火灾报警系统毕业设计.doc

摘要火灾报警系统是人们为了早期发现通报火灾，并及时采取有效措施，控制和扑灭火灾，而设置在建筑物中或其它场所的一种自动消防设施，是人们同火灾作斗争的有力工具。在我们生活得四周到处潜伏着火灾隐患，为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。设计以mcs-51单片机为硬件核心实现智能火灾报警系统的设计。文中选用mq-2型半导体烟雾传感器实现烟雾的检测；选用ds18b20数字温度传感器实现温度的检测；使用adc0809对mq-2采集的模拟信号进行a/d转换，以便单片机处理。由于adc0809的时钟信号通常为500khz，故而选用74ls74进行分频。单片机处理数据后，与设定的上限值进行比较，超过上限值时，发出指令，实现光报警，达到预期的效果。第一章 绪论1.1 火灾报警系统火灾报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。 火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温格火光。这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。 区域报警器能将所在楼层之探测器发出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的房间号；同时还能监视若干楼层的集中报警器（如果监视整个大楼的则设于消防控制中心）输出信号或控制自动灭火系统。 集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具体显示出着火的楼层和房间号，机上停走的时钟记录下首次报警时间性，利用本机专用电话，还可迅速发出指示和向消防队报警。此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。1.2 课题研究的背景及意义在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生。据联合国“世界火灾统计中心(wfsc)2000统计资料”，全球每年大约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000至75000人。其中，欧美地区发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平以及消防技术和设施有关;相比较而言，亚洲地区发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。据统计，我国70年代火灾年平均损失不到2.5亿元，80年代火灾年平均损失接近3.2亿元。进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成极大的危害1。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2。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迅速监测火情，可发现人们不易发觉的火灾早期特征，可将火灾带来的生命财产损失降到最低限度。火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体co，人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了co中毒，从而无力逃生，火灾自动报警系统可监测到co浓度的变化，为人们提供co浓度超标报警信息，通知人们及时疏散3。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4。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。1.3 国内外研究的现状根据现代战争的突发性、立体性和区域不确定性,使攻防界线模糊,作战方向多变,战火灾自动报警系统已有百余年的发展历史，19世纪40年代美国诞生的火灾报警装置标志着火灾自动报警系统首次进入人们的视野5。1890年在英国，感温式火灾探测器研制成功并应用于火灾探测系统，标志着火灾自动报警系统的发展走上正轨6。此后，随着世界科技取得了突飞猛进的进步和各种新兴技术的出现和发展，火灾监测技术也相应迅速发展，各种类型的火灾探测器相继问世，并日臻完善，火灾自动报警系统也在此基础上逐渐地蓬勃发展起来，其发展过程可以分为以下几个阶段:第一阶段，从19世纪40年代至20世纪40年代，火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用的探测器主要是感温式的探测器，它通过采集温度信号，然后判定是否超出设定的阂值，从而判断是否有火灾发生。这一阶段，火灾报警系统简单，仅靠单一的温度参量进行火灾判断。但是它易受环境中其他干扰源的影响，灵敏度低，响应速度慢，无法判断阴燃火灾，也无法满足智能化火灾报警系统的要求。第二阶段，20世纪40年代末，瑞士物理学家 emst meili研究的离子感烟探测器推出以后，引起了人们对离子感烟探测器的重视，随后感烟探测器得到广泛应用，并逐渐占据了绝大部分市场，迫使感温式探测器退居其次；到70年代末，光电式感烟探测器在光电技术的基础上发展起来，并很快得到大力发展，它的使用寿命长，抗干扰能力强，没有离子感烟探测器的放射性问题。在这一阶段，火灾报警系统普遍采用多线制布局方式，布线、调试、系统可靠性是系统发展的瓶颈。第三阶段，20世纪80年代初期，总线型火灾报警系统开始兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。它使得布线工作量显著减少，安装调试更加容易，更能精确报警定位。但是这一时期的火灾报警系统的智能化水平不高，采用有线连接对工程要求高。第四阶段，从20世纪80年代中后期开始，随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代，智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾自动报警系统相继出现。模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义7。近年来，采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制，适用于各类建筑和场所。无线火灾自动报警系统起初仅用于特殊场合，如博物馆、名胜古迹等不宜布线的场合，而且其价格也比较高8。随着科技进步和元器件成本的降低，无线火灾自动报警系统的研发和生成成本也随之降低，它在性能和价格上都具有很强的竞争力，其市场潜力已经崭露头角9。在我国，采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面，一般分为分散式、集中式和分布式，分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断;集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向10。第二章 火灾报警系统设计方案2.1 火灾产生的原理与过程火灾是一种失去人为控制的由燃烧造成的灾害，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和点火源。可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常是空气中的氧气。根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式，如果在燃烧前，可燃气就与空气均匀混和，则称之为预混燃烧；如果可燃气体和空气分别进入燃烧区边混合边燃烧，则称之为扩散燃烧。