基于单片机火灾自动报警系统的设计.docx

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基于单片机火灾自动报警系统的设计

3n中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院

本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表

学生姓名：

学号：

专业：

电气工程及其自动化

毕业设计（论文）题目：

基于单片机火灾自动报警系统的设计

指导教师意见：

（请对论文的学术水平做出简要评述。

包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。

还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。

）

设计选题切入较好，系统设计具有很好的示范性。

设计了一种基于公用电话网,利用单片机8051、DTMF信号收发芯片MT8880、集成语音芯片ISD1420,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完成语音自动报警，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，资料详实，方法实用，逻辑严密，写作基本规范，达到了本科毕业设计的要求，可以提交评阅。

指导教师结论：

合格（合格、不合格）

指导教师

姓名

所在单位

兰州工业学院

指导时间

2014-09-17

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院

本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表

学生姓名：

学号：

专业：

电气工程及其自动化

毕业设计（论文）题目：

基于单片机火灾自动报警系统的设计

评阅意见：

（请对论文的学术水平做出简要评述。

包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。

还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。

）

该论文选题符合专业要求，联系实际，具有较强的实用价值。

本文设计了一种基于公用电话网,利用单片机8051、DTMF信号收发芯片MT8880、集成语音芯片ISD1420,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,完成语音报警的实用、可靠的单片机语音自动报警系统,着重讲述了该系统的组成形式及工作原理。

论文参考资料详实，结构完整合理，层次比较清晰，单片机外围电路、传感器检测电路和单片机程序比较合理，论述具体，写作比较规范，语言通顺流畅。

但是文章的结论和致谢部分还可以稍加详细。

总体上说，该论文符合本科毕业论文的要求。

修改意见：

（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。

评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。

）

毕业设计（论文）评阅成绩（百分制）：

76

评阅结论：

同意答辩（同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）

评阅人姓名

所在单位

中国地质大学（武汉）

评阅时间

2014-10-01

论文原创性声明

本人郑重声明：

本人所呈交的本科毕业论文《基于单片机火灾自动报警系统的设计》，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。

论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。

对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。

本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。

论文作者（签字）：

日期：

　　14年　　9月　　1日

摘要

本文设计了一种基于公用电话网,利用单片机8051、DTMF信号收发芯片MT8880、集成语音芯片ISD1420,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,完成语音报警的实用、可靠的单片机语音自动报警系统,着重讲述了该系统的组成形式及工作原理。

实践表明,单片机技术在系统报警和其它一些自动控制领域中有着广泛的应用前景。

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。

【关键词】单片机传感器数据处理报警

前言

（一）概述

无线火灾传感器硬件和软件平台的设计对于整个系统的开发与应用至关重要，作为整个系统的底层支持，其必然向微型化、高度集成化、网络化、节能化、智能化的方向发展，近几年，随着计算机成本下降和微处理器体积缩小，开发和构造火灾智能无线报警系统将有广阔的应用前景。

工程试验结果充分显示了技术的可行性和实现的有效性。

随着智能楼宇技术应用的迅速发展，商业市场对火灾报警器的需求不断增长，目前主要使用的是智能型总线制分布式计算机系统的火灾报警系统，虽然在系统安装方面比过去大大方便，但仍然不能满足现代需要，其安装成本约占设备成本的33%～70%。

而无线火灾报警系统能够满足目前要求，它具有安装容易、快捷、便宜、无需布线、对建筑物表面的最小破坏性、对功能变化的易适应性等特点。

有关资料统计表明：

凡是安装了火灾自动报警系统的场所，发生了火灾一股地说都能及早报警，不会酿成重大火灾。

（二）国内外研究状况

虽然WSN（WirelessSensorNetworks）正处于完善的迅速发展时期，但并没有妨碍它在各领域的应用。

德国、日本、美国等发达国家对无线火灾自动报警系统的研究投入大量人力、财力。

无线火灾自动报警系统是典型的多传感器的事件驱动型无线传感器网络WSN，但又具有其特殊要求：

1系统的可靠性、可信度、必须考虑室内多路径散射、回波、干扰、中断、碰撞探测等处理；2系统的最小工作生命周期为5年；3总机和探测器间必须双向通信；4报警信号的传输时间必须在10秒内；5系统干扰、故障探测反映时间要小于100秒。

无线传感器网络（WSN）综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳（SelfOrganizingHop）的网络方式传送给数据处理中心。

WSN的应用前景十分广阔，在军事、工农业、环境监测，医疗护理、危险区域远程控制等领域都有潜在的应用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视。

