自动灭火系统毕业设计论文.doc

武汉理工大学毕业设计（论文）自动灭火系统毕业设计论文1绪论1.1课题背景火灾，作为一种具有突发性和强破坏性的灾害现象，严重危害人类生命财产安全和自然环境。据统计，在众多的灾种中，火灾造成的直接损失约为地震的5倍，仅次于干旱和洪涝，而火灾发生的频度则居于各灾种之首。千百年来，人类和火灾进行了长期的斗争，积累了许多防火、灭火的经验教训。随着社会的不断发展，人们对于火灾的认识不断加深，针对火灾初期不同特征的各种探测方法越来越多。人类逐步掌握了火的燃烧机理，燃烧条件和燃烧发展的过程，创造了各种各样防火、灭火的方法。在上世纪70年代后期，开始出现一门新兴的多学科交叉应用基础科学，火灾科学，其中心内容就是用现代高科技手段研究火灾发生、发展和防治的机理和规律，为火灾防治提供新的思想、理论和方法，使得人类对火灾的研究进入了科学化、系统化的轨道，并促进了防火、灭火技术的进步。本文基于上述考虑，通过研发全自动灭火控制系统，满足了用户的不同使用环境的需要。通过温度传感器和烟雾传感器检测出信号，也可通过控制电路使电话自动拨号（119），并报告现场地址。这对有效、快速扑救具有积极意义。本系统适用于各种消防环境，尤其适合于不能用水做灭火介质的地方，如图书馆、档案馆、计算机房等处。因单片机集成度高，故该装置具有结构简单，可靠性高，成本低等优点。1.2 自动灭火系统设计的意义仓库自动报警灭火系统。美国现在已制定了相关规范对其推广，英国、澳大利亚、也在使用，实践证明仓库内安装该系统能够扑救仓库初期火灾，保护仓库财产安全，降低火灾损失以及为抢救货物提供足够的时间并能及时报警。 随着我国自动报警灭火系统的不断发展，自动报警灭火系统大大的降低了火灾的危害性，把火灾给人们带来的经济损失将到了最低，为确保人的生命及财产安全提供了保障。在本次自动报警灭火系统采用了烟雾传感器之间的互锁模式进行控制，避免了因烟雾在仓库中的扩散而引起的其他非着火区域的错误报警与灭火，大大减少了系统的误报率，有很强的实用意义。且在本次设计中还采用了先报警后灭火的报警灭火模式，给管理人员提供了有效的火灾确认时间，大大减少了因误报带来的损失，具有很强的实用价值。1.3自动灭火系统的总体设计方案单片机温度传感器信号处理电路烟雾传感器AD转换器液晶显示设定阀值驱动电路灭火装置的启动故障复位报警电路电压比较器图1-1 设计原理框图图1-1基本上完整的说明了整个系统硬件部分的设计思路，首先是外界的温度信号和烟雾浓度信号被我们采集，然后通过转化，这里需要做一下说明，由于温度传感器选用的是集成的DS18B20，自带AD转换，而烟雾传感器输出的信号作为辅助判断，我们为了节约成本，只需要知道其是否在危险范围内，因此通过简单的电压比较器即可实现（具体见后文），输入信号进入单片机后，即可由MCU进行判断，然后通过一系列I/O端口发出电平信号，来驱动外界的灭火设备。我们可以通过连接的键盘，达到故障复位，阀值设定等。我们可参考附录的总体电路图，键盘部分、声光报警部分、驱动电路部分均是通过软件编程来控制其运行的。2自动灭火系统中火灾探测器的选择2.1概述对于一个自动灭火系统更而言，火灾探测器像是整个系统的一扇窗户，是对外界信息就行读取的渠道，它的重要性也就不言而喻了。如何正确有效的选取火灾探测器，对于整个自动灭火系统有着实质性的影响。下面我们现对火灾发生的相关特征进行简单的了解，以确定我们需要从哪些方面来进行火灾的检测。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，火灾中期发展迅速，产生大量热、烟和火焰辐射。我们针对现场的这些信息收集，诸如温度、烟雾浓度（产生的气体）、火焰等，来判断火灾是否发生，这是火灾探测基本思路。因此，我们可以很清楚的知道了探测器需要完成的任务，即对温度、烟雾浓度、火焰等相关信息的获取。鉴于本次自动灭火系统主要适用于计算机房、通讯机房、配电房、油浸变压器、自备发电机房、图书馆、档案室、博物馆及票据、文物资料库等场所，我们可以通过对温度和烟雾浓度的检测来判断火灾是否发生。由于场所的不定性，在不同高度的建筑物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 合通过上表的了解，若是对于一般高度的房间，感烟和感温基本上能满足要求；同时我们需要考虑另一个问题，即探测器所能覆盖的范围，通过参照一些规范和本系统的要求，对火灾探测器的设置如下：(1) 一个探测区域内至少应布置一只火灾探测器。(2) 在宽度小于3m以内的过道顶棚上设置探测器时宜居中布置。感温探测器的安装间距L不应超过10m，感烟探测器的安装间距L不应超过15m，探测器至端墙的距离不应大于探测器间距的1/2。(3) 感烟探测器、感温探测器的保护面积和保护半径应该通过现场的测试检验可知。 (4) 探测器至墙壁、梁的水平距离不应小于0.5m，并且探测器的周围0.5m内不应有遮挡物。(5) 探测器宜水平安装，如必须倾斜安装时，倾斜角不应大于45。当屋顶坡度大于45 时，应加木台或类似方法安装探测器。火灾探测器数量的计算： 一个探测区域内所需设置的探测器数量，应由下式计算： (2.1)式中：N一个探测区域所需设置的探测器数量(只)，N1(取整数)；S一个探测区域的面积(m2);A一个探测器的保护面积；K修正系数，重点保护建筑K取0.70.9，普通保护建筑K取1.0。 