基于单片机的火灾报警系统设计.docx

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基于单片机的火灾报警系统设计

毕业设计

中文题目

基于单片机的火灾报警系统设计

英文题目

Basedonthefire alarmsystem

basedonmicrocontroller

系别：

电子与电气工程系

年级专业：

2010级电气工程及其自动化

姓名：

张维勇

学号：

102032103

指导教师：

于雷

职称：

讲师

闽南理工学院教务处制

2014年6月3日

毕业设计诚信声明书

本人郑重声明：

在毕业设计工作中严格遵守学校有关规定，恪守学术规范；我所提交的毕业设计是本人在于雷指导教师的指导下独立研究、撰写的成果，设计中所引用他人的文字、研究成果，均已在设计中加以说明；在本人的毕业设计中未剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，未篡改实验数据。

本设计和资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。

学生签名：

2014年6月3日

基于单片机的火灾报警系统设计

【摘要】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。

本文基于单片机8051，同时结合集成语音芯片ISD1420、A／D转换器、集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202等,利用多传感器信息融合技术,设计了实用、可靠的单片机语音自动报警系统。

该系统能自动完成对布测点检测，确认火警后能自动报警，并显示火情点，记录火灾发生时间。

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，并将监测所得数据反馈至报警控制器，通过对比来判定火灾是否真的发生。

系统成本较低、操作方便、工作可靠稳定，有很好的推广价值。

【关键词】火灾报警，单片机，传感器

Thefire alarmsystembasedonmicrocontroller

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

ThispaperdesignamethodthatusesinglechipcomputeranddigitalvoicechipISD1420torealizeremotevoicealarm,givesoutthehardwarestructureandsoftwareofsystem,Basedonthesingle-chipmicrocomputer80C51,andspeechchipISD1420,temperaturesensorAD590andgassensorTGS202areused,andthemulti-sensorsinformationprocessingmethodisadopted.Practicetheenunciation,Thesingle-chipmicrocomputertechniquehastheextensivelyappliedforegroundinsystemalarmandotherautomaticcontrolrealm.

Thissystemcanautomaticallytomonitorthepointswhichareacutetotemperature.Itcanalsosendoutalarm,showthepointsandrecordtheoccurringtimewhenafirehasbrokeout.Thesystemcanbeinstalledinallfireunits,whichisresponsibleforcontinuouslymonitoringthesitetostarttheinspectionsignal,monitorthesiteoftemperature,concentration,andcontinuousfeedbacktothealarmcontroller,thecontrollerwillreceivethesignalandthenormalmemorysettingvaluewasdeterminedbycomparingtodeterminethefire.Whenfireoccurs,canachievesoundandlightalarm,faultdiagnosis,concentrationdisplay,alarmlimitsettingsanddelayalarmisasimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensive,intelligentsmokesensor,hassomepracticalvalue.

【KeyWords】Firealarm，MCU，Transducer

1.引言

1.1课题研究的背景和意义

我们的祖先对火加以有效的利用，不仅带来了温暖与光明，同时也推动了人类文明的向前发展。

但是，如果在用火的时候处理不当，失去对其有效的控制，也将对我们的生活安全和生命财产带来严重的害。

进入21世纪后，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。

一个个触目惊心的案例使我们意识到，只有利用电子技术、传感器技术和计算机技术等，设计出自动化、智能化的火灾监控和报警系统，才能保护我们的生命和家园。

1.2课题研究现状

世界上许多发达国家高度重视消防工作，投入了巨额的资金，其消防体系已经十分完备。

美、德、日、英在很多年之前就已经开始有效的把自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，在监控系统管理上也非常规范。

相比于上述发达国家，我国从1972年才开始模仿国外的技术来制造火灾报警系统，消防市场的规模和经营都处于低速发展阶段，直到改革开放之后，众多国外知名企业和先进技术走入国门，才真正推动了我国火灾报警产品市场的壮大与发展。

目前，国内很多知名企业已经开始于国际接轨，研发技术也不断接近世界先进水平。

1.3课题研究的主要内容

本文基于单片机8051，同时结合集成语音芯片ISD1420、A／D转换器、集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202等,设计语音自动报警系统。

