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智能建筑报警系统设计论文

毕业设计说明书

题目：

智能建筑火灾报警系统

院（系）：

专业：

学生姓名：

学号：

指导教师：

职称：

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

年月日

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。

烟雾报警器也随之被广泛应用于各种场合。

本课题所研究的无线多功能火灾报警器采用STC89C51为核心控制器，利用气体传感器MQ-2、ADC0809模数转换器等实现基本功能。

通过这些传感器和芯片，当环境中烟雾浓度或可燃气体浓度等发生变化时系统会发出相应的灯光报警信号和声音报警信号，以此来实现烟雾报警，当烟雾达到一定的范围时，系统还可以加上驱动继电器工作，继电器可以驱动负载，如换气风扇、报警信号灯、消火栓水龙头开关等。

实现智能报警控制。

关键词：

气体传感器MQ-2；火灾报警；单片机；智能控制

Abstract

Alongwiththemodern homewithfire, electricityconsumption increases, thefrequencyofhomefiresisgetting higherandhigher. Smokedetectorshavealsobeenwidelyusedinvariousoccasions.

Thistopicresearchthemulti-functionwirelessfirealarmtheSTC89C51asthecorecontroller,usinggassensorMQ-2,realizethebasicfunctionssuchasADC0809adc.Throughthesesensorsandchips,whenthesmokeconcentrationintheenvironmentorcombustiblegasconcentrationchangesystemhaveacorrespondinglightalarmsignalsandvoicealarmsignal,inordertorealizethesmokealarm,whensmokereachesacertainscope,thesystemcanalsoadddriverelaywork,relaycandriveload,suchasventilationfan,alarmlights,firehydrantwaterfaucetswitch,etc.Intelligentalarmcontrol.

Keywords:

MQ-2gassensor; firealarm; MCU; intelligentcontrol

目录

摘要1

Abstract2

1绪论1

1.1课题的研究背景1

1.2课题的研究目的与意义1

1.3火灾报警器的发展与现状2

1.4课题的研究内容2

2火灾报警器的总体方案设计3

2.1系统的功能要求3

2.2系统的技术要求3

2.3系统的组成及方案设计3

3系统的硬件设计4

3.1主控电路5

3.2烟雾探测电路的设计8

3.2.1MQ-2介绍9

3.2.2ADC0809介绍10

3.3数码管显示电路设计13

3.4声光报警提示电路14

3.4.1灯光提示电路14

3.4.2声音报警电路15

3.5按键电路16

4系统的软件设计17

4.1软件介绍17

4.2系统程序流程图19

5火灾报警器的测试结果及结论20

5.1调试20

5.2结论21

致谢22

参考文献23

附录124

附录225

附录326

1绪论

1.1课题的研究背景

火灾作为一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，对人类生命财产和社会安全构成了极大的威胁。

由此引发的重大安全事故比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究。

火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。

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，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。

在过去的很长一段时间，人类不得不进行专题研究火灾过程中爆发，截至目前，已形成一个较为成熟的概念。

火灾的发生和发展过程是一个复杂的物理和化学过程，但也与环境很强的相关性。

正常情况下，发生火警，伴随着烟雾，温度，光照，信号产生的过程。

产生不同的环境和不同的火燃烧成分，烟雾粒度组成，温度分布和光谱的气体成分是不同的，所以火过程中涉及多个物理和化学参数，特点是强大的，一般的骚乱有着本质的不同。

基于上述特点，早起的火灾探测技术应运而生，特别是多的火灾探测技术被广泛采用在火灾探测领域，如复合材料的物理参数复合烟气温度探测器，使用不同的带光传感器的复合双波段火焰探测器。

在我国，随着经济的发展和生活水平的提高，工业与民用建设日趋增多，火灾发生的可能性也随之大幅提高。

另外，现代建筑物中塑料制品和玻璃的大量应用使火场内外部的求援行为困难重重。

现代建筑，尤其是在大型酒店，宾馆，商场，图书馆，博物馆，档案馆和办公楼及其他公共场所，对于火灾报警系统也提出了更高的要求。

一旦发生火灾将很难及时救助，势必要给国家和个人带来不可估量的损失。

基于上述情况，火灾自动报警技术便应运而生，火灾自动报警系统是始终警惕火灾报警和输出联动忠实的哨兵火灾信号的有力手段，是一种早期预警。

1.2课题的研究目的与意义

目的：

随着现代家庭用火，用电增加，家庭火灾发生的频率越来越高。

家庭火灾，很容易扑灭不及时，有着缺乏消防设备和在场的人战斗惊慌失措逃离缓慢的不利因素，最终导致的生命和财产的重大损失。

消防部门的统计数据显示，所有的火灾比例中，家庭火灾占全国火灾的30％。

家庭火灾的原因是多方面的，可能把我们的注意力，也可能隐藏在我们没有注意到的地方。

综上所述，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭眼间毁于一旦,有的导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当、报警迟缓,是造成人员伤亡的重要因素。

