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基于单片机的火灾报警系统研究
目录
1引言1
1.1课题的研究目的和意义1
1.2传统火灾自动报警系统及国内外现状2
1.3无线火灾自动报警系统及国内外现状3
1.4短距离无线通信技术的现状与发展趋势4
1.5本课题研究的主要内容4
2系统方案的总体设计5
2.2系统方案的确定6
2.2.1总体系统实现方案6
2.2.2火灾检测传感器方案6
2.2.3短距离无线通信模块方案7
2.3主要器件的选用9
2.3.1温度传感器的选择9
2.3.4时钟芯片的选择13
2.3.5存储芯片的选择13
2.4本章小结14
3电路的硬件设计15
3.1火灾报警主控制器硬件设计15
3.1.1AT89S52单片机简述15
3.1.2火灾报警主控制器时钟电路18
3.1.3火灾报警主控制器存储电路19
3.1.4火灾报警主控制器无线通信电路20
3.1.5火灾报警主控制器键盘电路22
3.1.6火灾报警主控制器显示电路23
3.1.7火灾报警主控制器电源电路25
3.1.8火灾报警主控制器报警电路27
3.2火灾报警系统子机硬件设计28
3.2.1 温度监测电路设计28
3.2.2烟雾监测电路设计33
3.2.3系统子机电源电路设计35
4火灾报警系统软件设计37
4.1火灾报警控制器软件设计37
4.1.1火灾报警控制器主程序37
4.1.3火灾报警控制器液晶显示程序38
4.2火灾报警系统子机软件设计42
4.2.1火灾报警系统子机主程序42
4.2.2温度测量子程序43
4.2.3烟雾测量子程序44
4.3本章小结44
5结论46
附录A原理图47
附录B部分程序50
参考文献59
致谢62
1引言
1.1课题的研究目的和意义
火灾严重威胁着人类的生命财产安全，每年我国由火灾引起的灾难数不胜数，然而，准确、及时的对火灾进行预测已成为迫在眉睫的事情。
目前，火灾探测技术是预防火灾发生的最有效的手段，根据火灾发生初期的迹象来判断并进行预测，从而使人们在第一时间对这些迹象进行处理，有效的减少了火灾的发生。
火灾自动报警系统所具有的早期发现并通知火灾和启动灭火设备灭火的功能，使大量火灾在起初阶段就被扑灭，避免了重大经济损失，成为现代消防不可缺少的安全技术措施[1,2]。
预防和消除火灾引起了消防部门和社会各方面的高度重视，因此使火灾自动报警设备的设计、生产、应用有了较大的发展。
火灾自动报警系统是在保护对象发生火灾的情况下自动探测、显示火灾警报的装置。
安装火灾自动报警系统的目的，就是及时发现火灾、及时采取灭火、疏散等措施，最大限度的降低因火灾带来的损失。
为了更好地进行人机交互，把与火灾有关的各种信息以文字或图形方式显示在液晶屏或CRT上。
火灾自动报警系统是由火灾报警控制器、火灾报警探测器及其它现场报警器组成。
按照消防规范，火灾报警探测器主要有感烟探测器、感温探测器、手动报警按钮等。
火灾自动报警技术根据其发展,通常分为两个阶段。
把上世纪80年代初兴起的新一代报警系统称为“现代火灾自动报警系统”。
把采用80年代以前技术生产的目前仍在使用的系统通常称为“传统火灾自动报警系统”[3]。
当前火灾探测领域广泛使用的智能探测器的探测方式是将火灾探测及信号处理都集中在探测器内部，在探测器内部设有微处理器，这样探测器就不是单纯的传感器。
在探测器内部可以融入更多、更先进的火灾信号算法。
由于其内部有微处理器，每个探测器都有信号处理软件，就地采集就地处理，不需要经过线路传输，信号的真实程度得到提高。
当今，微处理器技术发展非常迅速，低价位，低功耗，高性能的小型单片机比比皆是，这就为发展智能型探测器提供了充分的物质保障。
所以，智能火灾探测器也是现在消防领域的一个重要发展方向。
普通可燃物燃烧的表现形式是：
首先产生燃烧气体和烟雾，在氧气供应充足的条件下才能达到完全燃烧，产生火焰并发出一些可见光与不可见光，同时释放大量的热，使得环境温度升高。
普通可燃物由初起阴燃阶段开始，到火焰燃烧、火势渐大，最终酿成火灾的起火过程。
因此在该系统中我们以环境温度、烟雾浓度作为判断火灾的依据。
传统火灾报警系统有准确度低、存在误报和漏报等问题，针对传统火灾报警系统这些问题，本文设计了基于AT89S52的无线火灾报警系统，该系统具有较高的可靠性、稳定性、准确度。
1.2传统火灾自动报警系统及国内外现状
国际上，火灾自动报警技术根据其发展,通常分为两个阶段。
把上世纪80年代初兴起的新一代报警系统称为“现代火灾自动报警系统”。
把采用80年代以前技术生产的目前仍在使用的系统通常称为“传统火灾自动报警系统”[3]。
传统火灾自动报警系统主要是多线制开关量式火灾自动报警系统。
根据其发展和应用表明，不同型号，不同类型的火灾自动报警系统根据其场合的要求进行安装使用，均能发挥其监控火情的作用。
但存在明显的不足：
一是抗干扰能力差、误报率较高。
