火灾报警系统的研究与设计.docx
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火灾报警系统的研究与设计
系别：
物理与电子工程系
火灾报警系统的研究与设计
火灾报警系统的研究与设计
摘要：
伴随智能化建筑的持续出现，当代建筑电气科技也开始出现。
在建筑电气技术中，火灾报警控制系统是一个非常关键且必不可少的子系统，它是以电子通信、传感器、计算机等技术为基础的一个系统。
本文设计主要将DS18B20温度传感器、MQ-2烟雾传感器以及AT89C51单片机技术作为核心，与多样电子技术相互结合，从而完成的火灾报警系统。
系统重点由单片机主控处理、A/D转换、数据筹集、报警电路以及显示等众多模块构成。
关键词：
烟雾；报警器；传感器；单片机
ResearchandDesignofFireAlarmSystem
Abstract:
Withtheadventofintelligentbuilding,modernconstructionelectricaltechnologyalsoemerged.Firealarmcontrolsystemisaverykeyandindispensablesubsystemsinthebuildingelectrictechnology,itiselectroniccommunications,sensor,computerandothertechnologyonthebasisofasystem.
IsdesignedinthispaperusingDS18B20temperaturesensortechnology,MQ-2smokesensorsandAT89C51asthecore,withavarietyofelectronictechnologycombinedwitheachother,soastocompletethesmokealarm.Thesystemiscomposedofsinglechipcomputercontrolmodule,A/Dconversionmodule,dataacquisitionmodule,alarmcircuitmodule,displaymodulefivemodules.
Keywords：
Smog;alarmapparatus;sensor;singlechip
1引言
进入二十一世纪，人类社会也步入了一个空前壮大的发展阶段，无论大小城市，各种各样的建筑都开始拔地而起，然而在这种发展的同时所带来的突发事故明显增多，突发事故给人们带来了生命威胁和财产的严重损失。
在多样的突发事故中火灾最为常见，而且造成的影响也较大，尤其是对人们生命的威胁和财产的大量损失，所以我们有必要加强消防的预防工作。
在建筑中安装强大的灾害自动报警系统能够给人们带来安全保障[]。
一个良好的自动报警系统，能够及时发现灾害的发生并进行灭火，从而防止因灾害发生而造成损失[]。
1.1火灾自动报警系统的作用
火灾自动报警系就是设定在现实建筑物中，用来完成灾害初期审查以及报警，并向多种消防设施发放相关信号，最终完成预定消防作用的消防设备[]。
此系统对初期探究以及通报信息，按时告知相关人员疏散且实施灭火，在防范以及降低人员损害、管控火灾损失等部分具备显著的现实影响。
其主要功能包括：
（1）自动接收火灾报警信号。
在火灾发生时首先会产生大量的烟雾和较高的温度在，火灾探测器检测这些物理量并输出电信号，再将电信号传到控制器。
（2）记录火灾方位以及发生时间。
火灾显示盘能够标识具体方位，并记下灾害出现的具体时期。
（3）当检测到有火灾出现时，此报警系统开始对消防设施进行管控，快速处理并排烟。
（4）系统能够将消防电源之外的所有电源进行切断，降低火灾造成的损失。
（5）系统能够对所有的消防设施实施管控，保证基础设施处于正常状态。
（6）系统可以给出消防设备所在平面图，工作人员根据平面图监控火灾现场情况。
1.2选题的目的、价值及意义
在所有突发灾难中，火灾对大众人身以及财产安全的损害不言而喻。
火灾发生的频率是比较高的，只要有心去关注火灾发生的新闻，可以发现每天都会有发生。
火灾的破坏性也是非常强的，它会将所有的东西都烧的面目全非。
