基于单片机的火灾自动报警系统设计.docx

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基于单片机的火灾自动报警系统设计

摘要

随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段--传感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。

传感器技术成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。

因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

本论文采用温度传感器AD590、烟雾传感器TGS202、A/D转换芯片ADC0809的选择以及与单片机的接口电路设计。

其中采用TGS202型传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、结构简单、响应快、抗干扰能力强、性能稳定、智能化、实用价值高等优点，而且价格低廉，使用寿命长。

关键词单片机烟雾报警器传感器

目前，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活得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，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。

本系统可安装在各防火单位，它负责不断地向所监视的现场发车巡检信号，监视现场的温度、浓度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较、判断确定火灾。

当发生火灾时，可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾传感器，具有一定的实用价值。

关键词单片机火灾报警传感器

ABSTRACT

Now,withelectronicproductsusedinhumanlifemoreandmorewidely,theresultingfire,moreandmore,weliveinfirehazardslurkingaroundeverywhere.Toavoidfiresandreducefirelosses,wemustfollowthe"hiddendangersfireinpreventionisbetterthandisasterrelief,theresponsibilityisextremelyheavy,"theconceptdesignandimprovementofautomaticfirealarmsystem,firenippedinthebud,themaximumreducethelossofsocialwealth.

Thesystemcanbeinstalledinallfireunits,whichisresponsibleforcontinuouslymonitoringthesitetostarttheinspectionsignal,monitorthesiteoftemperature,concentration,andcontinuousfeedbacktothealarmcontroller,thecontrollerwillreceivethesignalandthenormalmemorysettingvaluewasdeterminedbycomparingtodeterminethefire.Whenfireoccurs,canachievesoundandlightalarm,faultdiagnosis,concentrationdisplay,alarmlimitsettings,delayalarmandserialcommunicationwiththehostcomputerisasimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensive,intelligentsmokesensor,hassomepracticalvalue.

Keywords：

SCMfirealarmsensor

第1章绪论

1.1选题背景及意义

概述

火灾自动报警系统，一般由火灾探测器，区域报警器和集中报警器组成；也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。

既由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。

火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生阶段，将伴随产生烟雾、高温格火光。

这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或者使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。

火灾报警器的发展趋势

二十多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。

国外的产品和品牌一统天下，占领中国的大部分市场。

由于中国的建设正在飞速发展带来的成果只能由外国企业来瓜分？

可幸的是中国企业抓住了机遇，顶住了挑战，先是一批归家的科研院所，后是一批国营企业，民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就是自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品志愿招架之功，这是典型的自力更生，走自己的路。

当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚启动。

中国企业正虎视眈眈，准备进军海外市场。

火灾报警器的现状及特点

消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备，信息传输设备，报警分析控制器，消防控制联动。

是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。

依托中国多年的基于建设的发展，这个行业得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。

在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游制造和服务，分取极少一部分的利润，象消防报警器产品那样拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。

在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大、许多指标已经超越，存在的问题是：

类似于国外消防报警产品大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权。

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，是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。

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年代火灾平均损失不到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。

严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，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上网，为社会减少不必要的损失。

随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，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。

智能化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。

1.2本文所做的工作

本文采用气体传感器、温度传感器、AT89S52单片机以及LED显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。

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。

本系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为处理器，主要完成以下工作：

1.基于AT89S52的火灾报警检测设计方案。

2.温度传感器AD590、烟雾传感器TGS202、A/D转换芯片ADC0809的选择以及与单片机的接口电路设计。

3.LED数码管驱动芯片ICM7218与单片机的接口电路及其与数码管的硬件连接。

4.设计主要软件程序模块，完成软件设计。

第2章火灾自动报警系统的工作原理

2.1系统总体功能概述

火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。

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）、光（火焰）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。

区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出声光报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。

集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，利用本机专用电话还可迅速发出指示和向消防队报警。

此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。

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火灾报警系统的类型

根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为以下四种：

（1）感温型火灾报警系统

由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。

感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判断报警的目的。

根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等几种。

（2）感烟型火灾报警系统

烟雾是早期火灾的重要特征之一。

在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。

感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。

感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。

（3）感光型火灾报警系统

物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。

感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。

根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。

（4）复合型火灾报警系统

如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。

目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。

2.3火灾探测器的原理

火灾发生时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光，探测器对这些都很敏感。

当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。

火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类：

（1）感烟探测器。

一种是离子感烟探测器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。

在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。

一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号。

还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。

还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，他的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。