可以根据所处房间的大小和保护级别来合理安排探测器的数目和位置。2.2感温探测器选择测量温度的关键是温度传感器，本次设计中，我考虑了两种设计方案。（1）方案一采用热电偶温差电路测温，温度检测部分使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起不同金属导线组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考节点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测节点的温度。数据采集部分使用带有A/D通道的单片机，将随温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，将被测温度显示出来。热电偶电路的优点是测温范围广，且体积下。但是存在输出电压小、容易受到来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且需要设计A/D转换电路，因此可靠性较差、测量温度准确率低。（2）方案二采用数字温度传感器，将温度直接转化成数字信号经单片机输出。数字温度传感器的内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路,其特点是能直接输出数字化的温度数据及相关的温度控制量，自动适配各种微控制器(MCU)。采用数字温度传感器以实现温度数字化，既能以数字形式直接输出被测温度值，具有测量误差小，分辨力高，抗干扰能力强，能够远程传输数据，带串行总线接口等优点。本此感温探测器选用的是DS18B20芯片。DS18B20是美国Dallas公司最新推出的一种单总线系统的数字温度传感器。与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。因而使用DS18B20可使系统结构更简单，可靠性更高。芯片的耗电量很小，从总线上“偷”一点电存储在片内的电容中就可正常工作，一般不用另加电源。最可贵的是这些芯片在检测点已把被测信号数字化了，因此在单总线上传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。2.3 DS18B202.3.1 DS18B20特点：（1）单线接口，只有一根信号线与CPU 连接单总线器件，具有线路简单，体积小的特点；（2）不需要备份电源，可通过信号线供电，电源电压范围从3.35V；（3）传送串行数据，不需要外部元件；（4）温度测量范围从-55+125；（5）通过编程可实现912 位的数字值读数方式（出厂时被设置为12 位）；（6）零功耗等待；（7）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，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。2.3.2 DS18B20的内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位激光ROM，温度敏感元件，非易失性温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。64位激光ROM是出厂前被光刻好的，它其中保存着该DS18B20的产品信息和产品系列编码，可以看作是该DS18B20的地址序列号。单总线上所有DS18B20器件可以通过检索器件的ROM中的内容进行识别。DS18B20的管脚排列如图2-1所示。图2-1 DS18B20管脚排列引脚功能如下：VDD：可选电源脚，电源电压范围35.5V。工作于寄生电源时，此引脚应接地；DQ：数据输入/输出脚，漏极开路，常态下高电平。2.3.3 DS18B20测温原理DS18B20内含两个温度系数不同的温敏振荡器，其中温敏振荡器1相当于测温元件，温敏振荡器2相当于标尺，通过不断比较两个温敏振荡器的振荡周期，得到两个温敏振荡器在测量温度下的振荡频率比值，根据频率比值和温度的对应曲线，得到相应的温度值。其原理图如图2-2所示：具体测温过程如下：首先由预置器2将温度寄存器预置为对应于温度下限（-55）的值。然后，由预置器1对计数器1也预置一个对应于温度下限（-55）的计数值，计数器1接收温度振荡器1的输出信号并进行减法运算。计数器2接收温敏振荡器2的输出信号得到实际温度值并送给温度寄存器作为比较标尺。如果计数器1首先递减到0，那么将向温度寄存器输出一个信号，温度寄存器的值将增加一位，对应温度值增加一个分辨率的值（如分辨率为0.5时，对应温度值增加0.5），说明实测温度高于-55。随后，斜率累加器根据两个温敏振荡器的温度特性曲线计算出下一个温度位置处计数器1的预置计数值，对计数器1再次进行预置。计数器1和计数器2再次开始计数。如果计数器2先于计数器1到达0，完成一次测温。温度寄存器中的值为测量所得的当前温度值。通过这个过程不仅完成了测温，而且将完成了温度值的数字化，省去了A/D转换器。图2-2 DS18B20测温原理DSl8B20中的数字温度传感器的分辨率可配置为9、10、11和12位，出厂默认设置为12位分辨率，对应的温度值分辨率分别为0.5、0.25、0.125和0.0625。