基于单片机的火灾报警系统(最终郭超).doc

西南科技大学本科生毕业论文 I 基于单片机的基于单片机的火灾报警系统火灾报警系统设计设计 摘要 火灾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 火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势 在工业和民用建筑 宾馆 酒店 图书馆 科研和商业部门 火灾报警系统已 成为必要的装置 火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用 火灾报 警控制器是火灾报警系统的核心 本文对火灾报警控制器和传感器做了深入的研究 并全面阐述了火灾报警控制器和传感器的硬件与软件设计及调试过程 本文设计的 火灾报警系统能有效地防止和减少火灾危害 对保护人身安全和财产安全具有现实 意义 关键词 火灾报警系统 单片机 传感器 声光报警 西南科技大学本科生毕业论文 II Design of Fire alarm System Based on Microcontroller Unit Abstract In our country as a disaster the fire has many characteristics such as mediocrity breakage and influence In recent years the economy and the construction develop quickly increasing of modern building underground architecture and large scale construction the occasion of fire is increasing and the quantity of fire and the losing it leads to raise gradually the intention of fireproofing is avoiding loss In the instruction of industry and civil hotel grogshop library the department of scientific research and trade the fire alarm system has become the necessary installation The fire alarm system has important functions to the modern buildings The fire alarm system controller is its core We introduce the research of fire alarm controller and narrate its hardware and software The fire alarm system can avoid and reduce the fire harm It settles the problem that the wire fire alarm system cannot fulfill Key words fire alarm system MCU sensors sound light alarm 西南科技大学本科生毕业论文 III 目 录 第 1 章 绪 论 1 1 1 概述 1 1 2 国内外火灾报警系统的发展现状及趋势 2 1 2 1 国内火灾报警系统的发展现状 2 1 2 2 国外火灾报警系统的发展现状 3 1 3 火灾报警系统的发展趋势 3 1 4 研究目的和意义 6 1 5 设计要求及完成的工作 6 第 2 章 方案设计 8 2 1 引言 8 2 2 器件选择 8 2 2 1 控制芯片的选型 8 2 2 2 火灾检测传感器的选择 9 2 2 3 温度传感器的选择 11 2 2 4 显示器件的选择 13 2 3 总体方案设计 14 第 3 章 火灾报警系统的硬件设计 18 3 1 电源模块的设计 18 3 2 单片机小系统电路 19 3 3 传感器控制电路 22 3 3 1 烟雾传感器控制电路 22 3 3 2 温度传感器控制电路 23 3 4 系统总体电路设计 23 第 4 章 火灾报警系统的软件设计 26 4 1 MCS 51 系列单片机调试及开发工具 26 4 2 主控程序设计 27 4 3 传感器控制程序设计 28 4 3 1 温度传感器程序设计 28 西南科技大学本科生毕业论文 IV 4 3 2 烟雾传感器程序设计 29 4 4 系统调试 29 4 4 1 电源部分调试 