火灾报警器系统的单片机方案设计书.docx

火灾报警器系统的单片机方案设计书.docx

《火灾报警器系统的单片机方案设计书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《火灾报警器系统的单片机方案设计书.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

火灾报警器系统的单片机方案设计书

本科毕业设计（论文）

题目基于单片机的火灾报警器系统设计

院（系部）

专业名称

年级班级

学生姓名

指导教师

年月日

专业班级学生姓名

一、题目

二、主要任务与要求

三、起止日期年月日至年月日

指导教师签字（盖章）

系主任签字（盖章）

年月日

专业班级学生姓名

题目

评阅人签字（盖章）

职　称

工作单位

年月日

专业班级学生姓名

题目

指导教师签字（盖章）　　职称

年月日

经审查，专业班同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教案管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。

指导教师签字（盖章）

年月日

根据审查，准予参加答辩。

答辩委员会主席（组长）签字（盖章）

年月日

院（系）专业班

同学的毕业设计（论文）于年月日进行了答辩。

题目

答辩委员会成员

主席（组长）

委员（成员）

委员（成员）

委员（成员）

委员（成员）

委员（成员）

委员（成员）

答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：

１、设计（论文）说明共页

２、图纸共张

３、评阅人意见共页

４、指导教师意见共页

根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、评阅人和指导教师意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。

一、毕业设计（论文）的总评语

二、毕业设计（论文）的总评成绩

毕业设计答辩委员会主席（组长）签名

委员（组员）签名

年月

摘要

本文介绍了一种适用于多种公共场所的基于单片机火灾报警系统。

针对现有的分布式火灾报警系统投资大、安装麻烦、工程量大等缺点，设计了一种基于单片机的无线火灾报警系统。

系统上位机采用AT89C51单片机作为主控芯片，可分为主控模块、存储模块、人机对话模块（包括数码管和键盘）和无线射频通信模块。

系统下位机以AT89C51系列单片机作为主控芯片，可分为主控模块、烟感探头以及无线射频通信模块。

该系统具有很好的可靠性和实时性，具有广泛的市场前景。

随着计算机技术和信息技术等高新技术的快速发展，无线火灾报警技术也得到迅速的推动。

无线火灾报警技术的应用范围是非常广泛的，更是与我们的生活及生命财产安全息息相关的。

本文综合运用火灾自动报警系统观点出发将分布式控制的思想应用到报警控制系统的设计之中，采用一台AT89C51系列单片机作为系统的上位机，下位机也采用了与上位机相同的AT89C51单片机。

上位机和下位机之间通过无线模块进行通讯，组成分布式智能消防报警控制系统。

该系统下位机的感烟探测器由感烟探测器经加装无线传输设备而成。

上位机的液晶显示界面要求提供良好人机对话界面，在故障和报警时提供相应的声光报警信号和数码管显示。

关键词：

火灾报警；AT89C51单片机；ADC0809；

Abstract

Thisarticleintroducedonekindissuitableformanykindsofpublicplacewirelessfirealarmsystem.Forexistingdistributedfirealarmsysteminvestments,installationproblems,engineeringcapacityshortcomings,designedasinglewirelessfirealarmsystem.SystemusingAT89C51microcontrollerasmasterchip,canbedividedintothemastermodule,enclosure,interactivemodules（includingLCDandkeyboard）andradiofrequencycommunicationsmodule.Thesystemhasaverygoodreliabilityandreal-timeperformance,wirelessfirealarmtechnologyhasbeenrapidly.Wirelessfirealarmtechnologyisveryextensive,withourlivesandthelivesandproperty.

Thisarticleisacombinationofwirelesscommunicationtechnology,fromthepointofviewwillbedistributedcontrolconceptstowirelessalarmcontrolsystemdesign,PLCorthehostcomputerthesameAT89C51microcontroller.Masterandslaveoverthewirelessmoduleforcommunication,distributedintelligentfirealarmcontrolsystem.TheLCDdisplaystheinterfacerequiresagoodinteractiveinterface,infailureandanalertprovidesalarmingsignalsandLCDscreendisplays.