随着社会经济的迅速进步，以及高层智能化建筑的大量出现，火灾出现次数明显增多，产生的损害也持续增加。
为了能够减少火灾发生的频率，以及降低火灾造成的损害，在火灾发生初期能够及时发现并将火扑灭是最好的方式。
因此，应该在可能出现灾害的地区装置高效的报警系统。
火灾报警系统能够对所在区域进行实时监控，当检测到有火灾发生时做到及时灭火，避免了因火灾的蔓延而造成的损失。
设计出一款良好的报警系统是十分关键的。
伴随科技的发展，火灾报警系统所代表的并非简单的报警设备，而是加入了多种科技形成的完善系统。
目前使用的系统并不健全，也需要进一步研发改进。
1.3国内外的发展趋势
全球部分经济发展水平高的国家，他们对于火灾已经有一套较为健全的消防系统，能够做到对早期防范、报警、扑救以及后续处理等工作。
在人员培训、消防设备维护以及消防设备的进一步研究方面，政府提供了极大的帮助，每年都会给消防工作提供大笔资金。
这些国家使用了联网的方式将计算机和客户终端传感器进行了连接，能够实现随时监控以及故障的远端输送。
他们在此监控系统部分的科技值得我们学习。
他们的火灾自动报警监控系统在消防工作中起到了重大作用，因为该系统可以使他们的消防指挥中心迅速判断出火灾的具体情况，从而做出最为正确的应对方案，通知消防部队及时到达火灾现场进行灭火，解救人和降低财产损失，如今他们的火灾监控系统已经有效运行了多年。
此外这些国家建立独立的监控服务体系，并进行严格管理，来确保火灾相关信息的传讯能够毫无阻碍，服务于用户，与此同时传递准确的火灾信息到消防部队，同时消防部门对它们进行监督和审查[]。
上述监管模式在现在逐渐得到了相应的发展。
近期，国外火灾自动报警系统逐渐使用无线通信的方式。
无线电通信技术在这种系统中起到了极其重要的作用，它取代了之前的有线通信方式，由于是无线连接方式将大量设备连接在一起，所以这种系统适合各式场所和建筑，但是在初期这种系统的价格比较高昂，所以起初仅仅在特殊场所使用，比如因布置线路之后而影响美观或者破坏建筑的场所。
而伴随科学技术的发展以及所需元器件费用的减少，上述系统研究以及制造费用也出现减少，而且无线火灾自动报警系统在性价比上具备显著的竞争实力，具备较好的发展前景。
相较于经济发展水平高的国家，国内火灾报警系统发展时间并不长，国内此类研发和生产在二十世纪的中后期才刚刚开启。
即使步入80年代之后，国内也没有自己真正意义上的核心技术，当时国内生产的产品主要是进行模仿或者直接引进国外的核心技术，同时国内市场开始起步。
在研发此类产品部分，国内本质意义上的初始发展是在九十年代，因为国家经济的逐步开放，许多生产火灾报警系统产品的国外企业也渐渐走入了国内的市场，国外企业的到来，也将他们的先进技术带到了国内，因此也加快了国内消防市场的发展。
与此同时，国内部分企业开始协作，并且进步迅速，得到显著成果。
在这个年代凡是能够抓住这次机会的企业现在已经有了较强的实力，这些企业的一些技术发展到了较高水平，基本达到了国际水平。
随着科技持续进步，国内逐渐开始重视起采用无线电通信方式的报警系统。
该系统具有无损作用、高灵活性、便于安装等优点，非常适合使用在不易于布置线路的场所，如博物馆、景区、医院等。
此系统通常分为三种方式，即分散式、集中式以及分布式，该系统能够进行火灾判决以及统筹监管。
随着火灾自动报警系统的发展，智能管控越来越重要，而分布式系统符合该要求，它使用控制器与探测节点全部是智能型，这种系统将作为以后发展的主导部分。
2系统设计
2.1设计任务及要求
众所周知，为了降低火灾造成的损失，在建筑中安装火灾报警系统是非常有必要的，它可以及时发现火灾并进行灭火[]。
为了给人们相比平稳的工作氛围，消防工作是重中之重。
本文设计的系统展现出下面的作用：
（1）运用LCD显示当前温度；
（2）通过按键完成系统参数的设定；
（3）探测火灾并进行报警。
2.2系统框图及工作原理
系统框图：
如图2-1所示。
由系统框图可以看出，系统组成有数据采集部分，按键设置部分，液晶显示部分，声光报警部分以及单片机主控部分。
工作原理：
当火灾发生时，火灾发生区域的温度和烟雾传感器将火灾产生的温度和烟雾进行数据采集，并转化为电信号。
