基于单片机的火灾自动报警系统.doc

火灾自动报警系统题目(中 文)火灾自动报警系统姓 名学 号院 （系）电子工程系专业、年级 2008级电信0801班指导教师2011年 5 月 21日一、火灾报警系统设计思想1.1 火灾自动报警系统概述火灾自动报警系统能够在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量和光辐射等物理量，通过感温、感烟和感光等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时显示出火灾发生的部位，记录火灾发生的时间。1.2 火灾自动报警系统的组成火灾自动报警系统是由触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置以及具有其它辅助功能的装置组成的火灾报警系统，在火灾自动报警系统中，自动或手动产生火灾报警信号的器件称为触发件，主要包括火灾探测器和手动火灾报警按钮。1.2.1火灾探测器火灾探测器是火灾自动报警系统的传感部分，是组成各种火灾自动报警系统的重要组件，是火灾自动报警系统的“感觉器官”。它能对火灾参数(如烟、温度、火焰辐射、气体浓度等)响应，并自动产生火灾报警信号，或向控制和指示设备发出现场火灾状态信号的装置。火灾探测器是系统中的关键元件，他的稳定性、可靠性和灵敏度等技术指标会受到诸多因素的影响，因此火灾探测器的选择和布置应该严格按照规范进行。火灾探测器的选择应符合下列要求：(1) 对火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射的，选用感烟探头；(2) 对火灾发展迅速，产生大量热、烟和火焰辐射的，选用感烟探头、感温探头、火焰探头或它们的组合；(3) 对火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射和少量烟、热的，选用火焰探头；(4) 对情况复杂或火灾形成特点不可预料的，可进行模拟实验，根据实验选用适宜的探头。(5) 在不同高度的房间设置火灾探测器时可参照表2.1的规定。表2.1 点型感烟、感温火灾探测器的实用高度3房间高度(m)感烟探测 器感 温 探 测 器一 级二 级三 级12h20不适合不适合不适合不适合8h12适 合不适合不适合不适合6h8适 合适 合不适合不适合4h6适 合适 合适 合不适合h4适 合适 合适 合适 合1.2.2手动火灾报警按钮1 手动火灾报警按钮概述火灾自动报警系统应有自动和手动两种触发装置。各种类型的火灾探测器是自动触发装置，而在防火分区疏散通道、楼梯口等处设置的手动火灾报警按钮是手动触发装置，它应具有应急情况下，人工手动通报火警的功能。2 手动火灾报警按钮的设置每个防火分区应至少设置一只手动火灾报警按钮。从一个防火分区内的任何位置到最邻近的一个手动火灾报警按钮的距离，不应大于30m。手动火灾报警按钮宜设置在公共活动场所的出入口处。手动火灾报警按钮应设置在明显的和便于操作的部位。当安装在墙上时其底边距地高度宜为1.31.5m，且应有明显的标志。手动火灾报警按钮宜与集中报警器连接，且应单独占用一个部位号。因为集中控制器设在消防室内，能更快采取措施，所以当没有集中报警器时，它才接入区域报警器，但应单独占用一个部位号。1.2.3 火灾报警控制器火灾报警控制器是火灾自动报警系统心脏，具有下述功能：(1) 火灾报警：当收到探测器、手动报警开关、消火栓开关及输入模块所配接的设备所发来的火警信号时，均可在报警器中报警。(2) 故障报警：系统运行时控制器分时巡检，若有异常(设备故障)发出声、光报警信号，并显示故障类型及编码等。(3) 火警优先：在故障报警或已处理火警时，若发生火警则报火警，而当火警清除后又自动报原有的故障。(4) 时钟与火灾发生时间的记忆：系统中的时钟走时通过软件编程实现，具有相应的存储单元，记忆事故发生时间。(5) 自检功能：为了提高报警系统的可靠性，控制器设置了检查功能，可定期或不定期的进行模拟火警检查。二、火灾自动报警系统原理2.1烟雾检测报警器整体设计方案 2.1.1烟雾检测报警器工作原理 本论文中的烟雾检测报警器以STC12C5410AD单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。 首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入STC12C5410AD单片机；然后，在STC12C5410AD单片机内A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化处理， 将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气 体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿 灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红 灯闪亮。另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越 快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、 稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。为了保 证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝 或电缆线和传感器断线或接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。 当然几种状态的报警信号是各不相同的。 2.1.2烟雾检测报警器的结构 报警器系统结构框图如图2.1所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。报警器采用巡检的工作方式，进行两级 报警值设定，并发出不同的光、声信号。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可 靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器 的成本。图2.1 可燃性气体检测报警器结构框图2.1.3烟雾检测报警器的功能 (1)自诊断故障报警功能 当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时，报警器发出警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，及时排除故障，保证安全。 (2)烟雾浓度显示通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。 (3)烟雾报警功能 当烟雾浓度连续20秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏 感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。 (4)防止报警器误报功能 快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏，还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。 (5)看门狗自检单片机状态功能 调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。 (6)与上位机通讯功能 可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集 和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。 (7)自动控制相关安全装置的扩展功能 留有继电器接口，可以带动排风扇或大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子阀门，可在报警的同时自动启动相关安全装置。 三、烟雾检测报警器的硬件设计在报警仪的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感 器送来的烟雾浓度对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对 两种信号分别进行处理，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否 有键按下的请求。在单片机完成这些的工作中，尤其是信号处理中，比较 浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速 度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况做进行 相应处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功 耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用宏晶科技生产的STC12系列单片机。 3.1烟雾检测报警器硬件电路设计 3.1.1信号采集及前置放大电路 传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾 传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例 放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利 用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然 会造成浪费。