近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。

这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。

（2）感温探测器。

一种是运用金属热胀冷缩的特性。

正常的情况下，探测器的电路断开，当温度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。

一种是利用某些金属易熔的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它的熔点（70～90℃）时，金属熔化，借助弹簧的作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。

这两种探测器都属定温型，即当外界温度超过某一限值时就会报警；还有一类是差温型，升温的速度超过特定值时，便会感应报警。

如将两者结合起来，便成为差定温组合式。

（3）光辐射探测器。

一种是红外光辐射探测器。

物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。

另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路报警。

火灾报警器是重要的安全设备，一切重要的场所，如大型物资仓库、隧道、大型船舶、高层建筑都应该安装。

它还可以与自动灭火设备一起组成自动报警、自动灭火的“自动消防队”。

2.3烟雾传感器的介绍

烟雾传感器属于敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化成电器或者电流信号，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。

传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。

由此可见，传感器的选型是非常重要的。

当火灾发生时，它能把火灾产生的各种非电量参数（如烟雾，温度）变成电量参数传送给控制器；其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数的变化而变化，火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：

气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类。

方案一：

感温探测器

感温火灾探测器是对火灾现场温度参数响应的火灾探测器。

按照它对环境温度或温度变化的响应，可分为：

定温、差温、差定温三种形式。

单一的感温探测器灵敏度低、探测范围小，对阴燃情况不响应，因此不适用于火灾早期的探测。

方案二：

感烟探测器

感烟探测器主要响应燃烧或热解产生的固体液体微粒即烟雾粒子的探测器，主要用来探测可见或不可见的燃烧产物及起火速度缓慢的初期火宅。

感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在不太好的环境条件场所也会比较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中。

感温探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热。

方案三：

气体探测器

气体检测仪是一种检测气体浓度的仪器，该仪器适用于存在可燃或有毒气体的危险场所，能长期连续检测空气中被测气体爆炸下限以内的含量。

可广泛应用于燃气，石油化工，冶金，钢铁，炼焦，电力等存在可燃或有毒气体的各个行业，是保证财产和人身安全的理想监测仪器。

方案四：

图像探测器

图像火灾探测器是针对室外、隧道和室内高大空间的特殊需求而开发的工业等级的火灾探测器。

该产品实现了“眼睛和大脑”的完美统一，能在各种复杂环境下对火情做出准确的判断，同时提供视频、网络、开关量三种报警方式，可灵活接入各类火灾报警体系。

方案五：

红、紫外火焰探测器

探测器可探测碳氢化合物燃烧火焰，如氢气、羟基化合物以及金属和无机物燃烧火焰火警。

探测器对紫外和红外传感器接收信号的频率、亮度和持续时间进行分析，任何一个传感器在接收到火焰发射频谱后都能够引发报警。

探测器能够在高/低温，高湿，震动等最苛刻的环境下工作。

烟雾浓度是早期火灾发生的重要特性参数之一，在较大范围的监视场所，烟雾探测器一直被广泛使用的火灾探测方法。

烟雾报警器就是通过监测烟雾浓度来实现火灾防范的，烟雾器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。

为了将人们的生命财产安全损失降至最低，为此本设计主要采用了能比较早检测到火情的烟雾传感器MQ-2进行设计。

第3章系统硬件设计

3.1核心芯片选择

1.芯片AT89S52

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、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，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是一个低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片内含4kBytes（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。

芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。

根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。

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的引脚图如图3-1所示：

图3-1DIP-40封装AT89S52引脚图

2、集成温度传感器AD590

图3-2AD590应用电路

AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端传感器，电路如图所示。

由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，及1

A∕K，，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10千欧的电阻R1和一个100欧的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC080。

通过调节可调电阻便可在输出端V

获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV∕K,温度0℃时输出为0，温度25℃时输出为2.982V。

