火灾报警系统论文.doc

多传感器火灾报警系统的设计摘要 本次毕业设计进行了多传感器火灾报警系统的设计，解决了目前单一的普通类型的火灾探测报警器漏报及误报等问题。火灾报警系统由火灾探测器、单片机、报警装置及具有其他辅助功能的装置组成。在该系统中,多传感器将火灾发生期间所产生的烟、温、气体等信号，连同外界相关的环境参数一起传送给单片机。单片机再根据获取的数据，利用多传感器数据融合技术来判断火灾是否存在。本次设计由于时间不足和缺乏经验等诸多原因，还存在气敏传感器的标定及多传感器数据融合方面等一些需要改进和提高的地方。 关键词 多传感器，火灾报警系统，单片机，数据融合，The Design of Multi-sensor Fire Alarm SystemZhao Fang（Grade06,Class01,Testing and Monitoring Technology and Instrumentation，Mechanic School，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi）tutor: Chen YingshuAbstract: The content of this graduation project is a multi-sensor fire alarm system. Currently it solves some issues about misstatement, omission and so on in the single and common types of fire detection alarm. The fire alarm system is composed by Single-Chip Microcomputer, fire detectors, alarm device and other device of auxiliary functions. In this system, the signals of the smoke, temperature, gas, which come from multi-sensor during the fire arising, together with the relevant environmental parameters send to Microcomputer (MCU). According to the alarm data, SCM uses the technology of multi-sensor data fusion to judge whether the fire. Because of insufficient time ，lack of experience and many other reasons, there is calibration of gas sensors, multi-sensor data integration and some place which need to improve and enhance in this design.Keywords: Multi-sensor; Fire alarm system; Microcomputer; data fusion;目 录1 绪论11.1 课题背景11.2 火灾报警系统的研究现状、分类及发展11.2.1 火灾报警系统在国内的研究现状11.2.2 火灾报警系统在国外的研究现状21.2.3 火灾报警系统的分类21.2.4 火灾报警系统的发展31.3 火灾报警探测器31.3.1 火灾发展的四个阶段31.3.2 火灾探测器的分类51.3.3 火灾探测器的性能比较62 系统总体方案的设计92.1 系统总体方案论证92.2 火灾探测器112.2.1 温度传感器的选定112.2.2 气敏传感器及烟雾传感器的选定122.3 信号的转换与处理142.3.1 模数（A/D）芯片的选定142.3.2 单片机的选定152.4 总体方案的确定153 系统的硬件设计173.1 传感器部分173.1.1 温度传感器173.1.2 气敏传感器213.2 信号转换模块303.2.1 ADC0809简介303.3 单片机控制系统333.3.1 AT89S52单片机简介333.3.2 单片机最小系统383.4 显示模块403.4.1 1602字符型LCD简介403.4.2 1602LCD的硬件原理图443.5 报警显示电路的设计454 系统的软件设计474.1 主程序设计流程图474.2 温度采集处理子程序设计及流程图484.3 数据转换子程序设计及流程图504.4 多传感器数据融合设计524.4.1 多传感器信息融合概述524.4.2 信息融合在火灾报警系统中的应用534.4.3 多传感器信息融合的一般过程574.4.4 本系统中的多信息融合574.5 显示子程序设计及流程图585 联调与遇到的问题及其解决605.1 相关软件知识介绍605.1.1 Proteus的介绍605.1.2 Keil的介绍605.2 联调625.2.1 程序调试625.2.2 仿真645.3 遇到的问题及解决方法656 结论66致谢67参考文献68外文及翻译70附录A 系统总体原理图附录B 元器件清单附录C 系统总程序附录D 设计的实物图I陕西理工学院毕业设计论文1 绪论1.1 课题背景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 人至 75000 人。