Keywords:

FireAlarm。

AT89C51Microcontroller。

ADC0809

前言

进入上世纪90年代后，我国经济步入高速发展的时期，城市化建设不断加快，城市建筑也由分散式低密度向集中式高密度过渡，林立的高层建筑成了城市的主要的标志。

居民住进了高层塔楼，企业搬进了摩天CBD，高层建筑有效利用空间，节约了城市中本就十分紧张的土地资源。

任何事物的发展都具有两面性，高层建筑中各种通讯线路、动力和照明线路、以及各种系统中线路纵横交错，致使火灾的发生概率也在大幅增加。

加之现代建筑的密闭性较强，一旦发生火灾，整幢大楼就像一个大的火炉，而楼梯道、各种通风管道、线路竖井都是效果极佳的火筒，从而给灭火施救造成了巨大的难度，对火灾发生后及时发现、及时控制的要求促使了火灾报警产品应运而生。

与此同时，现代计算机技术、通讯网络技术和自动控制技术的飞速发展又为人类实现更加理想化的生活提供了可能．智能小区应运而生了。

随着科学技术的迅猛发展以及国内外经济的迅速增长，市场上迫切需要一种容量大、性能优越、可靠性高、便于安装、使用和维护的智能型火灾报警控制系统。

基于社会和经济方面的需求，本课题旨在开发一个能够对监测点实时监控、报警的智能火灾报警系统。

智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理、报警于一体的系统。

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，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势，市场上迫切需要一种容量大、可靠性高、使用简单的智能型火灾报警控制系统。

该火灾报警系统是以AT89C51单片机作为控制中心，接受、处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号、温度信号，并进行声光报警。

1可体研究的背景和意义

1.1课题研究的背景和意义

在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。

火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生。

据联合国“世界火灾统计中心（WFSC）2000统计资料”，全球每年大约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000至75000人。

其中，欧美地区发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平以及消防技术和设施有关。

相比较而言，亚洲地区发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。

据统计，我国70年代火灾年平均损失不到2.5亿元，80年代火灾年平均损失接近3.2亿元。

进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。

随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下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。

一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成极大的危害[1]。

严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接危胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。

残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失[2]。

火灾自动报警系统（FAS）就是为了满足这一需求而研制出的，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。

火灾自动报警系统能迅速监测火情，可发现人们不易发觉的火灾早期特征，可将火灾带来的生命财产损失降到最低限度。

火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体CO，人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了CO中毒，从而无力逃生，火灾自动报警系统可监测到CO浓度的变化，为人们提供CO浓度超标报警信息，通知人们及时疏散[3]。

火灾自动报警系统可作为城市消防系统的单元，通过城市消防专用网与城市消防报警中心联网，及时将报警信息传递到消防报警中心，城市消防报警中心会自动查找到火灾发生的位置，并为消防队员制定消防路线图，以便消防队员可以迅速抵达火灾地点[4]。

火灾自动报警系统能对火灾进行实时监测和准确报警，有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义，有着很大的经济效益和社会效益。

1.2国内外的研究现状

根据现代战争的突发性、立体性和区域不确定性,使攻防界线模糊,作战方向多变,战火灾自动报警系统已有百余年的发展历史，19世纪40年代美国诞生的火灾报警装置标志着火灾自动报警系统首次进入人们的视野[5]。

1890年在英国，感温式火灾探测器研制成功并应用于火灾探测系统，标志着火灾自动报警系统的发展走上正轨[6]。

此后，随着世界科技取得了突飞猛进的进步和各种新兴技术的出现和发展，火灾监测技术也相应迅速发展，各种类型的火灾探测器相继问世，并日臻完善，火灾自动报警系统也在此基础上逐渐地蓬勃发展起来，其发展过程可以分为以下几个阶段:

第一阶段，从19世纪40年代至20世纪40年代，火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用的探测器主要是感温式的探测器，它通过采集温度信号，然后判定是否超出设定的阂值，从而判断是否有火灾发生。

这一阶段，火灾报警系统简单，仅靠单一的温度参量进行火灾判断。

但是它易受环境中其他干扰源的影响，灵敏度低，响应速度慢，无法判断阴燃火灾，也无法满足智能化火灾报警系统的要求。

第二阶段，20世纪40年代末，瑞士物理学家EmstMeili研究的离子感烟探测器推出以后，引起了人们对离子感烟探测器的重视，随后感烟探测器得到广泛应用，并逐渐占据了绝大部分市场，迫使感温式探测器退居其次；到70年代末，光电式感烟探测器在光电技术的基础上发展起来，并很快得到大力发展，它的使用寿命长，抗干扰能力强，没有离子感烟探测器的放射性问题。