判断火灾仅仅是根据探测的某个火灾现象参数是否超过设定值阈值来确定是否报警，所以无法排除环境和其它干扰因素。
由于灵敏度过高或过低，会使报警不及时、漏报或形成误报。
二是功能少，性能差，不能满足发展的要求。
现代火灾自动报警系统的主要形式有：
总线制可寻址开关量式火灾报警系统，模拟量传输式火灾报警系统，分布智能火灾报警系统和无线火灾自动报警系统。
目前较为常用的一种火灾报警控制形是集散式火灾自动报警系统。
此种控制形式在信号传输方面大多数采用有线传输，通常采用的是RS-232，RS-485总线或CAN总线。
现代火灾自动报警系统的特点：
一是具备自动检测功能的系统提高了系统的可靠性。
二是为能够准确的定位火灾发生的地址，火灾自动报警探测器具备了自动编址功能。
三是模拟量探测器能及时准确的预知火灾和提供火灾的详细情况。
我国火灾自动报警系统研究比西方国家晚些，主要安装在大型计算机中心，高层建筑等地，其工程技术水平还相对落后，存在着一些比较突出的问题，表现在：
（1）适用范围过小。
在我国，主要是根据《高层民用建筑设计防火规范》、《建筑设计防火规范》规定安置在大型计算机中心、高级宾馆、高层建筑，学校，大型公共建筑中，而中小型公众聚集场所及社区民居住宅区都没有安装火灾自动报警系统。
（2）智能化程度低。
目前，我国的火灾自动报警系统具备了一定的智能化，但存在巡检速度慢、稳定性和可靠性差的缺点。
（3）网络化程度低。
各区域火灾自动报警系统间没有建立网络，使得它们不能共享资源和服务，有可能使消防人员不能及时到达火灾现场，延缓救缓，造成额外经济损失和人员伤亡。
（4）组件连接方式有待改善。
多线制和总线制是我国火灾自动报警系统的主要连接方式。
火灾报警探测器与火灾报警控制器主要采用两根或多根铜芯绝缘导线或铜芯电缆相连接，这种连接方式施工与维护复杂，加大了系统成本费用，且功耗大，降低了系统的抗干涉性。
（5）火灾自动报警系统误报、漏报问题较多。
由于存在以上问题，火灾自动报警应用技术应进一步着眼于当前国际发展的新形势，加快更新改造进程，加强对数字技术和新工艺、新材料的应用，改进系统能力，使火灾自动报警应用技术向着高可靠、低误报和网络化、智能化、无线化、社区化方向发展[４]。
1.3无线火灾自动报警系统及国内外现状
无线火灾报警系统是近几年来国外发展起来的新型火灾报警系统，它是利用无线火灾探测装置发出的火警信号和故障信号，并记录发出这些信号的地点和时间的火灾自动报警专用设备[５,６]。
近年来，无线火灾报警系统在国外已经发展起来，并走向了实用化。
起初，无线火灾报警系统不仅价格高，而且部分探测装置必须通过布线进行连接，这仅适合于一些特殊场所，如具有历史价值的古建筑物，将火灾自动报警探测器安装在不易、不可能实现布线的彩绘天花板与石墙上。
如今，几乎所有的电器装置都可以改由无线控制，可广泛地应用于各类建筑和场所。
无线火灾自动报警系统安装简单、方便、快捷，适用于包括家庭等多种场所，不会对建筑物自身造成伤害，具备有线火灾自动报警系统不可比拟的优点。
由于无线火灾自报警系统不采用导线，因此可以方便地将火灾报警探测器从室内移到室外进行工艺处理，完成后再将探测器放回原位。
这些都为无线火灾报警系统的发展提供了技术保障。
美国松柏公司（ITI公司）成立于1981年，其创办人发明了第一代全监控无线报警系统。
1983年前，美国的无线系统一般并不可靠，ITI公司采用了多种军用技术使无线报警方法有所突破，采用数码传送及鉴别技术，大大提高了可靠性及干扰的排除[７]。
1983年推出第一代可靠性的无线报警系统，第三代技术是世界上最先进的无线报警技术，第四代产品将推出。
我国在无线报警系统发展方面滞后于国外，但近年来有所发展[７]。
开始之初，无线火灾报警系统不仅价格高，而且仅适合于一些特殊场所。
现在，能用布线连接的电器几乎都可以用无线电信号来实现，广泛地应用于各类建筑物及场所。
我国无线火灾报警系统技术基本空白，虽然有人进行了这方面的研究，但并没有成型产品推向市场。
因此，无线火灾自动报警系统的研究势在必行。
1.4短距离无线通信技术的现状与发展趋势
随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增长，人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。
在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。
以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。
与上述技术一样，数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用，他们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。