欧洲和北美发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平高以及消防设施完善有关；亚洲居住人数最多，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。火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑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。我国2000 年中国火灾统计年鉴记载，从 1950 年至 1999 年，全国共发生火灾3258105 起，死亡人数 165499 人，伤 313766 人，直接经济损失 1828 亿元1。我国每年的起火次数较少，但死亡人数较高，这说明我国的消防保护体系对保护生命安全还有一定的差距，因此现阶段有必要提高全民的防火安全观念，提高我国消防设施水平。火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。一旦发生火灾，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。火灾报警系统就是为了满足这一需求而研制出来的，并越来越被人们所接受，其自身技术水平也随着人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。火灾报警系统,作为火灾的先期预报，为火灾的及时扑灭、保障人身和财产安全,起到了不可替代的作用。1.2 火灾报警系统的研究现状、分类及发展1.2.1 火灾报警系统在国内的研究现状我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪70 年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。进入 80 年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始发育。火灾报警产品真正发展是在 90 年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平。1.2.2 火灾报警系统在国外的研究现状国外一些较发达的国家，具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的消防体系。政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及消防设施维护。德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。例如：美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确判断火灾地点、火灾类型，并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾报警数据通信畅通，为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。这种管理运作方式已经取得了良好的效果。1.2.3 火灾报警系统的分类目前火灾报警系统有智能型、全总线型以及综合型等，这些系统不分区域报警系统或集中报警系统，可达到对整个火灾自动报警系统进行监视。但是在目前的实际工程当中传统型的区域报警系统、集中报警系统和控制中心报警系统仍得到较为广泛的应用。区域报警系统是由火灾探测器、受动火灾报警按钮、区域控制器等组成。区域可以视为一栋楼或几层楼的范围，在区域报警系统中宜设置一台区域控制器，最多设置不应超过三台区域控制器。 集中报警控系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制器、集中报警控制器等组成。在集中报警系统中应设置一台集中报警控制器和两台以上的区域报警控制器。集中报警控制器应设置专用值班室或消防值班室内，由专人看守。 控制中心报警系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制器、集中报警控制器、消防控制设备等组成。系统中应至少设置一台集中报警控制器和相关的消防控制设备设置在值班室，其他部位的集中报警控制器应将火灾报警信号和消防联动控制信号均送至消防控制值班室。1.2.4 火灾报警系统的发展火灾报警系统的组成形式多种多样，它的发展目前可分为三个阶段：第一阶段：多线型火灾自动报警系统。每个探测器除需提供两根电源线外，还需提供一根报警信号线，探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯，如日本“日探”公司生产的CPF 火灾报警系统，此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能（也为多线制），如驱动警铃等，其报警器对外围探测器无故障检测功能，只会对电源线的断线做出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是校线工作量较大2。第二阶段：总线型火灾自动报警系统。