基于单片机的火灾报警系统的设计与实现毕业论文.docx
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基于单片机的火灾报警系统的设计与实现毕业论文
摘要
随着现代信息技术的飞速发展和工业自动化技术的逐步实现，人们对建筑物内的安全性和灾害预警系统更加重视，为预防楼房内的火灾，人们已采取许多方法来防范火灾的发生。
其中就包括通过信息化和自动化的方法来检测楼房内的烟雾和温度，达到检测火灾的目的。
本论文以电阻式烟雾传感器和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，以AT89S52单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的火灾报警器可实现报警、故障自诊断、浓度级别显示、报警限设置、温度显示及与温度报警值设定等功能。
是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。
关键词：
火灾报警；单片机；烟雾传感器；温度传感器；
Abstract
With the rapid development of modern information technology and industrial
automation technology gradually realize, people on the structures within the safety anddisaster warning system more attention, to prevent the fire in the building, people have taken many methods to prevent fire. Including through informatization and automated method to detect the smoke in the building and temperature, achieve the purpose of firedetection.
Inthispaper,resistancetypesmokesensorandsingle-chipmicrocomputerasthecoretechnologyandelectronictechnology,designsatechnologybetterfirealarm.TheselectionofMQ-2typesemiconductorgassensitiveelementsmokesensorsmokedetection.TheselectionofAT89S52chip,theintegrationoftheA/Dconversion,hardwaremultiplier,hardwarepulsewidthmodulatorandotherresources.WithAT89S52MCUandMQ-2typesemiconductorresistortypesmokesensorasthecoredesignofthefirealarmcanalarm,faultdiagnosis,concentrationleveldisplay,alarmlimitsettings,temperaturedisplayandtemperaturealarmvaluesettingandotherfunctions.Isakindofsimplestructure,stableperformance,convenientoperation,lowprice,intelligentfirealarm,hasacertainpracticalvalue.
Keywords:
Firealarm;Singlechipmicrocomputer;Thesmokesensor;Thetemperaturesensor
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。
它威胁着人们的健康、生命和财产安全，一旦引发火灾，就能使成千上万的财产瞬间变为灰烬，其所造成的损失约为地震的五倍，仅次于干旱和洪涝灾害。
火灾是可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。
火，在给人类带来文明进步、光明和温暖的同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大的灾难。
据统计，我国70年代火灾平均损失接近2.5亿元，80年代火灾平均损失接近3.2亿元。
进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。
随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升[1]。
严峻的事实证明，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。
残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失[2]。
智能火灾自动报警系统就是为了满足这一需求而研制出的，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。
设置功能完善的控制系统及消防设施，对保障人民生命财产的安全，无疑是极为重要的。
随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。
伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展。
随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势，市场上迫切需要一种容量大、可靠性高、使用简单的火灾报警控制系统。
1.2火灾报警器的发展历程和发展现状
1.2.1火灾报警系统发展历程
火灾报警系统的发展也是经历了由单一品种发展成现在样式多样化的过程，由以前误报率较高、安装复杂和监测范围较窄变成现在测量较精准、安装简单、监测范围广等从发展过程来看，大体上可分为以下几个阶段：
第一阶段，从19世纪40年代至20世纪40年代，火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用的探测器主要是感温式的探测器，它通过采集温度信号，然后判定是否超出设定的阈值，从而判断是否有火灾发生。
这一阶段，火灾报警系统简单，仅靠单一的温度参量进行火灾判断。
但是它易受环境中其他干扰源的影响，灵敏度低，响应速度慢，无法判断引燃火灾，也无法满足智能化火灾报警系统的要求。
第二阶段，20世纪40年代末，瑞士物理学家EmstMeili研究的离子感烟探测器推出以后，引起了人们对离子感烟探测器的重视，随后感烟探测器得到广泛应用，并逐渐占据了绝大部分市场，迫使感温式探测器退居其次；到70年代末，光电式感烟探测器在光电技术的基础上发展起来，并很快得到大力发展，它的使用寿命长，抗干扰能力强，没有离子感烟探测器的放射性问题。
