基于单片机的智能楼宇火灾报警系统.docx

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基于单片机的智能楼宇火灾报警系统

天津职业技术师范大学

TianjinUniversityofTechnologyandEducation

毕业设计

专业：

自动化

班级学号：

自0901–24号

学生姓名：

指导教师：

二〇一三年六月

天津职业技术师范大学本科生毕业设计

基于单片机的智能楼宇火灾报警系统

IntelligentBuildingsFireAlarmSystembasedon

Single-chipMicrocomputer

专业班级：

自0901

学生姓名：

指导教师：

学院：

自动化与电气工程学院

2013年6月

摘要

火灾是发生频率较高的灾害之一，在任何时间、任何地区都可能发生。

随着社会经济的发展，建筑物、构筑物应用材料变的多样性，易燃材料增加，再加之人们生活环境和生活方式的改变，火灾的危害性日益增加，火灾造成的人员伤亡逐渐增多、经济损失大幅增加。

尤其是近几年来，高层建筑大量增加，一旦发生火灾，灭火的难度更大。

而一套完整的火灾自动报警系统是高层建筑发生火灾时人们生命财产的有利保障，是能否快速准确地发现火情，把火灾扑灭在萌芽状态的关键所在。

针对目前火灾发生的特点和现状，进行较为系统的需求分析，给出火灾自动报警系统的总体设计、功能模块设计与实现。

本文设计了一种智能楼宇火灾报警系统，它主要是由AT89S52单片机、18B20温度传感器和MQ-2烟雾传感器组成。

这个系统可实时监控楼道和房间的温度和烟雾等级，当监控的环境温度或者烟雾超过设计值时，系统会产生声光报警，及时提醒人们。

即使当传感器发生故障，也可人为的按下紧急报警按钮，从而使人们早发现火灾。

这个系统的是可以根据不同的环境设定所需要的报警值，同时具有价格低廉、易于安装等特点。

关键词：

火灾报警；AT89S52单片机；18B20温度传感器；MQ-2烟雾传感器

ABSTRACT

Fireisakindofhighfrequency.Atanytime,anyregioncouldoccur.Withthedevelopmentofsocialeconomy,thebuildings,fixturesusedmaterialsofindustry,thediversityandthedevelopmentofscienceandtechnology,andincreasedflammablematerials,peoplelivingenvironmentandlifestylechanges,increasingtheriskoffire,thefirecausedcasualtiesandeconomiclossincreasesgradually,especiallyinrecentyears,alargeincreaseinhigh-risebuildings,oncethefireextinguishing,themoredifficult.Andacompletesetofautomaticfirealarmsystemisthehigh-risebuildingfiresthelivesandpropertyofthepeople,isadvantageoussafeguardthatfirecouldquicklyandaccurately,afireinthebud.

Thisdesignisaimingatcharacteristicandstatusofautomaticfirealarmsystem,combiningwithasystematicdemandanalysis.Thestudygivesdesignandrealizationofoveralldesignandfunctionmoduledesignofautomaticfirealarmsystem.Thisisaintelligentbuildingfirealarmsystem,whichismainlycomposedofAT89S52SCM,temperaturesensor18B20andsmokesensorMQ-2.Thissystemcanreal-timemonitorthecorridorandroomtemperatureandsmokelevel,whenmonitoringambienttemperatureorsmokemorethanthedesignvalue,thesystemwillgenerateaudibleandvisualalarm,timelyreminder.Evenwhensensorfaultsoccur,canalsobepressedtheemergencyalarmbutton,sothatpeoplefirstdiscoveredfire.Thissystemcanbebasedondifferentenvironmentsettingalarmrequired,alsohastheadvantagesoflowcost,easyinstallationfeatures.