这种自动报警系统已采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，其探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整，此类系统可进行现场编程，并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区分，目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品，由于此类产品具有报警和控制功能，它的施工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用3。第三阶段：智能型火灾自动报警系统。由于采用了先进的计算机控制技术，智能化程度大大提高，探测器的报警形式采用数字量，并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。对探测器的使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报45。1.3 火灾报警探测器从物质燃烧的基本概念出发，选择合适的火灾探测器是一个非常重要的环节，因为任何一种探测器都不是万能的，每一种探测器有一定的环境适应性，也可以说有一定的局限性。要想有效地发挥各种火灾探测器的作用，就要掌握各种火灾探测器的探测原理，以及它的适用场所，只有这样才能真正发挥它们作用。1.3.1 火灾发展的四个阶段物质燃烧是一个复杂的物理变化和化学反应相结合的过程，它的发展通常都要经历四个阶段:早期、阴燃、火焰和放热、最后随着燃烧物的耗尽而衰减熄灭。1早期阶段火灾的发生都是从可燃物发热开始的。物质由于发热发生缓慢热解作用，产生不可见的燃烧生成物(粒径0.0010.05m)和可燃气体(氢气、一氧化碳、烷类等)。还没有出现可见烟和火焰，热量非常小。这些不可见的燃烧生成物通过布郎运动、扩散、背景的空气运动以及生成物的浮力等，会产生微弱的对流。这个时候，我们就可以检测气体，但由于这个阶段的气体十分微弱，传感器很难捕捉到这个阶段的变化。2阴燃阶段随着热解作用的发展，物质进一步发热，这个阶段热解作用就可以充分进行了，从而会释放出更多的气体。本阶段的起始标志是引燃，特征是无火焰燃烧。本阶段燃烧生成物为肉眼可见和不可见的烟雾溶胶。由于燃烧生成物比周围空气热，形成上升气流，并通过中等程度的对流以及背景空气运动向外扩散，形成烟气羽流。此时空气的对流作用渐渐明显，有利于烟雾气溶胶的传播。此阶段无火焰，释放热量不很高，温度上升仍很缓慢。这个阶段就可以通过气体传感器和烟雾传感器来捕捉到火灾引起的变化了，我们需要重点考虑的也是这个阶段。3起火(火焰)放热阶段由于物质温度的不断上升，可燃气体的大量释放，这个时候就开始有火焰产生了，通常还会伴随着有更多的烟雾产生。火焰形成了光辐射，波长覆盖了整个紫外到红外的波段，由于产生了大量的高温烟气，逐渐形成上升气流火柱;烟羽流由于密度和压力梯度方向不一致而产生了空气旋涡，形成三维各向异性的湍流运动。伴随着火焰放射出大量的热量，使得这个阶段表现为烟雾和高温度并存。4高温(衰减)阶段经过高温燃烧，火灾达到高峰以后，烟雾开始逐渐减少。随着燃烧物质的耗尽，火灾逐渐衰减熄灭，余烬温度开始下降。火灾生成物主要有烟雾、热、光和气体。烟雾是人的肉眼可见的燃烧生成物，其粒子直径为 0.01m10m 的液体或固体微粒称之为烟雾。不管是燃烧气体还是烟雾它们都有很大的流动性，能潜入建筑物的任何空间。由于有些气体和烟雾有毒性，所以，它对人的生命有特别大的威胁。据统计，在火灾中约有 70%死者的死亡就是这些燃烧气体和烟雾造成的。热则是通过环境温度升高间接表现。火焰是物质着火时产生的灼热发光的气体部分。物质燃烧到发光阶段，是物质的全然阶段。在这阶段中，火焰热辐射含有大量的红外线和紫外线。可燃气体主要有氢气、一氧化碳和烷类等，其他燃烧生成的气体主要为二氧化碳等。火焰早期阴燃起火高温熄灭火灾产物量时间不可见烟可见烟温度烟雾图1-1 火灾发展的四个阶段如图 1-1所示，起火过程中，总是前两个阶段所占有的时间比较长，这是燃烧的开始阶段。如果要把火灾损失控制在最小限度，保证人身不受伤亡，那么火灾的探测器就应该从此阶段开始进行为宜。因为此阶段尽管产生了大量的气溶胶和烟雾，充满建筑内的空间，但环境温度并不高，尚未蔓延发展到严重的程度。由于火灾发生时，会产生烟雾、高温和火光等现象，探测器对这些很敏感。当有烟雾、火光、高温产生时，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，信号经过放大，送入控制器，并以声、光等形式发出警报信号，显示火灾的部位、地点。1.3.2 火灾探测器的分类 探测器是火灾报警系统的现场探测部件，它的好坏直接关系到整个系统是否正常运行。当火灾发生时，把因火灾产生的各种非电量参数（如烟，温度等参数）变成电量参数传送给控制器。其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数（如烟、温度等参数）变化而变化。火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类7。在每个大类中，又可以根据物理效应分为不同的八大类，如图 1-2所示。