常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点 比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。 LM324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源 或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好； 其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与 数字电路兼容。 下面详细介绍运算放大电路： 如图3.2所示，从传感器的上端出来的信号Vi经过运算放大器的同相 输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压Vo通过电阻R4接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻R3接到参考电压Vref。 同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理 想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。 在图3.2中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，I- = I+ = 0，所以V- = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (3-1)而且V- = V+ = ViVo = Vi*（R3 + R4）/R3 (3-2)由以上两式可求出Vo=Vref-R4/R3 (3-3)所以本放大电路的放大倍数A =1+ R4 R3 ，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1。同相比例运算电路有以下几个特点： (1)同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。(2)电压放大倍数A =1+ R4 R3 ，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。如果不接R3和R4，则此电 路就成了“电压跟随器”，它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。 (3)由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设 计。 此放大电路还加了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便 的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用滑动变阻器产生一个参考电压Vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考 端。所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。而电压 跟随器的作用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止R3和R4对 滑动变阻器输出电压的影响。图3.2前置放大电路图3.1.2声音报警电路 声音报警电路图如图3.3所示。报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器26，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，适用于家用煤气报警 器的报警声音源。当单片机STC12C5410AD的17脚(P3.7)置1时，三极 管Q1导通，蜂鸣器报警。本报警器采用单片机STC12C5410AD的PWM功 能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P3.7(PWM)口输出占空比一定 的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。图3.3声音报警电路图3.1.3数码管显示电路 报警器浓度显示采用共阳数码管。显示浓度级别，其主要技术参数如下： 模块工作电压： 2.75.5V 工作电流： 80ma,每段10ma字高：11.4mm环境相对湿度：85 视角：6:00 工作温度：-10+50C 显示方式：反射式正显示存储温度：-20+60C接口方式：8线并行接口 图3.11 数码管结构图3.1.4状态指示灯及控制键电路 状态指示灯及控制键电路图如图3.5所示。单片机STC12C5410AD的18脚(P1.0)、12脚(P2.4)、13脚(P2.5)，控制输出的状态指示灯。绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低。黄灯闪亮表示传感器加热 丝或者电缆发生断线或者接触不良。红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超 过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。 当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下按键停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。图3.5 状态指示灯电路图图3.6 控制按键连接示意图 图3.7 传感器电源连接自诊断电路3.1.5报警器故障自诊断电路 (1)判断传感器电源连接情况 在传感器的地端串联一个电阻R6。当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P1.1(AD)口检测到； 如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。(2)判断传感器信号端连接情况 另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热2分钟后，测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常。 当报警器自诊断发现传感器连接不正常，就会发出长鸣声音警报，并 伴随黄灯闪烁，提醒用户及时排除传感器连接问题。 4、 烟雾检测报警器的软件设计4.1烟雾检测报警器软件流程及设计 本论文中，软件解决的主要问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行AD转换，数字滤波，线性化处理，段式液晶浓度 显示，按键功能设置，以及报警器声光警报。 4.1.1主程序设计及流程图 主程序流程图如图4.1所示。首先要给传感器预热三分钟，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟， 预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或 电缆线是否断线或者接触不良。 STC12C5410AD单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转 换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入段式液晶显示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯及按键功能设置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。4.1.2主程序初始化流程图主程序初始化流程图如图4.2所示。给传感器预热后，程序开始执行 初始化子程序，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、 寄存器初始化、中断使能等。首先设定定时初值50ms，利用IAP写入EEPROM，作为取值间隔。然后设置定时器0，选择方式1。方式1状态下定时器的工作寄存器TH1、TL1是全16位参与操作。接下来定时器0中断允许位置1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。4.1.3插值法线性化处理子程序设计及流程图 在单片机测控系统中，使用之前必须进行静态标定，以得到输出信号与被测信号的关系输出曲线，用来作为使用过程中的计量依据。但是标定时输出曲线往往不是一条理想的直线，所以要对标定曲线进行线性化处理，用一条拟合直线近似代替输出曲线，线性化是智能仪表的典型功能之一。该报警器主要针对甲烷烟雾检测，在软件线性化处理时，以传感器对甲烷的响应曲线为依据。图4.1 主程序流程图图4.2主程序初始化流程图 本论文报警器使用的MQ-2型传感器的电阻是随着烟雾浓的升高而降低的，因此输入单片机的电压也是随之降低的。图4.4为单片机采集电压值与烟雾浓度百分比的对应曲线，可以看出，电压值与烟雾浓度 之间是非线性的关系，为了实时显示烟雾浓度.需要对其进行线性化处理。 在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线分 成若干小段，对每小段分别线性化。 根据分段线性插值法求输入单片机的某一电压值对应的烟雾浓度的 公式如下：f(x) = f(xi