29 4 4 2 单片机小系统部分调试 30 4 4 3 系统整体调试 31 结论 34 致谢 35 参考文献 36 附录 1 37 附录 2 49 西南科技大学本科生毕业论文 1 第 1 章 绪 论 1 1 概述 1 1 1 研究背景 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 随着我国现代化建设 的发展 各种现代化楼宇对火灾报警和自动灭火系统提出了更高的要求 大宾馆 酒 店 商场 图书馆 博物馆 档案馆和办公楼等 自动灭火系统已成为必不可少的 安保装置 2 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 1 1 2 火灾报警系统的发展历程 火灾报警系统 从发展过程来看 大体可分为三个阶段 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 西南科技大学本科生毕业论文 2 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 特别是布线工作量较大 3 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 二线制和单线制 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 4 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 5 6 1 2 国内外火灾报警系统的发展现状及趋势 1 2 1 国内火灾报警系统的发展现状 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 7 经过几年的发展 随着国家对减灾 防灾得更加重视 和消防市 场利润的吸引 火灾自动报警系统和消防广播 消防电源 及相关配套产品的生产 西南科技大学本科生毕业论文 3 厂家开始增多 其中以秦皇岛海湾 北京利达 北京国泰怡安为代表的国产品牌逐 步发展壮大起来 国产火灾自动报警控制器已出现大屏幕彩色液晶汉字显示 汉字 CRT 显示系统 用户界面多采用 VB 或 C 语言等高级语言进行编制 使用方便 直 观 两总线 RS232 RS485 CAN 等现场总线已经普及 可与计算机进行联网实 现现场编程 同时根据场地不同 不同工作方式的系统也已使用 如无线火灾自动 报警系统 空气取样火灾自动报警系统等 设备容量也有小系统如 500 点 中型系 统如 500 至 2000 点 大型系统如 3000 点以上的多种型号 设备普遍具有体积小 容量大 传输速度快 误报率低 可联动设备多等特点 1 2 2 国外火灾报警系统的发展现状 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 3 火灾报警系统的发展趋势 面对高新技术的发展机遇和国内市场国际化的竞争挑战 消防产品向高可靠 自动化 网络化的火灾探测报警技术发展 传统火灾自动报警与现代自动报警系统 的区别主要在于探测器本身的性能 其中现代自动报警系统使系统确定火灾的数据 处理能力和自动化程度大为增加 减少了误报警的概率 增加了系统可靠性 这是 现代火灾探测报警技术的发展方向 8 1 智能化 西南科技大学本科生毕业论文 4 火灾自动报警系统智能化是使探测系统能模仿人的思维 主动采集环境温度 湿度 灰尘 光波等数据模拟量并充分采用模糊逻辑和人工神经网络技术等进行计 算处理 对各项环境数据进行对比判断 从而准确地预报和探测火灾 避免误报和 漏报现象 发生火灾时 能依据探测到的各种信息对火场的范围 火势的大小 烟 的浓度以及火的蔓延方向等给出详细的描述 甚至可配合电子地图进行形象显示 对出动力量和扑救方法等给出合理化建议 以实现各方面快速准确反应联动 最大 限度地降低人员伤亡和财产损失 而且火灾中探测到的各种数据可作为准确判定起 火原因 调查火灾事故责任的科学依据 此外 规模庞大的建筑使用全智能型火灾 自动报警系统 即探测器和控制器均为智能型 分别承担不同的职能 可提高系统 巡检速度 稳定性和可靠性 2 多样化 火灾探测技术的多样化 我国目前应用的火灾探测器按其响应和工作原理基本 可分为感烟 感温 火焰 可燃气体探测器以及两种或几种探测器的组合等 其中 感烟探测器一枝独秀 但光纤线性感温探测技术 火焰自动探测技术 气体探测技 术 静电探测技术 燃烧声波探测技术 复合式探测技术代表了火灾探测技术发展 和开发应用研究的方向 此外 利用纳米粒子化学活性强 化学反应选择性好的特 性 将纳米材料制成气体探测器或离子感烟探测器 用来探测有毒气体 易燃易爆 气体 蒸气及烟雾的浓度并进行预警 具有反映快 