火灾火焰燃烧产物燃烧音辐射火焰形状固体产物气体产物温度微粒烟雾形状火焰探测器图像探测器气体探测器图像探测器静电探测器感烟探测器声音探测器感温探测器图1-2 火灾探测器的分类1.3.3 火灾探测器的性能比较 由于建筑结构和功能的多元化，为了准确、及时地探测火灾，并进行报警，对火灾探测器提出了更高的要求。选择火灾探测器时必须充分考虑火灾探测器的性能、建筑空间形状、火灾特点和可能发生的危险。下面就一些常用火灾探测器和使用场合作一比较。 感温探测器：感温探测器一般分为定温式、差温式和差定温式三种类型，单一的感温探测器由于灵敏度低，探测速度慢，尤其对阴燃情况不响应，误报率高 8。 感烟探测器：感烟探测器又可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器，其中离子感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在环境条件不太好的场所也会有较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中，感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射，但它不能区分火灾信号与非火灾的厨房烟、水蒸气等信号，所以误报率较高9。 气体探测器：气体探测器适用于散发可燃气体和可燃蒸汽的场所。但由于气体探测器探测对像 CO 易与还原气体发生化学反应，因而在有还原气体的场所可能发生误报警10。 图像探测器：目前研制出的图像火灾探测器有烟雾图像探测器、火焰图像探测器、激光图像感烟探测器等，他们都非常适合于商场大空间建筑。但烟雾图像火灾探测器对不规则物体或相似图像可能发生误报警;而火焰图像探测器则对高温物体或太阳光照射可能发生误报警；激光图像感烟火灾探测器则由于其良好的探测性能，发生误报警的概率小，非常适合商场建筑的火灾探测11。 红外火焰探测器和紫外火焰探测器：由于能够辐射出红外线的不仅仅是火灾的火焰，一些高温物体的表面，如:炉子、太阳等都能发出与火焰红外线频带相吻合的红外线，因而这些并非火灾的红外源就容易使单波段红外火焰探测器产生误报警，紫外火焰探测器灵敏度高（毫秒级），反应快，适合在火灾时有强烈的火焰辐射、无阴燃阶段且需对火焰做出快速反应的场合，但当环境中有紫外辐射、高温物体或有太阳光直射时可能要发出误报警动作，因此，紫外火焰探测器不宜用于火焰出现前有浓烟扩散或有阳光直射的地方12。 任何一种火灾探测器都只是针对火灾中同时出现的多种物理量中的一种进行探测，不可避免的受到环境中某些相似因素的影响，从而导致误报警（误报警是指在非火灾情况下，火灾探测器发出的报警），表 1-1 列出了几类火灾探测器误报警的部分环境因素。解决误报警问题已成为提高火灾探测器准确性的关键所在，减少和降低误报警，有以下几条比较有效的途径： 1避免和减少环境因素对误报警的影响。该方法着眼于引起误报警的环境因素，通过改进探测器结构设计和规定使用条件入手来减低误报警。 2考察参量变化与实际火灾过程的比较。该方法着眼于识别方式，通过模拟方式监测某一物理参量的变化历程，并与实验所得火灾过程相应物理参量变化曲线相比较，由此来判断是否发生火灾。这种方法需要大量的火灾实验数据为基础。 3改单一物理参量监测为多参量复合监测，降低误报警。实行多参量复合监测要依据所在建筑及火灾特点（或火灾数据）取舍物理量，既可减低火灾误报警，又能保证经济和技术上可行。 4寻找适当的信号处理算法，如：复合趋势算法、模糊逻辑算法和人工神经网络算法等，在提高灵敏度的同时将误报率降低到极限。表1-1 火灾探测器误报警的部分环境因素火灾中物理量探测器类型识别模式误报警因素接触型CO、CO2气体探测器接触还原气体温度感温探测器气体或温度变化固体颗粒烟雾探测器灰尘、水滴、小昆虫静电探测器静电非接触型辐射光火焰探测器闪烁频率照明、太阳光燃烧音声音探测器功耗谱强度生活、生产噪音烟雾形状图像探测器颜色、边缘不规则物体、相似色火焰形状图像探测器辐射能量区别高温物体、太阳光照射2 系统总体方案的设计在各种灾害中，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。使用火灾报警产品的目的就是及早报告火灾的发生，从而迅速有效的控制火灾，把损失降到最低。而目前使用的火灾报警产品大多只采用单一传感器，因而经常导致错报，误报，或不报的情况，不能很好的起到报警作用。针对以上这些问题，能够对火情做出快速、精确探测和有效控制是目前急需解决的问题，所以本课题的目标是：设计一套简单、经济、实用的多传感器火灾报警系统。2.1 系统总体方案论证基于本次设计的要求设计多传感器火灾报警系统，我作出以下方案进行论证：方案一同时使用多种由单一传感器及纯硬件电路组成的火灾报警器，来检测火灾情况，从而实现火灾报警。方案原理框图如图2-1所示。图2-1 方案一原理框图气体报警器(采用MQ-5)烟雾报警器(采用MQ-2)感温火灾报警器多种报警器同时参与火灾报警图2-1 方案一原理框图对于此方案的确可以实现设计要求，但是此设计存在以下问题：1任何一种火灾传感器都只是针对火灾中同时出现的多种物理量中的一种进行探测，不可避免的受到环境中某些相似因素的影响，从而导致误报警。因此使用单传感器的报警器易发生误报。2目前市面上的单传感器报警器全靠硬件电路实现，电路复杂，精度不高。因此，此方案不可取，故不采用。方案二使用多种传感器，利用单片机控制处理传感器传送来的信号，来判断火灾是否发生。