再通过放大电路将微小电信号进行处理。
再把这些电信号实施A/D转换，变为数字类型。
最后传给主控部分，跟设置的报警值进行比较，如果超出设置值，那么系统及时给出报警信号，进行声光报警并在显示屏上显示数据。
图2-1系统框图
3系统主要元器件
3.1单片机AT89C51
本设计使用的单片机是AT89C51。
AT89C51是独特的带有4k字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机，它是一种高效微处理器，在单独的芯片中将FLASH存储器和多功能8位CPU进行了组合[]。
AT89C51具有以下特性：
可与MCS-51兼容；带有4k字节可编程FLASH存储器；可以进行1000次的反复擦除；数据可以存留10年之久；
位内部RAM；32个可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；可编程串行通道；片内振荡器；时钟电路。
AT89C51的引脚图如图3-1所示。
图3-1ATC89C51单片机引脚图
3.2温度传感器
本设计使用了DS18B20数字温度传感器，可以直接读取数据，没必要再经过A/D转换器进行操作。
这种传感器体积小、抗磨抗撞、操作便利、封装方式众多，非常适合使用在多种狭窄空间[]。
DS18B20具有独特的连接方式，仅仅使用一条线就能进行双向传输数据。
供电电压为3.0V~5.5V，测量温度的范围是-55℃~+125℃。
平面图如图3-2所示。
图3-2DS18B20平面图
3.3烟雾传感器
现今火灾报警系统使用光电和离子感烟型两个类型。
烟雾传感器适用于商店、仓库、酒吧等场所。
在火灾发生的初期，燃烧物大多进行的是阴燃，因此会产生大量的烟雾和少量的热，在这种环境下烟雾传感器比温度传感器起到的作用更大。
烟雾传感器主要是根据火灾初期出现大量烟雾这一特征而研发的。
但是烟雾传感器有一个明显的缺陷，就是不能判断所检测的烟雾是因何产生的，从而增加了误报几率[]。
本设计的探测部分采用了MQ-2型烟雾探测器。
MQ-2可以检测多种气体。
它的优点：
非常高的敏锐度、较好的稳定性、低费用、使用时间长以及单一的驱动电路。
当烟雾传感器遇到可燃气体时传感器的电导率会跟随浓度大小的升降而出现变动，电导率大，输出的电阻会出现降低，从而输出的模拟信号就越低。
MQ-2型烟雾探测器如图3-3所示。
图3-3烟雾探测器外观图
3.4液晶显示屏
本设计的显示模块采用了LCD1602，其理论是使用液晶的物理特点，利用电压对其显示区域实施管控，其中主要内容是数字、图形和专用符号。
随着科技进步，此类显示屏的使用越来越普遍。
其特点如下：
（1）显示质量高。
当液晶显示器上的点接到信号后会恒定显示出该信号所对应的色彩及亮度，不需要像有些显示器一样进行不间断刷新亮点。
（2）数字式接口。
在数字接口与模拟接口之间，数字接口更适合液晶显示器，使用数字接口，可以避免信号在转换过程中的损耗，显示更高质量的图像。
（3）体积小、重量轻。
液晶显示器的显示原理是通过电极将液晶分子进行有序排列，所以体积要比CRT显示器小，重量也较轻[]。
（4）功耗低。
液晶显示器属于低耗电产品，能够做到完全不发热，主要耗电在在内部电极上。
4单元电路的设计
4.1单片机最小系统
晶振电路：
将一个晶振连接在单片机内反向放大器的两端，再在晶振的两端分别连接上电容，电容的两端再进行接地，形成了一个并联谐振电路。
反向放大器的输入端是XTAL1，输出端是XTAL2。
电容的取值设定为30pF。
晶振为单片机准备工作信号脉冲，上述脉冲是现实运作速度。
图4-1晶振电路
复位电路：
当火灾报警系统通电开始工作时，复位电路为系统提供复位信号，经过一段时间之后，系统电源进入稳定工作状态，解除复位信号。
而实际的操作是当电源稳定之后需要等待一会，再撤掉复位信号，这样做是为了预防开关闭合时形成的抖动而影响到正常复位。
为了让整个系统都是从初始状态进行工作，在单片机每次启动时都要进行复位[]。
复位信号通过引脚RST传到单片机中。
当系统正常工作之后，引脚RST上经过超出两个机器周期的高电平时系统复位。
单片机系统复位的方式为：
上电复位和手动复位。
本设计采用了手动复位方式。
