毕业设计（论文）-基于单片机的智能火灾报警系统的设计.doc

基于单片机的智能火灾报警系统的设计Design OfIntelligentFireAlarmSystem Based OnSCM学生姓名：所在学院：所在专业：指导教师：职 称：所在单位：论文提交日期：论文答辩日期：学位授予单位：基于单片机的智能火灾报警系统的设计目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1 论文研究背景11.2 研究现状11.3 论文研究内容2第2章火灾报警系统分析32.1 系统整体分析32.2 系统工作原理32.3监测器材研究32.3.1烟雾传感器32.3.2温度传感器5第3章硬件模块设计63.1控制模块63.2温度传感器模块63.3烟雾传感器模块73.4 电源模块83.5 状态指示灯及蜂鸣器93.6 系统硬件电路原理图设计93.6.1 开发环境介绍93.6.2 硬件原理图设计9第4章软件程序设计11第5章软件仿真13结论17参考文献18攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成果19致谢20附录A 程序21II摘要近些年来，因火灾造成的人民生命和财产损失的事件时有发生，对于火灾的防控情况不容乐观。除了对于火灾隐患的排查和人们防灾减灾意识提升之外，利用科技手段对火灾进行实时监控报警十分必要而且非常有效。国内外利用科技手段对大型企事业单位及商场等公共场所进行火灾实时监控报警的系统已经有一定应用，因此本论文综合分析目前监测手段和方式，专门针对家居和小型办公场所的智能火灾报警系统进行分析和研究。使用烟雾传感器和温度传感器共同实时检测空气中的烟雾粒子和温度变化情况。利用单片机接收两种传感器所传回数据，并进行比较分析。当正常情况下显示绿灯；当有火灾情况时红色报警灯亮并且蜂鸣器响，形成声、光报警。利用Altium Designer软件设计电路原理图，Keil软件对程序进行编写。使用Proteus软件对电路原理图以及软件程序进行仿真，验证了电路原理图和软件程序实现设计要求，功能正常运行。关键词：火灾报警系统；传感器；单片机；仿真技术AbstractIn recent years, when the event of loss of life and property caused by fire have occurred, for fire prevention and control situation is not optimistic. In addition to the fire hazard investigation and to enhance peoples awareness of disaster prevention and mitigation outside the use of technological means of fire it is necessary for real-time monitoring and alarming and very effective. Use of technological means at home and abroad for large enterprises and shopping malls and other public places real-time monitoring of fire alarm systems has a certain application, so this paper a comprehensive analysis of the current monitoring means and methods, specifically for home and small office intelligent fire alarm system analysis and research.The use of smoke and temperature sensors together real-time detection of smoke particles in the air and temperature changes. Both sensors use MCU