单片机消防设计.docx

单片机消防设计.docx

《单片机消防设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机消防设计.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

单片机消防设计

1引言

1.1选题背景及意义

1.2本课题的发展趋势

1.3选题的设计要求

2火灾自动报警系统的工作原理

2.1系统总体功能的概述

2.2火灾报警系统的类型

2.3火灾探测器的原理

3系统硬件设计

3.1核心芯片的选择

3.1.1芯片AT89S52

3.1.2集成温度传感器AD590

3.1.3气体传感器TGS-202

3.1.4数码管驱动芯片ICM7218

3.2单片机外围接口电路

3.3信号处理电路

3.4A/D转换模块

3.5声音报警电路

3.6数码管显示电路

3.7状态指示灯及控制键电路

3.8报警器故障自诊断

3.9灭火控制电路

3.10信号通信系统

4系统软件设计

4.1主程序流程图

4.2主程序初始化流程图

4.3滤波子程序

4.4线性化子程序

4.5报警子程序

4.6键盘处理子程序

4.7灭火流程图

4.8灭火软件编程

结论

致谢

参考文献

第一章引言

1.1选题背景及意义

随着各类建筑的不断发展，建筑规模越来越大，层次越来越高，建筑的标准也越来越高。

新建的各类大楼都具备人员密集、设备先进、功能多、装饰豪华等特点，因此，火灾自动报警和自动灭火系统已成为高层建筑不可缺少的重要组成部分。

消防报警系统就是一种及时发现和通报火情并采用措施控制扑灭火灾的自动消防设施。

要保证大楼内人员、设备的安全，随时监控设备的运行环境，系统的没置即使投资大一些也应选用较先进、高可靠性、误报率低的产品。

火灾报警系统属于智能大厦系统的一个子系统，但其又在完全脱离其他系统或网络的情况下独立地正常运行和操作，完成自身所具有的防灾和灭火的功能，具有绝对的优先权。

火灾报警系统的结构、组成、功能都应符合我国现行的规范。

综合性智能化大厦作为一座现代化建筑，应具备一套满足其功能要求的智能化建筑系统。

火灾报警系统正是为了保证大楼的安全运行，发挥大楼的智能化作用而启用的。

火灾报警系统的专业设备系统应设置先进、结构合理、功能齐全、运行可靠。

1.2本课题的发展趋势

目前市场上绝大多数的火灾自动报警控制器，其中心处理单元均采用单片机控制，单片机以其价格的绝对优势，加之硬件简单，便于维修等广泛应用，但随着系统容量的增加，单片机的处理速度及容量显然不够，对于复杂系统的然见编程繁琐、操作不便，尤其是要进行报警平面图的显示时，这种控制器无法实现，必须要配一台计算机。

由此以工控机作为中央处理器的控制器营运而生，它以Windows2000作为操作平台，采用高级语言编程，使得控制器具有良好的界面和更好的兼容性，克服了上述不足，其容量更大，功能更强，能很好地适应市场需求。

现代火灾报警及灭火控制设备，在功能上进行火灾信息探测、声光报警、联锁防排烟系统、联动自动化灭火系统之外，还能够向城市或区域消防结构报警和传递火灾信息，进行对讲联络，记忆现场状况等。

火灾自动报警系统趋向于减少动作、提高可靠性、加快灭火速度；消防灭火设备及器材已从手提式发展到固定管网式；控制方式也从手动控制发展为自动控制灭火；灭火介质由液体发展到气体，从卤代烷、二氧化碳发展到灭火效率更高、更洁净的烟隔净、FM200等介质。

随着市场需求的发展，对报警控制器的要求也越来越高。

在功能上要求控制器应尽可能详细地显示各种信息，通常这要求其液晶显示器至少达到640x480普通PC机的显示分辨率，以及灵活有好的人机显示界面；在速度上要具有高速处理功能，一般要达到30-60MIPS，才能满足对几千点报警探测器的多重处理及控制器网络化输出的要求，文件信息量也须达到1M-4Mbyts的规模要求；要具有较低的成本，一般要远低于PC机的价位，才能满足市场竞争的要求，同时还要便于生产及质量控制[4]。

早期的自动消防系统实际上足以探测和自动报警为主体，在自动报警的基础上，利用消防设备及消防器材人工处理灭火过程，这种早期的火灾探测及灭火方式，速度慢、效果差，难以对大型综合性建筑及复杂环境的灭火做到有效控制，易于贻误灭火时机。