主要的研究内容包括：

1.系统工作原理分析与总体方案设计

2.系统硬件、软件的构架设计

3.系统各硬件单元电路设计

4.系统软件流程设计与程序代码的编制

2.火灾报警系统整体方案设计

2.1系统总体方案设计

2.1.1系统总体功能概述

火灾报警系统通常是由探测器和报警器共同构成。

探测器可以检测火灾发生时的温度、烟雾、火焰等，并将之变换为电信号发送至报警器，发出报警信号提示火灾发生。

整体电路的框图如图2-1所示。

图2-1总体电路框图

2.1.2系统硬件构架

报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块组成。

图2-2为系统硬件结构框图。

图2-2系统硬件结构框图

系统的工作过程如下：

传感器对所监测环境的温度、烟雾颗粒等进行检测，将之转换为电信号，再由调理电路的放大和滤波等处理后，送至A/D转换电路进行模/数转换，单片机判断现场是否发生火灾。

如果发生火灾，系统以声光的形式报警。

2.1.3系统软件构架

软件的设计采取模块化方法，通过调用相应的子程序，如数据采集、火灾判断等子程序来实现每个模块的功能。

总体流程见图2-4。

图2-4程序流程图

为了降低误报率，系统采用多次采集、多次判断的方法。

每次数据采集后根据得到的数据对现场情况进行判断，然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。

主程序是一个无限循环体，其流程是：

首先在上电之后系统的各部分包括单片机各个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据存储电路等完成初始化，其次是对芯片内的程序进行初始化，接下来执行火灾报警系统中的数据采集任务，数据通信任务和查询判断任务。

3.火灾报警系统硬件设计

3.1系统核心芯片选择

3.1.1传感器介绍

3.1.1.1AD590温度传感器

AD590是美国AnalogDevices公司推出的电流型二端温度传感器。

电路如图3-1所示。

其输出与温度变化成正比，即1μA/k。

1kΩ的电阻R和100Ω变阻器W的功能是把电流量转换为电压量供ADC0809工作。

图3-1AD590应用电路图

AD590有以下特点：

1、AD590的测温范围-55℃～+150℃。

2、AD590的电源电压范围为4V-30V。

电源电压可在4V-6V范围变化，电流

变化1

，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。

3、输出电阻为710MΩ；

4、精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线形误差±0.3℃。

3.1.1.2TGS202气体传感器

TGS202可以有效对火灾气体中的CO2,CO进行检测,稳定性和灵敏度都很高,其应用电路如图3-2所示,当TGS202探测到CO2或CO时,其内阻降低,VA迅速上升。

图3-2TGS202应用电路图

3.1.2ISD1420语音芯片

3.1.2.1ISD1420引脚

引脚图如图3-3所示。

图3-3ISD1420引脚

3.1.2.2ISD1420各引脚简介

VCCA，VCCD：

电源；

VSSA，VSSD：

地线；

REC：

录音，低电平有效。

PLAYE：

边沿触发放音。

此端出现下降沿时，芯片开始放音。

PLAYL：

电平触发放音。

此端出现下降沿时，芯片开始放音。

RECLED：

录音指示。

处于录音状态时，此端为低，可驱动LED。

MICREF：

话筒参考。

此端是前置放大器的反向输入。

当以差分形式连接话筒时能降低噪声。

AGC：

自动增益控制。

可降低失真。

ANAOUT：

模拟输出。

ANAIN：

模拟输入。

SP+、SP-：

喇叭输出。

XCLK：

外部时钟。

此端内部有下拉元件，不用时应接地。

输入时钟的占空比无关紧要，因为内部首先进行了分频。

A0-A7：

地址端。

有两个作用，取决于最高（MSB）两位A7、A6的状态。

3.1.2.3语音段的寻址

语音芯片与单片机的连接，常通过串行口来实现，串行口也可以通过辅助电路分时多用。

定义好串行口的工作方式（SCON字节地址为98H，可位寻址），当由按键输入或其它需要语音输出时，串行口向CPU申请中断，响应中断后，CPU便可以从串行数据中识别出语音段编号，输出语音信号。