receives the returned data, and comparative analysis. Under normal circumstances, when a green light; when there are fires in the red warning light and buzzer, the formation of sound, light alarm. Use Altium Designer software design circuit schematics, Keil software program written. Use Proteus software schematics, and simulation software program to verify the circuit schematics and software programs to achieve the design requirements, function properly.Keywords: fire alarm systems;sensors;SCM;Simulation TechnologyII第1章绪论第1章绪论1.1论文研究背景随着我们日常生活逐渐富足和智能，家居及办公场所电子电器设备逐渐方便我们的生活和工作，把我们从以往复杂重复的劳动中解放出来。但与此同时，由于不安全用电用火的原因，火灾隐患正悄悄威胁我们的人身及财产安全。在1980-1989年，中国因火灾造成的损失达到3.2亿元；1990-1999年间，随着我国经济总量的增大，由火灾造成的损失增加到10.2亿元；进入21世纪后，由于火灾造成的损失更是达到惊人的程度。据统计，在过去的2014年一年中，全国共接到火灾报警39.5万起，因灾死亡人数达到1817人，受伤1493人，直接经济损失达到43.9亿元。冬春两个季节全国共发生火灾25万起，平均每天就有1374起；秋夏两季共发生14.5万起，平均下来一天之内就发生790起火灾1。作为北方城市的哈尔滨，由于冬季漫长，春季大风干燥，更是容易产生火灾。相比于我国的火灾死亡率，欧美及北美等发多国家，其因火灾的死亡人数较少，究其原因，于这些国家的人们消防意识强，建筑的火灾报警及消防设施完善有关。与某些自然灾害相比，火灾具有一定的可防可控性。火灾的发生，是可以避免和监测的，如果人们提高防范意识，安装高性能的火灾报警系统，就可以尽可能的避免和减少火灾的发生，以及其对人身财产的伤害2。1.2 研究现状由于欧洲和北美地区经济发展起步较早，科技发展迅速，因此其在火灾报警系统方面的研究也较早，瑞士在20世纪40年代就发明了电子烟感传感器。国外发达国家，其在人们的消防意识，火灾的防控，报警，扑救以及灾后处理等方面，都形成了完整的消防体系3。政府会投入大量资金，定期用于火灾预警，消防设备，以及救灾人员培训，现有设备的维护和保养等。一些信息化及工业化程度较高的发达国家还将每个火灾防控的最小单元设置有火灾报警专用传感器，并且将火灾报警终端的信号采集与计算机网络相连接，从而可以对火灾自动进行监测，报警，及处置。这些火灾报警及处置系统主要应用于火灾隐患大，安全敏感的区域，并且使用专用的定制化系统，不仅成本较高价格昂贵，而且兼容性较差，对于系统维护保养人员要定期进行专业培训，不利于民用场合。虽然我国在火灾报警系统上起步较晚，但由于近些年来经济发展迅速，科技水平不断提高，由市场驱动的火灾报警系统逐渐成为朝阳产业。火灾报警系统的发展历程从逐步摸索，到仿制国外产品，到目前自主研发，虽然发展时间比国外短得多，但科技水平与国外技术差距越来越小，并且根据我国市场需求特色，有针对性的开发适合我国国情的火灾报警系统。目前对于国内大型的商场及办公场所，在建设过程中将火灾报警及处置系统作为建筑设计中的一部分，其应用已经达到世界先进水平。但作为家居及小型办公场所，火灾报警系统的应用依然属于空白状态。其原因除了有人们防火意识耽误，对灾害的预见和重视程度不够外，成本较高，系统复杂程度不适合家居及小型办公场所也是重要原因。因此本文主要针对家居及小型办公场所，开发基于单片机的智能火灾报警系统，利用低成本的硬件环境及软件系统，最大效能的发挥火灾报警功能，添补家居及小型办公场所的火灾报警系统空白4。