火灾报警器课程设计报告.docx
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火灾报警器课程设计报告
本科课程设计报告
题目：
火灾报警器设计
院（系）：
电气与信息工程学院
专业：
电子信息工程
班级：
姓名：
学号：
指导教师：
设计日期：
2012年11月29日
报告书写要求
1、报告封皮标题栏为宋体小三号居中，下划线需右边对齐。
2、报告的撰写要求条理清晰、语言准确、表述简明。
报告中段首空两个字符，中文字体为宋体五号，数字、字符、字母为TimesNewRoman五号，且单倍行距。
3、报告中插图应与文字紧密配合，文图相符，技术内容正确。
每个图都应配有图题（由图号和图名组成）。
图题（宋体小五号）置于图下居中，其中图号按顺序编排，图名在图号之后空一格排写。
图中若有分图时，分图号用（a）、（b）等置于分图之下。
4、报告中插表应与文字紧密配合，文表相符，技术内容正确。
表格不加左、右边线，每个表应配有表题（由表号和表名组成）。
表题（宋体小五号）置于表上居中，其中表号按顺序编排，表名在表号之后空一格排写。
5、报告中公式原则上居中书写。
若公式前有文字（如“解”、“假定”等），文字顶格书写，公式仍居中写。
公式末不加标点。
公式序号按顺序编排，如报告中第一部分的第一个公式序号为“（1-1）”，文中引用公式时，一般用“见式（1-1）”或“由公式（1-1）”。
6、参考文献反映报告的取材来源，是报告不可缺少的组成部分，参考文献数量一般为8～10篇。
引用文献标示应置于所引内容最末句的右上角，用小五号字体。
所引文献编号用阿拉伯数字置于方括号“[]”中，如“二次铣削[1]”。
参考文献应按在文中出现的顺序编排，常用参考文献编写项目和顺序规定如下：
（1）著作图书文献
：
序号└─┘作者．书名．版次．出版者，出版年：
引用部分起止页
第一版应省略
（2）翻译图书文献：
序号└─┘作者．书名．译者．版次．出版者，出版年：
引用部分起止页
第一版应省略
（3）学术刊物文献：
序号└─┘作者．文章名．学术刊物名．年，卷（期）：
引用部分起止页
（4）学术会议文献：
序号└─┘作者．文章名．编者名．会议名称，会议地址，年份．出版地，出版者，出版年：
引用部分起止页
（5）学位论文类参考文献：
序号└─┘研究生名．学位论文题目．学校及学位论文级别．答辩年份：
引用部分起止页
7、若设计完成实物制作需在报告后附录硬件电路原理图和实物测试图，附录的序号采用“附录1”、“附录2”等，并注明附录的内容。
8、设计报告应按如下内容和顺序A4纸双面打印（标注页码）、左侧装订成册。
黑龙江科技学院本科课程设计报告
题目
火灾报警器设计
1、设计目的（题目来源、设计背景及意义）
火灾，作为一种人为灾害，是指火源失去控制蔓延发展而给人民生命财产造成损失的一种灾害性燃烧现象。
火灾还是一种终极型灾害，任何其他灾害最后都可能导致火灾。
火灾能烧掉人类经过辛勤劳动创造的物质财富，使工厂、仓库、城镇、乡村和大量的生产、生活资料化为灰烬，一定程度上影响着社会经济的发展和人们的正常生活。
火灾还污染了大气，破坏了生态环境。
火灾不仅使一些人陷于困境，它还涂炭生灵，夺去许多人的生命和健康，造成难以消除的身心痛苦。
据世界火灾统计中心及欧洲共同体研究测算，如火灾直接损失占国民经济生产总值的2‰，整个火灾的损失将占国民经济生产总值的10‰以上。
现代社会空前发展，积累了巨大的社会财富。
特别是在城市地区，社会人口相对集中，建筑设施鳞次栉比，一旦发生火灾，会严重危害人们的生命财产安全，造成惨重的损失。
因此，我国政府高度重视消防安全工作。
在我国，火灾危害之烈，损失之巨，不亚于地震和洪水的危害。
近年来，我国城市火灾频频，深圳、广州、上海、长沙、石河子、吉林、浙江等地发生的特大火灾所造成的危害及后果，给人们留下了极其深刻的印象，火灾给国家和人民的生命财产造成了巨大的损失。
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[8]。
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在火灾的初期，将燃烧产生的烟雾，热量和光辐射等物理量通过敢问干烟和感光探测器转换成电信号传到火灾报警控制器并能迅速监测火情，通知人们及时疏散[9]。
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[10]。
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。
随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。
智能化火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。
伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展。
2、设计要求（设计任务、实现功能及技术指标）
本文采用气体传感器、温度传感器、AT89C51单片机以及LED显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。
是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。
主要完成以下工作：
1.基于STC89C5RC的火灾报警检测设计方案。
2.本设计选用MQ-2型烟雾传感器、数字温度传感器DS18B20、A/D转换芯片ADC0809、NIS-09声光传感器以及与单片机的接口电路设计。
3.设计主要软件程序模块，完成软件设计。
3、设计方案（理论分析、设计步骤或方法）
二、设计方案
根据方案的设计思想，我们从v中就可以得到了声光报警系统的总体框图如下图所示：
温度
传感器
A/D转换
换器
80C51
声光报警
湿度
烟雾浓度
使用80C51单片机，选用声光传感器作为敏感元件，利用AD574A转换器和声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位火灾报警的声光报警器。
整个设计由4大部分构成：
声光传感器、A/D转换电路、80C51单片机、声光报警电路。
其中，声光传感器是将现场温度、声光等非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将声光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功能。
综合考虑各因素，本文选择NIS-09声光传感器用作采集系统的敏感元件。
它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。
A/D转换器选用AD574A转换器。
数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块组成。
图1.3为火灾报警系统的结构框图
图1-3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。
4、设计内容（应用的技术原理及具体的实现方法）
三、硬件设计
主控电路设计
硬件设计中最核心的器件是单片机80C51，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比较。
整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机80C51实现其控制功能。
单片机的选择
单片机是本方案的灵魂，所以选择时是需要慎之又慎，下面来拿8031和STC89C5RC做一下比较。
8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。
