基于单片机的智能火灾报警系统设计+2120504要点

江苏城市职业学院 摘 要 科学技术的飞速发展与进步给人们的生活带来了前所未有的便利 如电力技术的 迅猛发展与应用等 使人们的衣食住行条件得到了极大的改善 然而其负面的作用也 随之凸显出来 如各种电子产品 易燃装饰材料等我们身边经常接触到的一些普通生 活用品 为火灾的发生埋下了巨大的隐患 人们在享受科技带来的便利之外无时不在 受到潜在的火灾的威胁 所谓水火无情 为了避免火灾以及减少火灾造成的损失 让 人们的生活更加安宁 残酷的现实以及触目惊心的教训要求我们必须设计和完善火灾 自动报警系统 提高火灾的预警与早期处理水平 将火灾消灭在萌芽状态 最大限度 地减少社会财富的损失 基于此 本文从生活中的实际情况着手 设计了一种适用于 多种公共场所的基于单片机的火灾智能报警系统 该火灾报警系统是以 AT89C51 单片 机作为控制中心 接受 处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号 温度信号 并进行声 光报警 它通过不断的向现场发射巡检信号来监视现场的温度 烟雾浓度等 并不断 反馈给报警控制器 控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较 判断确定是否有 火灾的发生 关键词 AT89C51 单片机 智能报警 传感器 江苏城市职业学院 目 录 第一章 绪论 1 第二章 火灾报警系统及其整体方案设计 2 2 1 火灾发生时的特点 2 2 2 火灾报警系统功能及其类型 2 2 3 本系统的总体方案设计 4 2 3 1 本设计的研究范围 4 2 3 2 系统的硬件总体结构 4 2 3 3 系统软件总体结构 5 第三章 系统的硬件选择与设计 7 3 1 主要芯片的选择 7 3 1 1 单片机的选择 7 3 1 2 模数转换芯片的选择 8 3 2 传感器的选择 11 3 2 1 火灾探测器的分类 11 3 2 2 温度探测器的选定 11 3 2 3 烟雾传感器的选择 13 3 3 各电路模块的设计 16 3 3 1 单片机外围接口电路 16 3 3 2 A D 转换电路 17 3 3 3 烟雾信号调理电路 19 3 3 4 光报警电路 20 3 3 5 声报警电路 20 3 3 6 报警器故障自诊断 21 第四章 火灾报警系统的软件设计 22 4 1 火灾报警系统程序设计 24 4 1 1 主程序流程图 22 4 1 2 主程序初始化流程图 22 4 1 3 数据采集子程序 23 江苏城市职业学院 4 1 4 火灾判断与报警程序 24 4 1 5 滤波子程序 25 第五章 功能仿真验证分析 27 5 1 关于仿真与编程软件 27 5 2 Protues 仿真原理图 27 第六张 总结 28 致 谢 29 参考文献 30 附 录 31 江苏城市职业学院 1 第一章 绪论 在各种灾害中 火灾是公共安全和社会发展面临的最常见和最广泛的威胁之一 它威胁到人们的健康 生命和财产的安全 一旦发生火灾 就可以使成千上万的财产 立即成为灰烬 损失是大约 5 倍的地震 第二是干旱和洪水 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 火灾监测预防工作 已变得日益紧迫 寻找一种及时有效的预防火灾产生的方法已经变成人们迫切需要解 决的问题 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 智能火灾自动报警系统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 基于社会和经济方面的需求 本课题旨在开发一个能够对监测点实时监控 报警 的智能火灾报警系统 江苏城市职业学院 2 第二章第二章 火灾报警系统及其整体方案设计火灾报警系统及其整体方案设计 2 12 1 火灾发生时的特点火灾发生时的特点 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 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 在产生气溶胶的同时 产生分子较大的液体或固体微粒 称为烟雾 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 形成火灾 起火过程曲线如图 2 1 所示 图 2 1 起火过程曲线 2 22 2 火灾报警系统功能及其类型火灾报警系统功能及其类型 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 火灾探测器通 过对火灾发出的物理 化学现象 气 燃烧气体 烟 烟雾粒子 热 温度 光 火焰 的探测 将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器 区 域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出声光报警信号 警示消防控制中心的值 班人员 并在屏幕上显示出火灾的房间号 集中报警是将接收到的信号以声光形式表 现出来 其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号 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 江苏城市职业学院 3 室 整体电路的框图如图 2 2 