发送结束，中断由软件清零。

3.1.380C51芯片

3.1.3.180C51芯片的引脚及功能

80C51芯片的引脚如图3-4所示。

图3-480C51芯片的引脚图

各引脚功能如下：

✧VCC：

供电电压4~6V典型值5V）；

✧GND：

接地；

✧RST：

复位引脚输入高电平使89C51复位，返回低电平退出复位；

✧XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

✧XTAL2：

来自反向振荡器的输出

✧P0口：

P0口是一种带8位漏级开路双向I/O口，每一个脚可吸收8TTL门电流。

在FIASH编程时，P0口就会当作原码输入口，当在FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部就一定被拉为高电平。

当在P0口的管脚第一次写1时，将被认定为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以定义为数据地址的第八位。

✧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口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

✧P3口：

P3口是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。

当它们将被内部上拉为高电平并用作输入，此时是在P3口写入“1”后。

当作为输入由于外部下拉为低电平，因为上拉的缘故所以P3口将输出电流（ILL）。

✧ALE/PROG：

对外部存储器进行访问时，地址锁存允许的输出电平用于对地位字节进行锁存。

当在FLASH用于输入编程脉冲时该引脚是在编程期间。

平时，ALE端输出正脉冲信号以相同的频率周期。

可以在SFR8EH地址上置0禁止ALE的输出。

这时ALE只有在执行MOVX，MOVC指令才能起作用。

✧PSEN：

外部程序存储器读选通信号，由外部程序存储器指期间，PSEN在每个机器周期两次有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不会出现。

✧EA/VPP：

运行方式时，EA为程序存储器选择信号，EA接地时CPU总是从外部存储器中取指令，EA接高电平时CPU可以从内部或外部取指令；FLASH编程方式时，该引脚为编程电源输入端Vpp（=5V或12V）。

综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：

1）.单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；

2）.单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线。

3.1.4A/D转换芯片

目前有很多类型的A／D转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色，综合全部因素设计决定采用美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，ADC0809由8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成，芯片引脚图如图3-5所示,内部结构图如图3-6所示。

图3-5ADC0809引脚图图3-6ADC0809内部结构图

ADC0809的引脚功能:

D7-D0：

8位数字量输出引脚

IN0-IN7：

8位模拟量输入引脚

VCC：

+5V工作电压

GND：

地

REF（+）：

参考电压正端

REF（-）：

参考电压负端

START:

A/D转换启动信号输入端

ALE：

地址锁存允许信号输入端

ADC0809的主要性能指标为:

（1）分辨率为8位。

（2）最大不可调误差：

ADC0809为

1LSB。

（3）单电源+5v供电，基准电压由外部提供，典型值为+5v，此时允许输入模拟电压为0—5V。

（4）具有锁存控制的8路模拟选通开关。

（5）可锁存三态输出，输出电平与TTL电平兼容。

（6）转换速度取于决芯片的时钟频率。

当时钟频率500KHz时，转换时间为128μs。

3.1.5数码管显示电路

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。

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。

单片机写入模式控制字时，ICM7218以约定方式接收显示数据，然后把数据写入静态显示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3-7所示。

图3-7ICM7218引脚图及内部框图

3.2单片机外围接口电路

3.2.1晶振电路

晶振电路为单片机80C51工作提供时钟信号，芯片内含高增益反相放大器，XTAL1与XTAL2作为其输入、输出。

该放大器和片外石英晶体组成自激振荡器。

系统晶振电路如图3-8所示。

C2、C3为外界电容，其容量对振荡频率的大小和稳定性等都会产生影响，本设计中电容的容值设定为30pF。

3.2.2复位电路

其作用为在系统上电时提供复位信号，待电源稳定一定时间之后再撤销。

单片机在启动时都需要复位，以使CPU和系统各个部分置于正确的起始状态并开始工作。

上电复位与手动按钮复位是最常用的两种单片机复位方式，本设计采用后者，具体电路如图3-8所示。

按钮被按下后，VCC的+5V加至REST端，使系统复位。

SW-PB为手动复位开关，电容C1可避免高频谐波对电路的干扰。

图3-880C51晶振和复位电路原理图

3.3数据采集电路

本设计中的A/D使用的是通用8位芯片ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端经过放大电路后分别接到ADC0809的IN0和IN1。

