensor,whichhascertainpracticalvalue,withthesimplestructure,stableperformance,convenientusing,lowcosting,andsoon.

Keywords:

AT89C51singlechipmicrocomputer,Intelligentalarm,Sensor,Controller

1绪论

1.1选题的背景及意义

火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。

随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑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。

众所周知，火灾不但危害性大，而且还是发生概率极为频繁、极具毁灭性的灾害之一。

此外，触发火灾发生的隐患多，一旦起火则会迅猛发展，危险性大。

在我们国家，火灾发生的频率越来越高，特大火灾事故不断，据公安部消防局2012年12月10日公布的2011年全国火灾24小时分布情况，我们可以发现在人休息的夜间至凌晨期间（即0时至6时），有484人伤亡，占总伤亡的28.83%，产生这些后果的重要原因之一是现有的部分火灾报警系统未能起到真正的火灾预警作用[4]。

从过往火灾发生的原因调查也表明:

1）、人为大意因素造成火灾发生更为频繁，人员伤亡、财产损失也更为重大;

2）、虽然国家不断加强消防安全的教育，也取得了一定的成果，但很多民宅、娱乐场所等未能按要求安装火灾自动报警系统，不能实时、不间断地监控可能发生的火灾;

3）、排除触发火的灾因素外，造成火灾巨大损失的另一原因就是部分己投入使用的火灾报警系统的不稳定、报警不实时等缺点使得火灾发生时不能及时报警，导致伤亡惨重。

由此不难发现，要尽量避免楼宇住宅火灾、确保楼宇消防安全，除了要加强公民的消防意识教育外，还应该配备一套具有良好的稳定性、可靠性和实时性的火灾自动报警系统。

这样的系统能连续不间断监控可能的火灾信息，能把火灾发生的可能性在早期阶段就给予消除或者及时报警，将火灾导致的财产损失降到最低点，控制人员伤亡到最小的范围内[8]。

本论文研究基于AT89c51单片机作为转换器核心的火灾显示盘控制器，是火灾报警器的一种，其作为火灾自动报警系统的重要组成部分，在工业与民用建筑中的应用越来越广泛，对保障人民的生命财产安全起着重要的作用。

研发火灾报警显示盘控制器就是要能够完成发现早期火灾隐患，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全的功能。

火灾探测器主要分为感烟探测器、感温探测器和光辐射探测器三大类。

本设计中可按照功能分为探测器模块、控制器模块和报警模块三部分，探测器模块能够有效识别火灾信息，减少误报；主控单片机实现对火灾情况进行实时、准确、快速的控制；报警模块可以完成火灾报警和显示相关信息功能。

因此该火灾报警显示盘控制器能有效地防止和减少火灾危害，为社会发展提供安全保障，其完成对保护人身安全和财产安全具有现实意义。

1.2国内外发展状况和现状

1.2.1火灾报警系统发展历程

火灾报警系统的发展也是经历了由单一品种发展成现在样式多样化的过程，由以前误报率较高、安装复杂和监测范围较窄变成现在测量较精准、安装简单、监测范围广等从发展过程来看，大体上可分为以下几个阶段：

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阂值，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，瑞士物理学家EmstMeili研究的离子感烟探测器推出以后，引起了人们对离子感烟探测器的重视，随后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。

1.2.2国内外火灾报警系统的发展现状

随着科学技术的发展，新的高科技成果不断被应用到火灾报警系统，特别是近十几年的发展，先进的智能型火灾报警系统，依靠其高灵敏度、低误报率、安装简便灵活、便于集中监控等优点，目前在国外得到了广泛应用。

这种系统的代表产品有如澳大利亚GO－DEXPTY.LTD公司生产的GO－DEX型空气采样式感烟火灾智能报警系统，澳大利亚维信防火与保安有限公司（VisionFire&Security）生产的VESDA产品等，其中维信公司的VESDA产品是最具有代表性的产品。

该系统是全世界空气采样早期智能报警系统领域的领导者，系统对烟雾分析力为0.00075%obs/m，以其安装简便灵活，高可靠、高效率、低误报率的极早期探测智能报警性能，惊鸣世界、誉满全球，现在，VESDA已经发展到第三代技术，已经有超过20多万台VESDA的探测器被广泛应用在电信行业在内的各种复杂的应用场所，时刻为用户进行着先进可靠的火灾早期探测报警。

目前，国内一些企业也已经瞄准早期智能报警系统的市场，开始研制一些早期智能报警系统的雏形产品。

比如南京消防集团有限公司研制生产的超早期感烟火灾智能报警系统：

SH97300高灵敏度激光吸气式感烟火灾探测报警系统。

其灵敏度高达0.0042dB/m，比普通早期报警的感烟探测器灵敏度高100倍以上，且同样具有安装灵活简便、能够智能报警等。

该系统被广泛应用于重要场所火灾报警，如各单位大楼的计算机房、资料室、图书馆等。

但是由于国内的火灾报警系统较多的是进口产品或是靠引进技术，其系统的灵敏度、对环境变化的自适应能力、探测浓度范围、以及节电设计方面还有待进一步研究提高，在应用到市场之前还有很多问题需要解决。

毫无质疑的是未来先进的火灾早期智能报警系统在随着科技水平的发展、市场推广的深入和全民火灾防范意识的不断加强，会被越来越多的用户所推崇，应用领域也会延伸至多种行业，火灾系统也会应技术的创新而不断发展更新。

1.3火灾显示盘控制器软件设计的研究内容

火灾显示盘，即采用声、光等方式将从火灾探测器上采集到的火灾信息警信息显示给用户，使用户接收到信息后，及时根据显示盘所显示的火灾的楼层、位置及时间，做出最有效的判断，及时疏散人员以及尽快的扑灭火源。