所示及其类型 图 2 2 智能火灾报警系统框图 火灾报警系统 一般由火灾探测器 联动单元和控制器三部分组成 由火灾探测 器首先探测到火灾的萌芽而后通过联动单元传输至控制器分析其形势从而实现是否报 警 火灾报警系统除了具有预防报警之外 还有遥控检测功能 它能够根据总台的监 测预防 的要求而有所对其功能模块进行远程调节 2 32 3 本系统的总体方案设计本系统的总体方案设计 2 3 12 3 1 本设计的研究范围本设计的研究范围 本文主要研究的是一般场合下的火灾的预警与应对 此类火灾发生比较缓慢 发 生之前伴随有温度的非正常变化 火苗出现之前的烟雾等有害气体的产生 方案涉及 到现场温度的检测 烟雾浓度的检测 不同险情的不同灯光显示等 该火灾报警系统 是以AT89C51单片机作为控制中心 接受 处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号 温 度信号 并进行声光报警 当现场烟雾或者温度发生异常 或者发生火灾时 报警系 统会产生相应的报警信号 本文设计的用于小型防火单位的单片机火灾报警系统具有 以下特点 1 能对室内烟雾 CO2 CO 及温度突变进行报警 具有声 光双重报警功能 2 系统故障报警功能 当系统出现硬件故障时 能发出故障报警信号 传感器 放 大 电 路 A D 转换 微型计算机 状态指示灯 声音报警 浓度温度显示 按键 串口通信 江苏城市职业学院 4 3 异常报警功能 当环境出现异常 如烟雾浓度过大或是温度较高 时 能发出 异常报警信号 引起人们注意 尽可能避免火灾的发生 4 火灾报警功能 一旦真出现火灾 烟雾和温度同时出现异常 时 能立即发出 声光警报 据类似本系统的报警器现场模拟实验表明 本系统安全可靠 误报率低 且 由于其体积小 操作维护方便 成本低廉等 具有广阔的应用前景 2 3 22 3 2 系统的硬件总体结构系统的硬件总体结构 1 硬件系统组成 一个完整的火灾报警系统 必须包含以下几个部分 系统控制模块 火灾探测模 块 数据转换模块以及报警模块 本设计一单片机作为控制系统的核心 以传感器作 为其测温装置 来实现火灾报警系统的设计 该设计可以对室内外温度以及烟雾实时 采集可检测 当所测温度或者烟雾浓度高于临界温度时自动报警 温度信号或者烟雾 浓度信号采集电路将温度信号或者烟雾浓度信号以数字信号的形式送入单片机 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 是否大于或者等于某个 预设值 即报警临界温度或者烟雾浓度 如果大于则启动报警电路发出报警声音和显 示非正常状态 反之则为正常状态 2 硬件系统控制方案设计 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 烟烟雾雾 温温度度传传感感器器信信号号调调理理电电路路A D转转换换电电路路 单单片片机机声声光光报报警警 烟烟雾雾 温温度度显显示示 图 2 3 火灾报警系统的总体结构框图 2 3 32 3 3 系统软件总体结构系统软件总体结构 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 江苏城市职业学院 5 警子程序等 系统程序流程图如图2 4所示 开开始始 初初始始化化 温温度度烟烟雾雾信信 号号采采集集判判断断 报报警警判判断断正正常常异异常常报报警警 火火灾灾报报警警手手动动复复位位 图 2 4 程序流程图 江苏城市职业学院 6 第三章第三章 系统的硬件选择与设计系统的硬件选择与设计 3 13 1 主要芯片的选择主要芯片的选择 3 1 13 1 1 单片机的选择单片机的选择 1 单片机的比较 单片机是报警系统的核心部件 一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度和温度的 模拟信号数字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 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 AT89C51 单片机应用普遍 工具多 易上手 片源广 价格低 且适合民用 商用 用途更广泛 综合以上观点 本论文选定 AC89C51 作为本系统的核心 2 关于 AT89C51 本设计的控制芯片使用的是 ATMEL 公司生产的 AT89C51 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM 和 128 字节的随机存取数据存储器 RAM 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片机 AT89C51 的引脚图如 图 3 1 所示 芯片可以按照常规方法进行编程 也可以在线编程 其将通用的微处理 器和 Flash 存储器结合在一起 特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成 本 EA VPP 31 X1 19 X2 18 R ESET 9 R D P37 17 WR P36 16 P32 INT0 12 P33 INT1 13 P34 T0 14 P35 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE PR DG 30 P31 TXD 11 P30 R XD 10 AT89C 51 江苏城市职业学院 7 图 3 1 