（三）课题研究背景及目的

我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程,其智能化程度也越来越高。

目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发,他们采用集中区域报警控制方式,其系统复杂、成本较高。

而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位,需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探测报警装置,因此,研制一种结构简单、价格低廉的语音数字联网火灾报警器是非常必要的。

一、系统硬件设计

（一）概述

硬件电路主要包括单片机电路，2路传感器报警信号电路,模数转换电路，语音报警电路，震铃检测电路、模拟摘机和DTMF解调电路，以及主备电控制电路部分。

图1-1报警电路方框图

如图1-1所示,报警器硬件由温度烟雾信号采集模块、声光报警模块以及单片机与收发码模块组成。

图中1,2,3组成数据采集模块,4,5组成现场声光报警模块,5,6组成远程报警模块。

其中,1为传感器（包括烟感和温感）,将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号；2为信号调理电路,将传感器输出的电信号进行调理（放大、滤波等）,使之满足A/D转换的要求；3为A/D转换电路,完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。

声光报警模块由单片机和报警电路组成,由单片机控制实现不同的声光报警（异常报警、故障报警、火灾报警）功能。

单片机与远程报警模块由单片机、MT8880收发码电路组成,实现远程报警。

（二）系统芯片和器件的选择

1.传感器介绍

（1）.TGS202气体传感器

火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。

TGS202气体传感器能探测CO2,CO,甲烷、煤气等多种气体,他灵敏度高,稳定性好,适合于火灾中气体的探测。

如图3所示,当TGS202探测到CO2或CO时,传感器的内阻变小,VA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0106%）时,VA端获得适当的电压。

图1-2TGS202应用电路图

（1）.温度传感器AD590

要准确地进行火灾报警，选择合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提。

综合考虑各因素，本文选择集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。

AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端温度传感器。

电路如图2所示。

由于AD590是电流型温度传感器，他的输出同绝对温度成正比，即1μA/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1kΩ的电阻R和一个100Ω的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC0809。

通过调节可调电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV/K。

图1-3AD590应用电路图

2.ISD1420语音芯片

（1）.ISD1420引脚

图1-4ISD1420引脚

（2）.ISD1420各引脚及其功能介绍

电源（VCCA，VCCD）芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并且分别引到外封装上，这样可使噪声最小。

模拟和数字电源端最好分别走线，尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容应尽量靠近芯片。

地线（VSSA，VSSD）芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线，这两个脚最好在引脚焊盘上相连。

录音（/REC）低电平有效。

只要/REC变低（不管芯片处在节电状态还是正在放音），芯片即开始录音。

边沿触发放音（/PLAYE）此端出现下降沿时，芯片开始放音。

电平触发放音（/PLAYL）此端出现下降沿时，芯片开始放音。

录音指示（/RECLED）处于录音状态时，此端为低，可驱动LED。

话筒参考（MICREF）此端是前置放大器的反向输入。

当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，提高共模抑制比。

自动增益控制（AGC）AGC动态调节器整前置境益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量（从耳语到喧哗嚣声）时失真都能保持最小。

模拟输出（ANAOUT）前置放大器输出.前置电压增益取决于AGC端的电平。

模拟输入（ANAIN）此端即芯片录音的输入信号。

对话筒输入来说，ANAOUT端应通过外接电容连至本端。

喇叭输出（SP+、SP-）这对输出端能驱动16Ω以上的喇叭。

单端使用时必须在输出端和喇叭间接耦合电容,而双端输出既不用电容又能将功率提高4倍。

录音时,它们都呈高阻态;节电模式下,它们保持为低电平。

外部时钟（XCLK）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。

地址（A0~A7）地址端有两个作用，取决于最高（MSB）两位A7、A6的状态。

（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（串行口控制寄存器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.MT8880介绍

MT8880是一个带有呼叫处理滤波器的单片DTMF信号收发器。

他的制造采用MITEL公司的低功耗、高稳定性的ISO-CMOS技术。

DTMF信号的接收部分采用DTMF信号接收单片机MT8870的工业制造标准；发送部分采用开关电容进行D／A转换发送高精度、低畸变的DTM信号。

内部寄存器提供一个群模式。

在双音频群模式下DTMF信号可以通过精确的时序被发送出去。

可选择呼叫处理滤波器让一个微处理器处理呼叫音频信号。

整合了收发功能的MT8880单片机的结构包括一个带有可变增益的内部放大器的高性能接收器和一个带有脉冲计数器的发射器。

一个可以访问MT8880内部的寄存器的标准的微处理器接口。

MT8880的内部寄存器包括1个状态寄存器、2个数据寄存器和2个控制寄存器。

发号由单片机的P0.4控制,将事先存储的号码以DTMF形式通过该片的8脚送至外线。

双音多频信号（DTMF）是由一组低音频信号和一组高音频信号以一定方式的组合构成，每组音频信号各有4个音频信号，而每种组合有一个高音频信号和一个低音频信号，共16种组合。