液体和固体是凝聚态物质，难与空气均匀混合，它们燃烧的基本过程是当从外部获取一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体(如co、h2等)的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之为气溶胶。一般气溶胶的分子较小(直径0.01m)。在产生气溶胶的同时，产生分子较大(直径0.01一10m)的液体或固体微粒，称为烟雾。可燃气体与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。着火后，燃烧产生的热量使液体或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量11。这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，导致了火势的扩大，形成火灾。其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。根据火灾发生时产生现象的不同，可以将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发展火焰等。阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，它能长时间自行维持并传播，当条件发生变化时，或者自行熄灭，或者转化为明火。明火则是火灾发生时燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红、紫外线的火焰。快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾一般为空气中混有大量可燃气体。通过大量的研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因12。总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足的条件下才能达到全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高。起火过程中，起初和阴燃两个阶段所占的时间比较长，虽然产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器就应该从此阶段开始进行探测，就可以火灾损失控制在最小限度。火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境温度升高，如果能将这时能够探测到有效地温度值，就可以比较及时地控制火灾。起火过程曲线如图2.1所示13。图2.1 起火过程曲线2.2 火灾报警系统系统设计方案2.2.1 系统总体设计方案为了便于系统维护和功能扩充，采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等，系统程序流程图如图2.3所示。 光报警蜂鸣器报警4分频电路mq-2烟雾传感器ds18b20温度传感器adc0809stc89c52rc 单片机图2.2火灾报警系统结构原理框图为了降低误报率，系统采用了多次采集、多次判断的方法。每次数据采集后根据得到的数据对现场情况进行判断，然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。主程序是一个无限循环体，其流程是：首先在上电之后系统的各部分包括单片机各个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据存储电路等完成初始化，其次是对芯片内的程序进行初始化，接下来执行火灾报警系统中的数据采集任务，数据通信任务和查询判断任务。2.2.2 系统硬件构架报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块组成。图2.3为火灾报警系统的结构框图14图2.3 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。2.2.3 系统软件构架为了便于系统维护和功能扩充，采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等，系统程序流程图如图2.4所示。图2.4 程序流程图 为了降低误报率，系统采用多次采集、多次判断的方法。每次数据采集后根据得到的数据对现场情况进行判断，然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。主程序是一个无限循环体，其流程是：首先在上电之后系统的各部分包括单片机各个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据存储电路等完成初始化，其次是对芯片内的程序进行初始化，接下来执行火灾报警系统中的数据采集任务，数据通信任务和查询判断任务。第三章 系统硬件设计3.1 系统芯片选择3.1.1单片机的选择单片机是本方案的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎，下面我们来拿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 atmel at89cx 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。 3.1.2 a/d转换器选择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analog device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。3.2 单片机主控设计3.2.1 主要性能参数stc89c5rc是美国atmel公司生产的低电压，高性能cmos8位单片机。片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（perom）和128 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51 指令系统，片内置通用8位中央处理器（cpu）和flash存储单元，功能强大stc89c5rc单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。stc89c5rc单片机主要包括中央处理器、定时/计数器、并行接口、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线三大总线。 (1)中央处理器 中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，cpu负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 (2)定时/计数器(rom)： stc89c5rc有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 (3)并行输入输出(i/o)口： stc89c5rc共有4组8位i/o口(p0、 p1、p2或p3)，用于对外部数据的传输。 (4)程序存储器(rom)： stc89c5rc共有4096个8位掩膜rom，用于存放用户程序，原始数据或表格。 (5)数据存储器(ram) stc89c5rc内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的ram只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 (6)全双工串行口： stc89c5rc内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 (7)中断系统： stc89c5rc具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。