KeyWords：

Firealarm；AT89S52microcontroller；18B20temperaturesensor；MQ-2smokesensor

中文翻译及英文原文

1绪论

1.1课题研究背景及意义

火灾是人们普遍关注的灾难性话题，它是发生频率比较高的一种灾害，在任何时间、任何地区都有可能发生。

例如，2010年11月15日，上海余姚路胶州路一栋高层公寓楼发生火灾，大火导致58人死亡、70人受伤，并且造成重大的财产损失。

由于现在的住宅楼、宾馆、大型商场、图书馆、博物馆和办公楼等越来越多越来越密集，这就对火灾报警和自动灭火系统提出了更高的要求。

自动火灾报警系统己经成为必不可缺的保护装置。

设置功能完善的消防设施，对保障人民生命财产的安全，无疑是非常重要的。

而家庭使用天然气和用电电量的大幅增加，这是住宅楼房发生火灾的频率增高的重要原因。

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转眼间毁于一旦，有的甚至导致家破人亡，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原因。

所以说，人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，掌握防止发生火灾的知识和万一发生火灾时保护自己的方法，及时消除隐患。

火灾作为损害人们的生命和财产安全的大敌，引起人们的极大重视。

万一发生了火灾，很有可能将人的生命财产造成极大的危害，于是人们急需要寻找到及时火灾报警的方法，用来快速控扑灭火灾，使损失降到最小。

依据人们的需求，研制出来了火灾自动报警系统。

目前对火灾报警系统的要求越来越高，加之科学技术水平的提高。

火灾报警系统越来越完善，并向智能化方向进步。

1.2课题研究现状与发展趋势

早期的火灾预防和警示都是通过人为的办法。

例如通过巡逻的方式，当一个人发现火灾时，他通过喊话或者敲锣的方式通知其他人来灭火。

随着时代和科学的进步，人们逐渐会使用仪器代替巡逻的方式监视火灾，如果仪器发出火灾报警信号，人们就可在第一时间组织人力去灭火，来达到减少损失。

这就是现在火灾报警系统的前身。

火灾报警系统，从发展历程上来说，大至可分为三个阶段：

第一阶段：

多线型火灾自动报警系统。

每个传感器除需要两根电源线以外，还必须要有一根报警信号线，传感器的电源由报警模块提供，传感器的信号线与报警显示装置相连接，当某个传感器发现异常情况时，系统会点亮相应的报警指示灯。

像日本“日探”公司早期生产的CPF自动火灾报警系统，这类系统的主要功能是以报警，或再加一些简单的联动装置，例如驱动警铃、显示装置等，其报警器对外围传感器不具备故障检测功能，只能对电源线的断路做出故障反应，这类系统的缺点是安装比较繁琐和校验工作量特别大。

第二阶段：

总线型火灾自动报警系统。

这类火灾自动报警系统采用功能比较强微处理器控制，像单片机。

按其线制分，可分为四线制、三线制、二线制。

传感器和各个模块均采用地址编码方式，通过总线与控制器的方式实现信号传送，其传感器的报警形式是开关量，它的灵敏度是由硬件的条件决定的，不具有调节性，这类报警系统可现场进行编程，使各种模块对各联动装置实施较为复杂的控制，这类系统已具有自身检测以及对外围装置的故障检验等功能，最大的缺点是对故障的类型难以区别出来。

目前，国内大多数生产商生产的火灾自动报警系统是此类产品，正是由于这类系统具有较好的检测和控制功能，再加上施工、安装比较简单和价格比较低，所以人们大量使用这类产品。

第三阶段：

智能型火灾自动报警系统。

由于先进的计算机控制技术应用到火灾报警系统，使火灾报警系统的智能化水平有了质的飞跃。

传感器的报警形式由过去的开关量到现在的数字量。

智能化带来的很大的优势，人们可以对其灵敏度依据使用环境不同进行设定和调整。

如对环境变化大的建筑，传感器灵敏度要相对低一些，对环境变化不大或非常重要的场所，灵敏度要相对高一些。

现在一些发达国家，他们已经建立起完善的消防体系，一套完整的消防体系包括火灾预防、报警、扑救、灾后处理等。

这都需要政府拨出专项金用于消防设备的维护和更新。

像美国、德国、法国等国家他们这方面做的更完善。

他们采用用户终端传感器或者用户终端信号采集器与计算机相相连接，对环境实时监控以及故障远程传输。

我国对火灾自动报警系统的研究比较晚，从上世纪70年代我国才从国外引进和生产这类产品。

即使到80年代后，国内多数厂家也停留在模仿国外产品，或是部分厂家引进国外的先进技术进行生产，但我们并没有实际意义上的核心技术。

在当时市场也是刚刚开始发育，人们并不太了解此类产品。

到了90年代以后，随着改革开放的力度逐渐增加，城镇化越来越快，带动我们对火灾报警系统产品需求增加。

所以说火灾报警产品到了快速发展的阶段，同时国外企业看到了商机，开始大量涌入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的逐步成熟。