准确性高的特点 目前已列为 我国消防科研工作者的重点研究开发课题 以火灾自动报警系统为代表的消防安全 系统与防盗安全系统联动 以实现对生命财产的安全保护 是国外火灾自动报警系 统的最新发展趋势 目前最现实的技术是体型探测技术 它能很好地兼容防火与防 盗两个方面 很有发展前景 设备连接方式的多样化 随着无线通信技术的成熟 完善和新型有线通信材料 的研制 设备间 系统间可根据具体的环境 场所的不同而选择方便可靠的通信方 式和技术 设备间可以用无线技术进行连接 形成有线 无线互补 同时新型通信 材料的研制开发可弥补目前系统大多采用铜线连接存在的缺陷 而且各探测器之间 也可进行数据信息传递和交流 使探测器的设置从枝状变成网状 探测器不再是各 自独立的 使系统间 设备间的信息传递更方便 更可靠 3 小型化 西南科技大学本科生毕业论文 5 火灾自动报警系统的小型化是指探测部分或者说网络中的 子系统 小型化 如果火灾自动报警系统实现网络化 那么系统中的中心控制器等设备就会变得很小 甚至对较小的报警设备安装单位就可以不再独立设置 而依靠网络中的设备 服务 资源进行判断 控制 报警 这样火灾自动报警系统安装 使用 管理就变得简单 省钱 方便 4 社区化 目前我国火灾自动报警系统只被安装在重要建筑上 而在美国 日本等发达国 家 包括许多居民家庭都安装了火灾自动报警系统 随着我国经济的不断发展 人 们安全意识的增强 火灾自动报警系统的进一步完善以及智能化程度的提高 在社 区家庭特别是高级住宅积极推广应用防盗 防火联动报警装置或独立式感烟探测器 对于预防居民家庭火灾是非常必要和行之有效的措施 5 高灵敏性 以早期火灾智能预警系统为代表 该系统除采用先进的激光探测技术和独特的 主动式空气采样技术以外 还采用了 人工神经网络 算法 具有很强的适应能力 学习能力 容错能力和并行处理能力 近乎于人类的神经思维 此外 该系统的子 机与主机可以进行双向智能信息交流 使整个系统的响应速度及运行能力空前提高 误报率几乎接近零 灵敏度比传统探测器高 1000 倍以上 能探测到物质高热分解出 的微粒子 并在火灾发生前的 30min 到 120min 预警 确保了系统的高灵敏性和高 可靠性 6 兼容性 将火灾自动报警系统与自动喷水灭火系统合二为一 增强预警和扑救功能的兼 容性 降低消防工程投资 从而可以进一步扩大火灾自动报警和自动喷水灭火系统 的应用范围 另外 火灾报警系统 从发展过程来看 大体可分为三个阶段 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 西南科技大学本科生毕业论文 6 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 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 第三阶段 智能型火灾自动报警系统 这是当今世界的主要发展趋势 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 1 4 研究目的和意义 火灾报警控制器是一种能接收 显示和传递火灾报警等信号的报警装置 它是 火灾报警系统的主要组成部分 火灾报警探测器是监视周围环境状况的 感觉器官 而火灾报警控制器则是系统的 神经 大脑 是整个系统的核心 火灾报 警控制器担负着监视探测器及系统自身的工作状况 处理火灾探测器输出的报警信 号 进行声光报警 指示报警的具体部位 时间及执行相应的辅助控制等任务 研 制火灾报警控制器的目的是为了立足于掌握核心开发技术 降低系统成本 尽管通过最近几年的消防治理整顿 取得了不少成绩 但与其他国家相比 千 次火灾死亡人数较多 我国的火灾形势不容乐观 加之我国经济在高速发展 生活 水准大幅度提高 各种生产 办公以及居住场所火灾大增 塑料制品和双层玻璃的 大量应用 使火场的外部求援困难重重 9 因此 设计简单实用的火灾报警控制系 统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 1 5 设计要求及完成的工作 西南科技大学本科生毕业论文 7 1 任务设计要求 1 熟悉 理解课题所涉及的内容 并熟练使用各种开发工具 2 查阅相关资料 完成整个系统的硬件电路设计 3 熟悉 Keil ICC 的软件开发平台 并完成该系统的软件设计 4 在软硬件设计的基础上 熟练运用 Proteus 系统仿真平台 并完成该系统各模 块软件仿真 5 完成硬件实物与软件的联合调试 2 设计相关指标 1 要求设计制作多种感器信息采集系统 2 设计的系统能完成火灾报警 3 实现以下技术指标 技术指标 1 多种数据采集确保准确报警 2 烟雾检测 0 5 英尺 误差 10 3 