火灾自动报警器毕业设计论文.docx

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火灾自动报警器毕业设计论文

1引言

1.1火灾报警器的起源和发展

火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。

随着高层建筑的不断增多，火灾隐患增加。

一旦发生火灾，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。

火灾报警器就是为了满足这一需要而研制出来的，已成为保护人身和财产安全必不可少的重要手段。

现代化建筑中设置火灾自动报警系统，尤为重要。

近年来，各部门对火灾自动报警系统的要求，不仅表现在数量上日益增多，而且对其功能和可靠性等方面提出更高的要求，这给我国消防工作带来新课题，并将进步促进我国火灾自动报警系统的研制、生产、和应用的发展[1]。

近年来，随着科学技术的飞跃发展，基于单片机有体积小、功耗小、成本低、价格廉以及控制功能强等，它的应用领域日益广泛。

目前国内各种家用电器已普遍采用单片机控制取代传统的控制电路，做成单片机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机等的控制器。

在办公自动化领域，现代办公室中使用的大量通信、信息产品多数都采用了单片机，如通用计算机系统中的键盘译码、磁盘驱动、打印机等。

在商业营销领域，已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读机、仓储安全监测系统等中已纷纷采用单片机构成专用系统。

在工业自动化领域，如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，这些系统除一些小型工控机外，许多都是以单片机为核心的单机或多机网络系统，在智能仪表与集成智能传感器传统的控制电路及汽车电子与航空航天电子系统方面同样都用到了单片机[2]。

单片机的应用正在不断的走向深入，这必将导致传统的单片机技术的日益革新。

在实时监测和自动控制的单片机系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，现代火灾报警器就是采用单片机作为核心部件完成的。

1.2开发智能火灾报警系统的意义

由于开关量火灾报警系统受到开关量探测器工作原理的限制。

尽管开发人员常常通过多种确认的方法来消除误报警，但也无法从根本上动态的反映出火灾变化的全过程，更不能实现对监视现场的环境进行自动学习，积累“经验”，从而准确的分析、判断现场的各种非火灾因素和真实的火灾信号，以及对各种非火灾因素造成的探测器灵敏度的漂移进行补偿。

于是，国内开始了对智能火灾报警控制系统的研究和开发。

开发智能火灾报警系统的重大意义就是要在实现准确可靠的早期报警的同时，方便用户对系统的安装、调试，并且提供强有力的系统维护手段，降低系统的维护费用。

1.3本文设计的内容

（1）本系统是具有高可靠性的16路火灾报警器。

（2）以单片机为核心，设计硬件主控制器电路总体框图。

（3）对每个分框图分别设计具体电路。

对火灾以声，光形式报警,显示，控制电路功耗不大于10瓦.使用220伏交流电源、或12伏直流电源工作、两套电源互为备用。

（4）设计相应的软件流程图。

（5）依据流程图设计控制程序。

（6）画出整体电路图。

1.4本论文的设计安排

第一章是引言部分。

第二章是整体设计方案，根据设计要求做了整体设计的规划，对设计的主要部件做了初步选用并画出设计总框图以便以后设计按此进行。

第三章是各部分硬件的设计，这部分要进行具体的设计并且要对所设计的器件有一定的讲解。

第四章是软件的设计部分，这部分要有程序流程图和主要的程序部分。

第五章是结论部分，这部分要对火灾报警器的设计过程中得到的知识做一总结。

2总体设计方案

火灾报警器的设计可采用多种方法，如简单的模拟电路设计也可以完成报警功能，也可采用火灾报警专用集成电路c14467来完成报警功能，这些火灾报警器不能对多处火灾集中监控，在发生报警时不能准确的判断这是线路故障还是火灾发生且不能在短时间内判断是哪处发生故障或发生火灾[3]。

我们要设计的是对16处进行的火灾监控，只需在值班室就可以监控。

要在值班室对16路进行监控，就需要把报警器安装在值班室，为了在短时间内就能发现报警我们采用声光报警。

虽报警系统发生报警，但我们还得判断这是线路故障造成的报警还是火灾发生造成的报警，而且要在短时间内知道这发生在哪一处房间，使损失降到最低。

完成这一系统的功能采用简单电路是难以完成的，这是总体方案设计中比较难的部分，从各方面考虑，计划采用单片机来完成这些功能。

2.1整体设计思想

基于上面的介绍，我们对整体设计思路做一叙述，假设我们的控制核心就采用单片机。

第一步必须有传感器及火灾探测器去感受信号，当火灾发生，火灾探测器需要把感受到的信号以高低电平的形式输出，传到接口电路，转换成单片机所能接受的电平。

第二步当信号输入到单片机后，通过程序进行自检和故障检查。

若探测器与火灾报警器之间的连线中断或探测器失效时，面板上显示相应的房间号，并发出单调的音响信号并通过火灾巡回检测程序判断输入信号有无火灾信号还是干扰信号，若是火灾信号，则显示器显示发生火灾的房间号码，报警灯闪烁和发出变调的音响信号。

