卢志祥基于单片机的智能火灾报警系统.docx
《卢志祥基于单片机的智能火灾报警系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《卢志祥基于单片机的智能火灾报警系统.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
卢志祥基于单片机的智能火灾报警系统
毕业设计（论文）
题目基于单片机的智能火灾报警系统
姓名卢志祥
学号28100102029
专业班级自动化08B（本）
所在学院机电工程学院
指导教师（职称）彭芳（讲师）
二○一二年5月5日
基于单片机的智能火灾报警系统
摘要
随着科学技术的迅速发展，人们进入了信息时代，作为获取信息手段的传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。
随着电子产品在人类生活中的广泛使用，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。
为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们有必要完善火灾自动报警系统，并广泛应用在生活中，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。
本系统以电阻式烟雾传感器和温度传感器以及单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的火灾报警器。
其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。
选用DS18B20温度传感器作为温度检测。
选用的AT89S52单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。
以AT89S52单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器以及DS18B20温度传感器为核心设计的火灾报警器可实现声光报警、数据显示、报警限设置功能。
是一种结构相对较简单、性能较稳定的智能化烟雾报警器。
关键词:
传感器；火灾报警；自动采集；自动报警；单片机
TheSystemofIntelligentFireAlarm
BasedonSCM
Abstract
TherapiddevelopmentofScienceandtechnologyleadspeopletotheinformationera.Theseniortechnologyhasgotremarkableprogressasameansofobtaininginformation.It’sapplicationfieldsbecomemoreandmorewidely,andtherequirementofitisbecominghigherandhigher,andthedemandisurgent.Aselectronicproductsarewidelyusedinhumanlife,theresultingfirewasalsomoreandmore.Thefirepotentialsafetyproblemslurkinourlifearound.Inordertoavoidthefireandreducethelosscausedbyfire,it’stimeforusedtoperfectthesystemofautomaticfirealarm,andwidelyuseditinourdailylife,willthefirenippedinthetimeofbud.Itcanminimizethelossofwealthofsociety.
Thispaperdesignsabetterleveloffirealarmtechnology,usingawidelyusedmicrocontrollertechnologyandresistivesmokesensorandtemperaturesensorasthecore,andwithotherelectronictechnologycombined.UsetheMQ-2typesemiconductorgassensitiveelementsmokesensortoachievesmokedetection,whichhashighsensitivity,fastresponse,stronganti-interferenceability,andthepriceislow,servicelifelong.UsetheDS18B20temperaturesensorfortemperaturedetection.TheselectionofAT89S52chip,whichisaintegrationoftheA/Dconversion,hardwaremultiplier,hardwarepulsewidthmodulatorandotherresources,hashighspeed,lowpower,stronganti-interferenceandotheradvantages,isofsimilartechnologyneutralhighercost-effectiveproducts.
Thesmokealarm,designswithAT89S52MCUandMQ-2typesemiconductorresistortypesmokesensorandtemperaturesensor-DS18B20asthecore,canachievethefunctionthatsound-lightalarm,datadisplay,alarmlimitsetting,isaintelligentsmokealarmthatakindofsimplestructure,stableperformance.
Keyword:
sensor;Firealarm;Automaticacquisition;Automaticalarm;Single-chipmicrocomputer
1绪论
1.1报警器论文研究背景
在这个科技的发展迅速的社会里，越来越多的安全隐患在工业生产和人们的日常生活里悄悄的滋生，火灾是其中尤为关注的一个话题之一。
为了能防止并且能减少火灾给我们生活带来的危害，就有很必要能及时发现并及时的进行火灾报警。
在火灾前期做好保护工作，对保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故造成严重的经济损失，甚至危及生命安全，起着关键作用。
1.2本设计的应用及意义
火灾是国内外普遍关注的灾难性问题。
它是发生频率较高的一种灾害，在任何时间、任何地区都可能发生.随着社会经济的发展，建筑物、构筑物应用材料的多样性，各类工业和科学技术的发展，易燃材料增多，加之人们生活环境和生活方式的变革，火灾的危险性日益增加，火灾次数、火灾造成的人员伤亡和经济损失逐渐增多。
尤其是近几年来，高层建筑人量增加，一旦发生火灾，灭火的难度更大。
随着我国科技技术水平的进步，各种现代化写字楼对火灾报警以及自动灭火系统提出了越来越高的要求。
设计出功能更完善的消防设施，对保障人民生命财产的安全，起着极为重要的作用。
为了减轻火灾带来的危害，就必须对现场环境中的烟雾和温度进行实时检测，严密精确无误的监测环境中烟雾的浓度和环境温度，并且及早发现事故存在的安全隐患，在火灾前期采取有效措施。
因此研制火灾报警器与研究烟雾和温度的检测方法就成为传感器技术发展领域的一个比较重要课题。
1.3论文主要工作
本论文主要的工作就是以电阻式烟雾传感器MQ-2和温度传感器DS18B20以及单片机技术为核心并与其他电子技术相结合而设计出一种技术水平相对较好的智能火灾报警器。
本设计实现了对现场温度与烟雾的随时监控，能及时报警。
对温度以及烟雾的设置能按照用户的意愿进行设置。
在系统未能及时报警情况下，用户可以进行手动启动报警功能，同时可以取消手动报警，在系统自动报警后，用户可以通过更改报警限制来取消报警。
在进行功能选择时不影响报警功能与数据采集功能。
2系统方案设计
2.1系统总体规划