stc89c5rc单片机中的芯片均采用40pin封装的双列直接dip结构，如图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个i/o口，中断口线与p3口线复用。 图3-1 stc89c5rc管脚图引脚的功能加以说明：p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个ttl逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在f1ash编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 表3-1 p1口第二功能引脚号第二功能p1.5mosi（在系统编程用）p1.6miso（在系统编程用）p1.7sck（在系统编程用） p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口除了作为一般的i/o口线外，更重要的用途是他的第二功能，见表3-2。表3-2 p3口第二功能引脚号第二功能p3.0rxd（串行输入）p3.1txd（串行输出）p3.2int0（外部中断0）p3.3int0（外部中断0）p3.4t0（定时器0外部输入）p3.5t1（定时器1外部输入）p3.6wr（外部数据存储器写选通）p3.7rd（外部数据存储器写选通） rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号，当at89s51从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。 /vpp：访问外部程序存储器控制信号，当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为reset；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。为使能从0000h到ffffh的外部程序存储器读取指令，必须接gnd。为了执行内部程序指令，应该接vcc。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 reset/vpd：复位信号复用脚，当stc89c5rc通电，时钟电路开始工作，在reset引脚上出现24个时钟周期以上的高电平系统即初始复位。vcc掉电其间，此脚可接备用电源，以保证单片机内部ram的数据不丢失。 pin30:ale当访问外部程序器时，ale(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ale端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。 pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，pc的16位地址数据将出现在p0和p2口上，外部程序存储器则把指令数据放到p0口上，由cpu读入并执行。 pin31:ea/vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kb的程序存储器，当ea为高电平并且程序地址小于4kb时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kb地址则读取外部指令数据。在编程时，ea/vpp脚还需加上21v的编程电压。 vcc：电源电压 gnd：地3.2.2功能特性概述： stc89c5rc提供以下标准功能：4k字节flash闪存存储器，128字节内部ram，32个i/o口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，stc89c5rc可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu的工作，但允许ram，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram中的内容。但振荡器停止工作并禁止其它所有工作直到下一个硬件复位。 (1) 时钟振荡器stc89c5rc中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3-2。图3-2 振荡电路外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容c1、c2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外电容c1、c2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pf（10pf）。用户也可以采用外部时钟。此时，外部时钟脉冲接xtal1端，即内部时钟发生器的输入端，xtal2则悬空。 由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，电脑最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。 (2) 复位电路复位电路是单片机系统必须的，用来为单片机提供正确的复位信号。在整个智能火灾报警系统设计中，要进行试验，必须对整个系统进行复位。复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是是cpu和系统中其它部件都处在一个确定的初始条件，并从这个状态开始工作。因而，复位时一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能进行复位操作的，必须配合相应的外部复位电路来实现复位。单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位方式两种。图3-3是stc89c5rc的上电和按键复位电路。 3.3 a/d转换系统设计3.3.1 adc0809芯片的基本知识 adc0809是带有8位a/d转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的cmos组件。它是逐次逼近式a/d转换器，可以和单片机直接接口。adc0809的内部逻辑结构如图3-4。d0d1d2d3d4d5d6d7eocclkstoe三态输出锁存器8路a/d转换器vref-vref+)abcalee地址锁存与译码器8路模拟量开关in0in1in2in3in4in5in6in7图3-4 adc0809内部逻辑结构由上图可知，adc0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个a/d转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用a/d转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存a/d转换完的数字量，当oe端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。3.3.2 主要特性 (1)8路输入通道，8位ad转换器，即分辨率为8位。(2)具有转换起停控制端。 (3)转换时间为100s。 (4)单个5v电源供电。 (5)模拟输入电压范围05v，不需零点和满刻度校准。 (6)工作温度范围为-4085摄氏度。 (7)低功耗，约15mw。