在这一阶段，火灾报警系统普遍采用多线制布局方式，布线、调试、系统可靠性是系统发展的瓶颈。
第三阶段，20世纪80年代初期，总线型火灾报警系统开始兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。
它使得布线工作量显著减少，安装调试更加容易，更能精确报警定位。
但是这一时期的火灾报警系统的智能化水平不高，采用有线连接对工程要求高。
第四阶段，从20世纪80年代中后期开始，随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代，智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾自动报警系统相继出现。
模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义[3]。
1.2.2国内外火灾报警系统的发展现状
国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。
据有关统计，美国1996~2002年烟雾传感器年均增长率为27%~30%。
随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广[4]。
我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。
但是由于国内的火灾报警系统较多的是进口产品或是靠引进技术，其系统的灵敏度、对环境变化的自适应能力、探测浓度范围、以及节电设计方面还有待进一步研究提高，在应用到市场之前还有很多问题需要解决[5]。
毫无质疑的是未来先进的火灾早期智能报警系统在随着科技水平的发展、市场推广的深入和全民火灾防范意识的不断加强，会被越来越多的用户所推崇，应用领域也会延伸至多种行业，火灾系统也会应技术的创新而不断发展更新。
1.3论文主要内容及结构安排
本次的火灾报警器设计中由单片机AT89S52芯片、DS18B20芯片和烟雾传感器为核心，辅以必要的电路，如上下限设置按键、紧急报警等。
实现了对各个单元的有效控制，本文分五章对系统设计进行了详细介绍，各章节安排如下：
第1章简要介绍了火灾报警器的发展现状，提出了研究课题，介绍了论文的章节安排。
第2章本章给出了总体方案的论证与设计，其中提出了设计要求。
第3章本章主要是对火灾报警器各个功能模块进行设计。
并且分别阐述了各个功能模块的工作原理、具体工作过程以及硬件连接。
第4章本章主要研究了在电路的基础上设计相应的软件程序，说明程序运行过程，给出各个功能模块应用程序的流程图。
第5章本章主要介绍系统的调试，包括使用的软件、调试环境和软件调试过程，给出了调试软件的成功运行结果。
第2章总体方案论证与设计
2.1设计要求
本系统以AT89S52单片机为中央处理器，利用单片机采集温度，用4位数码管显示温度值，设置三个按键调整报警温度值，当温度超出所设定的上下限范围时，开始报警。
系统硬件电路主要分为温度电路、键盘电路、烟雾A/D转换电路、声音报警电路、显示电路五个部分。
当烟雾传感器检测到火灾释放的烟雾时，将信号传送的ADC0832进行处理模数转化再到单片机进行处理，当检测到浓度超标时，进行报警，同时，此系统还可以检测温度，火灾发生往往环境温度会升高。
到检测到温度超过设定的报警温度的时候，进行报警。
设置三个按键，紧急报警按键，可人为报警和取消报警即手动报警。
左面第一个是报警温度的设置，按一次进入报警温度上限设置此时，进行上限温度设置，并闪烁显示。
按两次进入报警温度下限设置，进行下限温度设置，闪烁显示。
按三次进入报警烟雾浓度级别设置此时出现1，进行浓度级别设置，闪烁显示。
第二个按键是减小键，按一下减小1。
第三个按键是增加键，按一下增加1。
2.2总体设计方案
综合上述，本设计的火灾报警器由火灾探测部分（温度和烟雾传感器）、报警控制器（单片机）、报警和显示部分（数码管）组成，也就是一个系统的输入部分、处理部分、输出部分。
火灾探测部分通过对火灾发出的气体烟雾和温度的探测，将探测到的信号转化成数字信号传递给控制器也就是单片机。
单片机将接收到信号后经分析处理后判断是否发出报警信号，并在屏幕上显示当前温度和烟雾浓度。
如果判断有火灾，报警器在单片机的指挥下进行报警警示火灾的发生。
系统硬件组成框图如图2-1所示。
图2-1总体硬件组成框图
2.3各功能模块方案选择
2.3.1单片机控制模块
方案一：
采用AT89C51芯片作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
方案二：
采用AT89S52芯片，片内ROM全都采用FlashROM；能以3V的超低压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏[6]。
比较以上两种方案，方案二有明显的优点，因此选择方案二。
2.3.2七段LED数码管显示模块
方案一：
采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字和图形，显示多样，清晰可见，但是价格昂贵，需要的接口线多，所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。
方案二：
采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以也不用此种作为显示[7]。
方案三：
采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格适中，对于显示数字最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机接口线少。
比较以上两种方案，方案三有明显的优点，因此选择方案三。
2.3.3DS18B20温度测量模块
方案一：
采用热敏电阻，可满足40℃至90℃测量范围，虽然热敏电阻精度高、重复性较好，但可靠性差，对于检测误差在1摄氏度范围内的信号是不适用的。
方案二：
采用DS18B20温度传感器，输出信号全数字化，可直接与单片机连接，便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路，且该传感器的物理化学性很稳定，它能用作工业测温传感器。
在0~100℃时，最大线形差小于1℃，同时DS18B20传感器的最大特点之一就是采用了单总线的数据传输，提高了信号的稳定性和精度[8]。
比较以上两种方案，我们选用可靠性比较高、便于控制的DS18B20传感器芯片实现温度测量。
因此选择方案二。
2.3.4烟雾传感器模块
方案一：
采用MP135型半导体空气污染敏感元件，由加热器以及微型A1203陶瓷基片上形成的金属氧化物半导体材料构成。
当有被检测气体存在时，空气中该气体的浓度越高，传感器的电导率就越高，使用简单的电路即可将这种电导率的变化转换为与气体浓度对应的输出信号。
但是这种传感器价格高，驱动电路复杂，对烟雾固体小颗粒灵敏度低。
方案二：