ADC0809的通道选择地址由80C51的P0.0～P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。

芯片的几个重要管脚功能如下：

ALE：

地址锁存允许输入线，高电平有效。

START：

转换启动信号，其上跳沿来临时可将内部的寄存器清零；而下跳沿来临时则A/D转换开始。

要注意的是，在转换过程中该引脚要始终为低电平。

EOC：

其为高电平时表示转换结束，为低电平时表示转换正在进行。

OE：

其为1时，芯片将输出转换所得数据；其为0时则输出数据线呈高阻状态。

由于本设计中数模转换芯片使用的是ADC0809，其工作的时钟信号为500KHz，因其内部没有时钟电路，时钟信号由外部80C51的ALE端口提供。

系统80C51与ADC0809接口电路如图3-9所示。

图3-9-180C51与ADC0809接口仿真电路

图3-9-280C51与ADC0809接口电路原理图

当80C51的ALE端口不访问外部存储器时，80C51的ALE端以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，故晶振设定12MKz，再经过二分频电路，单片机即可向ADC0809输出500KHz的时钟信号。

二分频电路由D触发器实现，R、S端接地，D接Q非，Q端作为输出端，CLK接80C51的ALE端。

D触发器的特性方程为

由于当CP=1时，D触发器有效；CP=0时，触发器保持原来状态。

故D触发器能实现对ALE端口的信号二分频。

由于本火灾报警系统只采集温度、烟雾信号，经过调理的温度、烟雾信号分别进入ADC0809的IN-0和IN-1端口，其余输入引脚接地，8个数字量输出引脚接80C51的P0口。

单片机的P0口接受ADC0809传输来8位数字量，向A/D输出的8位地址经地址锁存器74LS373锁存，选择低3位地址作为A/D的通道选通地址。

ADC0809通道选通如表3-1。

表3.1ADC0809通道选通

通入通道

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

本设计使用74LS373作为地址锁存器，当三态允许控制端OE为低电平时，输出端O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。

当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，既不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。

图中三态允许控制端OE接地，表示三态门一直打开。

锁存允许端LE为高电平时，输出端O0~O7状态与输入端D0~D7状态相同；当LE由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。

LE端接至单片机的地址锁存允许ALE端。

当P20=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。

图中ALE信号与START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。

当ALE端口变为高电平，将74LS373输出端的低3位地址存入A/D的地址锁存器中，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A/D内的寄存器清零，下降沿启动A/D转换，之后EOC端变成低电平，指示转换正在进行。

例如，输出地址F8H可选通通道IN0，实现对温度传感器输出的模拟量进行转换；输出地址F9H可选通通道IN1，实现对烟雾传感器输出的模拟量进行转换。

ADC0809的转换结束状态信号EOC接到80C51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，结果数据已存入锁存器,并产生产生中断。

当80C51知道A/D转换完成后，P20与读信号RD共同控制下的A/D端口OE电平变为高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到单片机上。

3.4信号处理电路

由于传感器输出的模拟信号比较微弱，且含有干扰信号，所以系统需要通过运算放大器来对其进行放大、过滤等处理，以满足A/D转换的相关需求。

本设计的信号处理电路如图3-10所示，图中的运算放大器接为电压放大电路。

图3-10信号处理电路

3.5报警电路

3.5.1语音报警电路

报警电路设计如图3-11所示。

图3-11语音报警电路

AD转换器输出的数字信号传输给P0口，读取P0口的内容跟设定的值进行判定，如果大于设定值，P2.1输出低电平，控制语音芯片ISD1420的发出火灾语音报警.如果小于于设定值，P2.1输出高电平，说明正常，没有火灾发生。

3.5.2光报警电路

光报警电路设计如图3-12所示。

图3-12光报警电路

AD转换器输出的数字信号传输给P0口，读取P0口的内容跟设定的值进行判定，如果大于设定值，P2.3、P2.4输出高电平，P2.2输出低电平，控制红色发光二级管的发光，实现光报警功能.如果小于设定值，P2.2、P2.3输出高电平，P2.4输出低电平，控制绿色发光二级管的发

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