火灾自动报警系统设计.docx
《火灾自动报警系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《火灾自动报警系统设计.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
火灾自动报警系统设计
XXXXXXXXXXXXXXXX学院
本科毕业论文（设计）
题目火灾自动报警系统设计
指导教师XXX职称副教授
学生姓名XXXX学号XXXXXXXXX
专业通信工程班级通信一班
院（系）电子信息工程学院
完成时间2010年04月23日
火灾自动报警系统设计
摘要
本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一火灾自动报警系统。
本设计将采用DS18B20数字温度传感器，可将温度信号直接转换成数字信号送给单片机，电路简单，成本低；同时可设置温度报警值，实现声光报警。
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。
采用SMC1602A液晶显示模块可以直观的显示实时温度和气体浓度。
选用最常用的AT89S51单片机对所采集的数据进行处理。
该火灾自动报警系统结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉，具有一定的实用价值。
关键字火灾自动报警系统/单片机/MQ-2
DESIGNOFAUTOMATICFIREALARMINGSYSTEM
ABSTRACT
ThisarticleusedtheSingleChipMicrocomputerandsensortechnologytodevelophasdesignedthisautomaticfirealarmingsystem.ThisdesignwillusetheDS18B20digitaltemperaturesensor,thetemperaturesignalcanbeconverteddirectlyintoadigitalsignalandsendtotheSingleChipMicrocomputer,thecircuitissimpleandlowcost;Atthesametime,wecansetthelimitingtemperature,andachievethesoundandlightalarm.InwhichselectstheMQ-2semiconductorresistancetypesmogsensorrealizesthesmogexamination,hasthehighsensitivity,quicklyresponds,strongantijammingabilityandsoonthemerits,moreoverthepriceisinexpensive,theservicelifeislong.LiquidCrystalModulecanbeusedtheSMC1602Avisualdisplayrealtimetemperatureandgasconcentration.Themostcommonlyused89S51SingleChipMicrocomputerusedonthedatacollectedforprocessing.Thisautomaticfirealarmingsystemissimplestructure,stableperformance,easytouse,lowcost,andhascertainpracticalvalue.
KEYWORDSAutomaticfirealarmingsystem,SingleChipMicrocomputer,MQ-2
1绪论
1.1课题背景
火灾报警系统是各行各业必需的一种安全系统网络，可靠的监测与数据传输是该系统非常重要的环节。
现代化的建筑规模大、标准高、人员密集、设备众多，对防火要求极为严格。
随着我国经济建设的发展，各种高层建筑、大中型商业建筑、厂房不断涌现，对消防报警系统提出了更高更严的要求。
为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，保卫社会主义现代化建设，在现代化的工业民用建筑、宾馆、图书馆、科研和商业部门，火灾自动报警系统已成为必不可少的设施。
工程设计、安装和使用是否正确不仅直接影响到建筑的消防安全而且也直接关系到各种消防设施能否真正发挥作用。
因此，火灾报警系统的设计显得尤为重要。
火灾自动报警系统能够在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量和光辐射等物理量，通过感温、感烟和感光等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，提醒人们注意火灾的发生。
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，其系统复杂、成本较高。
而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种简单的、廉价实用的火灾自动报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的火灾自动报警系统是非常必要的。
1.2设计目的与基本要求
目的是设计一个由单片机控制的火灾自动报警系统，采用温度传感器和烟雾传感器，对温度及烟雾的情况进行实时监测，能对周围环境的温度及烟雾的突变进行报警。
通过这个设计提高自己对单片机的使用能力，了解和掌握温度传感器和烟雾传感器的使用，巩固自己在大学所学知识，增强自己的实际操作能力。
要求所设计的火灾自动报警系统能够对温度和烟雾进行实时监测，出现异常状况能够进行报警，起到早期发现火灾和通报火灾的作用。
1.3主要应用方向与设计构思
本设计主要用于居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，是为人们提供的一种简单的、廉价实用的火灾自动报警装置。
本火灾自动报警系统应由触发器件、警报装置、显示装置以及数据处理等装置组成。
触发器件包括自动或者手动产生报警信号的器件，如DS18B20温度传感器，MQ-2气体传感器，手动报警按钮。
警报装置包括声音报警装置（蜂鸣器）和光报警装置（LED灯）。
显示装置是SMC1602A液晶显示模块，能够实时显示由DS18B20温度传感器和MQ-2气体传感器所传送的数据。
采用AT89S51单片机作为主控芯片进行数据处理和各项操作。
其中MQ-2气体传感器需要配置放大电路和A/D转换模块对其信号进行处理，采用LM324芯片做放大电路，ADC0804芯片制作A/D转换模块。
2系统硬件组成和基本工作原理
2.1系统工作原理
本火灾自动报警系统中，以AT89S51单片机为主控核心，使用DS18B20温度传感器采集温度信息，使用MQ-2气体传感器采集气体信息。
DS18B20采集的数据为数字信号，可以直接发送至单片机进行处理。
MQ-2气体传感器输出的信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。
MQ-2半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC0804采集，信号经过A/D转换模块后传送进入单片机进行处理。
单片机内部程序中预先设定报警临界值，包括温度过高报警和气体浓度过高报警。
单片机正常工作后，判断所接收到的数据是否达到报警临界值，如果到达报警值单片机控制蜂鸣器和LED灯进行报警，如果没有达到报警值单片机继续接收并处理新数据。
如果单片机接收到报警按键信号，直接报警。
单片机实时向SMC1602A液晶显示模块输出显示信号，液晶显示模块显示周围环境温度和气体数值。
下图是系统工作原理框图：