所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾的发生。

这就是我们研究声光报警器的目的。

意义：

在中国的一些大、中型城市，几乎每一天发生家庭火灾，所以每一个家庭必须始终关注防火。

如果能根据你家的实际情况，提前采取简单的防火措施，有些悲剧是完全可以避免的。

声音和视觉的报警，对减少火灾损失具有现实意义。

一系列悲剧性的损失，由国家从社会各界意识到，声光报警对火灾的报警的必要性。

据调查，在最近的火灾大部分的房子里还没有安装报警器。

因此声光报警，对发生火灾预防具有重要意义。

1.3火灾报警器的发展与现状

近年来，无线火灾报警系统在国外已被开发，并走向实用。

起初，无线火灾报警系统不仅是价格贵，还必须连接布线，这是只适合一些特殊的地方，检测设备的一部分。

今天，几乎所有的电气装置，可以通过无线遥控改变，可广泛应用于各类建筑和场所。

美国松柏公司（ITI）成立于1981年，是美国最大的无线报警系统制造商制造，其产品占90％的无线报警器在北美市场的年销售额已接近一亿美元。

该公司生产的无线火灾报警系统还通过了中国的“国家消防电子产品质量监督检验测试中心”的监测，该系统可作为火灾报警系统，但也可作为一个安全的系统，两者的结合，是一个高科技的无线安全系统。

火灾报警系统在中国相对较晚，与发达国家相比，20世纪70年代末的十年间，中国开始研制生产的火灾报警系统。

20世纪80年代后，国内各大厂商也大多是模仿国外产品，或引进国外技术生产的，没有真正意义上的核心技术，市场刚刚开始发展。

真正的火灾报警产品的发展也促进了市场的成熟，政府逐步开放的大门，在同一时间，外国公司开始进入中国的防火市场，带来先进的技术在20世纪90年代。

此期间，中国生产的火灾报警产品的企业也得到了快速发展，在一些企业中，技术合作，合资生产，并取得了不菲的成绩，但今天在市场上创造了许多强大的企业，有些技术已接近或赶上国际标准。

1.4课题的研究内容

烟雾报警器，主要检测可燃气体和烟雾，再通过单片机控制相应的声光报警。

通过数码管显示当前的烟雾值，通过按键设定相应的阀值。

该项目主要是为了完成任务，包括：

⑴硬件部分：

包括传感器的选择，显示模块的选择，烟雾信号转换电路的设计，报警驱动电路的设计。

（2）软件部分：

包括微处理器控制程序的编制和原理图的绘制。

（3）系统的综合调试与分析：

在软硬件完成以后，要对系统进行综合的测试与实验，分析系统的可靠性与实用性，调整系统的不足。

2火灾报警器的总体方案设计

本课题主要是实现烟雾报警和火灾发生时的报警及控制，下面分别对系统功能要求、系统技术要求及系统实现方案总体阐述。

2.1系统的功能要求

本系统的研制主要包括以下几项功能：

（1）火情探测功能：

为了提高火灾报警的准确性和及时性，火灾报警系统需要使用各种方法进行火灾探测。

在实际使用中，根据不同的防火场所，用户可以选用温度探测法、可燃气体检测法及烟雾探测法等合适的火灾探测方法，来有效的探测火灾；

（2）灯光报警功能：

当室内烟雾浓度过大、有火情产生、故障等异常情况发生时，报警器要进行灯光报警。

当烟雾超过最大设定值时，可以驱动火灾控制负载工作。

2.2系统的技术要求

在了解这个系统的工作原理以及功能之后，我们就可以基本确定系统的技术要求。

系统采用的单片机处理器成本都比较低，可以满足批量生产和各类工程的需求。

对于完整的一个系统而言，为提高市场的竞争力，这个系统应符合体积小、功耗低、数传性能可靠和成本低廉等技术要求。

具体指标和参数如下:

（1）体积小：

探测器的体积要尽可能的小，这样占用的空间才能减少，使用和更换才会方便；

（2）功耗低：

系统可以采用三节5号干电池供电或5v电源供电。

（3）可靠性高:

由数码管显示，可以灯光报警，也可以声音报警，二者同时进行。

提高报警可靠性。

2.3系统的组成及方案设计

本设计主要由烟雾探测传感器电路、单片机、灯光报警电路、负载驱动电路、控制程序和编解码程序等组成。

系统的组成结构如下：

图2-1系统的组成结构图

3系统的硬件设计

总体电路

如图3-1所示，下面的图为protel99se所画，实时显示当前的烟雾值，共有3个按键来设置报警值。

图3-1总体电路

3.1主控电路

STC89C51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STC89C51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，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，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。