用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。
写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。
由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。
后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。
我们统称这些与8051内核相同的单片机为51系列单片机。
在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的STC89C5RC更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89Cx做的编程器均带有这些功能。
显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。
写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。
而且STC89C5RC目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。
单对STC89C5RC来说，在实际电路中可以直接互换8051和8751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地，单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；而8051/8751/89c51因内部有程序存储器，31脚接高电平，单片机启动后直接在内部读取指令。
也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取，其他无须改动。
另外，STC89C5RC替换8031后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和373芯片。
由于内部RAM的存在，可以减少I/O扩展芯片、锁存器及片外RAM等等，使整个设计显得简单明了，所以我们选择STC89C5RC。
A/D转换器的选择
A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10位、12位、16位等。
位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。
而就其结构而言，有单一的A/D转换器，有内含多路开关的A/D转换器。
根据本设计的需要，我选择的A/D转换器是ADC0809芯片。
ADC0809是美国AnalogDevice公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，转换速率高，自带三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连而无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容，是目前我国应用最广泛，价格便宜的A/D转换器。
加之内部含有三态输入缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口电路，内部设置的高精参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能完成A/D转换功能，应用非常方便。
烟雾传感器的选择
烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。
使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。
阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。
虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。
中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。
当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。
因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。
一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。
半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。
半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）。
经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：
灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。
因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。
而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。
温度传感器的选择
温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。
温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：
1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。
传统的分立式温度传感器如热电偶传感器。
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。
2.模拟集成温度传感器/控制器。
它的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
3.智能温度传感器。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。
温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：
一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。
接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。
这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。
但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。
非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。
常用的是辐射热交换原理。
此种测稳方法的主要
特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。
综合以上，我选择数字温度传感器DS18B20。
该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
DS18B20一线总线数字式传感器，独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯，用户可定义的非易失性温度报警设置。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜，体积更小。