这时期，我国生产火灾报警产品的厂家也进入了快速发展时期，部分厂家进行了合资生产、技术合作等措施取得了很好的成绩。

最重要的是我国的科研人员的辛勤付出，使得我们在部分技术已经接近了发达国家水平。

相信用不了多久，我们也一定能达到国际领先的水平。

1.3本文的主要工作

本文主要做了如下工作。

1．研究与分析了自动火灾报警系统的发展状况，并提出智能楼宇火灾报警系统的总体设计方案。

2．对智能楼宇火灾报警系统进行了需求分析，根据分析结果选择系统的核心器件。

建立了AT89S52单片机为核心的系统。

3．设计并且实现了各个功能模块。

如火灾检测模块、液晶显示模块、声光报警模块等其他模块，并进行不同方案间的比较，最终做了合理选择。

在应用AT89S52单片机的基础上，完成了系统流程图的制定，程序的编写、硬件电路的设计和原理图的绘制，以及PCB板的制作、调试与通信。

4．对智能楼宇火灾报警系统进行的总体调试及系统测试，总结了调试中出现问题，并相应的找到解决办法，经过努力最后完成了火灾检测模块、液晶显示模块、声光报警模块等其他模块。

系统测试表明，该系统达到设计时的各项要求，能够满足智能楼宇的火灾预警需要。

2火灾自动报警系统的总体设计

在这个章节中，首先指出本设计的需求分析、设计思路与采用的技术路线，给出系统的总体框架；其次，介绍本设计所采用单片机及其所具有的特性；最后，介绍相关火灾报警探测器的分类和性能比较。

2.1需求分析与总体设计

本节包括火灾自动检测系统的需求分析和总体框架设计，给出了总体系统框图和初步实现方法。

2.1.1火灾自动报警系统的需求分析

根据火灾自动报警系统的使用需求，减少甚至是避免火灾的产生，设计的火灾自动报警系统，可以有效的降低火灾的产生、蔓延；当火灾自动报警系统的传感器连接成网络，形成传感器网络时，更能将整个被控对象完全监控，达到实时的监控效果，人们生活环境的安全也就能够得到了保障。

所以，有效地及时的火灾报警系统能够减少人们生活环境的危险性。

火灾报警系统应具备以下几个指标：

楼层火灾检测、温度和烟雾参数显示、发现火灾报警等功能。

2.1.2火灾自动报警系统的总体设计

本文设计采用自顶向下的设计方法，将本系统的功能进行了合理的划分，使其每一部分分别完成较小的任务，形成应用系统常用的结构形式—积木式结构框架，有利于功能的扩大和更换，能够增加了系统的灵活性。