随着电子技术及计算机技术在消防领域的广泛应用，形成了以微型计算机为核心的自动消防控制系统，对火灾信息及火灾现象实现了火灾参数感知、直接图像处理等模拟人化的分析处理和灭火控制，有效发挥了自动消防控制系统的作用

自动化消防系统的设计，已经大量融入了微机控制技术、电子技术，实现了对较小的报警设备安装单元不再独立设置控制，而依靠网络中的设备、服务资源进行判断、控制、报警，这样火灾自动报警系统安装、使用、管理就变得方便。

火灾自动报警系统网络化是用计算机技术将各个火灾报警控制器之间、各个探测器之间、系统内部的各个子系统之间以及火灾报警中心等通过一定的网络协议进行连接，实现远程数据的调用。

火灾自动报警系统实行网络监控管理，可使各个独立的系统组成一个大的网络，实现网络内部各系统之间的资源和信息共享。

1.3选题的设计要求

利用单片机实现对建筑楼房的消防控制，主要功能是对监控点进行活在监控、灭火及报警等。

系统综合了单片机、智能控制、数据通信、模拟电子、数字电子等多种技术，对培养学生理论联系实践能力、工程实践能力、创新能力等，都具有重要的意义。

要求：

（1）需要监控的有六个房间，设置12个监视点及24个喷淋头进行灭火。

（2）采用微机和单片机进行控制，用微机屏幕显示各楼层的消防情况。

用单片监视各楼层的失火情况，并在发现火灾时报告计算机，控制喷淋头进行灭火，同时进行声音报警。

（3）设计包括系统的硬件结构设计，要求画出详细而实用的硬件接线图。

同时进行软件程序设计。

软件课采用汇编语音或C语言设计。

第二章火灾自动报警系统的工作原理

2.1系统总体功能概述

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。

火灾探测器通过对活在发出的物理、化学现象—气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）等的探测，将探测到的火灾信号转化成火警电信号传递给火警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。

集中报警是将接受到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，利用本机专用电话还可以迅速发出指示和消防队报警。

此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。

整体电路的框图如图2-1所示：

图2-1系统原理及组成框图

2.2火灾报警系统的类型

根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以认为以下四种：

（1）感温型火灾报警系统

由于火灾发生时燃烧物会长生大量的热量，使得周围温度迅速变化。

感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判断报警的目的。

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

烟雾是早期火灾的重要特征之一。

在火灾发生初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。

感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或可不见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。

感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和粒子感烟式等。

（3）感光型火灾报警系统

物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时还有可见或可不见的光辐射产生。

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波长较短的光辐射敏感的紫外博阿静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。

目前复合型火灾博阿静系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。

2.3火灾探测器的原理

火灾发生时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光，探测器对这些都很敏感。

当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常的状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。

火灾探测器主要分感烟、感温等

（1）感烟探测器。

一种是粒子感烟探测器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。

在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。

一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号。

还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成点的变化，通过放大电路向人们报警。

还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，它的工作原理与光电感应探测器中另一种放射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电源，主要用在船舶上。

近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。

这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐振动、寿命长，很有发展前途。

（2）感温探测器。

一种是运用金属热胀冷缩的特性。

正常的情况下，探测器的电路断开，当温度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。

一种是利用某金属易熔的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它的熔点（70~90℃）时，便会感应报警。

如将两者结合起来，便成为差定温组合式。

（3）光辐射探测器。

一种是红外光辐射探测器。

物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，则利用有机化合物燃烧时，经放大后，就能向人们报警。

另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。

另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路报警。

火灾报警器是重要的安全设备，一切重要的场所，如大型物资仓库、隧道、大型船舶、高层建筑应该安装。

它还可以与自动灭火设备一起组成自动报警、自动灭火的“自动消防队”。

第3章系统硬件设计

3.1核心芯片选择

3.1.1芯片AT89S52

在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件，它一方面要接受来自传感器送来的温度、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作;与此同时查询是否有键按下的请求。

在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况进行相应的处理。

并且也要考虑选择低价实用的机型，并研制同一系列的低功耗产品做准备。

根据多方面的比较，本设计选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制器。

AT89S52是一个低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片内含4Kbytes（In-systemprogramable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。

芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。

根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。

片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。

可以再4-5.5V宽电压范围内正常工作。

不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。

根据本次设计的具体情况。

采用双列直播DIP-40封装。

AT89S52的引脚图如图3-1所示：

图3-1AT89S52引脚图

3.1.2集成温度传感器AD590

图3-2AD590

AD590是美国AnalogDebices公司生产的一种电流型二端传感器，电路和图所示。

由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，及1μA/K，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个100欧的可调电阻w，将电流量变为电压量送入ADC0809.通过调节可调电阻便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃输出为2.982V。