温度检测 0 200 误差 4 4 一氧化碳 0 500ppm 误差 5ppm 3 设计完成的工作 1 完成硬件电路的设计与焊制 2 完成软件的设计与调试 3 完成多种数据采集确保准确报警 4 完成烟雾检测 0 5 英尺 误差 10 5 完成温度检测 完成 55 125 误差 4 6 未完成一氧化碳 0 500ppm 误差 5ppm 西南科技大学本科生毕业论文 8 第 2 章 方案设计 2 1 引言 火灾报警系统 一般由火灾检测传感器 显示器 报警器和控制器等组成 其 中火灾检测传感器是检测火灾是否发生的专门仪器 可根据建筑物或实地场所的要 求 安装不同类型的火灾检测传感器 火灾检测传感器主要分为感烟探测器 感温 探测器和光辐射探测器三大类 其中离子感烟探测器稳定性能较好 误报率低 寿 命长等优点 在火灾报警系统中被广泛使用 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存在以下主要问题 1 报警系统的维护保养和持续性的技术支持是目前最严重的问题 比例分别为 31 和 27 而造成上述问题的罪魁祸首就是由于缺乏规范 统一的通讯标准 2 报警系统误报 漏报现象也是目前火灾报警行业主要存在的问题 自从火灾 探测器问世以来 长期困扰产业界的就是上述两种现象 环境中各种因素 如 静 电 灰尘颗粒 气流 杀虫剂 磁场 气温剧烈变化 水蒸气等都会与火灾发生时 的状况接近 从而使报警设备发生误判而报警 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 设计一套简单实用 抗干扰能力强 性价比高的 火灾报警系统 2 2 器件选择 2 2 1 控制芯片的选型 单片机是本系统的核心部件 一方面它要接收来自传感器的各种浓度的模拟信 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 西南科技大学本科生毕业论文 9 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 根据系统的复杂程度分析 系统最终实现的是对六路信号的处理的分析 因此 所使用的单片机也不会需要很多的引脚 再从经济价格上分析 纵观所有的单片机 控制芯片 51 单片机是比较便宜的一类 另一方面 51 单片机也有 40 个引脚 完 全能够满足系统的需要 所以在控制芯片的选择上采用 AT89S51 作为系统的主控芯 片 MCS 51 系列单片机有以下的主要功能 8 位的 CPU 片内带振荡器 128 字节的 片内数据存储器 4KB 的片内程序存储器 外部的数据存储器和程序存储器的寻址 范围为 64KB 21 个专用寄存器 4 个 8 位并行 I O 接口 一个全双工的串行口 2 个 16 位的定时器 计数器 5 个中断源 2 个中断优先级 111 条指令 具有位寻址 功能 片内采用单总线结构 2 2 2 火灾检测传感器的选择 对各类火灾检测传感器进行比较后 根据设计本系统的实际情况出发 系统采 用离子感烟传感器和温度传感器 离子感烟传感器是一种室内安装的探测器 可以 探测可见和不可见的烟雾 具有对火灾进行早期预报功能 10 在火灾发生初期 当 进入离子感烟探头中采样室的烟浓度超过由参考室的门限值时 离子感烟探头底座 上的指示灯将点亮 同时送出报警电压信号 在输入回路中 离子感烟探测器内的 接口电路十分关键 通过探测器接口电路可以将探头报警电压信号转变为不同频率 的电信号传送到控制器 由控制器判别处理 确定火灾位置报警 11 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 传感器作为 烟雾检测报警器的信号采集部分 是检测电路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 在火灾发生前往往伴随着烟雾的产生 因此 我们就需要选择一种能够及时检 测空气中烟雾含量的传感器来进行火灾发生的预警 根据设计要求和查阅相关资料 烟雾传感器选择为 MQ 2 型普通气敏烟雾传感器 西南科技大学本科生毕业论文 10 MQ 2 在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度 对液化气 丙烷 氢 气 的灵敏度较高 长寿命 低成本 简单的驱动电路即可 可用于家庭用气体泄漏 报警器 工业用可燃气体报警器 便携式气体检测器 表表 2 12 1 MQ 2MQ 2 的标准工作条件的标准工作条件 在本设计中 由于采用了 AT89S51 作为主控芯片 所以其外部供电电压为 DC 5 0V 因此 在选择传感器的时候也要充分考虑传感器的使用电压 如果传感器的使 用电压与主要供电电压不一致的话 