1.3 论文研究内容本论文针对家居及小型办公场所，基于单片机技术及传感器技术，对智能火灾报警系统进行设计。整个系统包括烟雾传感器模块，温度传感器模块，控制模块，状态显示模块，火灾报警模块等几部分。本系统具有体积小，成本低，兼容性好，操作简单，实时监测和报警等优点。论文主要工作及研究内容：（1）提出基于单片机的智能火灾报警系统的整体设计，对传感器类型及特点进行分析和研究。（2）根据智能火灾报警系统的整体设计方案，确定硬件功能模块，并具体设计原理图。（3）针对系统设计要求，确定软件功能流程，编写程序代码。（4）利用计算机仿真技术，使用PROTEUS软件对电路图及软件程序进行仿真分析。17第2章 火灾报警系统分析第2章火灾报警系统分析2.1 系统整体分析本系统主要应用与家居及小型办公环境中。不同于大型的专用集成火灾报警及处置系统，本系统立足于精准高效的对火灾进行监测及报警。火灾报警系统首先是要对火灾进行有效准确的监测，由于火请发生时必然伴随着高温和浓烟情况，因此可以对温度和烟雾进行检测，从而判断是否有火情的发生。大部分火灾发生时，并不是瞬间就形成完毕的，单独对烟雾或者温度进行监测并不能有效对火灾进行检测，因此需要同时对烟雾和温度进行监测。对于传感器监测的结果，要能有效显示及告警，所以系统设计有状态告警灯来提示目前室内状态，并且当有火灾发生时，火灾报警器可以发出刺耳的告警声来提示人员火情发生。对于系统的中央处理单元，我们采用51单片机5作为控制芯片。2.2 系统工作原理图2.1 智能火灾报警系统原理框图通过传感器实时监测火灾隐患。使用烟雾传感器及温度传感器，对室内环境进行实时监控。将传感器数据返回到单片机内，对数据进行及时分析。对于数据分析的结果，当都处于安全范围内，单片机通过状态指示灯提示目前室内状态安全，无火情；当检测到烟火传感器、温度传感器有任意一个数据达到或者超过预先设定的安全阀值，单片机即输出告警信息，状态指示灯提示有火情，并且发出告警音6-9。2.3监测器材研究2.3.1烟雾传感器1、离子式烟雾传感器从技术角度讲，离子式烟雾传感器是目前较先进的一种对烟雾敏感的传感器类型。它的设计有内外电离室，其中包含放射性元素镅241作为放射源。电离所产生的正离子以及负离子，在有电场的作用下，会分别向电场的正极以及负极方向移动。当传感器所处环境无烟雾的情况下，传感器内部的电离室处于稳定状态，其电流和电压维持恒定。一旦环境中有烟雾产生，烟雾产生的物质会窜入外电离室，会干扰由于电离产生的正离子和负离子的正常运动方向，所以其电流和电压无法维持稳定状态，破坏传感器电离室的内外平衡，于是传感器自带的无线发射器会发出告警信息，将信号传导到远处的检测主机，产生报警信息10。2、光电式烟雾传感器光电式烟雾传感器的工作原理基于红外线发射管和红外线接收管，但工作方式与普通红外线对管不同。光电式烟雾传感器可分为减光式和散射光式两种：（1）减光式光电传感器当减光式光电传感器所处环境正常无烟雾情况下，光接收器可以接收到一定量的光信号；而当有烟雾产生时，烟雾中的粒子将光发生器发出的光线阻拦，使光接收器接收到的光信号减少，产生的光电流降低，报警电路因此报警。（2）散射光式光电烟雾传感器当传感器所处环境无烟雾时，红外接收管不能接收到红外发射管发出的红外线光束。当环境中有烟雾产生时，红外发射管发出的红外光经过烟雾环境后，发生折射、反射等光学现象，使得红外接收管接收到红外线光，传感器报警电路据此判断是否有烟雾产生，如果超过阀值则发出烟雾报警。3、气敏式烟雾传感器气敏式烟雾传感器主要是针对某种特定的气体检测的传感器。它主要包括半导体式，接触燃烧式和电化学式几类气敏传感器。其中大部分应用的是半导体气敏传感器，主要是对一氧化碳气体、瓦斯气体、煤气、氟氯昂和酒精等气体的检测。半导体式气敏烟雾传感器是将特定种类气体以及这种气体的浓度相关的信息，转换成电信号，并且根据这些电信号的强弱，来判断该气体在传感器所处环境中的存在情况信息，从而达到检测、监控、报警等目的。气敏烟雾传感器主要应用在以下几个领域：（1）对可燃性气体的检测，包括烷类物质，有机蒸气气体等，大量应用在抽油烟机，燃气报警器等设备。（2）对一氧化碳的检测，主要应用于环保生产，汽车家庭等环境中，对一氧化碳存留以及气体的不完全燃烧的监测。（3）氧传感器，应用于医疗环保，交通冶金等方面。（4）有毒气体的检测，可以检测汽车尾气排放，工业废气检测等污染气体的检测。