3.3.3 adc0809的工作原理简介 adc0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05v，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 adc0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。start上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 a/d转换，之后eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到a/d转换完成，eoc变为高电平，指示a/d转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当oe输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。adc0809有4条地址输入和控制线。ale为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ale线为高电平时，地址锁存与译码器将a，b，c三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。a，b和c为地址输入线，用于选通in0in7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。cba选择的通道000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7 由于clk的时钟脉冲选用的是500khz，所以需要把单片机ale产生的2mhz的脉冲进行4分频，接到adc0809的clk管脚。分频我用的是74ls74芯片。74ls74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发d触发器电路模块。内部管脚连接图如图3-7所示。 图3-7 4分频电路 3.3.4 adc0809应用说明 （1）adc0809内部带有输出锁存器，可以与at89s51单片机直接相连。 （2）初始化时，使st和oe信号全为低电平。 （3）送要转换的哪一通道的地址到a，b，c端口上。 （4）在st端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5）是否转换完毕，我们根据eoc信号来判断。 （6）当eoc变为高电平时，这时给oe高电平，转换的数据就输出给单片机了。3.4 传感器设计3.4.1 烟雾传感器设计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。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。mq-2烟雾报警器，是半导体型可燃气体敏感元件烟雾传感器。传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(sno2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。图1是传感器典型的灵敏度特性曲线。图1图中纵坐标为传感器的电阻比（rs/ro），横坐标为气体浓度。rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值；ro 表示传感器在1000ppm 氢气中的电阻值；图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。 图2是传感器典型的温度、湿度特性曲线。图2图中纵坐标是传感器的电阻比（rs/ro）。rs表示在含1000ppm 丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值；ro表示在含1000ppm 丙烷、20/65%rh环境条件下传感器的电阻值 图3是传感器的基本测试电路。vcvhgndrlvrl图3 该传感器需要施加2个电压：加热器电压（vh）和测试电压（vc）。其中vh用于为传感器提供特定的工作温度。vc 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（rl）上的电压（vrl）。这种传感器具有轻微的极性，vc需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，vc和vh可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的rl值。mq-2气敏元件的结构和外形如图所示(结构a or b),由微型al2o3陶瓷管、sno2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。aabb3.4.2 温度传感器设计温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。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。 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3v5.5v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。1. ds18b20单线数字温度计 （1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5v，在寄生电源方式下可由数据线供电。 （2）独特的单线接口方式，ds18b20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯。 （3）ds18b20支持多点组网功能，多个ds18b20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。 （4）ds18b20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 （5）温度范围-55+125，在-10+85时精度0.5。 （6）可编程分辨率为912位，对应的可分辨温度为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。 （7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。 （8）测量结果直接输出数字信号，以“一线总线”串行传送给cpu，同时可传送crc校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。 （9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 2. dsl8b20的引脚，如右图所示。 gnd：接地管脚 dq：数字量的输入和输出 vdd：可选的+5v电源 3.ds18b20的4个主要的数据部份 （1）光刻rom中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该ds18b20的地址序列码。64位光刻rom的排列是：开始8位（28h）是产品类型标号，接着的48位是该ds18b20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（crc=x8+x5+x4+1）。光刻rom的作用是使每一个ds18b20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个ds18b20的目的。 （2）ds18b20中的温度传感器可完成对温度的测量。