采用MQ-2烟雾传感器，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，这种传感器灵敏度高，性能稳定，对烟雾固体小颗粒灵敏度高，价格低，而且驱动电路简单[9]。
比较以上两种方案，我们选用价格便宜、驱动电路简单的MQ-2烟雾传感器实现烟雾浓度测量。
因此选择方案二。
2.3.5报警模块
方案一：
语音报警，电路复杂。
方案二：
采用蜂鸣器实现用声音报警。
价格便宜，电路简单，易于实现。
比较以上两种方案，我们选用价格便宜的蜂鸣器实现用声音报警。
因此选择方案二。
2.4本章小结
本章给出了各个模块的方案论证，比较与选择。
经过多方比较，我们最终确定出各个模块的最佳方案。
控制模块采用单片机AT89S52芯片，显示模块采用七段LED数码管来实现，温度测量模块采用DS18B20传感器来实现，烟雾浓度测量模块采用MQ-2型烟雾传感器，报警模块采用蜂鸣器报警。
第3章系统硬件设计
为了使本设计具有更加方便和灵活性，我们对系统的硬件做了精心设计。
电路系统硬件电路主要分为温度电路、键盘电路、烟雾A/D转换电路、声音报警电路、显示电路五个部分。
3.1单片机最小系统电路设计
3.1.1单片机简介
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
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0赫兹静态逻辑操作，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。
该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。
片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。
通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。
它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低[10]。
3.1.2单片机管脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
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。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，此时可用作输入口。
P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。
在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
P3口还用于一些复用功能，在对Flash编程和程序校验期间，P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。
在SFRAUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。
DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。
ALE/PROG：
地址锁存允许信号。
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；此时，ALE只有在执行MOVX、MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
程序存储器允许信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
它用于读外部程序存储器。
在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。
EA/VPP：
外部存取允许信号。
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
振荡器的反相放大器输出[11]。
3.1.3单片机的最小系统
AT89S52单片机为40引脚双列直插芯片。
MCS-51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地作输出或输入[12]。
单片机的最小系统如下图3-1所示,18引脚和19引脚接时钟电路，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出。
第9引脚为复位输入端，接上电容，电阻及开关后够上电复位电路，20引脚为接地端，40引脚为电源端。
晶振采用12MHZ。
由于单片机只访问片内FlashROM并执行内部程序存储器中的指令，因此单片机的31脚接高电平VCC。
单片机最小系统如图3-1所示。
图3-1单片机最小系统
3.2DS18B20测温电路
3.2.1DS18B20传感器简介
本设计采用DS18B20温度传感器，该传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
3.2.2DS18B20管脚及寄存器说明
（1）DS18B20的引脚排列
GND：
地信号
DQ：
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
VDD：
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
（2）DS18B20的性能特点
独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；零待机功耗；温度以９或１２位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
64位ROM的结构开始８位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后８位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。
（3）DS18B20的寄存器说明
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EPRAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3所示。
头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
该字节各位的定义如图3所示。
低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率[13]。
3.2.3DS18B20传感器与单片机的连接
DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。
另一种是寄生电源供电方式。
DS1302与单片机的连接仅需3条线：
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