温度信息的低位、高位字节内容中，还包括了符号位S(是正温度还是负温度)和二进制小数部分，具体形式为：低位字节:MSB232221202-12-2LSB2-32-4高位字节:MSBSSSSS26LSB2524这是12位分辨率的情况,如果配置为低的分辨率,则其中无意义位为0。在DSl8B20完成温度变换之后,温度值与储存在TH和TL内的告警触发值进行比较。由于是8位寄存器,所以912位在比较时忽略。TH或TL的最高位直接对应于16位温度寄存器的符号位。如果温度测量的结果高于TH或低于TL,那么器件内告警标志将置位,每次温度测量都会更新此标志。只要告警标志置位,DSl8B20就将响应告警搜索命令,这也就允许单线上多个DSl8B20同时进行温度测量,即使某处温度越限,也可以识别出正在告警的器件。2.3.4与单片机的接口电路本次设计中采用的是外部供电方式，其与单片机接线方式如图2-3所示：图2-3 DS18B20的接线方式2.4烟雾浓度探测器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转换电路或者LM339比较器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。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。2.4.1烟雾传感器介绍 (1)烟雾传感器的分类 (a)利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃 烧烟雾传感器等。 (b)利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传 感器、红外传感器等。 (c)利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气 体传感器等。 (2)烟雾传感器应满足的基本条件 一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件： (a)能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低 响应； (b)对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾 浓度；(c)对检测信号响应速度快，重复性好；(d)长期工作稳定性好； (e)使用寿命长； (f)制造成本低，使用与维护方便。 （3）常见烟雾传感器可检测烟雾种类 由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。2.4.2离子型烟雾传感器综合考虑本次选用的是离子型传感器，型号为HIS-07或者 NIS-07，以下为NIS-07的技术参数：DC:9V ；输出电压5.6+0.4V；电流损耗：27+3pA ；灵敏度0.6+0.1V；湿度：90%以下。下面介绍下离子型传感器的工作原理：离子烟雾传感器单电离室的工作原理，如图4-2所示。 图2-4 电离室工作原理图图2-4是单电离室的结构图，P1和P2是一对电极，在电极之间放有放射性物质241Am，不断放出射线，高速运动的离子撞击极板间的空气分子，将其电离为正离子和负离子，从而使电极之间原来不导电的空气具有了导电性。如果在极板P1和P2之间加上一个电压E，极板间原来杂乱无章的正负离子，在电场的作用下作有规则的运动，从而在极板间形成电离电流，施加的电压越高，则电离电流越大，当电离电流增加到一定值时，将不再增加，此电流称为饱和电流。实际使用的离子烟雾传感器电路如图2-5所示。为了减少温度、湿度等环境条件变化对电离电流带来的影响，以提高传感器工作的稳定性，将两个电离室串接起来与电源相接，上面的一个为补偿电离室，下面的一个为检测电离室，在结构上检测电离室做成烟雾容易进入的型式，而补偿电离室做成烟雾很难进入、而空气又能慢慢进入的型式。当有火灾发生时，烟雾进入检测电离室，由于烟离子的阻挡作用，一方面使电离后的正负离子在电场中的运动速度降低，另一方面使射线的电离能力降低，从而使检测电离室的电离电流减小，这一现象，相当于补偿电离室的等效电阻未变，而检测电离室的等效电阻变大，从而使A点的电位升高。显然烟雾浓度越大，烟离子的阻挡作用越强，A 点电位越高。这一电压信号经由T1、T2组成的跟随电路，传送给模/数转换电路，实现对烟雾浓度的采样。采用离子源作为烟敏元件的突出特点是电流消耗极低，适合在系统中使用。图2-5 离子烟雾传感器电路3火灾探测器输出信号处理和数据的传输我们都知道火灾探测器的输出信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，而单片机所能识别只有TTL电平的数字信号，高于2.2V为逻辑1，低于0.8V为逻辑0，这就需要我们对传感器的输出信号进行转换。同时，由于现场的各种干扰因素会导致信号的失真，频率的混叠，这也就要求我们对输出的模拟信号进行处理，以最大程度地原始地复现外界信息的变化。从前面的对于DS18B20的介绍，它是一个集成的可编程的温度传感器，体积小小，数字化，网络化，精度高、接线简单，输出的直接为数字信号，传输串行的数据，不需外部设备，下面简单的说明下DS18B20与单片机信号处理的顺序：初始化单总线系统；执行某种ROM操作指令；执行存储器操作指令；处理数据。