原理框图如图2-2所示：报警装置单片机信号转换温度传感器烟雾传感器气体传感器信号处理图2-2 方案二原理框图方案一中所使用的单一传感器的缺点在第1章中火灾探测器中有详细介绍。而在方案二中，基于单片机的多传感器的火灾报警器，多个传感器的应用，可降低系统的误报率，它充分利用单片机的软件功能，放大器以后的硬件电路大多可用软件代替，因此结构简化了很多，提高了仪器的稳定性、可靠性和准确度。因此，本次设计采用方案二。火灾报警系统的最基本组成部分应包括：火灾探测器、模数转换电路、单片机控制电路和报警装置。本系统的结构框图如图2-3所示。DS18B20MQ-2MQ-5ADC0809 单片机AT89S52状态指示灯声音报警温度及浓度LCD显示安全控制装置扩展功能图2.3 多传感器火灾报警系统结构框图火灾探测器将火灾信号转化为模拟的电信号，通过模数转换电路转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。将浓度值送到显示屏中，可方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值。加入按键可方便调节报警限。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入灯光报警， 变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。火灾探测器及单片机是多传感器火灾报警系统的两大核心，根据本系统功能的需要，选择合适、精确、经济的传感器及单片机芯片是至关重要的。下面详细介绍传感器的选型。2.2 火灾探测器2.2.1 温度传感器的选定温度传感器拟采用集成温度传感器AD590、DS18B20中其中一种。1AD590与DS18B20的简介1)AD590AD590是美国模拟器件公司生产的集成温度传感器，其利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，属于电流源型温度传感器。它具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点。AD590的主特性参数如下：工作电压：430V；工作温度：-55+150；保存温度：-65+175；正向电压：44V；反向电压：-20V；焊接温度 （10秒）：300；灵敏度：1uA/K。2)DS18B20DS18B20是一线式数字温度传感器。它将地址线、数据线、控制线合为一根双向串行传输数据的信号线，并允许在这根信号线上挂接多个DS18B20。DS18B20具有以下特性：具有3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为-15+125；可编程为9位12位A/D转换精度；测温分辨率可达0.0625；被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生：用户可自行设定非易失性的报警上下限值；芯片本身带有命令集和存储器。2温度传感器的选定AD590需要模拟转数字电路，对线阻有要求，相对于DS18B20来说成本较高、精确度低、测温点数量少、电路繁多。AD590虽然温度精确，但还需要其它辅助电路，线路复杂，编程难度大。DS18B20在芯片的内部自带模拟和数字转换电路的,使用起来非常的方便13。它采用单线传输技术,另外,温度的分辨率可以选择,9到12位的分辨率,它占的PCB板面积很小,线路简单，编程容易。因此选用DS18B20作为本系统的温度传感器。2.2.2 气敏传感器及烟雾传感器的选定烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路 将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。根据所参阅大量资料，选用MQ-2、MQR1003中其中一种作为本系统的烟雾传感器，气体传感器则选用MQ-5、QM-N5中其中一种。1气敏传感器及烟雾传感器的简介1)MQ-2MQ-2气敏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。MQ-2气敏传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。2) MQR1003MQR1003型可燃性气敏器件，是半导体气敏器件的新型产品，它可用于可燃性气体的检测、检漏，具有灵敏度高，稳定性好，响应和恢复时间短，外型尺寸小的优点，该产品外形美观大方，与传统结构相比，提高了防风抗干扰能力，是工业，民用防火安全中应用广泛的器件之一。 适用范围：可燃性气体和可燃性液体蒸汽（天然气，液化石油气，煤气，一氧化碳，氢气，烷烃，烯烃，醇类，汽油，煤油）及烟雾等。使用环境条件： 环境温度 ：-20+40；相对湿度 ：85%RH；大气压力 ：86106Kpa；3) MQ-5MQ-5气敏传感器是一种体电阻控制型的气敏器件，其阻值随被测气体的浓度（成分）而变化。气敏器件又是一种“气电”传感器件，它将被测气体的浓度（成分）信号转变成相应的电信号。主要特点：对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度；对乙醇，烟雾几乎不响应；快速的响应恢复特性；长期的使用寿命和可靠的稳定性；简单的测试电路。