以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/lsb形式表达，其中s为符号位。232221202-12-22-32-4 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 ls byte bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 ssssssss ms byte（3）ds18b20温度传感器的存储器 ds18b20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存ram和一个非易失性的可电擦除的eepram,后者存放高温度和低温度触发器 th、tl和结构寄存器。 （4）配置寄存器该字节各位的意义如下：tmr1r011111 表3：配置寄存器结构 低五位一直都是1，tm是测试模式位，用于设置ds18b20在工作模式还是在测试模式。在ds18b20出厂时该位被设置为0，用 户不要去改动。r1和r0用来设置分辨率，如下表所示：（ds18b20出厂时被设置为12位）。 表4： 温度分辨率设置表 r1r0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms 4.ds18b20的外部电源供电方式 在外部电源供电方式下，ds18b20工作电源由vdd引脚接入，此时i/o线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个ds18b20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，ds18b20的gnd引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85。图6：外部供电方式单点测温电路 图7：外部供电方式的多点测温电路图 外部电源供电方式是ds18b20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。在外接电源方式下，可以充分发挥ds18b20宽电源电压范围的优点，即使电源电压vcc降到3v时，依然能够保证温度量精度。 5.ds18b20的读操作 （1）将数据线拉高“1”。 （2）延时2微秒。 （3）将数据线拉低“0”。 （4）延时15微秒。 （5）将数据线拉高“1”。 （6）延时15微秒。 （7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。 （8）延时30微秒。 6.ds18b20的写操作 （1）数据线先置低电平“0”。 （2）延时确定的时间为15微秒。 （3）按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。 （4）延时时间为45微秒。 （5）将数据线拉到高电平。 （6）重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。 （7）最后将数据线拉高。 7.ds18b20的初始化 （1）先将数据线置高电平“1”。 （2）延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）。 （3）数据线拉到低电平“0”。 （4）延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。 （5）数据线拉到高电平“1”。 （6）延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由ds18b20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。 （7）若cpu读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。 （8）将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。3.5数据采集模块 数据采集模块是用来采集周围环境中的有用信息，以便单片机进行处理。这个模块主要包括两个小模块：烟雾报警器模块和温度报警器模块。3.6报警电路模块此模块是用来发出警报的模块，分为光报警和声报警。3.6.1 光报警 此类报警根据单片机所给电压，确定led灯中的电流流向，以驱动灯发光。连接电路如下图所示：图中当单片机为低电平时，小灯是亮的；高电平时，小灯灭。3.6.2 声报警 其电路连接图如下所示：第四章 火灾报警系统软件设计4.1 编程介绍硬件电路和软件程序是组成一个系统不可缺少的两部分，二者的正确与否将直接影响整个程序的可实现性。在上一章中已经将整个系统的硬件部分作了介绍，在这一章中将就系统的软件部分加以分析说明。本次设计的软件要实现的功能是：当传感器在有火灾信息是，采集信息，用单片机实现对火灾信号处理，并在led和蜂鸣器上显示结果。编程keil环境介绍keil c51是美国keil software公司出品的51系列兼容单片机c语言软件开发系统。51的编程语言常用的有二种：一种是汇编语言，一种是c语言。汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性却并不强，复杂一点的程序就更是难读懂，而c语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远超过汇编语言，而且c语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题。对于开发周期来说，中大型的软件编写用c语言的开发周期通常要小于汇编语言很多。综合以上c语言的优点，我在学习时选择了c语言。使用c语言肯定要使用到c编译器，以便把写好的c程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序。keil uvision2是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的mcs51 架构的芯片，它集编辑、编译、仿真等于一体；同时还支持plm，汇编和c语言的程序设计，它的界面和常用的微软vc+的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。因此，很多开发51应用的工程师或普通的单片机爱好者，对它十分喜欢。以上简单介绍了keil51软件，要使用keil51软件，必需先要安装它。安装好后，建立第一个c项目。接着按下面的步骤建立第一个项目： （1）点击project菜单，选择弹出的下拉式菜单中的new project。在“文件名”中输入第一个c程序项目名称。“保存”后的文件扩展名为uv2，这是keiluvision2项目文件扩展名。 （2）选择所要的单片机，这里我们选择常用的ateml公司的at89c51。 （3）首先我们要在项目中创建新的程序文件或加入旧程序文件。如果您没有现成的程序，那么就要新建一个程序文件。 （4）保存新建的程序，也可以用菜单filesave 或快捷键ctrl+s进行保存。鼠标在屏幕左边的source group1文件夹图标上右击弹出菜单，在这里可以做在项目中增加减少文件等操作。我们选“add file to group source group 1”弹出文件窗口，选择刚刚保存的文件，按add 按钮，关闭文件窗，程序文件已加到项目中了。这时在source group1 文件夹图标左边出现了一个小+号说明，文件组中有了文件，点击它可以展开查看。 （5）c程序文件已被我们加到了项目中了，下面就剩下编译运行了。 （6）进入调试模式。4.2系统软件设计转换结束数据输出正在转换启动a/d初始化4.2.1 adc0809流程图4.2.2 ds18b20流程图读取温度复位初始化读一个字节写一个字节4.2.3 系统