如果测温现场需要多个温度传感器，PC与DS18B20的连接可使用DALLAS提供的单总线到PC串口或并口的适配器，常用的有DS9097串行口适配器和DS1410并行口适配器，这样只需要一条双绞线（一条为信号线，一条为地线）从控制器引入测温现场，然后将多个DS18B20挂在其上就行了。由于本次信号的核心还是温度，对于烟雾浓度是用来辅助判断，为了节约成本，将不采用AD转换，用一个简单的电压比较器LM339来与预设定的电压值比较输出一个电压信号直接传输到单片机，即无需对烟雾浓度的具体值进行精确的了解，只是判断是否在危险范围内，这样可以省去很多信号处理电路，具体离子型烟雾传感器的输出信号的处理电路如下：图3-1 离子烟雾传感器信号处理电路可以根据测试现场的环境来设定参考输入电压或者通过调动滑动变阻器即可实现简单的浓度预设值，需要进行现场的调试。 输出直接接到单片机的端口P1.0，低电平为安全，高电平为处于危险情况。下面对上述电路进行简单的分析：如图3-1选取LM339为电压比较器，比较器电路本身也有技术指标要求，如精度、响应速度、传播延迟时间、灵敏度等，大部分参数与运放的参数相同在要求不高时可采用通用运放来作比较器电路。电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高。当“”输入端电压高于“”输入端时，电压比较器输出为高电平；当“+”端电压低于“”输入端时，电压比较器输出端为低电平。由于比较器与运放的内部结构基本相同，其大部分参数(电特性参数)与运放的参数项基本一样(如输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流等)。所以计算时直接把它当做运放，离子烟雾传感器的电压输出在5.6+0.4v的范围左右波动，设为U，输出为U0。参考电压可以取5V，设为Vcc，则输出4自动灭火系统MCU控制器4.1概述控制器是整个灭火系统的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎。在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51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。单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换8051和8751。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AT89C51。4.2 AT89C51的介绍4.2.1概述AT89C51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，AT89C51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。4.2.2主要性能参数（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容 （2）4K字节可重擦写Flash闪速存储器（3） 1000次擦写中期（4）全静态操作：0Hz24MHz（5）三级加密程序存储器（6）128*8字节内部RAM（7）32个可编程I/O口线（8）2个16位定时/计数器（9）6个中断源（10）可编程串行UART通道（11）低功耗空闲和掉电式 4.2.3引脚功能说明如图所示为AT89C51的引脚图图4-1 AT89C51引脚图：电源电压GND：地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，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口写“1”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Flash编程时，P0接受指令字节，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是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流（I）。Flash编程和程序校验期间，P1口接受底8位地址。P2口：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低电平时会输出一个电流（I）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX RI指令）时，P2口行上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接受高位地址和其它控制信号。P3口：P3是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I）。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，如下，P3.0：串行输入口RXD；P3.1：串行输出口TXD；P3.2：外部中断INT0；P3.3外部中断INT1；P3.4：定时计数器T0；P3.5：定时计数器T2；P3.6：外部数据存储器写选通；P3.7：外部数据存储器读选通。