应用：适用于家庭或工业上对液化气、天然气、煤气的监测装置。优良的抗乙醇，烟雾干扰能力。4) QM-N5QM-N5型半导体气敏元件是以金属氧化物SnO2 为主体材料的N型半导体气敏元气件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。 主要特点：用于可燃性气体的检测；灵敏度高；响应速度快；输出信号大；寿命长、工作稳定可靠；技术指标： 加热电压（VH ） AC或DC 50.2V；回路电压（Vc） 最大DC 24V；负载电阻（RL ） 2K；清洁空气中电阻（Ra ）2000K；灵敏度（S=Ra /Rdg ）4（在1000ppmC4H10中）；响应时间（tres）10S；恢复时间（tres 30S；元件功耗 0.7W；检测范围 5010000ppm；使用寿命 2年；2气敏传感器的选定根据报警器检测气体、烟雾种类的要求，气体及烟雾探测器一般选用接触燃烧式传感器和半导体传感器。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)14。 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、MQ-5型气敏传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体传感器的优点，还具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命可长达十年等特点。本次设计的关键在于火灾探测器的选取。通过上面的对比，本次设计选用这三类传感器:温度传感器DS18B20、烟雾传感器MQ-2和气敏传感器MQ-5。2.3 信号的转换与处理2.3.1 模数（A/D）芯片的选定由于传感器的输出信号大多是模拟信号，所以传感器输出的信号需要经过模数（A/D）转换电路转换为数字信号后，才能送入控制器中。比较常用的模数转换芯片有ADC0809、ADC083215。1ADC0809与ADC0832芯片的简介1）ADC0809ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器，带8个模拟量输入通道，芯片内带通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器，启动信号为脉冲启动方式，每一通道的转换时间大约100us。2）ADC0832ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小、兼容性强、性价比较高，目前有很高的普及率。ADC0832有以下特点：8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在05V之间；工作频率为250KHZ,转换时间为32us；一般功耗仅为15mW；8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装；商用级芯片温宽为0+70，工业级芯片温宽为-40+85。2A/D转换芯片的选定ADC0832只是双通道A/D转换，而且是串行传输，为了便于传感器的扩展，本次设计选定ADC0809作为本系统的模数转换芯片。2.3.2 单片机的选定单片机是多传感器火灾报警系统的另一核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度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，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，然后送LCD显示，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。根据多方面的比较，本设计选用AT89S系列单片机。2.4 总体方案的确定通过上面的比较论证，本次设计采用方案二。方案二中，使用AT89S52单片机,选用集成数字温度传感器DS18B20和气体传感器MQ-2,MQ-5作为敏感元件,利用多传感器信息融合技术,设计了一个简单、经济、实用的多传感器火灾报警系统，解决单一传感器所出现的漏报、误报等问题。本系统中，采用多种传感器，大大降低了系统的误报率及漏报率。温度传感器DS18B20和气体传感器MQ-2,MQ-5价格低廉，因此，与方案一相比较，本系统经济实惠。它充分利用单片机的软件功能，放大器以后的硬件电路大多可用软件代替，因此结构简化了很多，提高了仪器的稳定性、可靠性和准确度。3 系统的硬件设计3.1 传感器部分3.1.1 温度传感器数字温度传感器DS18B20简介1DS18B20的特点：1）具有独特的一线接口，只需要一条口线通信即可实现多点能力，简化了分布式温度传感应用；2）可用数据总线供电，电压范围为3.0V5.5V，无需备用电源；3）测量温度范围为55+125，在10+85范围内精度为0.5；4）TO-92、SOIC及 CSP 封装可选，经济型版本无 EEPROM 合自己的经济的测温系统；5）用户可定义的 EEPROM，设定的报警温度存在非易失存储器中；6）可编程的分辨率为912位，温度转换为12位，最大值为750毫秒；7）应用范围包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计以及任何热敏感系统。