这样便于A/D转换器采集数据。

AD590的应用电路如图3-2所示。

在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和一个5V直流电源相连，并在输出端串接一个10k欧的电阻，那么此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端会有1mV/K的电压信号。

AD590温度传感器具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点。

广泛应用于各测量控制等领域。

3.1.3气体传感器TGS-202

气体传感器TGS-202的电路图如3-3所示。

磁传感器要求有两个电压输入：

加热器电压V1和电路电压V2加热器电压V1加于集成加热器上以保持传感器在一个特定的最佳感应温度。

电路电压V2被加在以便于测量与气敏元件串联的负载电阻电压VA此传感器有极性所以电路电压V2必须是直流。

可以用一个公共的电源来同时提供，选择一个合适的电阻以便于使半导体传感器功耗小于15mW。

当目标气体存在时，传感器功耗在两电压相等时最大。

TGS-202气体传感器能够很好地感知空气中的污染物的异味，非常灵敏的检测空气质量的变化。

与其它空气传感器相比，TGS-202在灵敏度和稳定性方面有很大优越性，具有成本低、体积小、寿命长、价格低廉、稳定性好的特点。

图3-3TGS-202检测电路

火灾中气体烟雾主要是CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。

选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如CO浓度达到0.06%）时，VA端获得适当的电压（设为3V）。

3.1.4数码管驱动芯片ICM7218

ICM7218是INTERSIL公司圣餐的一种性能价格比较高的通用8位LED数码管驱动电路，28脚的输出可直接驱动LED显示器，不需要外接驱动电路，工作电压为+5V，其构成的显示电路结构简单，使用方便。

同样由单片机向ICM7218写控制字及数据，编程部分像给外部RAM写数据一样简单。

当单片机写入模式控制字后，ICM7218以约定的方式接受显示数据并将数据写入静态显示RAM中。

数据接受结束，ICM7218在扫描控制电路的控制下，按设定的译码模式，以动态扫描显示方式向段显示驱动器和位驱动器发出控制信号，直到下一个控制字写入前，不停地进行动态显示工作。

引脚图和内部框图如下图3-4所示：

图3-4ICM7218引脚图

ICM7218A可工作在3中显示模式下，及非译码显示模式、16进制译码显示模式、10进制译码显示模式。

具体说明如下：

在非译码模式下（写入命令字时ID5=“1”），输入数据直接控制段位输出，输入数据和段位显示对应如下：

输入数据：

ID7ID6ID5ID4ID3ID2ID1ID0

输出段位：

D.P.abcegfd

注1：

7段中若想使某一段显示则令其相应的数据位置“1”即可，但ID7置“0”时小数点显示。

在野马模式下（写入命令字时ID5=“0”），可在写入命令字时选择其工作在16进制译码显示模式（ID6=”0”）；输入2进制码与10

进制显示码、16进制显示码的对应关系如下：

2进制码：

012345678912131415

16进制显示码：

0123456789AbCdEf

10进制显示码：

0123456789-EHLP

ICM7218A的工作方式：

ICM7218A可通过命令字中ID4为来决定其在正常工作方式（NORMALOPERATION）或停止工作方式（SHUTDOWN）。

在正常工作方式下（ID4=“1”），当MODE为高电平时，在WRITE信号有效时，由微处理器数据总线的ID4-ID7为写入控制命令字，此时ID0-ID3位数据无效，MODE为低电平时，在WRITE信号有效时由微处理器依此写入8个8位显示数据，在数据写入过程中，显示器停止工作，直到8个数据写完，显示器显示刚才新输入值。

在停止工作方式下（ID4=“0”）,写入命令字后，显示器停止显示，集成电路进入省电状态。

ICM7218A可以很方便地与微处理器配合使用，而且不需要限流电阻，本控制方案已成功运中频你变电源控制器中，效果极佳。

3.2单片机外围接口电路

AT89S52单片机外围接口电路如图3-5所示，主要包括：

1晶振电路：

内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MIZ~12MIZ之间（该设计选用6MIZ），外接两个谐振电容。

该电容的典型值为30pF。

2复位电路：

单片机复位采用按键高电平复位，而单片机在平时则复位端为低电平0.