P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG非：当访问外部程序存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。PSEN非：程序储存允许（PSEN非）输出是外部程序存储器的读选信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN非有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN非信号不出现。EA/Vpp：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须得保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。4.2.4时钟振荡器AT89C51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4-2。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），而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF（10F）。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如下图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到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。图振荡电路图4-2 时钟振荡电路4.2.5 编程方式 编程前，须设置好地址，数据及控制信号，编程单元的地址加在P1口和P2口的P2.0-P2.3，数据P0口输入，引脚P2.6,P2.7和P3.6,P3.7的电平设置见表3-4，PSEN为低电平，RST保持高电平，EA/引脚是编程电源的输入端，按要求加上编程电源，ALE/PROG引脚输入编程脉冲（负脉冲）。编程时，可采用420MHz的时钟震荡器，AT89C51编程方法如下：1 在地址线上加上要编程单元的地址信号。2 在数据线上加上要写入的数据字节。3 激活相应的控制信号。4 在高电压编程方式时，将EA/端加上+12V编程电压。5 每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。改变编程单元的地址和写入的数据，重复15步骤，直到全部文件编程结束。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。4.2.6 数据查询 AT89C51单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束，在一个写周期中，如需读取最后写入的那个字节，则读出的数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高位的反码。写周期完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，此时，可进入下一个字节写周期，写周期开始后，可在任意时刻进行数据查询。4.2.7 Ready/Busy字节编程的进度可通过“RDY/BSY”输出信号监测，编程期间，ALE变成高电平“H”后P3.4(RDY/BSY)端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态）。编程结束后，P3.4变为高电平准备就绪状态。4.2.8复位电路在振荡，有两个机器周期（24 个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片器运行时机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0P3 口均置1 引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR 全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM 的0000H 处开始运行程序。该芯片的复位脚为9脚，所以复位电路接STC89C52RC的9脚，具体电路如下图所示。当采用的晶体频率是6 MHZ时，可取C=22UF，R=1K；当采用的晶体频率为12MHZ时，可取C=10UF，R=8.2K。不过这都是最佳的组合，也可以有其它大小的电容电阻，只要符合电路要求就可以，如本文就采用22UF的电容和10K的电阻。图4-3 复位电路4.3 AT89C51与上位机的接口电路本次的串口通信的设计主要是考虑到其可扩展性进行设计的，由于灭火系统可能用于多点和网络型的实时监测，这对于数据的处理要求较高，需要接到上位机PC，为此我们设计了一个基于RS232的串口通信，以备扩展需要，下面就基于RS232的串口通信做简单的介绍。1.RS232协议标准RS232信号在正负电平之间摆动,在发送数据时,发送端驱动器输出正电平在+5V+15V，负电平在-5V-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL电平，从开始数据传输到结束，线上电平从TTL电平到RS232电平再返回TTL电平。