在这一阶段，火灾报警系统普遍采用多线制布局方式，布线、调试、系统可靠性是系统发展的瓶颈。

第三阶段，20世纪80年代初期，总线型火灾报警系统开始兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。

它使得布线工作量显著减少，安装调试更加容易，更能精确报警定位。

但是这一时期的火灾报警系统的智能化水平不高，采用有线连接对工程要求高。

第四阶段，从20世纪80年代中后期开始，随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代，智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾自动报警系统相继出现。

模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义[7]。

近年来，采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。

这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制，适用于各类建筑和场所。

无线火灾自动报警系统起初仅用于特殊场合，如博物馆、名胜古迹等不宜布线的场合，而且其价格也比较高[8]。

随着科技进步和元器件成本的降低，无线火灾自动报警系统的研发和生成成本也随之降低，它在性能和价格上都具有很强的竞争力，其市场潜力已经崭露头角[9]。

在我国，采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。

由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。

火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面，一般分为分散式、集中式和分布式，分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断。

集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向[10]。

1.3本文内容的结构安排

基于社会和经济方面的需求，本课题旨在开发一个能够对监测点实时监控、报警的智能火灾报警系统。

智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理、报警于一体的系统。

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，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势，市场上迫切需要一种容量大、可靠性高、使用简单的智能型火灾报警控制系统。

该火灾报警系统是以AT89C51单片机作为控制中心，接受、处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号、温度信号，并进行声光报警。

2火灾报警系统整体方案设计

2.1火灾产生原理及过程

火灾是一种失去人为控制的由燃烧造成的灾害，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和点火源。

可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常是空气中的氧气。

根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式，如果在燃烧前，可燃气就与空气均匀混和，则称之为预混燃烧；如果可燃气体和空气分别进入燃烧区边混合边燃烧，则称之为扩散燃烧。

液体和固体是凝聚态物质，难与空气均匀混合，它们燃烧的基本过程是当从外部获取一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体（如CO、H2等）的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之为气溶胶。

一般气溶胶的分子较小（直径0.01μm）。

在产生气溶胶的同时，产生分子较大（直径0.01一10μm）的液体或固体微粒，称为烟雾。

可燃气体与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。

着火后，燃烧产生的热量使液体或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。

同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量[11]。

这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，导致了火势的扩大，形成火灾。

其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。

根据火灾发生时产生现象的不同，可以将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发展火焰等。

阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，它能长时间自行维持并传播，当条件发生变化时，或者自行熄灭，或者转化为明火。

明火则是火灾发生时燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红、紫外线的火焰。

快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾一般为空气中混有大量可燃气体。

通过大量的研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因[12]。

总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：

首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足的条件下才能达到全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高。

起火过程中，起初和阴燃两个阶段所占的时间比较长，虽然产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器就应该从此阶段开始进行探测，就可以火灾损失控制在最小限度。

火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境温度升高，如果能将这时能够探测到有效地温度值，就可以比较及时地控制火灾。

起火过程曲线如图2.1所示[13]。

图2.1起火过程曲线

2.2系统总体方案设计

2.2.1系统硬件总体构架

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为火灾报警系统的结构框图。

图2.2系统结构框图

单片机是整个报警系统的核心，系统的工作原理是：

先通过传感器（包括温感和烟感）将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，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,最后由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，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。

本火灾自动报警系统具有以下功能：

（1）声、光双重报警功能。

（2）系统故障报警功能。

当系统出现硬件故障时，能发出故障报警信号。

（3）异常报警功能。

当环境出现异常（如烟雾浓度过大或是温度较高）时，能发出异常报警信号，引起人们注意，尽可能避免火灾的发生。

（4）火灾报警功能。

一旦真出现火灾（烟雾和温度同时出现异常）时，能立即发出声光火灾警报[15]。

2.2.2系统软件总体构架

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等，系统程序流程图如图2.3所示。

图2.3程序流程图

为了降低误报率，系统采用了多次采集、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。

2.3系统主要器件的选择

2.3.1火灾探测器的选择

1）探测器简介

火灾探测器是火灾报警系统的重要组成部分，直接关系到整个系统的正常运行。

当火灾发生时，把火灾产生的各种非电量参数（如烟雾，温度）变成电量参数传送给控制器。

其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数的变化而变化[16]。

火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：

气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类。

（l）感温探测器

感温探测器一般分为定温式和差温式。

单一的感温探测器灵敏度低、探测速度慢、探测范围小，尤其对阴燃情况不响应，因此不适用于火灾早期的探测，而在设计时往往安装在不宜安装感烟探测器的区域[17]。

（2）感烟探测器

感烟探测器可以分为离子感烟探测器和光电感烟探测器[18]。

感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在不太好的环境条件场所也会有比较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中。