那么就会需要增加其他电压源 这样不仅增加 了设计的复杂性 同时也会增加设计的成本 所以在选择传感器时也尽量选择与主 要外部供电源一致的电压 由上表可以看出 传感器的工作电压在 5V 左右 因此 是能够满足设计要求的 MQ 2 的工作温度在 10 50 这样的温度能够满足正常情况下的烟雾预 警温度要求 因为在通常情况下 一般的环境温度都低于 40 所以温度在 10 50 之间已经能够满足测量的要求 表表 2 22 2 MQ 2MQ 2 的环境条件的环境条件 MQ 2 在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度 对液化气 丙烷 氢 气 的灵敏度较高 长寿命 低成本 简单的驱动电路即可 可用于家庭用气体泄漏 报警器 工业用可燃气体报警器 便携式气体检测器 符号参数名称技术条件备注 Vc回路电压 24VDC VH加热电压5 0V 0 2VACorDC RL负载电阻可调 RH加热电阻31 3 室温 PH加热功耗 900mW 符号参数名称技术条件备注 Tao使用温度 10 50 Tas储存温度 20 70 RH相对湿度小于95 RH O2氧气浓度 21 标准条件 氧气浓度 会影响灵敏度特性 最小值大于 2 西南科技大学本科生毕业论文 11 表表 2 32 3 MQ 2MQ 2 的灵敏度特性的灵敏度特性 MQ 2 气敏元件的结构和外形如图 2 1 所示 结构 A 或 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 部件材料 1 气体敏感层二氧化锡 2 电极金 Au 3 测量电极引线铂 Pt 4 加热器镍铬合金 Ni Cr 5 陶瓷管 三氧化二铝 6 防爆网100目双层不锈钢 SUB316 7 卡环镀镍铜材 Ni Cu 8 基座胶木或尼龙 9 针状管脚镀镍铜材 Ni Cu 图图 2 12 1 MQ 2MQ 2 的结构和外形的结构和外形 综上所述 离子感烟探测器在正常运行中对烟雾的识别能力较强 稳定性较好 因此本系统所采用的火灾报警探测器是离子感烟探测器 由它把物质初期燃烧所产 生的烟雾信号转换成支流电压信号 通过导线传输给报警器 发出声光报警信号 2 2 3 温度传感器的选择 系统中的温度传感器采用的是 DS18B20 芯片 其特点是采用独特的单总线接口 方式 只需要一条总线接口就可以实现多点通信 简化了分布式温度传感应用 该 器件无需外部元件 可用数据总线供电 电压范围为 3 0V 至 5 5V 无需备用电源 测量温度范围为 55 至 125 精度为 0 5 DS18B20 的方框图如图 2 2 所示 13 符号参数名称技术参数备注 Rs 敏感体表面电阻 2K 20K 2000ppm C3H8 R3000ppm R1000ppm C3H8 浓度斜率 0 6 标准工 作条件 温度 20 2 Vc 5 0V 0 1V 相对湿度 65 5 VH 5 0V 0 1V 适用范围 300 10000ppm 丙烷 丁烷 氢气 预热时间不少于48小时 西南科技大学本科生毕业论文 12 图 2 2 的方框图示出了 DS1820 的主要部件 DS18B20 有三个主要数字部件 1 64 位激光 ROM 2 温度传感器 3 非易失性温度报警触发器 TH 和 TL 器件用如 下方式从单线通讯线上汲取能量 在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容 里 在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作 直到高电平到来再给寄生电 源 电容 充电 DS18B20 也可用外部 5V 电源供电 图图 2 2 DS18B20 的方框图的方框图 DS18B20 是用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期 内部计数器在这个门 周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值 计数器被预置到 对应于 55 的一个值 如果计数器在门周期结束前到达 0 则温度寄存器 同样被 预置到 55 的值增加 表明所测温度大于 55 同时 计数器被复位到一个值 这个值由斜坡式累加器电路确定 斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线 特性 14 然后计数器又开始计数直到 0 如果门周期仍未结束 将重复这一过程 斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性 以期在测温时获得比较高的分辨 力 