接收器典型的电平在+3V+12V与-3V-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为23V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传输距离最大为约15m，最高速率为20kbps。2.MAX232简介RS232用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态规定不通，因此要用RS232总线进行串行通信时需外接电路以实现电平转换。在发送端用驱动器将TTL电平转换成RS232电平，在接收端用接收器将RS232电平再转换成TTL电平。MAX232内部有电荷汞电压转换器，可将+5V电源变换成RS232所需的10V电压，以实现电压的转换，既符合RS232的技术，又可实现+5V单电源供电，所以MAX收发器电路给短距离串行通信带来极大的方便。3.硬件连接单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和计算机之间可以方便 地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，计算机的串口是RS232 电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，采用专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。采用三线制连接串口，也就是说和计算机的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。电路如图4-4所示，MAX232的第11脚和单片机的11脚连接，第12脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。图4-4基于rs232串口通信电路5自动灭火系统外接硬件系统5.1报警部分本次报警部分分2个部分，一个是LED灯光的闪烁，一个是蜂鸣器的报警。LED报警：由2个不同颜色的二极管组成，分别接到单片机的P0.5和P0.6，其中P0.5为黄色，预警，即烟雾浓度指示灯，当烟雾浓度不满足测试值时便开始发光；P0.6端口接红色LED，即温度超过阀值便开始不停的闪烁（闪烁容易引起人们的注意），发出火灾警告。蜂鸣器报警下图6-1为声音报警部分的电路图，通过简单的三极管Q9014驱动电路和蜂鸣器构成，其中一个电阻是偏置电阻，给三极管提供偏置电压。这个电路的工作过程可简单的描叙如下：驱动电路的输入端与单片机的I/O口相连，当I/O口输出一个高电平，三极管Q的基极B得到高电平，三极管导通，电流从VCC经集电极C流向发射极E，并流入蜂鸣器BP，这样蜂鸣器BP得到工作电流而发出“滴滴”的提示音。图5-1 蜂鸣器报警电路5.2自动灭火电路驱动部分5.2.1概述本部分由两组构成，一组用来作为初级阶段的火灾驱动，一组作为下一阶段的火灾驱动，具体的灭火设备和选用的物质和现场紧密相关的。5.2.2固态继电器SRR固态继电器又名固态开关。是一种新颖的四端以弱控器的无触点功率控制元件。一般施加输入信号后其主控回路呈导通状态,无信号时呈阻断状态,固态继电器为一个四端组件:两个输入控制器,两个输出受控端。它由三部分组成:输入控制部分、隔离部分及输出受控部分。输入控制部分一般由限流电阻或恒流电路及光电二极管组成;隔离部分一般由光电隔离器组成,也有用变压器隔离的。输出部分一般由光敏控制器、电压过零控制器、驱动器、可控硅及阻容吸收部分组成,固态继电器的如图6-2所示。恒流电路发光二极管过零控制器光敏检测器与门驱动器可控硅图 5-2 SRR的结构组成示意图5.2.3 固态继电器特点(1) 输入控制电压低(314V) , 驱动电流小(315mA) , 输入控制电压与TTL 、DTL 、HTL 电平兼容,直流或脉冲电压均能作输入控制电压;(2) 输出与输入之间采用光电隔离,可实现在以弱控强的同时,做到强电与弱电完全隔离,两部分之间的安全绝缘电压大于2kV , 符合国际电气标准UL 的器件;(3) 输出无触点、无噪音、无火花、开关速度快;(4) 输出部分内部一般含有RC 过压吸收电路,以防止瞬间过压而损坏固态继电器;(5) 有多种规格可选择: 输入有电阻限流直流、恒流直流、交流等类型。输出有直流输出方式和交流输出方式。输出额定电压有(220380V) 交流电压及(30180V) 直流电压。交流输出中有过零触发型和非过零触发型(移相型) ;(6) 过零触发型固态继电器对外界的干扰非常小;(7) 采用环氧树脂全灌封装,具有防尘、耐湿、寿命长等优点。5.2.4驱动电路部分如下为图6-3，当AT89C51输出为高电平信号时，经过或非门后为低电平信号固态继电器SSR 导通，使电磁阀开通，从而达到自动喷淋效果。相反，输出为低电平信号时，经过或非门为高电平信号，固态继电器SSR 截止。图5-3 SRR驱动电路5.3灭火相关的知识一些介绍按照燃烧原理，一切灭火方法的原理是将灭火剂直接喷射到燃烧的物体上。或者将灭火剂喷洒在火源附近的物质上，使其不因火焰热辐射作用而形成新的火点。以下为几种常用的方法： 冷却灭火法：这种灭火法的原理是将灭火剂直接喷射到燃烧的物体上，以降低燃烧的温度于燃点之下，使燃烧停止。