单片机火灾报警控制系统设计资料.docx

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单片机火灾报警控制系统设计资料

火灾报警控制器的设计

班级

测控2班

姓名

魏振杰

学号

12130201

一、本课程设计系统概述

1、系统原理

本课程设计的智能火灾报警系统的工作，首先，通过数据采集模块的MQ-2烟雾传感器采集周围环境的烟雾浓度，经A/D转换送到单片机控制中心进行处理；同时由DS18B20数字温度传感器采集周围环境中的温度，经过信息处理，转化为C51单片机能够处理的数字量。

在STC89C5RC单片机中，采集并经过处理的数据要与系统所规定的相关上限值进行比较（上限值是保证系统正常工作同时周围环境处于良好状态时的上限），如果超过了上限值，则说明周围环境异常，要报警，以便人们的正常生活和工作。

把信息综合处理，根据实际的需要以及现场的环境，来发现和识别警报，构成智能化的监控系统，提高了系统工作的可靠性。

2、系统模块框图图

此系统的总体模块框图如图1所示。

图1模块框图

3、控制方案

（1）单片机的选择

单片机是本方案的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎，下面我们来拿8031和STC89C5RC做一下比较。

8031影响很大，已成为事实上的工业标准。

后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。

我们统称这些与8051内核相同的单片机片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。

用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。

写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。

由于上述类型的单片机应用的早，为51系列单片机。

在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的STC89C5RC更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89Cx做的编程器均带有这些功能。

显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。

写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。

而且STC89C5RC目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。

单对STC89C5RC来说，在实际电路中可以直接互换8051和8751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地，单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；而8051/8751/89c51因内部有程序存储器，31脚接高电平，单片机启动后直接在内部读取指令。

也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取，其他无须改动。

另外，STC89C5RC替换8031后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和373芯片。

由于内部RAM的存在，可以减少I/O扩展芯片、锁存器及片外RAM等等，使整个设计显得简单明了，所以我们选择STC89C5RC。

（2）A/D转换器的选择

A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10位、12位、16位等。

位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。

而就其结构而言，有单一的A/D转换器，有内含多路开关的A/D转换器。

根据本设计的需要，我选择的A/D转换器是ADC0809芯片。

ADC0809是美国AnalogDevice公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，转换速率高，自带三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连而无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容，是目前我国应用最广泛，价格便宜的A/D转换器。

加之内部含有三态输入缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口电路，内部设置的高精参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能完成A/D转换功能，应用非常方便。

（3）烟雾传感器的选择

烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。

使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。

阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。

虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。

中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。

当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。

因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。

一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。

半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。

半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）。

经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：

灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。

因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。

而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。

（4）温度传感器的选择

温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。

温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：

1）.传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。

传统的分立式温度传感器如热电偶传感器。

热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。

2）.模拟集成温度传感器/控制器。

它的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

3）.智能温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。

温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：

一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。

接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。

这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。

但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。

非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。

常用的是辐射热交换原理。

此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。

综合以上，我选择数字温度传感器DS18B20。

该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

DS18B20一线总线数字式传感器，独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯，用户可定义的非易失性温度报警设置。

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，与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

4、系统结构原理图

图２智能火灾报警系统结构原理框图

二、硬件设计

1、单片机主控处理模块

（1）主要性能参数：

　1）中央处理器

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

　2）定时/计数器（ROM）：

STC89C5RC有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

　3）并行输入输出（I/O）口：

STC89C5RC共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。

　4）程序存储器（ROM）：

　5）数据存储器（RAM）

。

　7）中断系统：

引脚的功能加以说明：

（2）功能概述：

STC89C5RC提供以下标准功能：

4K字节Flash闪存存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，STC89C5RC可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容。

但振荡器停止工作并禁止其它所有工作直到下一个硬件复位。

（3）工作特性：

1）时钟振荡器

STC89C5RC中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图４。

图４振荡电路

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF（±10pF）。

用户也可以采用外部时钟。

此时，外部时钟脉冲接XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，电脑最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