2.2部分设计的初定

2.2.1火灾探测器的选用

火灾探测器有感烟的和感温的。

在许多情况下，火灾往往是先有烟而后起火的，因此使用感烟型传感器更能早发现火情，减少火灾损失。

离子感烟型传感器的灵敏度高而且价格低，因此我们在此采用离子感烟传感器。

2.2.2单片机的选用

单片机的应用，首先是它的控制功能，即在于实现计算机控制。

而在线控制应用方面，由于计算机身处系统之中，因此对计算机有体积小、功耗小、成本低、价格廉以及控制功能强等要求，对这些要求真可谓是非单片机莫属了。

80C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。

    80C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

此外，80C51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

80C51有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式[2]。

在单片机的应用中，80C51是比较通用的，P0口，P1口，P2口共24个口用来做输入、输出口，足够本系统用。

因此初步决定使用80C51作为此系统的核心部件。

2.2.3输入接口电路

由于要求设计16路火灾报警器，所以我们要用16路的探测器来探测。

在探测器探测到的信号要传入控制器单片机时，要把信号转化为单片机能接收的电平，且需对16路信号巡回检测，采用单片机控制16选1的电开关来巡回检测，因此输入接口电路是非常重要的一部分设计。

2.2.4显示器与键盘的选用

显示器可采用LED，由于只有16路，所以只用两个LED显示器即可。

键盘有独立式键盘和行列式键盘。

独立式键盘的缺点是需要占用较多的I/O口线。

当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或I/O口线比较富余时，采用此类键盘。

行列式键盘的键盘结构，能够有效地提高单片机系统中I/O的利用率[4]。

因此初步设计采用行列式的4ⅹ4或4ⅹ3的键盘。

2.3构造整体电路设计框图

本系统是基于单片机控制的具有可靠性的16路火灾报警器。

它以单片机为电路的主控制芯片。

电路主要包括，火灾探测器、单片机及其扩充电路、输入、输出接口电路还有电源。

电路框图如2.3所示。

图2.3整体框图

3硬件电路各部分的设计

3.1核心部分的设计

3.1.180C51的引脚图及功能

如左图3.1.1所示是40引脚双列直插的80C51管脚图。

其中电源和晶振，大家都是比较了解的就不用在详细介绍。

下面主要介绍80C51中比较重要的引脚的功能：

（1）I/O口有4个，32根。

P0——8位、漏极开路的双向口I/O。

当使用片外存储器时，作地址和数据分时复用。

在程序校验期间，输出指令字节（这时需要外加上拉电路）。

P0作为总线时能驱动8个LSTTL负载。

在本设计中此I/O口用做输图3.1.180C51引脚图出来给数码管提供输入信号。

P1——8位、准双向I/O口。

在编程/校验期间，用做输入低位字节地址。

P1口能驱动4个LSTTL负载。

在此我们用它作为键盘的输入口。

P2——8位、准双向I/O口。

当使用片外存储器时，输出高8位地址。

在编程/校验期间，接收高位字节地址。

P2口可以驱动4个LSTTL负载。

在此我们设计的采集信号输入口和报警输出口都是用的P2口。

P3——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。

P3提供各种替代功能。

在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。

P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。

P3.0—RXD串行输入口的输入。

P3.1—TXD（串行输出口），输出。

P3.2—INT0，在外部中断0的输入。

P3.3—INT1，外部中断1的输入。

P3.4—T0，定时器/计数器0的外部输入。

P3.5—T1，定时器/计数器1的外部。

P3.6—WR，低电平有效，输出，片外数据存储器写选通。

P3.7—RD，低电平有效，输出，片外数据存储器读选通。

（2）控制线：

共4根。

RST—复位输入信号，高电平有效，在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，期间复位。

EA/VPP—片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。

再编程时，其上施加21V的编程电压。

ALE/PROG—地址锁存允许信号，输出。

用作片外存储器访问时，低字节地址锁存。

ALE一1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。

在EPROM编程期间，作输入。

输入编程脉冲（PROG）。

ALE可以驱动8个LSTTL负载。

PSEN—片外程序存储器选通信号，低电平有效[4]。

在从片外程序存储器取指令期间，在每个机器周期中，在PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口PSEN可以驱动8个LSTTL负载。