3直流电源

图3-5单片机外围接口电路

3.3信号处理电路

图3-6信号处理电路

对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性的要求。

在本报警器电路中，同样要对两类传感器的输出信号进行放大调理。

电路图如上图3-6所示，运算放大器接成点呀放大电路。

从传感器采用过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信号。

采样时，把相应的模拟电压信号从Vi端送进LM324A进行放大处理后，从V0端输出送入A/D转换电路。

3.4A/D转换模块

经气敏传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路对信号进行A/D转换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。

A/D转换电路采用了常用的8为8通道数模转换常用芯片ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端分别接到ADC0809的IN0和IN1。

ADC0809的通道选择地址由AT89S52dep0.0~p0.2经地址锁存器74LS373输出提供。

当p2.7=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。

其中信号与ST信号连接在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。

图中ADC0809转换结束状态信号EOC接到AT89S52的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。

在中断服务长须中，将转换好的数据送到指定的存储单元。

由于ADC0809片内无时钟，故利用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。

因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MIZ，则ALE信号的频率为1MIZ，经二分频后为500KHZ，与ADC0809的典型值吻合。

电路图如图3-7所示：

图3-7A/D转换电路

3.5声音报警电路

由AT89S52的21脚实现声音报警控制。

可当燃性气体浓度或温度超过限定值时，将p2.0置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。

电路原理图如图3-8所示：

图3-8声音报警电路图

3.6数码管显示电路

数据采集进来的信号由模拟量转化为数字量，然后传送到系统的显示模块，从现实模块上观察直观数据。

在本系统中，对LED进行动态扫描，对显示器提供输入和位控制。

显示器的第一位显示选择的通道号，而后三位显示钙通道传送来的数字量。

系统显示的4为七段数码管由数码管专用驱动芯片ICM7218驱动，27、3、1、2、24、26脚分别接数码管的a、b、c、d、e、f、g、15、16、23、20脚为位选，分别控制数码管的亮灭，ID0~ID7为数据线，接单片机的P0口，WRITE、MODE分别是写控制位和模式控制位，分别接单片机P3.6、P2.6。

器电路图如图3-9所示。

图3-9数码管显示电路图

3.7状态指示灯及控制键电路

图3-10状态指示灯电路

图3-11控制按键连接示意图

状态指示灯及控制键电路如图3-10、3-11所示，单片机AT89S52的P2.2、P2.3、P2.4控制输出的状态指示灯。

绿灯亮表示正常状态，环境中没有火灾危险。

黄灯亮表示传感器加热丝发生断线或者解除不良，说明环境中存在着火灾的危险，空气中的烟雾浓度、温度达到了报警限值，提醒用户采取相应措施。

控制键电路采用独立式按键设计。

4个按键分别接到单片机的P1.0、P1.1、P1.2和RST，可以采用中断程序方式查询，来检测是否有键闭合，如有键闭合去除键抖动，判断键号并对其做相应的处理。

4个键定义如下：

P2.1：

S1功能转换键，按此键开始键盘控制。

P2.5：

S2加，按此键温度设定值加一度或烟雾浓度增加0.01%。

P2.6：

S3减，按此键温度减少一度或烟雾浓度减少0.01%。

RST：

S4复位键，使系统复位。

3.8报警器故障自诊断

判断传感器电源连接情况，在传感器的地段串联一个电阻R，当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P2.1口检测到：

如果传感器连接不正常，则会产生断路，检测到电路两端电压为0。

3.9灭火控制电路

灭火系统使用了消防联动装置，并在设计中占了重要的位置。

它决定了自动灭火的成败。

本设计中的消防联动装置用的是电磁阀控制，其工作原理简单，操作简单，经济实用。

用单片机AT89S52控制24V直流电磁换向阀运动，信号通过单片机端口送出，经过三极管的开关放大作用，接直流固态继电器，然后接负载，因为电磁阀是感性负载，器两端并联一个二极管，如图3-12所示

图3-12消防联动电路

在自动灭火系统中，消防联动应具备以下功能：

火灾报警后停止有关部位风机，关闭防火阀，接收并显示其反馈信号；控制防烟垂壁等防烟设施。

接通火灾事故照明灯和疏散指示灯，切断有关部位的非消防电源，应按照疏散顺序接通火灾报警装置和火灾事故广播，并应确保装置的对内外的消防通信设备良好有效，应能解除所有疏散通道上的门禁控制功能。

干粉末灭火系统，能控制系统的启停、显示报警系统的工作状态。

常开防火门的控制，应满足在门任一侧的火灾探测器报警后，防火门应自动关闭，防火门关闭信号应送到消防控制室。

3.10信号通信系统

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。

引脚介绍：

第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5v）。

3-13所示的串口通信电路，其中MAX232的10脚T2IN接单片机TXD端P3.1，TTL电平从单片机的TXD端出发，经过MAX232转换为RS-232电平后从MAX232的7脚T1OUT发出，在连接到系统版上的串口座的2脚R