或者将灭火剂喷洒在火源附近的物质上，使其不因火焰热辐射作用而形成新的火点。 冷却灭火法是灭火的一种主要方法，常用水和二氧化碳作灭火剂冷却降温灭火。灭火剂在灭火过程中不参与燃烧过程中的化学反应。这种方法属于物理灭火方法。隔离灭火法：隔离灭火法是将正在燃烧的物质和周围未燃烧的可燃物质隔离或移开，中断可燃物质的供给，使燃烧因缺少可燃物而停止。具体方法有：1、把火源附近的可燃、易燃、易爆和助燃物品搬走；2、关闭可燃气体、液体管道的阀门，以减少和阻止可燃物质进入燃烧区；3、设法阻拦流散的易燃、可燃液体；4、拆除与火源相毗连的易燃建筑物，形成防止火势蔓延的空间地带。 窒息灭火法：窒息灭火法是阻止空气流入燃烧区或用不燃烧区或用不燃物质冲淡空气，使燃烧物得不到足够的氧气而熄灭的灭火方法。具体方法是：1、用沙土、水泥、湿麻袋、湿棉被等不燃或难燃物质覆盖燃烧物；2、喷洒雾状水、干粉、泡沫等灭火剂覆盖燃烧物；3、用水蒸气或氮气、二氧化碳等惰性气体灌注发生火灾的容器、设备；4、密闭起火建筑、设备和孔洞；5、把不燃的气体或不燃液体（如二氧化碳、氮气、四氯化碳等）喷洒到燃烧物区域内或燃烧物上。目前市场上存在的灭火设备大多基于以上几种灭火原理设计而成的，对于不同的场所和情况，我们可以灵活的安装和选用灭火设备，以达到最佳的经济效益和灭火效果。5.4显示部分 本次的显示部分采用4位的七段共阴数码管显示，部分电路如5-1图所示，通过P2端口提供段选信号来点亮各位和小数点，再通过p0.1 、p0.2来进行位选信号的输出，即每次输出的数据送到个位、十位还是百位或是小数位，也就是动态显示。七段数码管有不同的尺寸，以适应不同场合的需要。它的七个显示段可以独立地控制发光或者熄灭，这样一来不同段组合的就形成了不同的数字或者英文字母。所谓共阴就是7个数码管的负极相连接到GND，而正极由我们来控制；共阳就是这7个发光二极管的正极相连，接到电源正极，而负极则是有我们来控制。在实际的应用中选择共阴或是共阳取决于设计的方便性，本次我们采用共阴。图5-4 显示电路5.5键盘的设计思路键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。按键是一种常开型按钮开关。平时(常态时)，按键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合(短路)。本次键盘采用最简单的上拉电阻和开关与单片机接口相连，由于本次I/O端口的数目足够，故直接与8个端口相连构成8键组成的键盘系统，可参考总电路图，其功用如下：启动、停止、确认、取消、数字加1、数字减1、设置、空白键(为了设计时可以做成4*2)。启动与停止是通过中断来实现的，分别接单片机的INT0和INT1，主要适用于人为的控制系统的运作，即启动按下，不管外界的情况如何，SSR1 SRR2控制端输出高电平，整个灭火设备进入工作状态；设置键、确认、取消、数字+1、数字-1是用来调节温度上限设定的阀值，即报警预设值的设定，初始状态我们给它设定为70摄氏度，可以人为根据现场的环境来增减。CPU通过中断响应和随机扫描两种方式来获取键盘的信号，然后转到内部的程序来执行相应的步骤，具体的可参考程序流程图部分6自动灭火系统软件设计介绍软件流程是程序编写的核心，也是整个控制系统工作的核心思想，因此一个合理有效的流程构思显得尤为重要。主程序的主要功能是负责读取烟雾浓度信号，温度的实时显示，读出并处理DS18B20的当前温度值，同时通过扫描和中断来调用键盘子程序达到阀值调整、故障人工操作等。如图7-1为整个程序的主程序流程图。图6-1 主程序流程图参照附录的汇编程序做下简单的部分原理解释，系统初始化主要是对波特率的设置，单片机与上位机之间的传输是串口，因此需要一个8位的UART，对波特率设置是必须的；同时也对中断的允许位进行了设定，中断申请是靠外部的INTO和INT1输入电平来决定，一旦提出了中断申请，立马转去执行中断子程序SETUP和STOP;系统初始化完成后，转去判断烟雾输入电平的高低，从而进行初步火灾的判断，决定是否执行启动2路继电器，无论怎样都要转去执行温度本分的信号采集和比较，这部分也是本次程序设计的核心和难点。DS18B20的初始化步骤如下：（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。接下来要进行的是DS18B20的写操作如下为操作步骤：（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。如下为DS18B20的读操作步骤：（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。完成DS18B20温度的读取，然后与设定的上限值进行比较，决定是否启动2路继电器和相关的报警措施。同时要对键盘进行扫描，确定是否改变温度上限值，可参考键盘子程序部分KEYWORK，主要能实现的内容如下，按下设置键，开始进入温度上限改变的程序，按+，个位会自动增加1，如果超过10，则执行个位清零，十位+1,：按下-，则个位会自动减1，如果个位数字为0，则执行十位减1，个位数值变为9。接下来如果收到COFIRM，则设定的数值就成功了，若是DELE，则取消设置，保存原有的数值，转到主程序继续执行。7结论本次毕