外围接口电路设计
NIS-09声光传感器简介
在设计中我们之所以选用NIS-09声光传感器，是因为它的输出模拟量与我们所用的A/D转换器输入等级相符合。
（NIS-09声光传感输出电压是5.6+0.4v，A/D转换器的输入量程是0～+10V）
声光传感器主要有以下两种：
（1）散射式
在发光管和光敏电阻之间设置遮光屏，无声光时光敏元件接收不到信号，有声光时使光敏元件发出信号。
（2）离子式
用放射性同位素镅Am241放射出微量的a射线，使附近空气电离，当平行平板电极间有直流电压时，产生离子电流Ik。
有声光时，微粒将离子吸附，而且离子本身也吸收a射线，其结果是离子Ik减小。
若有一个密封装有纯净空气的离子室作为参比元件，将两者的离子电流比较，就可以排除外界干扰，得到可靠的检测结果。
在本次设计中，我们选用NIS-09声光传感器。
它是离子式烟雾传感器，是日本NEMOTO公司专为检测延误而精心设计的新型传感器。
A/D转换器的选择
AD574A系列的所有型号和功能因脚和排列都相同，因而它们与单片机借口也相同。
AD574A所有型号都有内部始终电路，不需要任何外接器件和连线。
图3-9为AD574A与80C51单片机的接口电路。
该电路采用双极性输入方式。
根据声光传感器输出电压是5.6+0.4v，在设计时我们选用单极性输入方式。
当AD574A与80C51单片机配置时，由于AD574A输出12位数据，所以当单片机读取转换结果时，应分两次进行：
当A0=0时，读取高8位；当A0=1时，读取低4位。
图中AD574A的STS与80C51的P1.0线相连，故采用查询方式读取转换结果。
声光报警电路
声光报警电路由单片机P2.0口控制，输出报警信号（高低电平间隔1s的脉冲信号），驱动声光报
警电路，直至按复位键RESET和开关键。
声光报警电路由555定时器、扬声器和普通发光二极管组成，电路图如图3-10所示。
其中555定时器接成了一个低频多谐振荡器，其控制电压出入端5脚与单片机80C51的P2.0端相连，受P2.0脚输出的脉冲信号控制。
由电容C4的充冲放电作用，当P2.0＝1时，555输出脉冲的振荡频率较低，当P2.0＝0时，555输出脉冲的振荡频率较高。
该脉冲信号经隔置电容C2加到扬声器上，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时P2.0脚输出的高低电平间隔1s的脉冲信号经电阻R1加到发光二极管LED上，LED将闪烁发光，达到声光同时报警的效果
总电路设计
根据要求，设计中我们选用80C51单片机。
80C51单片机的主控电路包括时钟电路、复位电路。
而传感器是将非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量。
当今信息时代，随着电子计算机技术的非速发展，自动检测，自动控制技术显露非凡的能力，而大多数设备只能处理电信号，也就需要把被测，被控非电量的信息通过传感器转换成电信号。
可见，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。
没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕捉和转换，就没有现代自动检测和自动控制系统。
没有传感器就没有现代科学技术的迅速发展。
设计中，传感器我们选择的是NIS-09声光传感器。
必须利用微粒的特点检测。
而NIS-09声光传感器它的性能参数是我们选择它理由。
声光传感器连接在A/D转换器的输入接口。
我们将主控电路和外围接口电路（80C51与A/D转换器的接口电路、80C51与声光报警电路）连接起来，就得到了基于80C51的声光报警总电路图。
当外部环境达到一定值时，声光传感器就会产生模拟电压，将它作为输出的模拟信号经AD574A转换器转换为80C51单片机所能识别的数字电压量。
通过P1.0检测信号。
当有信号输入时，经程序设定就会驱动80C51单片机的P2.0。
而P2.0是与声光报警电路相连接的。
5调试及测试方法
1.火灾报警数据处理方法
固定门限检测法是使用最早，且应用最广泛的火灾探测方法，优点是计算量小且易于实现，其原理是根据火灾探测器的信号幅值作为火灾报警的依据，并与固定的阈值进行比较[16]：
当信号幅值超过报警阈值时，则发出报警，否则解除报警[17]。
火灾报警系统中使用的是温度传感器AD590和烟雾传感器TGS202，烟雾传感器输出电压v与烟雾浓度p关系为：
v=-0.3p+5.6，温度传感器使用的灵敏度是-5.5mV/℃。
在本设计中报警温度设为57℃，烟雾报警浓度设为3.2％英尺（参照市面销售的火灾报警器温度烟雾的报警临界值）。
经过换算可得出温度烟雾传感器输出火灾报警临界电压值为：
，
2.火灾判断与报警
系统对温度和烟雾进行了两次数据采集与判断，每次信号采集后根据得到的数据与设定的阈值比较，当温度≥57℃，温度异常，置寄存器变量a为1，否则为0；当烟雾浓度≥3.2％，烟雾浓度异常，置寄存器变量b为1，否则为0。
综合两次温度烟雾信号的采集，根据温度和烟雾的寄存器变量a和b的状态，判断现场情况：
2个寄存器变量均为0，表示情况正常；2个中仅有1个为1，表示情况异常；2个均为1，表示有火灾发生。
系统对现场进行报警判断后，间隔20s后（通过系统的延时程序实现），再一次采集现场的温度烟雾信号进行判断，即每一次语音报警持续20s，直到系统做出下一次判断结果。
当系统状态为00时，表示正常，80C51的P2.2口变成低电平，绿灯亮；
当系统状态为01或10时，表示异常，P2.3口变为低电平，P2.1口变为低电平，黄灯亮，蜂鸣
6、设计结论及心得
火灾报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。
本论文是在对烟雾、温度传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案，并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。
本次毕业设计经过努力，整个系统实现了预期的目标。
本系统通过设计一个以80C51单片机为核心的火灾报警器可以实现语音报警、温度浓度显示、报警限设置、延时报警等功能。
是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。
本报警器电路结构简单、可维护性好。
由于实现了对普通环境中烟雾浓度和温度的实时监控，因此具有非常普遍的意义，能广泛应用于居民家庭、企事业单位等多方面的安全防范。
但是也存在不少的不足。
由于电源的波动，传感器的电气特性等问题，使得A/D转换结果有时波动很大，这样就可能出现误报警。
由于时间的关系，系统中本应具有的串行通信的功能没有实现，而只是实现了烟雾浓度、温度显示。
由于上述缺点的存在,此系统不是很完善，还有待进一步改进。
通过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识也更加深入，使自己对本专业更加的热爱，对本科阶段四年的学习做了进一步的总结，更加明确了自己学习的目标和方向。
在设计过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验心得。
而且，对工程设计的流程和步骤有了清晰的认识，为自己日后的学习和研究打下了坚实的基础。
7、参考文献
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[6]于智洋.浅析
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