这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现的 因此 要想获 得所需的分辨力 必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值 DS18B20 内部对此计算的结果可提供 0 5 的分辨力 温度以 16bit 带符号位扩 展的二进制补码形式读出 表 2 4 给出了温度值和输出数据的关系 数据通过单线 接口以串行方式传输 DS18B20 测温范围 55 125 以 0 5 递增 如用于华 氏温度 必须要用一个转换因子查找表 DS18B20 内温度表示值为 1 2 LSB 如下 所示 9bit 格式 西南科技大学本科生毕业论文 13 表表 2 4 温度值和输出数据的关系温度值和输出数据的关系 最高有效 符号 位被复制充满存储器中两字节温度寄存器的高 MSB 位 由这 种 符号位扩展 产生出了示于表 1 的 16bit 温度读数 可用下述方法获得更高的分 辨力 首先 读取温度值 将 0 5 位 LSB 从读取的值中截去 这个值叫做 TEMP READ 然后读取计数器中剩余的值 这个值是门周期结束后保留下来的值 COUNT REMAIN 最后 我们用到在这个温度下每度的计数值 COUNT PER C 用户可以用下面的公式计算实际温度值 COUNT PER C COUNT REMAIN TEMPERATURE TEMP READ 0 25 COUNT PER C 2 2 4 显示器件的选择 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶 它是一种专门用来显示字母 数字 符号等 的点阵型液晶模块 它有若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成 每个点阵字符 位都可以显示一个字符 本设计的显示器件采用 1602 液晶 1602 采用标准的 16 脚接口 其中 第 1 脚 VSS 为电源地 第 2 脚 VDD 接 5V 电源正极 第 3 脚 V0 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接 地电源时对比度最高 对比度过高时会 产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 第 4 脚 RS 为寄存器选择 高电平 1 时选择数据寄存器 低电平 0 时选择指令寄存器 第 5 脚 RW 为读写信号线 高电平 1 时进行读操作 低电平 0 时进行写操作 第 6 脚 E 或 EN 端为使能 enable 端 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据端 第 15 16 脚 空脚或背灯电源 15 脚背光正极 16 脚背光 负极 图图 2 3 1602 液晶的引脚图液晶的引脚图 西南科技大学本科生毕业论文 14 1602 液晶的指令集 1602 通过 D0 D7 的 8 位数据端传输数据和指令 1 显示模 式设置 初始化 0011 0000 0 x38 设置 16 2 显示 5 7 点阵 8 位数据接口 2 显示开关及光标设置 0000 1DCB D 显示 1 有效 C 光标显示 1 有效 B 光标 闪烁 1 有效 0000 01NS N 1 读或写一个字符后地址指针加 1 3 数据指针设置 数据首地址为 80H 所以数据地址为 80H 地址码 0 27H 40 67H 4 其他设置 01H 显示清屏 数据指针 0 所有显示 0 02H 显示回车 数据指针 0 图图 2 4 1602 液晶的写时序图液晶的写时序图 图图 2 5 1602 液晶的读时序图液晶的读时序图 2 3 总体方案设计 由以上的分析 本系统的硬件设计框图如图 2 6 所示 该系统工作中离子感烟 传感器的探头将探测的物理信号转换为电压信号 经信号放大电路处理后送入单片 机 单片机对该信号进行判断 如果该值超出安全范转 单片机就会立即输出报警 西南科技大学本科生毕业论文 15 信号 与此同时 温度传感器负责检测环境的温度 并将采集到的温度信息通过单 总线的接口方式传送给单片机 单片机对采集到的温度值进行判断 如果环境中的 温度超出预先设定的温度范围 单片机也会输出相应的报警信号 显示电路能够准 确的显示出火灾险情的具体地点 报警电路对工作人员起到警示的作用 从而及时 的警示工作人员做出相应的处理 被监控对像离子感烟传感器 温度传感器 单总线通信 接口 信号放大 电路 单片机 报警电路 显示电路 图图 2 6 系统硬件设计框图系统硬件设计框图 通信方式设计 DS18B20 与单片机的通信方式采用的是单总线的接口方式 单总 线是 Dallas 公司推出的外围串行扩展总线 