2DS18B20的内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下:图3-1 DS18B20的管脚图引脚说明：GND 地 DQ 数据I/O VDD 可选VDDDQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 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16。 3DS18B20温度传感器的存储器 DS18B20温度传感器的内部存储器包括：9个连续字节的高速暂存RAM；存放高温和低温触发器TH、TL；结构寄存器的非易失性电擦除RAM。其中，RAM由温度的低字节、温度的高字节、TH使用字节、TL使用字节、结构寄存器使用字节、保留字节、CRC校验字节组成。结构寄存器内容用于确定温度值的数字转换分辨率。结构寄存器的数据格式和该字节各位的意义如下： 表3-1 结构寄存器TMR1R011111TM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；低五位一直都是1；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3-2 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750ms4DS18B20的初始化及读写时序DS18B20需要严格的协议以确保数据的完整性。协议包括几种单线信号类型：复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。1）复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。 图3-2 DS18B20的初始化时序2）读/写时间隙 DS18B20的数据读写是通过时间隙处理位和命令字来确认信息交换。（1）写时间隙 当主机把数据线从逻辑高电平拉到逻辑低电平的时候，写时间隙开始。有两种写时间隙：写1时间隙和写0时间隙。所有写时间隙必须最少持续60s，包括两个写周期间至少1s的恢复时间。I/O线电平变低后，DS1820在一个15s到60s的窗口内对I/O线采样。如果线上是高电平，就是写1，如果线上是低电平，就是写0（见图3-3）。主机要生成一个写时间隙，必须把数据线拉到低电平然后释放，在写时间隙开始后的15s内允许数据线拉到高电平。主机要生成一个写0时间隙，必须把数据线拉到低电平并保持60s。 （2）读时间隙 当从DS1820读取数据时，主机生成读时间隙。当主机把数据线从高高平拉到低电平时，写时间隙开始数据线必须保持至少1s；从DS1820输出的数据在读时间隙的下降沿出现后15s内有效。因此，主机在读时间隙开始后必须停止把I/O脚驱动为低电平15s，以读取I/O脚状态（见图3-4）。在读时间隙的结尾，I/O引脚将被外部上拉电阻拉到高电平。所有读时间隙必须最少60s，包括两个读周期间至少1s的恢复时间。图3-3 DS18B20的写时序图3-4 DS18B20的读时序5DS1820使用中注意事项DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。2)在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。3)连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。一般情况下，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。4)在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。6DS18B20与单片机的连接图图3-5 DS18B20与单片机的连接图3.1.2 气敏传感器气敏传感器是一种检测特定气体并把它转换为电信号的传感器。不但可以检测出某种气体的存在与否，还能检测气体的浓度，气体浓度不同，其输出信号的大小也不同。1气敏传感器的分类由于气体种类繁多，性质各异，用于气体检测的传感器也很多。从实用化角度出发可把气敏传感器分为氧化物半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器和固体电解质气体传感器等。按构成气敏传感器材料分类可分为半导体和非半导体两大类。从材料、结构和应用范围，目前使用最多的是半导体气敏传感器1718。表3-3 气体检测用各种传感器的性能比较传感器类型测量范围110-6响应时间 S工作温度/被测气体特点半导体电阻型20100010150900CO,C2H6,ASH3,C2H5OH,C3H3,乙醇，丙酮，硫酮，还原性气体，氧化性气体等适用于微量低浓度气体的检测，稳定性好，耐腐蚀性强，结构简单，成本低，可靠性高，机械性能良好，信号处理方便半导体非电阻型10300500H2,NH3,CH4,C2H6,煤气，C2H5OH与电阻型相比，稳定性与互换性较好，选择性较高，尚未完全实用化，一般只限于活性较高的H2或某些毒性气体(如Cl2,CO,SiH4等)的检测。 固体电解型095数百ms到数十s6501400O2，卤素，含氧化合物气体等其中生成电势式氧敏传感器寿命长，可靠性高。饱和电流式氧敏传感器040浓度范围线性较好，响应速度较高。生成电势式