气敏式烟雾传感器的典型型号有MQ-2气体传感器，其广泛应用于家庭以及工厂的气体检测设备，能够对液化天然气，甲乙丙烷，酒精气体等的探测。2.3.2温度传感器温度传感器主要有以下这些类型：其中IC温度传感器又分为模拟输出与数字输出两种IC温度传感器。1、热电偶作为测温元件常用在温度测量仪表中， 它直接测量环境温度，并把测量的温度信号转换为热电动势信号从而转换为被测环境的温度。热电偶具有坚固耐用，经济实惠，操作简单灵活等特点，但其灵敏度较低，稳定性较差，精度中等，响应速度慢，非线性并且在高温环境下易产生漂移和老化现象。2、热敏电阻是一种电阻值随着温度变化而灵敏变化的电阻器，因此其在电路设计中很容易连接，并且响应速度也很快，成本低，灵敏度也较高。但其温度变化通常较窄，且温度变化所引起的电阻值变化也较大，且有自身发热问题，非线性元件。3、RTD电阻温度检测器与热敏电阻类似。其由铜、铂或镍铁合金制成，其电阻值也是随着温度的变化而变化，但是误差和电阻都比热敏电阻要小得多，但是价格也贵很多。4、IC温度传感器有复杂的集成电路制成，其具有极高的线性特性，成本低廉，并且精度很高，高分辨率，容易与系统进行集成开发。但是其响应速度通常很低，并且温度的变化范围有限。与前三种温度传感器比较来讲，IC温度传感器具有集成特性，线性，低成本并且精度较高等特点，也更容易与嵌入式控制系统相连。考虑到实际应用场合，IC温度传感器更适合应用到智能火灾报警系统之中11-13。第3章 硬件模块设计第3章硬件模块设计3.1控制模块为了既达到设计要求，又能够节约开发成本，本系统采用C51系列单片机作为中央控制单元。AT89C52具有8k字节可重擦写Flash闪存存储器和256*8字节的随机读取存储器（RAM），存储空间可以满足要求。32个可编程的IO口，可以方便与外设进行通信或者扩展接口14。下图AT89C52单片机的最小系统。该最小系统包括AT89C52,晶体振荡电路，复位电路及电源旁路电路15。图3.1 AT89C52单片机最小系统原理图3.2温度传感器模块方案1：使用集成温度传感器AD590进行温度检测。AD590线性度好、灵敏度高、稳定性好，但其输出信号为模拟量，需外接A/D转换电路，A/D转换器ADC0809本身还需要外接驱动电路，与单片机连接则要占用单片机11个端口，线路复杂，温度精确度不高。方案2：使用DS18B20。DS18B20是一款数字温度传感器，内部自带A/D转换，被测温度分辨率可达12位，数字串行输出，使系统设计更灵活、方便，它还具有占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路等特点。图3.2 温度传感器模块3.3烟雾传感器模块室内环境发生火灾，物品开始燃烧，一般首先释放的是燃烧气体，例如一氧化碳和二氧化碳。尤其是在家居环境中，燃气灶所释放的气体大概有以下几类：一氧化碳，天然气，液化气罐所释放的液化气，煤气，烟雾等。综合考虑采用MQ-2气体传感器来搭建烟雾传感器模块。MQ-2型气体传感器的检测范围囊括液化气、丁烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等。由于MQ-2型气体传感器的气体敏感层采用二氧化锡材质，在长期不通电情况下容易附着水蒸气，因此在上电后需要短时间的预热期，在测试和使用中要注意，例如停电半个月时间，要预热大概5分钟以上。当MQ-2型气体传感器暴露在其敏感烟雾环境下，它的电阻会响应变化。烟雾浓度越大，输出电压也会相应升高。因此MQ-2型气体传感器输出的是模拟量，如果要将数据上传给单片机处理，需要将MQ-2型气体传感器的输出值转换为单片机可以识别的数字电平信号。LM393是一款带有两个独立电压比较器的宽频带，高增益的电压比较芯片。本设计中将LM393放在MQ-2型气体传感器和单片机之间，既可以调节MQ-2型气体传感器的输出范围，又可以通过调节LM393端的滑动变阻器来改变电压，从而调整MQ-2型气体传感器的灵敏度16-18。图3.3 烟雾传感器模块3.4 电源模块供电电源电路是一个硬件系统的基础，稳定的电源电路设计可以为整个硬件电路中的集成芯片及分立元器件提供良好的供电环境。本系统从220V市电取电，经过变压器降压将交流电有220V变为9V左右。