过去主要用于电话拨号信息传输，具有很强的抗干扰能力。

目前市场上销售的DTMF专用芯片集编解码于一体，MT8880具有收发功能。

本设计通过89C51单片机控制MT8880实现计算机间的远距离数据传输。

4.AT89C51简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

（1）.AT89C51引脚

图1-5AT89C51引脚

（2）.主要性能

·4K字节可编程闪烁存储器

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源·可编程串行通道

·与MCS-51兼容

（3）.各管脚介绍

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

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。

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。

P3口：

P3口管脚是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P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

P口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

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。

（三）系统的硬件实现

1.系统功能及特点

本报警器的工作原理:

当发现警情时,探测器将警报信号通过传感器接口送入单片机,单片机的报警中断程序开始运行,调用拨号子程序按照预置号码进行拨号。

此时单片机控制MT8880发送双音频信号拨号,并检测呼叫信号以判定是否可以调用语音模块进行语音报警。

当没有警情时,可以通过另一部话机拨打本机,振铃检测电路将振铃音信号转换成TTL信号传送给单片机,由单片机计数；当经过预设的振铃无人摘机时,系统就会自动摘机,调用远程设置子程序进行远程录音、查询警情等操作。

语音报警系统主要完成的功能：

感温传感器和感烟传感器通过采集现场信号输入中央处理器,若判断出两种传感器中有一种动作,表明有异常现象,发异常语音报警信号“温度超限”或“烟雾报警”,同时相应的指示灯亮。

此时,若另一传感器也动作,则停止异常报警,而进入火警报警状态,有现场语音“火警”报警提示,火警指示灯亮。

同时系统调用远程报警模块,开始逐个拨叫预设的报警电话,直至有一个报警电话拨通,并收到回码。

在拨号后首先判断电话线的状态是否为回铃音及对方是否摘机。

如是,播放录制好的语音报警内容,如“某某区某某单元某某楼层某某房间发生火警”。

否则挂机,拨打下一个号码。

本文设计的用于小型防火单位的单片机火灾报警系统具有以下特点:

①能对室内烟雾（CO2,CO）及温度突变进行报警（声光报警）。

②如果出现硬件故障（如传感器遗落、内部元器件损坏等），能发出故障报警。

③如果只有一种参数出现异常（如烟雾浓度过大或是温度较高）,能发出异常报警信号,令值班人员到现场处理。

④如果烟雾和温度同时出现异常,则说明有火灾,发出火灾警报,并及时将火灾信息上报消防指挥中心。

⑤有报警优先,对普通电话的强拆功能。

既当电话正在使用时发生火警,系统将强行切断电话,自动拨打报警电话功能。

据类似本系统的报警器现场模拟实验表明,本系统安全可靠,误报率低。

且由于其体积小、操作维护方便、成本低廉等,具有广阔的应用前景。

2.

MT8880接收电路的设计

图1MT8880接图1-6MT8880接收电路连线图

当MT8880作为DTMF接收器的时候，DTMF信号经由IN＋和IN－输入，经过运算放大滤除信号中的拨号音频率，然后发送到双音频滤波器，分离出低频组和高频组信号，通过数字计数的方式检出DTMF信号的频率，并且通过译码器译成4位二进制码。

4位二进制编码被锁存在接收数据寄存器中，此时状态寄存器中的延时控制识别位复位，状态寄存器中的接收数据寄存器满标识位置位，对外而言，当寄存器中的延时控制识别位复位时，IRQL/CP由高电平变为低电平。

如果用IRQL／CP作为单片机的中断信号，IRQL由高电平变为低电平，向CPU发出中断请求，当CPU响应中断，读出寄存器中的数据后，IRQL返回高电平。

MT8880的D0～D3与单片机的P1.0～P1.3相连，P1.4～P1.7分别与CK，RSO，CSL，R/WL相连。

3.发送电路设计

图1-7MT8880发送电路连线图

当MT8880作为发送器时数据总线上D0～D3四位二进制码被锁存在发送数据寄存器中，发送的DTMF信号频率由3.58MHz的晶振分频产生。

分频器首先从基准频率分离出8个不同频率的正弦波，行列计数器根据发送数据寄存器中的数据，以八取二方式分离出一个高频信号和一个低频信号，经开关电容做D／A转换，在加法器中合成DTMF信号，并从TONE端输出，电路图如图1-7所示。