所以如果我们能够很好地了解无线通信的基本原则以及这些技术的特点，就能更好地理解并完成传感数据的无线采集。
无线数据通信技术可分为两大类：
一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据（CDPD），通用分组无线传输技术（GPRS）、EDGE等。
二是基于局域网的技术，如IEEE802.11WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距离无线通信技术等。
与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络（如蜂窝移动通信网）相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务（数据、话音）上，均有很大的不同。
1.5本课题研究的主要内容
本课题的研究任务是研发一种基于单片机的无线火灾自动报警系统，该系统采用无线电信号传输代替通常用的双总线或多总线的传输模式。
本系统包括火灾自动报警系统控制器、火灾自动报警系统子机两部分。
火灾自动报警控制是控制处理中心，相当于人的大脑；火灾自动报警系统子机完成对火灾报警控制器和火灾报警探测器间的数据处理转发。
无线火灾报警系统具有数据交换、误码率低、火警预报、上报及时等特点，实现了施工简单、安装容易。
从而最大程度的减少由于火灾带来的经济损失和人员伤亡。
本课题的主要研究内容如下：
（1）火灾自动报警控制器整体设计及实现，包括时钟存储电路、电路、液晶显示电路、键盘电路、通讯电路、电源电路等硬件设计及时钟、液晶、键盘、通讯等软件编程；
（2）火灾自动报警系统子机整体设计及实现，包括探测器、通讯电路等硬件设计及通讯等软件编程；
（3）火灾自动报警系统整体软件设计及实现，包括显示、无线通讯及火警检测、数据处理、无线通讯协议等软件编程。
2系统方案的总体设计
火灾现场环境的检测有许多方法，可供选择的器件和运用的技术也有多种。
因此，系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下，充分考虑系统使用的环境，所选的结构要尽量简单实用、易于实现，器件的选用要着眼于合适的参数、稳定的性能、
较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换性能。
2.1火灾报警控制器及系统子机功能要求
依据中华人民共和国国家标准GB4717-93对火灾报警控制器及系统子机的要求，火灾报警控制器及系统子机应具有以下功能：
（1）火灾报警功能
火灾报警控制器及系统子机接收到探测器的异常信息后，经多次识别确认，发出声、光报警等信号，指示火灾发生的部位。
报警时火警指示灯亮，火警音响，同时显示第一次报警地址及循环显示后续报警地址，并可显示报警总数和报警点的地理位置及类型。
报警声响可以手动消除，光信号可以保持，直至手动复位。
当有新的报警发生时，声光报警再次启动。
火灾自动报警系统具有火警优先功能，即当前系统无论处于任何状态下，只要出现了火警，则系统由当前状态自动切换至火警显示状态。
（2）故障报警功能
火灾报警控制器有完善的故障监视系统，可以对以下情况：
主电故障、备电故障等。
声报警可以手动消除，光报警则持续保持，直至故障消除。
（3）中文显示及时钟功能
火灾报警控制器配置点阵式大屏幕液晶显示器（蓝底白字），多级菜单式操作，全中文功能提示。
火灾自动报警系统具有实时时钟显示功能，内含时钟芯片。
（4）具有后备电源功能
在火灾报警控制器中备有浮充电池，在火灾报警控制器投入使用时，应将电源开关全打开，当主电网有电时，火灾报警控制器自动利用主电进行供电。
当主电网断电或欠压时备用电池自行启动。
（5）存储功能
用户从火警报警控制器上进行相关查询及有火警、故障等信息需要在液晶屏进行显示时，都需要从火灾报警系统控制器的存储单元读取。
系统的功能往往决定了系统采用的结构，本系统要实现的是温度和烟雾数据的测量、存储、显示及后期处理等功能，因此系统采用近几年来成熟的各种温烟传感技术、短距离无线通信技术、数据处理控制技术等来构造基本的系统功能。
系统的总体结构可以构想为温度烟雾采集模块、短距离无线通信模块、系统控制及数据处理模块、存储、显示及报警等几大部分。
2.2系统方案的确定
2.2.1总体系统实现方案
火灾自动报警系统由火灾报警控制器和火灾报警系统子机组成。
当火警探测器监测到火灾、故障等异常情况时，系统子机通过无线通讯模块以无线电波的形式将这些信息发射给系统控制器，系统控制器一端有同样无线通讯模块将信号接收进来。
火灾报警控制器通过无线模块接收这些信息后，及时进行相应的处理，使用户可以要根据这些提示进行相应的灭火、排除故障等操作。
同时火灾报警控制器将这些火警及故障信息在液晶屏上予以显示、存储，以备用户将来查询所用。