鉴于对火灾自动检测功能的分析，本系统利用AT89S52单片机作为核心控制器。

其总体结构框图如图2-1所示。

图2-1火灾自动报警系统基本框架图

按照以上的需求分析和设计方式，设计火灾自动检测系统的火灾检测模块、液晶显示模块、声光报警模块等。

以下列出了本次设计的各个模块的简单方案比较和初步实现方法。

（1）火灾检测模块

由温度传感器DS18B20和烟雾传感器MQ-2组成。

由单片机经查询的工作方式，采集楼宇环境的参数，实现实时对外界环境的检测。

（2）液晶显示模块

单片机采集到周围环境的参数，通过片内基准电压的比较，用LCD1602显示器显示出相应采集到的数据，使用户能够方便直观的看到周围环境的具体情况。

（3）声光报警模块

当环境温度或者烟雾超过预设值时，系统会产生声光报警。

2.2单片机的选用及其特性

根据系统的性能要求，在综合其他因素，选择适合的单片机。

2.2.1单片机的型号选用

本设计采用美国ATMEL公司生产的的AT89S52单片机作为核心处理部件，通过硬件电路与系统软件的结合实现智能楼宇火灾报警系统。

MCS-51单片机系列是很早出现的单片机，使用广泛。

AT89S52是一种具有功耗低、性能高的8位微控制器，它具有8K内存可编程Flash存储器。

利用Atmel公司非易失性存储器技术生产，完全兼容80C51系列单片机。

编程方式多样。

正是由于它所具有的优势，使得AT89S52单片机系得到广泛应用。

AT89S52单片机的具体情况：

40个引脚，8kflash片内程序存储器，128b的随机存取数据存储（RAM），32个双向输入/输出（I/O）引脚，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信接口，看门狗（WDT）电路，片内时振荡器。

2.2.2AT89S52的特性

AT89S52是一个高效的微型计算机。

它的应用范围比较广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。

其结构框图如下图2-2所示。

此外，AT89S52设计和配置了震荡频率可为12MHZ，通过软件编程，可把单片机设置为节电模式。

在空闲模式时，中央处理器将停止工作，而外围电路仍可正常工作。

为了市场的需求，该单片机设计三种封装，它们分别为PDIP、PLCC和TQFP封装。

我们常用的是PDIP封装。

其PDIP封装如下图2-3。

1主要功能特性：

（1）完全兼容51系列单片机指令；

（2）有大于1000次重复下载的ispflashROM；

（3）4组I/O双向引脚；

（4）4.5-5V工作直流电压；

（5）2个16位的定时/计数器；

（6）时钟所需频率在0-33MHz之间；

（7）空闲低功耗与省电模式；

（8）中断唤醒省电模式；

（9）3级加密位；

（10）看门狗（WDT）电路；

（11）软件设置空闲和省电功能；

（13）双数据寄存器指针。

按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。

图2-2AT89S52的结构框图

图2-3AT89S52的PDIP封装图

2单片机端口特性

单片机各个端口的用途各有不同之处，下面具体介绍一下。

（1）多功能I/O口

AT89S52共有四个8位的并行I/O口：

P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7，共32根I/O线。

每根线可以单独用作输入或输出。

（a）P0端口，该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

在设计成输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。

当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。

当对外部程序或对存储器进行读取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口本身就有上拉电阻。

对FlashROM编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外接上拉电阻的。

（b）P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

P1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。

在对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。

另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表2-1所示。

表2-1P1口管脚复用功能

端口引脚

复用功能

P1.0

T2（定时器/计算器2的外部输入端）

P1.1

T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）

P1.5

MOSI（用于在线编程）

P1.6

MISO（用于在线编程）

P1.7

SCK（用于在线编程）

（c）P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2端口引脚的输出可以驱动4个TTL输入。

对端口引脚写“1”时，端口引脚处在高电平，这时可用作为输入口使用。

当P2端口引脚作为输入使用时，因为有单片机内部的上拉电阻作用，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。