火灾报警系统一般由火灾探测仪以及报警器组成。
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）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。
区域报警器将在接收到火警信号后经分析处理同时发出声和光的报警信号，并在屏幕上显示出烟雾浓度的级别和温度值，同时对应的发光二级管亮起。
当系统检测到危险信号时，系统自动启动自救工作，减轻火灾带来的危害。
此外，用户可以通过功能设置键进行报警限值的设置，也可以通过此方法取消当前报警。
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单片机内部结构及接口描述
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，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，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52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、中断继续工作。
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。
AT89S52引脚图如图2-2所示。
图2-2AT89S52引脚图
VCC:
电源
GND:
地
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写如“1”时，引脚用作于高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
引脚号的第二功能：
P1.0：
T2（用于定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出。
P1.1：
T2EX（用于定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）。
P1.5：
MOSI（用于系统编程）。
P1.6：
MISO（用于系统编程）。
P1.7：
SCK（用于系统编程）。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上发送1。
在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在Flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号，P3口也接收一些控制信号，P3口功能如表2-1所示。
表2-1各口线的特殊功能和信号名称
口线
特殊功能
信号名称
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
外部中断0输入口
P3.3
外部中断1输入口
P3.4
T0
定时器0外部输入口
P3.5
T1
定时器1外部输入口
P3.6
写选通输出口
P3.7
读选通输出口
2.3主要元件的选型
2.3.1AT89S52单片机
在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。
它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的两种模拟信号分别进行处理，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，并为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。
可以在4V到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，采用双列直插DIP-40封装。
AT89S52的实物图如图2-3所示。
图2-3DIP-40封装AT89S52实物图
2.3.2集成温度传感器DS18B20
DS18B20有三只引脚：
VCC、DQ和VDD。
采用了外部供电的链接方式，而总线必须链接上拉电阻，线总线在空置状态时，都是一直处于高电平。
DS18B20的内部有64位的ROM单元和9字节的暂存器单元，64位ROM包含了DS18B20唯一的序列号。
原理图如图2-4。
图2-4DS18B20原理图
（1）DS18B20特性介绍
DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器,它的体积更小、适用电压更宽、更经济。
DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。
他的测量温度范围为-55～+125℃,在-10～+85℃范围内,精度为±0.5℃。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量,如:
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃。
可以选择更小的封装方式,更宽的电压适用范围分辨率设定及用户设定的报警温度存储在E2PROM中，掉电后依然保存。
DS18B20的性能是新一代产品中最好的，性能价格比也非常出色，继“一线总线”的早期产品后,DS18B20开辟了温度传感器技术的新概念。
DS18B20和DS18B22使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。
（2）DS18B20内部结构
DS18B20内部结构主要由4部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL，配置寄存器。
DS18B20的管脚排列如图2-5所示。
图2-5DS18B20的管脚排列
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
表2-2转换后得到的12位数据
表2-2是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的2个8bit的RAM中,二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0℃,则这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度，如果温度小于0℃，则这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
（3）DS18B20温度传感器的存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节，前2个字节是测得的温度信息，第1个字节的内容是温度的低8位，第2个字节是温度的高8位。
第3个和第4个字节是TH、TL的易失性拷贝，第5个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这3个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第6、7、8个字节用于内部计算。
第9个字节是冗余检验字节。
根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤:
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位；复位成功后发送一条ROM指令；最后发送RAM指令。
这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500μs，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60μs左右，后发出60～240μs低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
（4）DS18B20使用中的注意事项
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点,但在实际应用中也应注意以下几方面的问题:
①DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是必须保证的，不然会出现转换错误的现象，使温度输出总是显示85。
②在实际使用中发现，应使电源电压保持在5V左右。
若电源电压过低，会使所测得的温度与实际温度出现偏高现象，经过试验发现，一般在5V左右。
③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，因此在对DS18B20进行读写编程时，必须严格保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
④在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，将没有返回信号，程序进入死循环。
这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
2.3.3气体传感器MQ-2
本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。
当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。
利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。
例如遇到可燃气体（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。
而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。
这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。
图2-6MQ-气体传感器结构和外形
MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。
当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。
结构和外形如图2-6所示，封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出2个用于提供加热电流。
2.3.4数码管驱动芯片74HC245
74HC245是数码管的总线驱动器，典型的CMOS型三态缓冲门电路，74HC245引脚图如图2-7。
单片机或CPU的数据/地址/控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力就应加驱动器。
因此可驱动本设计使用的数码管。
74HC245功能表如表2-3所示。
图2-774HC245引脚图
第1脚DIR，为输入输出端口转换用。
DIR=“1”，OE=“0”则A1输入，对应B1输出，其它类同。
如果DIR=“0”、OE=“0”则B1输入，对应A1输出。
第19脚OE为使能端，为“1”时A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才启用，也就是起到开关的作用。
表2-374HC245功能表
Input
Input/Output
OE
DIR
An
Bn
L
L
A=B
Input
L
H
Input
B=A
H
X
Z
Z
H：
高电平
L：
低电平
X：
悬空
2.3.5模数转换芯片ADC0832
ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率A/D转换芯片，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS，有双数据输出可作为数据校验，转换速度快且稳定性能好。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
其引脚如图2-8所示。
图2-8ADC0832引脚图
正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线：
CS、CLK、DO、DI。
由于DO端与DI端在通信时未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可将DO和DI并在一根数据线上使用。
当CS输入端应为高电平时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。
当进行A/D转换时，CS使能端应置于低电平并且保持到转换结束。
芯片开始转换工作时，由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。
第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。
第2、3个脉冲下沉之前DI端输入2位数据用于选择通道功能，其功能表如表2-4所示。
表2-4ADC0832功能表
MUXAddress
Channel#
SGL/
ODD/SIGN
0
1
0
0
+
-
0
1
-
+
3系统硬件设计
3.1AT89S52复位电路
复位是使单片机或系统恢复某种确定的初始状态。
单片机就是从复位开始工作的。
开机瞬间RST引脚获得高电平，随着电容C1的充电，引脚的高电平将逐渐下降。
若RST引脚的高电平保持2个机器周期，单片机就复位，持续保持则循环复位。
复位操作有两种基本形式：
一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位，本设计使用的是上电复位方式，上电复位电路图如图3-1所示。
图3-1单片机的复位电路
3.2温度传感器电路
DS18B20可以使用外部电源VDD，也可以使用内部的寄生电源。
当VDD端口接3.0V—5.5V的电压时是使用外部电源；当VDD端口接地时使用了内部的寄生电源。
无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接6.8KΩ左右的上拉电阻。
本设计采用的是外部电源供电方式，连接图如图3-2所示。
图3-2温度采集电路
DS18B20的外部电源供电方式在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度。
在外部供电的方式下应注意GND引脚不能悬空，否则不能转温度，读取的温度总是85℃。
3.3MQ-2烟雾感器电路
本设计烟雾传感器采用MQ-2，在可燃气体或烟雾中MQ-2烟雾传感器的电阻会有相应的变化，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
气敏元件共有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。
直流电压直接供传感器MQ－2的加热丝H-H工作，H两端接到电源的两端起预热的作用，检测烟雾之前要加热丝给传感器MQ－2预热一定时间。
当采集到电压后经过AD模数转换器将模拟量转换为数字量。
经过校准就可以得到准确的烟雾或者可燃气体的浓度。
这种传感器具有轻微的极性，在满足传感器电性能要求的前提下，为更好利用传感器的性能，还需要通过滑动变阻器的调节与校准，才能得到精确的烟雾信号。
其电路图如图3-3所示。
图3-3MQ-2基本电路
3.4A/D转换ADC0832电路
A/D转换电路在本设计中采用的是数模转换常用芯片ADC0832，烟雾传感器的输出端接到ADC0832的CH0。
经烟雾传感器MQ-2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后对信号进行A/D装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。
ADC0832电路图如图3-4所示。
图3-4A/D转换电路
3.5报警器电路
由AT89S52实现声音报警控制。
蜂鸣器为无源蜂鸣器，低电平时发出声音，当室内可燃性气体浓度、烟雾浓度或温度超过设定的限定值时，单片机将P3.7置为低电平，三极管导通，扬声器发出蜂鸣报警，直到有工作人
升级会员 