应用MT8880使DTMF信号的收发功能于一体，完成DTMF信号的编码与解码，达到数据传输的目的。

大大简化了设计的复杂性，可以降低成本，减少体积。

4.灯光报警电路

由AT89C51P0口的P0.0～P0.3分别控制4个发光二极管,予以光报警,如图1-8所示。

P114～P117控制的灯依次为绿色（正常信号灯）、黄色（故障信号灯）、红色（异常信号灯）和红色（火灾信号灯）。

当这些输出端输出低电平时,对应的信号灯便会发光报警。

图1-8光报警电路

5.信号音检测电路

利用单片机定时/计数功能检测电话信号音的原理及方法。

如图1-9,当信号音频率偏离450Hz较大或线路存在干扰时,依然能够正确识别无声（线路故障）、拨号音、忙音、空号音、拥塞音、回铃音、被叫用户摘机等状态；占用单片机资源少,仅需要1个定时器和1个计数器；检测程序结构简洁,代码短。

话线信号通过音频变压器T1耦合到电容C2负极,经MC4558放大4倍后,送LM339比较器,回差电压由R7控制,这样就实现正弦波到方波的转换,从LM339输出的方波信号送AT89C51单片机计数器T0输入端P3.4引脚。

图1-9信号音检测电路

检测方法：

话线信号在传输过程中可能受到较严重的干扰，例如在话线信号持续期内缺少数个甚至数十个信号周期以及在话线信号间歇期内存在高频干扰。

为此，可利用单片机定时中断（例如MCS-51的定时/计数器T2）功能，每隔20ms对话线信号周期进行计数（可使用定时/计数器T0或T1作为话线信号周期计数器）。

当话线信号频率为450Hz±10%时，20ms内应检测到8～10个话线信号周期。

由于T0开启时间与话线信号不一定同步，可能存在1个字的误差，这样，20ms内实际检测到的话线信号周期为7～11个。

为了提高判别的准确性，简化判别步骤，缩短检测程序代码，使用一个内部RAM单元b2～b0位作为状态寄存器，其中b2～b0位分别记录最近3个20ms内计数器T0的取值范围；再用2个内部RAM单元分别记录话线信号续、断时间，这样，根据续、断时间的长短就可以判别出话线状态。

（四）

系统总体电路图

1-10总体电路图

二、系统软件设计

为了便于系统维护和功能扩充,采用了模块化程序设计方法,系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。

本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序以及通讯子程序等。

（一）数据采集子程序

数据采集部分的程序设计包括：

驱动ADC0809的IN0和IN1进行A/D转换,分别由子程序ADC1（温度转换）和ADC2（烟雾浓度转换）完成；单片机接收转换好的数据,存入指定内存单元,由INT1中断服务程序完成。

每次驱动A/D转换后等待外部中断,中断到来说明A/D转换已经完成,通过中断服务程序读取转换得到的数据。

A/D采样程序如下:

本程序分住程序和中断服务程序两部分。

主程序用来对中断初始化，给ADC0809发起动脉冲和送模拟量路数地址等。

中断服务程序用来从ADC接受A/D转换后的数字量和判断一遍采集完否。

参考程序如下：

主程序：

ORG0A00H

MOVR1,#30H//输入数据区始址送R1

MOVR4,#2//模拟量总路数送R4

MOVR2,#00H//IN0地址送R2

SETBEA//开CPU中断

SETBEX1//允许INT1L中断

SETBIT1//即INT1L为边沿触发

MOVR0,#0F0H//送端口地址F0H到R0

MOVA,R2//IN0地址送A

MOVX@R0,A//送IN0地址到A/D

SJMP$//等待中断或其它

中断服务程序:

ORG0013H

AJMPCINT1//转中断服务程序

ORG0100H

CINT1:

MOVR0,#0F0H//端口地址送R0

MOVXA,@R0//输入数字量A

MOV@R1,A//存入输入数据区

INCR1//输入数据区指针加1

INCR2//修改模拟量路数地址

MOVA,R2//下个模拟量路数地址送A

MOVX@R0,A//送下路模拟量路数地址,并启A/D

DJNZR4,LOOP//若未采集完2路,则LOOP

CLREX1//若已采集完2路,则关INT1L中断

LOOP:

RETI//中断返回

END

（二）火灾判断程序