（d）P3端口，该端口引脚是8位双向I/O端口，P3端口引脚的输出能力同P2端口引脚相同。

在AT89S52中，同样P3口还用于一些复用功能，如表2-2所示。

在对Flash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。

（2）RST复位端口输入引脚。

当外部输入为高电平时，单片机才能复位。

当外部输入时低电平时，输入是无效的。

表2-2P3端口引脚与复用功能表

端口引脚

复用功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

（4）PSEN程序存储器允许信号。

它用于读外部程序存储器。

当单片机在执行外部存储器的程序时，每一个机器周期PSEN奖被被激活2次。

在对外部数据存储器的每次读取中，PSEN的2次激活则会被跳过。

（5）EA/Vpp外部存取允许信号。

为了确保单片机从地址为0000H～FFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到地端。

但是，如果锁定位是1被编程，则EA在复位时被锁存。

当执行内部程序时，EA应接到Vcc。

在对Flash存储器编程时，这条引脚接收直流12V编程所需电压Vpp。

（6）XTAL1振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。

（7）XTAL2振荡器的反相放大器输出。

2.3火灾报警探测器的分类和性能比较

本设计中，采用一片单片机与多个传感器相结合的方式，将传感器转换的数据与预设值比较，单片机处理后，实现对火灾的自动报警。

2.3.1火灾报警探测器的分类

目前火灾探测器的种类很多，按照不同的方式有不同的分类方法。

根据监测的火灾特性不同，火灾传感器大体可分为感温、感光、感烟、可燃气体和复合等五种类型，各个类型又根据其工作原理的不同而分为若干种。

根据感应器件的结构不同，可细分为：

（1）点型火灾探测器。

对警戒范围中某一点环境的火灾参数做出响应；

（2）线型火灾探测器。

对警戒范围中某一线路环境的火灾参数做出响应。

根据操作后是否能复位，可分为：

（1）可复位火灾探测器。

在产生火灾报警信号的条件不再存在的情况下，不需要更换组件即能从报警状态恢复到监视状态。

根据复位的方式不同，又可分为以下三种：

（a）自动复位火灾探测器，能自动地恢复到监视状态；

（b）遥控复位火灾探测器，通过遥控操作能恢复到监视状态；

（c）手动复位火灾探测器，通过手动调节能恢复到监视状态。

（2）不可复位火灾探测器。

在产生火灾报警信号的条件不再存在的情况下，需调换组件才能从报警状态恢复到监视状态或动作后不能恢复到监视状态。

2.3.2火灾探测器的性能比较

由于建筑物越来越高和越来越密集，这就要求系统能更准确和更及时地探测火灾发生点，并同时进行报警。

这对系统的要求更高了，归根到底是对火灾探测器提出了更高的要求。

在设计火灾检测模块时必须要充分考虑火灾探测器的性能、建筑物的状况、火灾的危害。

以下就一些常用火灾探测器和应用环境作一简单的对比。

（1）感烟探测器。

感烟探测器可划分为离子感烟探测器与光电感烟探测器，其中离子感烟探测器的优点是有很好的早期火灾报警功能，即使在环境恶劣条件的楼房里也有很好的探测效果，它一般应用于高层建筑或者空心花板或者地下室中，感烟探测器仅适合用在火灾早期，产生较大量的烟雾和少量的热汽，没有甚至很少的火焰辐射，但它很大的缺点是不能严格区分出火灾信息与厨房烟、水蒸气正常等信息，因此容易产生失误报警的现象。

（2）感温探测器。

感温探测器可划分为三种类型，分别为定温式、差温式和差定温式，使用单一的感温探测器的检测模块，这个模块灵敏度会不高，而且检测测进度很慢，致命的是对阴燃状况没有任何响应，所以误报率很高。

（3）气体探测器：

气体探测器适合应用于散发可燃气体或者可燃蒸汽的环境。

（4）红外火焰探测器和紫外火焰探测器：

火焰能够辐射红外线，所以它适合应用在发生火灾时有强烈的火光辐射且要求做出快速相应的场合环境，但它也是有缺点的，对高温物体表面有时也会做出反应。

从而产生误报警的情况，会引起人们的恐慌。

从以上的介绍中，可以看出不管哪一种火灾探测器都只是有针对性的，有优点也有缺点。

缺点可能会导致系统误报警。

所以我们在设计火灾检测模块时，一定要解决误报警的情况。

为了降低误报警的情况，大致有以下几条解决方案。

（1）设计并优化探测器结构，在不同的环境使用适合种类的探测器。

（2）通过设计合理的报警识别方法，通过测得的数据信息和大量实验参数先对比，判断是否发生火灾。

（3）用多种探测器测检测一点的参数，通过多组数据对比，来判断是否发生火灾。

这样一来可以降低误报警。

依据上面介绍的几种火灾传感器，这个设计主要采用温度传感器和烟雾传感器来同时检测火灾，来达到降低误报警。

2.4工作流程设计

火灾自动报警系统由火灾检测模块、液晶显示模块、声光报警