只有一根数据输入 输出线 既可传输时 钟 又能传输数据 而且数据传输是双向的 单总线技术具有线路简单 硬件开销 少 成本低廉 便于总线扩展和维护等优点 15 单总线通信协议中存在两种写时隙 写 0 和写 1 主机采用写 1 时隙向从机写 入 1 而写 0 时隙向从机写入 0 所有写时隙至少要 60us 且在两次独立的写时隙 之间至少要 1us 的恢复时间 两种写时隙均起始于主机拉低数据总线 产生 1 时隙 的方式 主机拉低总线后 接着必须在 15us 之内释放总线 由上拉电阻将总线拉至 高电平 产生写 0 时隙的方式为在主机拉低后 只需要在整个时隙间保持低电平即 可 至少 60us 在写时隙开始后 15 60us 期间 单总线器件采样总电平状态 如 果在此期间采样值为高电平 则逻辑 1 被写入器件 如果为 0 写入逻辑 0 写时隙 包括 1 和 0 时序图如图 2 7 所示 图图 2 7 单总线通信协议写时隙时序图单总线通信协议写时隙时序图 西南科技大学本科生毕业论文 16 图 2 7 中黑色实线代表系统主机拉低总线 黑色虚线代表上拉电阻将总线拉高 对于读时隙 单总线器件仅在主机发出读时隙时 才向主机传输数据 所有主 机发出读数据命令后 必须马上产生读时隙 以便从机能够传输数据 所有读时隙 至少需要 60us 且在两次独立的读时隙之间至少需要 1us 恢复时间 每个读时隙都 由主机发起 至少拉低总线 1us 在主机发出读时隙后 单总线器件才开始在总线 上发送 1 或 0 若从机发送 1 则保持总线为高电平 若发出 0 则拉低总线 当发送 0 时 从机在读时隙结束后释放总线 由上拉电阻将总线拉回至空闲 高电平状态 从机发出的数据在起始时隙之后 保持有效时间 15us 因此主机在读 时隙期间必须释放总线 并且在时隙起始后的 15us 之内采样总线状态 读时隙 包 括 0 或 1 时序图如图 2 8 所示 图图 2 8 单总线通信协议读时隙时序图单总线通信协议读时隙时序图 图 2 8 中黑色实线代表系统主机拉低总线 灰色实线代表总局拉低总线 而黑 色的虚线则代表上拉电阻总线拉高 单总线上所有的通信都是以初始化序列开始的 初始化序列包括主机发出的复 位脉冲及从机的应答脉冲 这一过程如图 2 9 所示 黑色实线代表系统主机拉低总 线 灰色实线代表从机拉低总线 而黑色的虚线则代表上拉电阻将总线拉高 图图 2 9 初始化过程中的复位与应答脉冲初始化过程中的复位与应答脉冲 西南科技大学本科生毕业论文 17 系统主设备发送端发出的复位脉冲是一个 480 960us 的低电平 然后释放总线 进入接收状态 此时系统总线通过 4 7K 的上拉电阻接至 Vcc 高电平 时间约为 15 60us 接在接受端的设备就开始检测 IO 引脚上的下降沿以及监视在脉冲的到来 主设备处于这种状态下的时间至少 480us 作为从设备在接收到系统主设备发出的复位脉冲之后 向总线发出一个应答脉 冲 表示从设备已准备好 可根据各种命令发送或接收数据 通常情况下 器件等 待 15 60us 即可发送应答脉冲 西南科技大学本科生毕业论文 18 第 3 章 火灾报警系统的硬件设计 3 1 电源模块的设计 电源模块部分主要由整流电路 滤波电路 集成稳压电路等组成 集成电路型 稳压电源具有性能稳定 带负载能力强 使用方便等特点 因此得到了广泛的应用 电源部分原理图如图 3 1 所示 220V 的交流电通过变压器 T1 转变为 12V 的交 流电 经 D1 D4 1N4007 整流以后将 12V 的交流电压变成脉动的直流电压 再经 滤波电容 C7 470 F 和 C8 0 01 F 滤除纹波 输出 12V 的直流电压 12V 的直流电压经 IC4 7805 稳压后得到的 5V 的电压 为接收主机整机电路供电 16 电容 C9 0 01 F 能改善负载的瞬态影响 从而为接收主机提供稳定的工作电压 470 12V IN 1 2 OUT 3 GND 7805 0 01 0 1 5V T 220V 1 D D 141N4007 4 C7 C8C9 IC4 12V 图图 3 1 电源部分原理图电源部分原理图 整流滤波基本电路图如图 3 2 所示 220V 的交流电通过变压器 T1 转变为交流 电 经 D1 D4整流以后将交流电压变成脉动的直流电压 再经滤波电容 C7滤除纹波 输出直流电压 VO VO与交流电压 Vi的关系为 VO 1 1 1 2 Vi 电容滤波电路是最常见 也最简单的滤波电路 电容滤波电路的主要作用是把 整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小 改造成接近恒稳的直流电 因为交流 电经过二极管整流之后 方向单一了 但是大小 电流强度 还是处在不断地变化 之中 