手动复位方式是给C8并联一个开关，当开关按下时电容放电、REST被拉到高电平，而且由于电容充电，会保持一段时间的高电平来使系统复位。
复位电路的电路图如图4-2所示。
图4-2复位电路
4.2蜂鸣器驱动电路
单片机的I/O口输出的电流不大，达不到蜂鸣器顺利运作所需的电流，因此需要将输出的电流经过放大电路实施处理。
实际运用中是使用三极管代替放大电路。
如图4-3所示。
图4-3蜂鸣器驱动电路
4.3键盘电路
研发键盘电路较为简单，其主要是为了给系统设置一些标准值以及控制报警设备。
比如温度报警值、烟雾浓度报警值和开关蜂鸣器等。
按键的排列图如图4-4所示。
由于按键不少，单片机的I/O口不够使用，所以将按键进行矩阵式排列。
在此类键盘中，每条水平线与垂直线之间使用按键进行连接，而不是马上相连。
这种方式可使一个端口构成更多按键，如P0端口组成
个按键，明显比将端口线做成键盘按键的效果好。
因此在按键较多，单片机I/O资源较少时，使用矩阵法来安排键盘是最为合理的。
电路图如图4-5所示。
图4-4按键功能图
图4-5键盘电路
4.4显示电路
将系统检测到的温度和烟雾浓度具体数据通过液晶显示器公开
图4-6显示电路
来。
电路图如图4-6所示。
4.5时钟模块及接口电路
DS1302可以进行实时计时，并且在闰年可以自动进行补偿。
所需工作电压范围是2.5V~5.5V。
它使用了三线接口的方式与中央处理器进行了信息同步。
它的内部还有一个暂时储存数据的RAM存储器。
DS1302可以与DS1202进行兼容，前者比后者增加主要以及后备电源，后者也可以进行缓慢充电。
在DS1302的X1与X2引脚之间连接一个32.768kHz的晶振，利用将RST输入驱动置高电平来开启全部数据传送。
当RST处于高电平时，数据传输被初始化，DS1302也可以开始操作。
在数据传输时期，如果RST转变成低电平，那么数据传输将停止，同时I/O引脚变就是高阻态。
上电运作的时候，当Vcc<2.0V时，RST只能处于低电平。
当SCLK处于低电平时，RST就与之相反。
SCLK是时钟输入端。
如图4-7所示。
图4-7时钟电路
4.6A/D转换电路
A/D转换芯片，其最高分辨就是256级，可满足普通模拟量转换需要。
芯片具备双数据输出可当做数据校验，以便降低数据失误，转换速度高此外稳定作用显著。
单独芯片使能输入，让多器件连接以及处理器控制更加便利。
利用DI数据输入端，可直接完成通道作用的挑选。
其主要特点如下：
●8位分辨率，逐次逼近型，基准电压是5V；
●5V单电源供电；
●输入模拟信号电压范围为0～5V；
●输入和输出电平与TTL和CMOS兼容；
●在250KHZ时钟频率时，转换时间为32us；
●具备两个可供挑选的模拟输入通道；
●功耗低，15mW。
通常状况下ADC0832和单片机的接口需要四条数据线，主要是CS、CLK、DO、DI。
但是因为DO端和DI端在通信时并不是同时有效且和单片机接口为双向，因此电路设计时期可把DO与DI联系在相同数据线上使用。
在ADC0832没有运作的时候其CS输入端就是高电平，这个时候芯片不能使用，CLK与DO/DI的电平可随意。
在开展A/D转换的时候，需要把CS端置于低电平此外维持低电平直到转换全面完结。
这个时期的芯片正式开启工作，此时由处理器向芯片时钟输入端CLK准备时钟脉冲，DO/DI端就使用DI端输入通道功能挑选的数据信号。
在首个时钟脉冲到来以前DI端就是高电平，代表启动位。
在第2、3个时钟脉冲到来以前DI端需要输入2位数据用来挑选通道功能，其功能项参考表一。
参考表一内容，在配置位2位数据是1、0时，对CH0实施单通道转换。
在配置2位数据是1、1时，对CH1实施单通道转换。
在配置2位数据是0、0时，把CH0当做正输入端IN+，CH1是负输入端IN-开展输入。
在配置2位数据是0、1时，把CH0当做负输入端IN-，CH1是正输入端IN+开展输入。
表一ADC0832配置位
输入形式
配置位
选择通道
CH0
CH1
CHO
CH1
差分输入
0
0
+
-
0
1
-
+
单端输入
1
0
+
1
1
+
到第3个时钟脉冲来临以后DI端的输入电平就丧失输入功能，之后DO/DI端就逐渐使用数据输出DO开展转换数据的读取。