这样便于A/D转换器采集数据。

AD590的应用电路如图3-2所示。

3、气体传感器TGS-202

火灾中气体烟雾主要是CO

和CO，TGS202气体传感器能探测CO

，CO，甲烷，煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。

如上图所示，当TGS202探测到CO

或CO时，传感器的内阻变小，V

迅速上升。

选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如CO浓度达到0.06﹪）时，V

端获得适当的电压（设为3V）。

电路图如图3-3所示。

4、数码管驱动芯片ICM7218

ICM7218是INTERSIL公司生产的一种性能价格比较高的通用8位LED数码管驱动电路,28脚双列封装,是一种多功能LED数码管驱动芯片,可与多种单片机接口使用。

ICM7218的输出可直接驱动LED显示器,不需外接驱动电路,工作电压为+5V,其构成的显示电路结构简单,使用方便。

同样由单片机向ICM7218写控制字及数据，编程部分像给外部RAM写数据一样简单。

当单片机写入模式控制字后，ICM7218以约定的方式接收显示数据并将数据写入静态显示RAM中。

数据接收结束，ICM7218在扫描控制电路的控制下，按设定的译码模式，以动态扫描显示方式向段显示驱动器和位控驱动器发出控制信号，直到下一个控制字写入前，不停地进行动态显示工作。

其引脚图和内部框图如图3-4所示。

3.2单片机外围接口电路

AT89S52单片机外围接口电路如图3-5所示，主要包括：

1.晶振电路：

内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHZ~12MHZ之间（该设计选用6MHZ），外接两个谐振电容。

该电容的典型值为30pF,该设计选用33pF。

2.复位电路：

单片机复位采用按键高电平复位，而单片机在平时则复位端为低电平0.

3.直流电源

图3-5单片机外围接口电路

3.3信号处理电路

对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性的要求。

在本报警器电路中，同样要对两类传感器的输出信号进行放大调理。

电路图如上图3-6所示，运算放大器接成电压放大电路。

从传感器采集过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信号。

采样时，把相应的模拟电压信号从Vi端送进LM324A进行放大处理后，从Vo端输出送入A/D转换电路。

3.4A/D转换模块

经气敏传感器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。

A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换常用芯片ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端分别接到ADC0809的IN0和IN1。

ADC0809的通道选择地址由AT89S52的P0.0～P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。

当P2.7=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。

其中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。

图中ADC0809转换结束状态信号EOC接到AT89S52的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。

在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。

由于ADC0809片内无时钟，故利用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。

因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHZ，则ALE信号的频率为1MHZ，经二分频后为500KHZ，与ADC0809的典型值吻合。

电路图如图3-7所示。

图3-7A/D转换电路

3.5声音报警电路

由AT89S52的21脚实现声音报警控制。

当可燃性气体浓度或温度超过限定值时，将P2.0置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。

其电路原理图如图3-8所示。

图3-8声音报警电路图

3.6数码管显示电路

数据采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，就被传送到系统的显示模块，让人们更直接地观察到相关数据。

在本系统中，对LED进行的是动态扫描，除了给显示器提供段的输入之外，还要对显示器进行位控制。

显示器的第一位显示所选择的通道号，而后三位则显示该通道传送进来的相应的数字量。

本系统显示用的4位七段数码管由数码管专用驱动芯片ICM7218A驱动，27、3、1、25、2、24、26脚分别接数码管的a、b、c、d、e、f、g，15、16、23、20脚为位选，分别控制4位数码管的亮灭，ID0~7为数据线，接单片机P0口，WRITE、MODE是写控制位和模式控制位，分别接单片机P3.6、P2.6。

其电路图如图3-9所示。

3.7状态指示灯及控制键电路

图3-10状态指示灯电路

图3-11控制按键连接示意图

状态指示灯及控制键电路如图3-10、3-11所示，单片机AT89S52的P2.2、P2.3、P2.4控制输出的状态指示灯。

绿灯亮表示正常状态，环境中没有火灾危险。

黄灯亮表示传感器加热丝发生断线或者接触不良。

红灯亮表示环境中烟雾浓度、温度超过报警限值，提醒用户尽快采取相应措施。

控制键电路采用独立式按键设计。

4个按键分别接到片。

P1.0、P1.1、P