　2）复位电路

复位电路是单片机系统必须的，用来为单片机提供正确的复位信号。

在整个智能火灾报警系统设计中，要进行试验，必须对整个系统进行复位。

复位是单片机的初始化操作。

单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。

其作用是CPU和系统中其它部件都处在一个确定的初始条件，并从这个状态开始工作。

因而，复位时一个很重要的操作方式。

但单片机本身是不能进行复位操作的，必须配合

相应的外部复位电路来实现复位。

单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位方式两种。

图5是STC89C5RC的上电和按键复位电路。

图5STC89C5RC的上电和按键复位电路

2、A/D转换模块

在智能火灾报警系统设计中，由于C51单片机只能处理数字量，而烟雾传感器采集到的信号确实模拟量，所以要加入A/D转换芯片——ADC0809芯片。

（１）ADC0809芯片的基本知识

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

ADC0809的内部逻辑结构如图６。

图６ADC0809内部逻辑结构

由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

（2）ADC0809引脚结构

可知ADC0809为28引脚为双列直插式封装。

引脚结构图如图3-5所示。

对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：

图７ADC0809引脚结构图

IN7～IN0—模拟量输入通道。

ALE—地址锁存允许信号。

ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

START—转换启动信号。

START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。

本信号有时简写为ST。

A、B、C—地址线。

通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。

CLK—时钟信号。

ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。

通常使用频率为500KHz的时钟信号。

EOC—转换结束信号。

EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。

使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

D7～D0—数据输出线。

为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。

D0为最低位，D7为最高。

OE—输出允许信号。

用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

Vcc—+5V电源。

Vref—参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。

其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）。

（３）主要特性

1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs。

4）单个＋5V电源供电。

5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度。

7）低功耗，约15mW。

（4）ADC0809的工作原理简介

ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

ADC0809的工作过程是：

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

ADC0809有4条地址输入和控制线。

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。

A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。

通道选择表如下表所示。

表3通道选择表

C

B

A

选择的通道

0

0

0

IN0

0

0

1

IN1

0

1

0

IN2

0

1

1

IN3

1

0

0

IN4

1

0

1

IN5

1

1

0

IN6

1

1

1

IN7

由于CLK的时钟脉冲选用的是500KHz，所以需要把单片机ALE产生的2MHz的脉冲进行4分频，接到ADC0809的CLK管脚。

分频我用的是74Ls74芯片。

74ls74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发d触发器电路模块。

内部管脚连接图如图8示。

引脚介绍：

11端与3端为原时钟输入端，5端和9端为变换后的时钟输出端，2端和6端联接，8端和12端联接，7端接电源负极，14端接电源正极。

分频电路如下图8

图84分频电路

（5）ADC0809应用说明

1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。

2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。

3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。

4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。

5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。

6）当EOC变为高电平时，这时给OE高电平，转换的数据就输出给单片机了。

3、数据采集模块

数据采集模块是用来采集周围环境中的有用信息，以便单片机进行处理。

这个模块主要包括两个小模块：

烟雾报警器模块和温度报警器模块。

（1）烟雾报警模块

此模块使用的是MQ-2烟雾报警器，是半导体型可燃气体敏感元件烟雾传感器。

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。

该传感器需要施加2个电压：

加热器电压（VH）和测试电压（Vc）。

其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。

Vc则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。

这种传感器具有轻微的极性，Vc需用直流电源。

在满足传感器电性能要求的前提下，Vc和VH可以共用同一个电源电路。

为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。

MQ-2气敏元件的结构和外形如图所示（结构AorB）,由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层,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。

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。

图9传感器的测试电路

MQ-2的使用规格：

表4A.标准工作条件

符号

参数名称

技术条件

备注

Vc

回路电压

≤15V

ACorDC

VH

加热电压

5.0V±0.2V

ACorDC

RL

负载电阻

可调

RH

加热电阻

31Ω±3Ω

室温

PH

加热功耗

≤900mW

表5B.环境条件

符号

参数名称

技术条件

备注

Tao

使用温度

　　-10℃-50℃

Tas

储存温度

　　-20℃-70℃

RH

相对湿度

　　小于　95%RH

O2

氧气浓度

　　21%（标准条件）

氧气浓度会影响灵敏度特性

最小值大于２％

表6C.灵敏度特性

符号

参数名称

技术参数

备注

Rs

敏感体表面电阻

3KΩ-30KΩ

（1000ppm异丁烷）

探测浓度范围

100ppm-10000ppm

300ppm-5000ppm丁烷

5000ppm-20000ppm甲烷

300ppm-5000ppm氢气

α（3000/1000）

异丁烷

浓度斜率

≤0.6

标准工作条件

温度：

20℃±2℃Vc:

5.0V±0.1V

相对湿度：

65%±5%Vh:

5.0V±0.1V

预热时间

不超过1小时

（2）报警器模块

此模块采用的是DS18B20数字温度传感器。

１）DS18B20单线数字温度计

A、适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

B、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

C、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

D、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

E、温度范围-55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度±0.5℃。

F、可编程分辨率为9～12位，对应的可分辨温度为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

G、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

H、测量结果直接输出数字信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

Ｉ、负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

2）DSl8B20的引脚，如下图所示。

GND：

接地管脚

DQ：

数字量的输入和输出

VDD：

可选的+5V电源

3）DS18B20的4个主要的数据部份

A、光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

B、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7DS18B20温度值格式表

23

22

21

20

2-1

2-2

2-3

2-4

bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0

LSByte

bit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8

S

S

S

S

S

S

S

S

MSByte

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的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，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，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。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

表8DS18B20温度数据表

TEMPERATURE

DIGITALOUTPUT（Binary）

DIGITALOUTPUT（Hex）

+125°C

0000011111010000

07D0h

+85°C

0000010101010000

0550h

+25.0625°C

0000000110010001

0191h

+10.125°C

0000000010100010

00A2h

+0.5°C

0000000000001000

0008h

+0°C

0000000000000000

0000h

-0.5°C

1111111111111000

FFF8h

-10.125°C

1111111101011110

FF5Eh

-25.0625°C

111111100111111

FE6Fh

-55°C

1111110010010000