无线火灾自动报警系统设计方案如图2-1。
图2-1火灾自动报警系统设计方案
2.2.2火灾检测传感器方案
火灾发生时，会产生大量烟雾和热量，温度和烟雾是最明显的物理变化和化学反应过程。
火灾探测的原理是检测火灾发生产生的各种物理、化学变化，进行动态监测，并将其转化为电信号传送给火灾报警控制器，从而实现对火灾的检测和报警。
常见的火灾探测传感器根据所检测的对象不同，可以分为以下几种：
（1）感温探测器的检测对象是温度，其结构简单，可靠性高；
（2）感烟探测器的检测对象是烟雾微料，对烟雾敏感，技术成熟，可靠性高；
（3）气体探测器适用于散发可烯气体和可燃汽的场所，但会降低其探测的灵敏度；
（4）火焰探测器的检测对象是火焰辐射光，其探测范围广，对火焰反应速度快，但易受太阳光等高温物体辐射干扰；
（5）图像探测器其检测对象是烟雾、火焰形状，适合商场等大空间建筑物；
综上对比，感温传感器，感烟传感器成本低，适用环境广，抗干扰能力强，因此本系统主要采用这两种传感器。
2.2.3短距离无线通信模块方案
目前国内外比较成熟的短距离无线通信技术主要有以下几种：
（1）红外通信技术（IrDA）[8,9,10]
红外通信技术IrDA（InfraRedDataAssociation）采用人眼看不到的红外线传输信息，是使用最广泛的短距离无线通信技术。
它利用红外线的通断表示计算机中的0-1逻辑，通常有效作用半径2米，传统速度可达4Mbit/s，1995年IrDA将通信速率扩展到的高达16Mbit/s，红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收具有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低廉的特点。
因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，PDA，移动电话等移动设备。
但红外技术只是一种视距传输技术，有效距离近，发射角度较小，一般不超过20度，两台相互通信的设备之间必须对准，而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物，只能限于两台设备通信，无法灵活构成网络，且无法用于边移动边使用的设备，另外，IrDA设备中的核心部件LED易磨损。
（2）蓝牙技术（Bluetooth）[8,9,10]
蓝牙技术使用全球统一开放的2.4GHz的ISM频段，采用跳频扩频FHSS技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网（Piconet）。
多个微微网之间也可以形成分布式网络（Scatternet），从而方便，快速的实现各类设备之间的通信。
蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点:
规范的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。
蓝牙技术目前只是一种行业联盟制定的短距离无线通信规范。
（3）微功率短距离无线通信技术[10]
近年来，随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响。
射频芯片一般采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。
新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。
综上对比，微功率短距离无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。
使用该种方案无线通讯接口与数据采集系统接口电路设计简单可靠。
2.2.4数据处理方案[11]
现代科学技术的不断进步，一些先进的算法不断产生。
这些算法在各个行业中得到了广泛应用，使该行业得到新的发展。
火灾报警探测领域同其他领域一样，先进的算法使火灾探测技术更上一个新的台阶。
本系统采用门限检测法和变化率检测法对火灾信息进行判断。
火灾检测方法最早使用的是固定门限检测法，其检测方法是以火灾报警传感器采集到的数据值作为火灾报警的依据，将这个数据值与固定的门限值比较,当采集到的数据值超过报警门限值时，表示有火警发生，发出报警信息；否则就是没有火警发生。
固定门限检测法具有计算量好的优点，而且该算法易于实现。
但是由于算法简单，误报或漏报率高。
因此为了提高火灾传感器的抗干扰能力，对固定门限值检测法进行改进，其原理是“浮动底线＋固定报警门限值”。
根据火灾探测器的工作环境不同，对固定报警门限值设置不同的值。
当其值适中时，火灾探测器工作在正常模式；当值较高时，火灾探测器工作在低灵敏度模式；当值较低时，火灾探测器工作在高灵敏度模式。
感温火灾探测器的报警门限值是75oC。