从第4个时钟脉冲开始让DO端输出转换数据最高位D7，之后每个脉冲DO端输出下一位数据。
一直到第11个脉冲时输送最低位数据D0，每个字节的数据输出结束。
也就是从此位开始输出下个相反字节的数据，也就是从第11个时钟脉冲输出D0。
之后输出8位数据，一直到第19个脉冲时数据输出结束，也表明一次A/D转换的完结。
最终把CS置高电平禁用芯片，直接对转换之后的数据进行处理。
图4-8为ADC0832时序图。
Proteus仿真软件缺少烟雾传感器，直接用滑动变阻器取代，图4-9就是A/D转换电路。
图4-8时序图
图4-9A/D转换电路
5软件设计
5.1主程序设计
本设计采用的烟雾传感器有一个缺陷，就是不能断电存放，如果断电一段时间没有使用，那么再次使用时，它不能马上开始工作，首先需要对它进行一段时间的预热，然后才能对烟雾信息进行采集。
系统提前实施初始化，次货开展监控。
在感烟传感器所在环境出现烟雾的时候，探测器开展浓度测试，把最终的微小电压信号放大，利用A/D转换器ADC0832进行处理，之后传送到单片机中。
将探测到的烟雾浓度跟设置的报警浓度值进行比较，若低于设置的浓度报警值，那么LED灯保持原样；若超出设置的浓度报警值，那么报警
N
Y
N
Y
图5-1主程序流程图
系统进行蜂鸣报警此外LED灯进行闪亮。
如图5-1所示。
代码见附录。
5.2
A/D转换器程序设计
N
Y
图5-2A/D转换器流程图
将烟雾探测器探测到的数据输入到ADC0832中，当CS引脚处于低电平时，ADC0832进入工作状态，先进行4个时钟脉冲，然后D0开始工作，读取后面连续的8位数据，同时将数据进行保存，把CS放到高电平，ADC0832暂停运作，最终把处理之后的数据传送到单片机。
流程图如图5-2所示。
代码见附录。
5.3时钟模块程序设计
时钟芯片的重点作用就是完成年、月、日、时、分、秒的及时，利用外部接口为单片机系统准备日历以及时钟。
因此最主要的实时时钟芯片一般展现出下面的部件：
电源电路、时钟信号产生电路、实时时钟等众多部分。
代码见附录。
图5-3时钟模块流程图
DS1302和微处理器开展数据交换时，由微处理器向电路输送命令字节，其中最高位WriteProtect（D7）是逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护；D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据；D5～D1指定输入或输出的特定寄存器；最低位LSB（D0）是逻辑0，指定写操作（输入），D0=1，指定读操作（输出）。
在DS1302时钟日历或RAM开展数据传送的时候，DS1302需要输送命令字节。
假如开展单字节传送，8位命令字节传送完结以后，在下2个SCLK周期的上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。
时钟模块的流程图如图5-3所示。
代码见附录。
6系统仿真
6.1初始状态下的仿真效果
初始烟雾浓度为18，温度为19℃。
设置烟雾浓度报警值为100，温度报警值为50℃，初始值都低于报警值，所以不进行报警。
初始状态仿真图如图6-1所示。
图6-1初始状态下仿真图
6.2烟雾报警的仿真效果
此时，烟雾浓度超过了报警值100，蜂鸣器启动发出声响，并且LED灯进行闪烁。
如图6-2所示。
6.3温度报警的仿真效果
此时温度为67℃，超过了温度报警值50℃，报警器进行报警。
如图6-3所示。
图6-2烟雾报警仿真图
图6-3温度报警仿真图
7结束语
经过几个月的努力，通过查找大量有关火灾报警系统的资料以及在导师的帮助下，终于完成了毕业论文设计。
在这个过程中我学习到了更多在课堂上没有学到的知识，并且对理论知识有了更加深入的理解以及增强了实践能力。
在遇到问题时首先要进行仔细观察和分析，然后找到出现问题的关键所在，从而找到正确的解决方法，将问题快速解决。
这种能力是我们必须具备的，在社会中它可以帮助我们解决许多不必要的麻烦。
参考文献
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