本火灾显示盘的设计，采用的是AT89C51单片机实现由上位机通过RS232接口传送到的汉字信息处理和显示，并可根据按键的不同，可以对火灾信息进行查询以及报警的消音功能。

如图1.1所示处理过程为AT89C51根据收到的汉字区位码，解析出相应的预存于FLASH电子盘中16点阵汉字库中的汉字字模，将取出的汉字字模数据输出内藏HD61202及其兼容控制驱动器图形液晶显示模块的大屏幕液晶显示器LCD（分辨率128*64）中显示，并可根据上翻下翻按键查询历史信息，还可按消音见取消报警声音。

与上位机通信，则利用RS-232串口实现，上位机程序通过VisualBasic内部的MSCOMM控件对RS-232进行编程，实现了上下微机的串口通信。

上位机将通过程序访问ACCESS数据库，将查询到的当前及历史信息通过RS-232串口发送到下位机并显示。

2火灾报警系统及其整体方案设计

2.1火灾发生时的特点

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。

它们燃烧的基本过程是当从外部获取一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体（如CO、H2等）的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之为气溶胶。

在产生气溶胶的同时，产生分子较大的液体或固体微粒，称为烟雾。

着火后，燃烧产生的热量使液体或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。

同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量。

形成火灾。

其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。

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。

通过大量的研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因。

总的来说，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，并散发出大量的热，使环境温度升高。

起火过程中，起初和阴燃两个阶段所占的时间比较长，虽然产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器就应该从此阶段开始进行探测，就可以火灾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，如果能将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。

起火过程曲线如图2-1所示。

图2-1起火过程曲线

2.2火灾报警系统功能及其类型

火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。

火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象——气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。

整体电路的框图如图2-2所示及其类型。

电子盘

温度传感器

图2-2智能火灾报警系统框图

火灾报警系统，一般由火灾探测器、联动单元和控制器三部分组成。

由火灾探测器首先探测到火灾的萌芽而后通过联动单元传输至控制器分析其形势从而实现是否报警。

火灾报警系统除了具有预防报警之外，还有遥控检测功能，它能够根据总台的监测预防

的要求而有所对其功能模块进行远程调节。

根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为以下四种：

（1）感温型火灾报警系统

根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等几种。

（2）感烟型火灾报警系统

感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。

（3）感光型火灾报警系统

感光型火灾报警系统就是通过响应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。

根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。

（4）复合型火灾报警系统

如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。

目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。

2.3本系统的总体方案设计

2.3.1本设计的研究范围

火灾的发生场合各异，因而火灾发生前和发生时出现的情况也各不相同，比如在居民住宅楼，易燃物品较复杂的各型商场、超市，人员密集度较高的的网吧、影院，车库、粮库、油库等各种类型仓库，汽车、飞机、轮船等现代化的交通工具等场合，有些火灾发生的比较缓慢，随着湿度，温度等的慢慢变化，导致易燃物品接近并达到着火点而产生烟雾和明火，若此时不能得到有效控制则火势会逐渐蔓延，一致酿成大祸。

对这一类火灾如果提高警惕，及时发现，就能够有效控制火灾的发生。

而对于有些发生较快的火灾，通常只有几秒十几秒的时间火势便达到无法控制的地步，如2012年8月26日凌晨发生在陕西省延安市安塞县境内的一起触目惊心的重大车祸，大量的甲醇瞬间燃烧，车内乘客根本没有时间逃生。

对于这类火灾我们只能从根本上采取措施杜绝一切可能产生火灾的因素，否则后果不堪设想。

本文主要研究的是一般场合下的火灾火灾的预警与应对，此类火灾发生比较缓慢，发生之前伴随有温度的非正常变化，火苗出现之前的烟雾等有害气体的产生。

方案涉及到现场温度的检测，烟雾浓度的检测，信号的采集与对比，声音报警，不同险情的不同灯光显示等。

该火灾报警系统是以AT89C51单片机作为控制中心，接受、处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号、温度信号，并进行声光报警。

它通过不断的向现场发射巡检信号来监视现场的温度、烟雾浓度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较、判断确定是否有火灾的发生。

当现场烟雾或者温度发生异常，或者发生火灾时，报警系统会产生相应的报警信号。

本文设计的用于小型防火单位的单片机火灾报警系统具有以下特点:

（1）能对室内烟雾（CO2，CO）及温度突变进行报警,具有声、光双重报警功能。

（2）系统故障报警功能。

当系统出现硬件故障时，能发出故障报警信号。

（3）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。

（4）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，能立即发出声光警报。

据类似本系统的报警器现场模拟实验表明,本系统安全可靠,误报率低。

且由于其体积小、操作维护方便、成本低廉等,具有广阔的应用前景。

2.3.2系统的硬件总体结构

（1）硬件系统组成

一个完整的火灾报警系统，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。

本设计一单片机作为控制系统的核心，以传感器作为其测温装置，来实现火灾报警系统的设计。

该设计可以对室内外温度以及烟雾实时采集可检测，当所测温度或者烟雾浓度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，是否大于或者等于某个预设值，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和显示非正常状态，反之则为正常状态。

（2）硬件系统控制方案设计

报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块组成。

图2-3为火灾报警系统的结构框图。

图2-3火灾报警系统的总体结构框图

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；系统的工作原理是：

先通过传感器（包括温感和烟感）将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，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,最后由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，单片机判断现场是否发生火灾。

报警程序设置报警的下限，当外界指标超出限制，将进行声光报警。

2.3.3系统软件总体结构

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等，系统程序流程图如图2-4所示。

为了降低误报率，系统采用多次采集、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，然