3.1.280C51单片机的复位方式

复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。

主要的复位方式有三种：

上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位[5]。

此次设计是用按键电平复位。

按键电平复位是通过复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，电路如图3.1.2所示。

按键电平复位电路中的电阻、电容参数设置都适合与设计的振荡电路，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。

图3.1.2按键电平复位

3.1.380C51的时钟电路

时序电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。

单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

在80C51单片机内带有时钟电路，因此只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件（晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。

在80C51芯片内部有一个高增益反相放大器，而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。

80C51单片机的时钟电路如图3.1.3所示。

图3.1.380C51单片机的时钟电路

由图可见，时钟电路由下列几部分组成：

振荡器及定时控制元件、时钟发生器、地址锁存允许信号ALE。

（1）振荡器及定时控制元件

在80C51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。

只需要在片外通过XATL1和XATL2引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，振荡器即可工作。

振荡器的工作可以由（PD）位（特殊功能寄存器PCON中的一位）控制。

当（PD）置1时，振荡器停止工作，系统进入低功耗工作状态。

振荡器的工作频率一般在1.2～12MHz之间，现在由于制造工艺的改进，频率正向两端延伸，高端可达40MHz，低端可达0Hz。

一般用晶体作定时控制器件；在不需要高精度参考时钟时，也可以用电感代替晶振；有时也可以由外部引入时钟脉冲信号。

用晶振和电容构成谐振电路。

C1和C2虽没有严格要求，但电容的大小影响振荡器的稳定性和起振的快速性，通常选用10～30pF左右。

在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。

当用电感或陶瓷谐振器作定时控制元件时，也是用电感或陶瓷谐振器构成谐振电路。

此时的电容C1、C2在40pF±10pF。

在由多片单片机组成的系统中，为了单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。

当外部输入时钟信号时，外部信号接入XTAL1和XTAL2端悬空不用。

对外部信号的占空比没有要求，高低电平持续时间不小于20ms。

（2）内部时钟发生器

内部时钟发生器实质是一个2分频的触发器。

其输入由振荡器引入的，输出为两个节拍的时钟信号。

输出的前半周期，节拍1（P1）信号有效；后半周期，节拍2（P2）信号有效。

每个输出周期为一个计算机CPU状态周期，即时钟发生器的输出为状态时钟。

每个状态周期内包括一个P1节拍和一个P2节拍，形成CPU内的基本定时时钟。

（3）ALE信号

一般地说，状态时钟经过3分频之后，产生ALE引脚上的信号输出。

3.2输入电路的设计

3.2.1火灾探测器的设计

对于火灾的探测有多种传感器，常用的有感温传感器和感烟传感器。

其中感温传感器是在火灾发生后，室内温度将升高，当感温探测器周围的环境温度到达设定温度以上时，传感器才动作。

而在许多情况下，火灾往往是先有烟而后起火，因此使用感烟型传感器更能提早发现火情，减少火灾损失[1]。

离子感烟型传感器的灵敏度高而价格低，很适宜制作火烟型火灾报警器。

离子感烟传感器的工作原理:

离子感烟传感器由内、外两个电离室组成。

电离室内有P1、P2一对电极。

外电离有孔与外界相通，烟雾可以进入；而内电离室是密封的，烟雾不能进入。

离子感烟传感器的原理如图3.2.1（a）所示。

再电极P1、P2之间放有放射性的同位素241的放射源。

这个放射源能连续发出a射线，使极间的空气电离而产生正电离子和负电离子，这样两极间便具有导电性。

在这对电极上电压E时，正负离子便向极性相反的方向移动。

离子的移动称为离子电流Ip.离子电流的大小与外加电压E的大小有关，电压E越高，离子电流越大；电压E高到一定值时，离子电流呈饱和状态。

这一饱和离子电流为Is如图3.2.1（b）所示。

图3.2.1（a）图3.2.1（b）

当外电离室有烟雾进入时，部分正离子和负离子被吸附在烟雾中燃烧生成物的微粒上（燃烧生成物微粒比离子大1000倍左右），因此它们在电场中运动的速度大大降低，并在运动中不断有正负离子中和，使离子数减少。