感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热，但它不能区分火灾信号与非火灾信号，如厨房烟、水蒸气等，所以误报率较高。

（3）气体探测器

气体探测器的主要作用是在发生可燃气体泄漏危险时，提醒有关人员采取相关措施以保护现场工作人员、生产设备的安全运转以及周围环境。

气体探测器适用于散发可燃气体和可燃蒸汽的场所。

但由于气体探测器探测对像CO易与还原气体发生化学反应，因此在有还原气体的场所可能会发生误报警。

（4）图像探测器

图像火灾探测器分为烟雾图像探测器、火焰图像探测器、激光图像感烟探测器等，它们都非常适合于商场大空间建筑。

但烟雾图像火灾探测器对不规则物体或相似图像可能发生误报警。

而火焰图像探测器则对高温物体或太阳光照射可能发生误报警。

激光图像感烟火灾探测器则由于其良好的探测性能，发生误报警的概率小，非常适合商场建筑的火灾探测[19]。

（5）红、紫外火焰探测器

火灾中能够辐射出红外线的不仅仅是火焰，一些高温物体的表面都能发出与火焰红外线频带相吻合的红外线，因此这些并非火灾的红外源就容易使单波段红外火焰探测器产生误报警[20]。

紫外火焰探测器灵敏度高（ms级），反应快，适合在火灾时有强烈的火焰辐射而无阴燃阶段且需对火焰做出快速反应的场合，但当环境中有紫外辐射、高温物体或有太阳光直射时可能或产生误报警，因此，紫外火焰探测器不宜用于火焰出现前有浓烟扩散或有阳光直射的地方。

烟雾浓度是火灾的特性参数之一，在较大范围的监视场所，烟雾探测一直被广泛使用的火灾探测方法。

火灾中会产生大量的热，温度也是火灾的另一特性参数，和环境温度相比火灾的温升是很明显的，所以温度也被用来进行火灾探测[21]。

然而烟雾探测器在受到外界非火灾的干扰信号会产生误报警，且对于某些黑烟的探测并不敏感。

温度探测器可以很好地补充烟雾探测器造成的漏报，但由于只有在燃烧的后两个阶段才会发生明显的变化，报警的响应时间慢。

因此根据以上情况以及本系统的要求，采用感烟探测器和感温探测器相结合的多传感器探测方法[22]，可以发挥各自的优势、弥补不足之处，在火灾发生的早期就能够更加准确的报警。

（6）烟雾探测器

烟雾检测器是能够检测环境中的烟雾浓度的传感器。

仪器的最基本组成部分应包括：

烟雾信号采集电路，模数转换电路，单片机控制电路。

烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。

模数转换电路将从烟雾检测电路中送出的模拟信号转化为单片机可识别的数字信号后送入单片机，单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值（即报警限），若大于则单片机控制射频模块向上位机发送报警信号，反之则为正常状态。

为方便检测与监控，室仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。

烟雾传感器属于气敏传感器，使气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。

传感器作为烟雾检测器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。

由此可见，传感器的选型时非常重要的。

1.烟雾传感器的分类

烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可分为三大类：

（1）利用物理化学性质的烟雾传感器：

如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。

（2）利用物理性质的烟雾传感器：

如热导烟雾传感器、光干涉传感器、红外传感器等。

（3）利用电化学性质的烟雾传感器：

如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。

2.烟雾传感器应满足的基本条件

一个烟雾传感器可以使单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以使由多个不同功能传感器组成的阵列。

但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：

（1）能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；

（2）对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；

（3）对检测信号响应速度快，重复性好；

（4）长期工作稳定性好；

（5）使用寿命长；

（6）制造成本低；

3.常见烟雾传感器简介

下面对工业上常用的集中烟雾传感器做简单介绍。

（1）半