另外STC89X51可降至0Hz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。

最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。

STC89C51主要功能如表1所示，其DIP封装如图2所示

表1：

STC89C51主要功能

主要功能特性

兼容MCS51指令系统

4K可反复擦写FlashROM

32个双向I/O口

256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz

2个串行中断

可编程UART串行通道

2个外部中断源

共6个中断源

2个读写中断口线

3级加密位

低功耗空闲和掉电模式

软件设置睡眠和唤醒功能

STC89C52引脚介绍

①主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

②外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin20）：

片内振荡电路的输出端

③控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

④可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

P0口（Pin39～Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

作频率35Mhz，6T/12T可选。

图3-2STC89C51DIP封装图

最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。

电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。

STC89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。

用STC89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，结构如图3-3所示，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

图3-3单片机最小系统原理框图

（1）时钟电路

STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：

一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。

内部时钟方式如图3-4所示。

在STC89C51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1（18）和XTAL2（19）引脚外接石英晶体（简称晶振），就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。

图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5~30pF，典型值为30pF。

晶振CYS的振荡频率范围在1.2~12MHz间选择，典型值为12MHz和6MHz。

图3-4STC89C51内部时钟电路

（2）复位电路

当在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。

最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。

只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。

本设计就是用的按键手动复位。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中电平复位是通过RST（9）端与电源Vcc接通而实现的。

图3-5STC89C51复位电路

（3）STC89C51中断技术概述

中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。

这是由片内的中断系统来实现的。

当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。

中断服务处理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。

主程序

响应中断请求

中断服务程序

断点

继续执行主程序

返回主程序

图3-6中断响应和处理过程

如果单片机没有中断系统，单片机的大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生的定时查询操作上。

采用中断技术完全消除了单片机在查询方式中的等待现象，大大地提高了单片机的工作效率和实时性。

3.2烟雾探测电路的设计

图3-7烟雾探测电路

如图3-7所示，在这个电路中，有两个部分，主要是烟雾传感器检测烟雾，将电压信号给ADC0809，模数转换电路将模拟信号转换成数字信号给单片机，单片机再读取相应的数值和处理。

3.2.1MQ-2介绍

MQ-2型气体传感器用于以氢气为主要成分的城市煤气、天然气、液化石油的测量，而且它抗干扰能力强，水蒸气、烟等干扰气体对它的影响小。

MQ-2型气敏元件具有以下特点：

（1）采用烧结半导体所形成的敏感烧结体，具有稳定的R（即器件在纯洁空气中的阻抗）阻值，从而保证了长期工作的稳定性。

（2）单电源供电，其功耗仅0.7W左右。

（3）对所测试的气体有极高的灵敏度和信噪比。

MQ-2型气敏元件有两种型号。

MQ-2A型适用于天然气、城市煤气、石油液化气、丙丁烷及氢气等;MQ-2型适用于烟雾等减光型有害气体。

器件的灵敏度：

S=Ro/Rx为10~30。

常见为QM系列的S值仅8左右。

Rx为器件在丁烷浓度为0.2%时的阻抗。

电路如下图所示：

图3-8MQ-2型气敏元件电路

器件的主要参数如下:

表3.2.1MQ-2型气敏元件主要参数

响应时间

Tr≤10s

恢复时间

Tn≤60s

加热电压

V﹢=5+0.2V

加热功率

约0.7W

抗干扰能力

丁烷浓度在0.2%时在湿度小于85%RH，在-10℃~+40℃温度下不会引起误报

工作环境

温度-10℃~+50℃湿度≤85%RH

下图是元件外形结构图，基座采用耐高温酚醛塑料压制，引脚为镀镍铜丝，上罩采用双层密纹不锈钢网压制，有较高的强度和防爆能力。

图3-9MQK-2型元件外形结构图

MQ-2气敏元件的结构和外形如上图所示,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3-10MQ-2型元件典型气体浓度测试特性曲线

上图是MQ-2型元件典型气体浓度测试特性曲线，在丁烷浓度0.6%以下有极高的灵敏度。

图3-11MQ-2型元件通电时间特性曲线

上图是MQ-2型元件通电时间特性曲线。

可看出，通电后60~90s，元件即进入稳定待测工作状态。

MQ-2的特点和工作参数如下特点：

⑴广泛的探测范围

⑵高灵敏度／快速响应恢复

⑶优异的稳定性／长寿命

⑷简单的驱动电路

3.2.2ADC0809介绍

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。

下面说明各引脚功能。

（1）IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

（2）2-1～2-8：

8位数字量输出端。

（3）ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路

（4）ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

（5）START：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

（6）EOC：

A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

（7）OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

（8）CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

（9）REF（+）、REF（-）：

基准电压。

（10）Vcc：

电源，单一+5V。

（11）GND：

地。

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。

转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

为此可采用下述三种方式。

（1）定时传送方式

对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。

可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

（2）查询方式

A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。

因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。

（3）中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

3.3数码管显示电路设计

图3-12数码管显示电路设计

　LED数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

数码管分为动态显示和静态显示驱动两种，静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个STC89C52的I/O端口才32个呢：

），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

本设计利用三极管驱动数码管，用4.7k电阻起到限流作用，使得数码管亮度适中。

3.4声光报警提示电路

3.4.1灯光提示电路

图3-13灯光提示电路

LED英文单词的缩写，主要含义：

LED=LightEmittin