任何物质的燃烧都会明显的温度变化,因此感温火灾报测器可以利用温度变化率对火灾进行检测。
在实际计算中对一段时间内的温度采样，计算信号变化斜率值，将其与设定的斜率门限值进行比较。
以此来判断火灾是否发生。
为了提高检测的可靠性和抗干扰能力，在使用这种算法时同时可以使用信号平均和延时等处理手段。
2.3主要器件的选用
2.3.1温度传感器的选择
随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。
在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：
外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用MCU的I/O引脚数情况如何，因为MCU的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约与MCU的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。
目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有Philips公司的I2C总线，Motorola公司的SPI总线，NationalSemiconductor公司的Microwireplus总线，DallasSemiconductor公司的1-Wire总线和Siemens公司的Profibus总线等。
常用的数字温度传感器主要有：
①AD7418是是美国模拟器件公司（ADI）推出的单片温度测量与控制用集成电路。
其内部包含有带隙温度传感器和10位A/D转换器。
测温范围为-55℃～+125℃，具有10位数字输出温度值，分辨率为0.25℃，精度为±2℃，转换时间为15～30ms。
具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境千扰等优点。
AD7418可以级联至多8片在同一个I2C总线上。
②MAX6575L/H是美国MAXIM公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。
测温范围为-40～+125℃，其误差范围：
在25℃时优于±3℃,在85℃时优于±4.5℃，在125℃时优于±5℃。
但是MAX6575L/H在其测温范围内非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。
它最多允许在一根MCU的I/O总线上同时挂接8个MAX6575L/H进行多点温度测量。
为了避免多个传感器同时测温时有重叠的现象，MAX6575提供了“L”和“H”两种型号的传感器,它们的使用方法相同,而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。
但是，MAX6575L的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在5m以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。
③DS18B20是美国Dallas半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。
DS18B20的测温范围-55～+125℃，最高分辨率可达0.0625℃，由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。
Dallas公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点：
①适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；
②性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好；
③具有CRC校验功能，可靠性高；
④软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。
由于DS18B20独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用MCU的I/O引脚资源少，和MCU的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用DS18B20做为温度测量的传感器。
2.3.2烟雾传感器的选择[12]
绝大多数物质在燃烧的开始阶段，首先产生烟雾，烟雾具有很大的流动性，它能潜入建筑物的任何空间。
烟雾具有毒性，它对人的生命具有特别大的威胁。
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