利用单片机结合传感器技术而开发设计的智能火灾报警系统论文.docx

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利用单片机结合传感器技术而开发设计的智能火灾报警系统论文

摘要

随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高，火灾报警器也随之被广泛的应用于各种场合。

本设计是利用单片机结合传感器技术而开发设计的智能火灾报警系统。

设计目的是设计和实现一种分布式智能火灾报警控制系统，实现系统软硬件的组成和实现。

论文中主要针对智能火灾报警器系统中的各个组成部件进行了介绍，对它的主控电路和外围设备电路之间的接口技术，还有软件方面进行了重点介绍。

设计以MCS-51单片机为硬件核心实现智能火灾报警系统的设计。

文中选用MQ-2型半导体烟雾传感器实现烟雾的检测；选用DS18B20数字温度传感器实现温度的检测；使用ADC0809对MQ-2采集的模拟信号进行A/D转换，以便单片机处理。

由于ADC0809的时钟信号通常为500KHz，故而选用74LS74进行分频。

单片机处理数据后，与设定的上限值进行比较，超过上限值时，发出指令，实现光报警，达到预期的效果。

关键词：

火灾；单片机；报警器；ADC0809；传感器

Abstract

Withthemodernfamilytheuseoffire,electricityconsumptionincreases,householdsaremorefrequentfires,firealarmalsowillbewidelyusedinvariousapplications.Thisdesignistheuseofmicrocomputerwiththesensortechnologydevelopmentanddesignofintelligentfirealarmsystem.Designpurposeistodesignandimplementationofadistributedintelligentfirealarmcontrolsystem,andthecompositionandrealizationofhardwareandsoftware.Themainthesisofintelligentfirealarmsystemofthecomponentpartshavebeenintroduced,itsmaincontrolcircuitandperipheralcircuitsinterfacebetweentechnologyandsoftwarewerealsohighlighted.

DesignedtoMCS-51microcontrollercoreforthehardwarerealizationofintelligentfirealarmsystem.AselectionMQ-2-typesemiconductorSmokeSensorsdetectsmoke;optionaldigitaltemperaturesensorDS18B20Temperaturemeasurement;useoftheMQ-2ADC0809analogsignalsacquisitionA/Dconverterforsinglechipprocessing.AstheADC0809clocksignalisusually500KHz,Guer74LS74forfrequencyselection.MCUprocessingdata,andsettheupperlimitcomparison,overthelimit,givedirections,toachievesoundandlightalarm,toachievethedesiredresults.

Keywords：

Fire，MCU，alarmapparatus，ADC0809，sensor

第1章概述

近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机[1]的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益得更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

随着科学技术的不断发展，火灾报警[2]器因其具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点正在向各个领域渗透，在家用电器、安全保卫以及人们日常生活中广泛应用。

本文给出STC89C51单片机的工作原理，传感器[3]与ADC809和C51[4]的连接[5]方式和单片机软件解码应用程序，并提供了对火灾采集信号检测的应用程序。

本文给出用软件方式实现火灾报警的单片机程序，对于硬件电路，采集信号由MQ-2[6]和DS18B20完成，而接受部分则只需要在单片机系统中添加一个A/D[7]芯片就可完成。

火灾报警技术的发展概况

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，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的智能火灾报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的智能[8]火灾报警器是非常必要的。

火灾报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段:

第一阶段为多线型火灾自动报警系统，每个探测器除需提供两根电源线外，还需提供一根报警信号线，探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯，如日本“日探”公司生产的CPF火灾报警系统。

此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能（也为多线制），如驱动蜂鸣器等，其报警器对外围探测器，无故障检测功能，只会对电源线的断线作出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是校线工作量较大。

第二阶段为总线型火灾自动报警系统，已采用微处理器控制。

其线制一般有四线制、三线制、二线制。

探测器和模块通过总线与控制器实现信号传送。

其探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整。

此类系统可通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制。

此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区分。

目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品。

由于此类产品具有先进的报警和控制功能，施工、安装较为方便，且价格较低，己被大量使用。

第三阶段为智能型火灾自动报警系统，由于采用了先进的计算机控制技术，智能化程度大大提高，探测器的报警形式采用模拟量，并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。

对探测器的使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报。

智能火灾报警系统

火灾自动报警系统属于楼宇自动化范畴，是当前楼宇自动化的一个主要构成系统。

其设置目的是为了防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。

火灾报警技术是预防火灾的一项基础工作，应用范围广泛。

报警早，损失少，不仅对发生火灾的单位和个人具有重要作用，而且对公安消防监督机构及时扑灭火灾、减少人员伤亡和财产损失同样具有十分重要的现实意义。

火灾自动报警系统由触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置及具有其他辅助功能的装置组成。

随着电子技术和计算机技术的迅速发展，火灾自动报警系统的结构、形式越来越灵活多样，很难精确划分为几种固定的模式。

火灾自动报警技术趋向于智能化系统，这种系统可组合成任何形式的火灾自动报警网络形式，既可以是区域报警系统，又可以是集中报警系统或控制中心报警系统形式。

所谓智能火灾自动报警系统，应当是：

使用探测器件[9]将火灾发生期间所产生的烟、温等信号以模拟量形式，连同外界相关的环境参数一起传送给报警器，报警器再根据获取的数据及内部存储的大量数据，利用火灾模型判据来判断火灾是否存在，这样的系统称为智能火灾自动报警系统。