通过整流滤波电路将交流电转换为直流电，作为稳压芯片的输入端19。图3.4 电源模块原理框图图3.5 电源模块原理图旁路滤波电容可以减少由于电压波动而带来的对电路信号和供电的影响，从而提高系统的噪声容限。3.5 状态指示灯及蜂鸣器系统对当前室内环境进行实时监测，并通过状态指示灯显示实时运行情况。当无火情时，系统绿色灯长亮；当有火情时，系统绿色灯熄灭，红色告警灯闪烁，并伴随告警声响起。图3.7 状态指示灯及蜂鸣器原理图3.6 系统硬件电路原理图设计3.6.1 开发环境介绍在电子电路设计中，应用最广泛的EDA辅助进行印刷电路板设计的软件就是由Altium公司设计开发的Altium Designer软件（前身是Protel软件）。它是目前行业中公认的操作简便快捷，最方便，人机交互界面最人性化的辅助设计工具。并且我们在大学阶段也学习过该软件的设计使用。虽然各种版本的印刷电路板辅助设计软件很多，并且有多个年代版本，但很多印刷电路板的制板场也都默认接受protel 99se版本文件，可见其在行业内的地位举足轻重。Altium Designer是一款将电子产品设计所需的开发环境整合到一起，形成一个软件的集成平台。它可以提供设计任务所需的所有工具，例如原理图、PCB设计，HDL设计输入，信号完整性分析，基于FPGA的嵌入式系统设计和开发等等。在本毕业设计中用到了Altium Designer软件的原理图设计模块功能。3.6.2 硬件原理图设计打开Altium Designer软件，创建工程文件并在其目录下新建一个原理图文件。设置文件属性参数，例如光栅格等参数。在元器件库中选择所需要的元器件，放置在工作区内。根据上几节内容，调整元器件位置摆放，并修改元器件参数，进行连线并自动命名。对电路进行电气规则检查。系统的硬件电路原理图如下：图3.8 基于单片机的智能火灾报警系统的设计电路原理图第4章 软件程序设计第4章软件程序设计前一章我们使用EDA软件搭建了系统的硬件原理图，本章我们在硬件系统的基础上来编写软件程序，使该智能火灾报警系统能够完整运行。单片机所使用的编程语言主要有汇编语言和C语言。汇编语言更直接的对硬件进行操作，从而达到设计目的。C语言则相对高级，它更接近于自然语言，使编写者不用注重硬件具体如何实现，而由计算机去完成实现具体操作。简而言之，汇编语言更侧重完成的过程，而C语言更注重完成的结果。这里我们选择更容易编写而且应用更广泛的C语言。Keil Vision4是由Keil Software公司出品的针对51单片机系列的基于C语言的软件开发系统。它将C编译器，宏汇编，链接器，调试等功能模块集成到一个开发环境中，广泛应用于使用C语言的编程情况下。根据智能火灾报警系统的设计目的，系统要保持长期在线运行，实时监控环境中的烟雾机温度情况。因此系统程序要保持循环运行，不断得检测环境中的烟雾含量以及温度，当没有传感器报警时，系统完成一个周期的检测后，继续循环检测。当有烟雾传感器或者温度传感器产生报警信号时，即室内有烟雾或者温度异常时，红色报警灯点亮，蜂鸣器发出报警音20-21。其程序运行流程图如下：图4.1 状态指示灯及蜂鸣器运行流程图由图3.8的原理图设计，我们定义P2.2为烟雾传感器的输入引脚，用来接收来自烟雾传感器的报警信息；定义P2.7为温度传感器的输入引脚，回传温度传感器的温度数值。以上为系统的传感器输入引脚信号。单片机的P2.3,、P2.5和P2.6为单片机的输出引脚。单片机的P2.3作为火灾的声音报警输出；P2.5作为火灾的灯光报警输出，当有火情时红色LED灯闪烁报警；P2.6作为正常情况无火灾时的状态提示灯，当正常情况下绿色LED灯点亮，当有火灾情况下熄灭。根据以上描述，先要对所使用的单片机引脚进行声明：sbit tempt=P27; /定义温度传感器引脚sbitledr=P25; /定义红灯引脚sbitledg=P26; /定义绿灯引脚sbit sensor=P22; /定义气体传感器引脚sbit speaker=P23; /定义扬声器void main()主函数循环运行，以检测传感器状态，并且显示温度读数。通过Keil软件的编译器对所编写的软件代码进行编译，软件提示无警告或者错误存在，具体软件程序代码见附录。第5章 软件仿真第5章软件仿真编写程序代码后，就可以对硬件实物或者软件仿真进行测试。在本章中将