图2-1系统原理图
系统电路图见附录1。
2.2控制器模块设计
在自动火灾报警系统的设计中，单片机是其核心部件。
单片机一方面要接收来自传感器送来的感应信号和故障检测信号，另一方面要对不同信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作，同时还要查询是否有按键按下的请求。
如今市面上比较普遍的单片机主要是89S51系列。
89S51单片机应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，编程灵活，控制简单，很适合我们所要制作的火灾自动报警系统。
2.2.1AT89S51单片机
AT89S51单片机是低功耗的、具有4KB在线课编程Flash存储器的单片机。
它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。
片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用非易失性存储器编程。
他将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制器。
图2-2AT89S51引脚图
AT89S51具有如下特性：
片内程序存储器含有4KB的Flash存储器，允许在线编程，擦写周期可达1000次；片内数据存储器内含128字节的RAM；I/O口具有32根可编程I/O线；具有两个16位I/O线；中断系统具有6个中断源、5个终端矢量、2个中断优先级的中断结构；串行口是一个全双工的串行通信口；具有两个数据指针DPTR0和DPTR1；低功耗节电模式有节电模式和掉电模式；包含3级程序锁定位；AT89S51的电源电压为4.0-5.5V；振荡器频率0-33MHz；具有片内看门狗定时器；灵活的在线片内编程模式（字节和页编程模式）；具有断电标志模式POF。
89S51相对于89C51增加的新功能包括：
新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低；ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，是一个强大易用的功能；最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度；具有双工UART串行通道；内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路；双数据指示器；电源关闭标识；全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
兼容性方面：
向下完全兼容51全部字系列产品，比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品，也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。
2.3显示模块设计
本火灾自动报警系统需要实现对周围环境温度和气体的实时监测，故需要显示模块来显示周围环境的温度和气体变量。
采用SMC1602A液晶显示模块可以实时清楚的显示周围环境变量，该液晶显示模块能够同时显示16x02即32个字符，也就是16列2行，便于独立显示温度和气体变量。
2.3.11602LCD介绍
1602字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符（16列2行）。
通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样。
图2-31620LCD图2-41620LCD电路
表2-11620LCD引脚功能
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
DB0
底4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8
DB1
底4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
底4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
底4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
2.3.21602LCD的使用方法
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'A’。
读的时候，先读上面那列，再读左边那行，如：
感叹号！
的ASCII为0x21，字母B的ASCII为0x42（前面加0x表示十六进制）。
1602通过D0~D7的8位数据端传输数据和指令。
显示模式设置：
（初始化）
00110000[0x38]设置16×2显示，5×7点阵，8位数据接口；
显示开关及光标设置：
（初始化）
表2-21602的16进制ASCII码表
00001DCBD显示（1有效）、C光标显示（1有效）、B光标闪烁（1有效）
000001NSN=1（读或写一个字符后地址指针加1&光标加1），
N=0（读或写一个字符后地址指针减1&光标减1），
S=1且N=1（当写一个字符后，整屏显示左移）
s=0当写一个字符后，整屏显示不移动
数据指针设置：
数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码（0-27H，40-67H）
其他设置：
01H（显示清屏，数据指针=0，所有显示=0）；02H（显示回车，数据指针=0）。
2.4温度采集模块设计
本设计的测温元件采用DS18B20数字温度传感器，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。
使用DS18B20数字温度传感器，可以感测周围环境温度变化，并将数据传送给单片机进行处理，实现周围环境实时温度的监测。
2.4.1DS18B20介绍
DS18B20数字温度计提供9位温度读数，指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线（和地）。
读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。
DS18B20具有独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信；多点能力使分布式温度检测应用得以简化；不需要外部元件；可用数据线供电，不需备份电源；测量范围从-55℃至+125℃，增量值为0.5℃。
等效的华氏温度范围是-67°F至257°F；以9位数字方式读出温度；在1秒（典型值）内把温度变换为数字；用户可定义的，非易失性的温度告警设置；告诫搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度告警情况）；应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统。
图2-5DS18B20封装图2-6DS18B20引脚图
2.4.2DS18B20的使用方法
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。
一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。
DS18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：
ROM只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。
数据在出产时设置不由用户更改。
DS18B20共64位ROM。
RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。
第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。
在上电复位时其值将被刷新。
第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。
第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。
第9个字节为前8个字节的CRC码。
EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。
在每一次读温度之前都必须进行复杂的且精准时序的处理，因为DS18B20的硬件简单结果就会导致软件的巨大开消，也是尽力减少有形资产转化为无形资产的投入，是一种较好的节约之道。
2.5气体采集模块设计
气体采集模块是能够检测环境中的烟雾等气体的浓度，并将其转换为数字信号传送至主控芯片，其最基本组成部分应包括：
气体信号采集电路、模拟放大电路、模数转换电路、单片机控制电路。
气体信号采集电路一般由气体传感器和模拟放大电路组成，将烟雾等气体信号转化为模拟的电信号。
模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。
2.5.1MQ-2传感器介绍
本设计中采用的MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。
MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器具有灵敏度高、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，维护成本较低等优点。
因此，本设计采用MQ-2气体传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。
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。
当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。
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，就会引起表面电导率的变化。
利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。
遇到可燃烟雾（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半导体型可燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。
图2.7MQ-2型传感器的外观图2.8MQ-2型传感器的结构图
2.5.2MQ-2传感器的特性及主要技术指标
MQ-2型传感器的一般特点：
对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感；具有良好的重复性和长期的稳定性，初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好；电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。
MQ-2型传感器的初期稳定特性：
半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。
这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。
再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。
一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电存放时间达到15天左右时，初期稳定时间一般需要五分钟左右。
MQ-2半导体烟雾传感器一般要在较高的温度（200~450°C）下工作，所以需要对其加热。
由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相连，当加热丝局部短路造成器件过热或者放电时，可能引发事故。
所以必须使用传感器生产厂家推荐的加热电压，使其工作在较安全的范围内。
2.5.3气体采集模块
MQ-2传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。
本系统采用的MQ-2半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。
常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。
LM324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。
信号经由LM324运算放大器放大后进入ADC0803模数转换模块，ADC0804可以将输入的模拟信号转换成数字信号，然后再将数字信号传送给单片机处理。
图2-9气体采集电路图
ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片。
分辨率8位，转换时间100μs，输入电压范围为0~5V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。
该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。
图2-10ADC0804引脚图
PIN1（CS）：
ChipSelect，与RD、WR接脚的输入电压高低一起判断读取或写入与否，当其为低位准（low）时会active。
PIN2（RD）：
Read。
当CS、RD皆为低位准（low）时，ADC0804会将转后的数字讯号经由DB7~DB0输出至其它处理单元。
PIN3（WR）：
启动转换的控制讯号。
当CS、WR皆为低位准（low）时ADC0804做清除的动作，系统重置。
当WR由0→1且CS＝0时，ADC0804会开始转换信号，此时INTR设定为高位准（high）。
PIN4、PIN19（CLKIN、CLKR）：
频率输入/输出。
频率输入可连接处理单元的讯号频率范围为100kHz至800kHz。
而频率输出频率最大值无法大于640KHz，一般可选用外部或内部来提供频率。
若在CLKR及CLKIN加上电阻及电容，则可产生ADC工作所需的时序。
PIN5（INTR）：
中断请求。
转换期间为高位准（high），等到转换完毕时INTR会变为低位准（low）告知其它的处理单元已转换完成，可读取数字数据。
PIN6、PIN7（VIN（+）、VIN（-））：
差动模拟讯号的输入端。
输入电压VIN＝VIN（+）－VIN（-），通常使用单端输入，而将VIN（-）接地。
PIN8（AGND）:
模拟电压的接地端。
PIN9（VREF∕2）︰模拟参考电压输入端。
VREF为模拟输入电压VIN的上限值。
若PIN9空接，则VIN的上限值即为VCC。
PIN10（DGND）︰数字电压的接地端。
PIN11~PIN18（DB7~DB0）︰转换后之数字数据输出端。
PIN20（Vcc）︰驱动电压输入端。
2.6报警电路模块设计
本设计采用蜂鸣器和LED流水灯作为报警装置。
通过判断所接收到的数据来确定是否报警，所接受到的数据主要来自温度传感器、气体传感器和按键。
2.6.1蜂鸣器
当单片机接收到超额温度信号或气体信号时,输出脚BELL输出高电平,Q1导通，致使蜂鸣器BELL得电工作，发出报警声。
图2-11蜂鸣器电路
2.6.2流水灯
本设计使用了8个LED灯，当单片机接收到超额温度信号或气体
升级会员 