从传统型走向智能型，是国内外火灾自动报警系统技术发展的必然趋势。

智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理和控制于一体的控制系统，代表了当前火灾报警系统的发展方向。

随着科学技术的迅猛发展以及国内外经济的迅速增长，市场上迫切需要一种容量大、性能优越、可靠性高、便于安装、使用和维护的智能型火灾报警控制系统。

在本次设计中采用了感烟效果好、灵敏度高的MQ-2烟雾传感器和DS18B20数字温度传感器来完成设计要求。

智能火灾自动报警控制系统具有如下特点：

（1）为全面有效地反映被监视环境的各种细微变化，智能系统采用了设有专用芯片的模拟量探测器，对烟雾和灰尘等影响实施自动补偿，同时有数字量的探测器，直接将采集的信号信息送入控制器进行自动处理，从而为实现各种智能特性、解决无灾误报和准确报警奠定了技术基础；

（2）系统采用主从式网络结构，解决了对不同工程的适应性，又提高了运行的可靠性；

（3）利用全总线计算机通信技术，既完成了总线报警，又实现了总线联动控制，彻底避免了控制输出与执行机构之间的长距离穿线布管，大大方便了系统布线设计和现场施工。

（4）基于单片机的灵活性，可对整个系统进行扩展，实现更多的功能。

课题研究的意义

随着生产和生活的迅猛发展，消防安全显得越来越重要。

本文就智能火灾报警系统中探测器的选型及单片机联动设计方案的合理选择等问题，结合在实际工程中的应用，作初步探讨，供参考。

伴随着科学技术的不断进步，智能火灾报警系统必将得到更快的发展。

智能火灾报警控制器是一种能向火灾探测器供电、接收、显示和传递火灾报警等信号的报警装置，它是智能火灾报警系统的重要组成部分。

在智能火灾报警系统中，火灾探测器随时监视着周围环境的情况，是系统的“感觉器官”。

火灾报警控制器则是该系统的“躯体”，“大脑”，是系统的核心。

火灾报警控制器担负着为火灾探测器提供稳定的工作电源;监视探测器及系统自

身的工作状态:

接受、转换、处理火灾探测器输出的报警信号:

进行声光报警；同时执行相应辅助控制等任务。

本章小结

传感器技术经过十几年的发展，因其具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点正在向各个领域渗透，而单片机的应用正在随着计算机在社会各个领域的渗透不断地走向深入，将单片机与传感器技术有机的结合起来，既方便了人们的日常生活，又推动了科学的发展。

如今，将单片机技术恰当的应用在传感器技术中，是技术进步的必然结果。

第2章方案设计

系统的主要功能及原理

目的和要求

本次设计是设计和实现一种分布式智能火灾报警控制系统，实现系统软硬件的组成和实现。

实时、准确报警和可靠的联动控制，使系统可靠性高、灵活性强、人机界面友好。

设计成果能对室内烟雾（CO2，CO[10]，甲烷等）及温度突变进行报警，烟雾和温度同时出现异常，则说明有火灾，发出火灾警报。

通过设计熟悉51单片机的使用方法、ADC0809和DS18B20、MQ-2传感器[11]等芯片的工作原理及其使用，并通过Keil[12]编程往单片机上下载程序，进而实现对外接在单片机上的电路控制报警系统，驱动扬声器，达到预期效果。

在智能火灾报警系统设计过程中，根据设计要求编写程序，绘制Protel[13]原理图来达到设计的最优化和理想化、实用化。

系统的工作原理

本文的智能火灾报警系统[14]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[15]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。

此系统的总体模块框图如图1所示。

图2.1模块框图

系统芯片的选择

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，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。

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。

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。

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。

系统的结构原理框图

图2.2智能火灾报警系统结构原理框图

本章小结

本章主要介绍了系统传感器和控制芯片的选择。

本设计首要的一个关键任务就是掌握传感器的工作方法及编码和解码，才能完成对火灾信号的接收，即在了解传感器的是使用方法后，将传感器技术应用到单片机中，发出控制指令，然后实现报警。

第3章硬件模块设计

在本设计中，最小单片机系统设计选用了STC89C51RC单片机进行控制。

下面就将各个部分电路设计给予介绍。

单片机主控处理模块

STC89C5RC是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。

片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大STC89C5RC单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

主要性能参数：

STC89C5RC单片机主要包括中央处理器、定时/计数器、并行接口、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线三大总线。

（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）：

STC89C5RC共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

（5）数据存储器（RAM）

STC89C5RC内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

（6）全双工串行口：

STC89C5RC内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

（7）中断系统：

STC89C5RC具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

STC89C5RC单片机中的芯片均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，如图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。

图3-1STC89C5RC管脚图

引脚的功能加以说明：

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

表3-1P1口第二功能

引脚号

第二功能

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）