烟雾浓度愈高，离子数量愈少，离子电流便愈小，相当于等效电阻的增大。

而内电离室是密封着的，无烟雾进入，两极板间的离子电流是恒定不变的，其等效电阻也是恒定不变的。

由于内、外电离室的电极是串联的。

如图3.2.1（c）在无烟雾时，A点的电位等于E/2;有烟雾时，外电离室极间等效电阻增大，使A点电位降低，A点电位的降低与烟雾浓度成比例，有烟雾与无烟雾时，其电位差可达1V以上。

图3.2.1（c）等效电路

UD—02型离子感烟传感器:

UD—02型离子感烟传感器灵敏度高、可靠性好，其性能符合UL—217标准。

它具有两个离子室及一个放射源（镅—241，0.9μCi）,它有三个电极等效电路如图3.2.1（d），A电极（接+9V电源）、B电极（接地）、C电极（收集电极）。

在20±5℃时，在清洁空气条件下收集电极的平衡电位为5～5.6V；有烟雾时，收集电极的电位变为1.1～1.2V（阴暗度为4%/英尺,按UL271标准23.1规定；极间电容为4pF；镅241放射源为0.81～0.99μC；重量为12克；主要材料为不锈钢及塑料）。

图3.2.1（d）

探测器数值的确定:

当指定的火灾探测区域比较大时，首先要了解每个火灾探测器的范围，然后按照下式进行计算：

N≥S/（K·A）

式中N表示一个探测区域内需要设置的探测器的数量，N取整数；

S表示一个探测区域的面积（m²）;

A表示一个探测区域的面积（m²）;