这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的 要把脉动直流变成波 形平滑的直流 还需要再做一番 填平取齐 的工作 也就是需要滤波 电容滤波电路工作原理 电容器是一个储存电能的仓库 在电路中 当有电压 加到电容器两端的时候 便对电容器充电 把电能储存在电容器中 当外加电压失 去 或降低 之后 电容器将把储存的电能再放出来 充电的时候 电容器两端的 西南科技大学本科生毕业论文 19 电压逐渐升高 直到接近充电电压 放电的时候 电容器两端的电压逐渐降低 直 到完全消失 电容器的容量越大 负载电阻值越大 充电和放电所需要的时间越长 这种电容带两端电压不能突变的特性 正好可以用来承担滤波的任务 470 T 220V 1 D D 141N4007 4 C7 V V i o 图图 3 2 整流滤波基本电路图整流滤波基本电路图 电容量越大 负载电阻愈大 滤波效果越好 输出波形越趋于平滑 输出电压 也越高 但是 电容量达到一定值以后 再加大电容量对提高滤波效果已无明显作 用 所以通常应根据负载电用和输出电压的大小选择最佳电容量 常见集成稳压器有固定式三端压器与可调式三端稳压器 固定式三端稳压器的 常见产品有输出固定正电压的 LM78 系列和输出固定负电压的 LM79 系列 如 LM7805 输出电压为 5V LM7905 输出电压为 5V 可调式三端稳压器能输出 连续可调的直流电压 其中 LM317 系列稳压器输出连续可调的正电压 LM337 系 列稳压器输出连续可调的负电压 稳压器内部含有过流 过热保护电路 3 2 单片机小系统电路 基于单片机的火灾报警系统中单片机使用的 ATMEL 公司的 AT89C52 芯片 该 芯片是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8kB 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256bytes 的随机存取数据存储器 RAM 采用高密度 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 位中央处理器和 Flash 存 储单元 其内部结构框图如图 3 3 所示 17 单片机小系统电路如图 3 4 所示 图中 X1 C1 和 C2 共同构成单片机的时钟电 路 为单片机的工作提供精准的 11 0592MHz 的工作时钟 X1 为石英晶体振荡器 振荡器的频率范转通常选择在 1 2MHz 12MHz 之间 C1 和 C2 为微调电容 其典型 值为 30pF U1 AT89C52 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 该高 增益反相放大器的输入端为 19 脚 XTAL1 输出端为 18 脚 XTAL2 西南科技大学本科生毕业论文 20 图 3 4 中 S1 C3 R9 和 R10 共同构成单片机的复位电路 复位是单片机的初 始化操作 只要给单片机的 9 脚 RST 加上 2 个机器周期心上的高电平信号 就 可以使单片机复位 复位引脚 RST 通过一个斯密特触发器与复位电路相连 斯密特 触发器的输出电平由复位电路采样一次 然后才能得到内部复位操作所需要的信号 18 该复位电路既可完成上电自动复位 也可以完成手动复位 上电自动复位是通 过电容 C3 的充电来实现的 手动复位是通过按键 S1 实现的 利用 RC 微分电路产 生的正脉冲实现对单片机的手动复位 西南科技大学本科生毕业论文 21 图图 3 3 AT89C52 芯片内部结构框图芯片内部结构框图 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U1 AT89C52 12 X1 11 0592 C1 33p C2 33p S1RST R9 1k R10 10k C310uF VCC R1 10k R2 10k R3 10k R4 10k R5 10k R6 10k R7 10k R8 10k VCC P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 VCC VCC 图图 3 4 单片机小系统电路单片机小系统电路 外部方式时钟电路如图 3 5 所示 外接晶体以及电容 C1 C2构成并联谐振电路 接在放大器的反馈回路中 内部振荡器产生自激振荡 一般晶振可在 2 12MHz 之 间任选 对外接电容值虽然没有严格的要求 但电容的大小多少会影响振荡频率的 高低 振荡器的稳定性 起振的快速性和温度的稳定性 外接晶体时 C1和 C2通常 选 30pF 左右 外接陶瓷谐振器时 C1和 C2的典型值为 47pF