K安全系数；取0.7～0.8。

感烟探测器的保护面积和保护半径如下表（3.2.1）表。

表3.2.1感烟探测器的保护面积和半径

火灾探测

器的类型

地面面积S（m²）

房间高度

n（m）

探测器的保护面积（A）和保护半径（R）

房顶坡度（）

≤15°

15°≤≤30°

＞30°

A（m²）

R（m）

A（m²）

R（m）

A（m²）

R（m）

感烟探

测器

S≤80

h≤12

80

6.7

80

7.3

80

8.0

S＞80

6＜h≤12

80

6.7

100

8.0

120

9.9

3.2.2输入电路的综合设计

在设计输入电路时，首先考虑外界信号是怎样得来的，在这里要用到传感器，根据前面的介绍，我们采用UD-02型离子感烟传感器。

这种传感器在清洁的空气条件下收集电极的平衡电位为5～5.6V；有烟雾时，收集电极的电位变为1.1～1.2。

它在一般状态下电压是不变的或变化是小的，只有在有烟雾时才变，因此它的信号是不符合数字电路要求的，需整形。

在整形时我们用到了三极管，根据三极管饱和导通和截止原理设计，即：

当Iв>Iвs≈Vсс/（βRс）时饱和导通；

当Uвe

=0.5V时截止。

我们采用Rb=Rc=10k，在基极再加两二极管作为分压器件。

当信号为1.1～1.2V时由于两极管分压Uвe<0.5V因此截止，输出为高电平

当信号为5～5.6V时：

设β=100

Iв=（53×0.7）/10k=2.9×10-4A

Iвs=Vсс/（βRс）=12V/（100×10k）=12×10-6A

所以Iв>Iвs三极管饱和导通，输出低电平。

由于是十六路的采集信号，因此在此用到多路选择器，循环选择一路作为输入。

十六选一是由两个八选一74151连接组成的，它的控制选择端A3,A2,A1,A0是由单片机自动完成选择功能的。

输入接口电路如3.2.2图所示。

图3.2.2输入接口电路

3.3报警电路设计

微机化测控系统中，一般的工作状态，可以通过指示灯或数码显示来指示，供操作人员了解。

但是对于某些紧急状态，为了使操作人员不致忽视，以便及时采取措施，往往还需要有某种更能引人注意和提醒警觉的报警信号。

这种报警信号，通常有两种类型：

一是闪光报警，因为闪光的指示灯更能提醒人们注意；二是鸣音报警，发出特定的鸣音，作用于人的听觉器官，易于引起和加强警觉。

以上这两种报警系统称声光报警。

3.3.1报警用声光器件

声光报警的发光器件常用发光二极管，因为发光二极管不仅耗电小，而且有多种颜色可供选择，便于用闪光颜色区分不同报警信息。

此外，也可以用白炽灯外罩彩色玻璃外壳作为闪光报警。

声光报警的发生器件有电铃、电动警笛、电动式扬声器和压电陶器扬声器等。

电动扬声器发生原理是：

音频电流通过扬声器线圈、永久磁铁产生的磁场使载流扬声器线圈振动带动纸盒发声。

压电发声器发生原理是：

利用逆压电效应，当在压电陶瓷片上施加音频电压时，压电陶瓷片发生机械伸缩或弯曲，从而带动振膜发声，压电式扬声器由于体积小、质量轻、耗电小，故应用日益增多。

近几年出现的小型电磁音响器是一种新型电声器件，具有体积小、质量轻、电流小、耗能少、声压电平高、发生清脆柔和等特点，在国外被广泛使用在音响装置中，目前国内也已生产出同类产品。

3.3.2声光报警集成组件

闪光报警和鸣音报警都可以由振荡信号驱动发光器件和发声器件来实现。

因此原则上有分立元件或555电路构成的各种低频、音频振荡电路配上发光器件和发声器件都可以构成声光报警电路，而且发出警报和禁止报警可通过控制振动电路起振和停振来实现。

除此之外，目前国内外还生产了一些声光报警专用集成组件。

3.3.3SG207多用报警器件

SG207是一种用途广、功耗小、连接元件少，使用灵活的声光报警集成电路。

SG207内部原理框图如3.3.3所示。

该集成电路包括控制输入线、调制振荡器（f1）、混频放大器（G）、音频振荡器（f2）、闪光输出和扬声器输出推动级，以及内部稳压器（W）。

调制振荡频率（f1）由3、4脚外接电容C1调节，音频振荡频率（f2）由5、6脚外接电容C2调节。

f1对f2进行调节后，经混频放大再分两路同步输出：

一路振动扬声器发声，一路驱动发光器件闪光发光[6]。

经C1、C2不同容量的组合，可产生不同特征发光信号。

图3.3.3SG207内部原理图

SG207的音响输出电流在50～100mA范围，闪光输出电流为5～10mA,故一般情况下，可推动0.25W的喇叭和LED发光二极管，若需更大的功率，可外接PNP或NPN功率晶体管。

功率放大后，可推动大功率喇叭或灯泡

3.3.4报警电路综合设计

我们设计的报警电路是声光报警电路，采用SGZ207多用报警组件来完成。

对于这一多用报警组件，我们在上面有介绍。

它的音响输出电流在50～100mA范围，闪光输出电流为5～10mA，故一般情况下，可推动0.25W的喇叭和LED发光二极管。

若需输出更大的功率，要外接PNP或NPN功率晶体管。

功率放大后，可推动大功率喇叭或灯泡。

我们设计的报警电路如图3.3.4所示。

对它报警的控制是通过电源来控制。

由于SGZ207所需电源电压6～12V，而单片机接口电压为5V，因此不能通过单片机输出电压作用SGZ207电源电压直接来控制，但是可以用单片机的输出电压控制电子开关来控制SGZ207与﹢12V电源的通断来控制报警与否。

当单片机输出高电平时，电子开关三极管关闭，输出低电平，报警电路不工作；当单片机输出低电平，电子开关截止，输出高电平﹢12V,报警电路开始工作。

图3.3.4报警电路

3.4键盘接口电路的设计

3.4.1键盘的总体设计

键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。

键盘按结构形式可分为非编码键盘和编码键盘。

在单片机中使用的都是非编码键盘，因为非编码键盘结构简单、成本低廉。

非编码键盘的类型很多，常用的有独立式键盘、行列式键盘等。

独立式键盘是指将每个键盘按一对一的方式直接连接到I/O输入线上所够成的键盘。

键盘接中使用多少根I/O线，键盘中就有几个按键。

这种类型的键盘，按键比较少，且键盘中各个按键的工作互不干扰。

因此用户根据实际需要对键盘中的按键灵活地编码，缺点是需要占用较多的I/O口线。

行列式键盘是用n条I/O线作为行线，m条I/O线作为列线组成的键盘。

在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。

这样，键盘中按键的个数是m×n个[7]。

这种形式的键盘结构，能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。

在这个设计中，我们就采用4×4键盘，如图4.3所示。

图3.4.144键盘

3.4.2键盘外接电阻的选用

由于在此键盘我们接的是P1口，所以我们要对P1口的结构原理有所了解，P1口原理图如图4.3.2所示。

图3.4.2P1口的位结构原理图

P1口的工作过程分析:

（1）

P1.i位作输出口用时：