AT89C51 的引脚图 3 1 23 1 2 模数转换芯片的选择模数转换芯片的选择 模数转换 ADC 亦称模拟一数字转换 与数 模 D A 转换相反 是将连续的模拟 量 如象元的灰阶 电压 电流等 通过取样转换成离散的数字量 例如 对图象扫 描后 形成象元列阵 把每个象元的亮度 灰阶 转换成相应的数字表示 即经模 数 转换后 构成数字图象 通常有电子式的模 数转换和机电式模 数转换二种 在遥感 中常用于图象的传输 存贮以及将图象形式转换成数字形式的处理 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 美国 Analog Device 公司生产的 8 位逐次逼近式模数转换器 ADC0809 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 最为广泛 价格适中的 A D 转换器 综合以上各种条件和因素 也根据本设计的需要 我选择的 A D 转换器是 ADC0809 3 23 2 传感器的选择传感器的选择 3 2 13 2 1火灾探测器的分类火灾探测器的分类 火灾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 它是整个系统最为重要的部件 是识别火灾是否发生的专门仪器 在发生 火灾时 探测器通过把火灾发生时产生的各种非电量参数 如烟 气体浓度等 转化 成电量参数从而得到统一测量参数 然后再传送给控制器 其特点是实时性 准确性 其能够实时跟随各种非电量参数的变化而变化 火灾探测器根据火灾发生时所产生的 物理现象可以分为 感温型 感烟型 图光型 感声型 气敏型五大类 本文仅探讨现场温度与烟雾这两项与火灾的发生相关的指标的检测 其他与火灾 相关的因素本文未予探讨 3 2 23 2 2 温度探测器的选定温度探测器的选定 1 本设计温度探测器的选择条件 根据监测温度参数的不同 一般用于工业和民用建筑中的温度探测器有定温式 差温式 差定温式等几种 江苏城市职业学院 8 定温式探测器 定温式探测器是在规定时间内 火灾引起的温度上升超过某个 定值时启动报警的火灾探测器 它有线型和点型两种结构 差温式探测器 差温式探测器是在规定时间内 火灾引起的温度上升速率超过 某个规定值时启动报警的火灾探测器 它也有线型和点型两种结构 差定温式探测器 差定温式探测器结合了定温和差温两种作用原理并将两种探 测器结构组合在一起 差定温式探测器一般多是膜盒式或热敏半导体电阻式等点型组 合式探测器 在温度传感器的选型过程中考虑的因素 被测对象的温度是否需记录 报警和自动控制 是否需要远距离测量和传送 测温范围的大小和精度要求 测温元件大小是否适当 在被测对象温度随时间变化的场合 测温元件的滞后能否适应测温要求 综合以上多种原因 经对比 本文温度探测器使用DS18B20数字温度传感器 其引 脚与实物样式如图3 4所示 关于DS18B20 DS18B20数字温度传感器接线方便 封装成后可应用于多种场合 如管道式 螺纹 式 磁铁吸附式 不锈钢 封装式 型号多种多样 有LTM8877 LTM8874等 DS18B20的主要特性 适应电压范围更宽 电压范围 3 0 5 5V 在寄生电源方式下可由数 据线 VDD 3 I O 2 GND 1 DS18B20 图 3 2 DS18B20 数字温度传感器引脚图 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 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 江苏城市职业学院 9 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 温范围 55 125 在 10 85 时精度为 0 5 可编程的分辨率为9 12位 对应的可分辨温度分别为0 5 0 25 0 125 和 0 0625 可实现高精度测温 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 S18B20的外形和内部结构 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引脚定义 DQ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 3 2 33 2 3 烟雾传感器的选择烟雾传感器的选择 烟雾传感器的比较分析 离子式烟雾传感器 该烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感 离子式烟雾传感器是一种技术先进 工 作稳定可靠的传感器 被广泛运用到各消防报警系统中 性能远优于气敏电阻类的火 灾报警器 光电式烟雾传感器 光电烟雾报警器内有一个光学迷宫 安装有红外对管 无烟时红外接收管收不到 红外发射管发出的红外光 当烟尘进入光学迷宫时 通过折射 反射 接收管接收到 红外光 智能报警电路判断是否超过阈值 如果超过发出警报 气敏式烟雾传感器 气敏传感器是一种检测特定气体的传感器 它主要包括半导体气敏传感器 接触 燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等 其中用的最多的是半导体气敏传感器 它 的应用主要有 一氧化碳气体的检测 瓦斯气体的检测 煤气的检测 氟利昂 R11 R12 的检测 呼气中乙醇的检测 人体口腔口臭的检测等等 江苏城市职业学院 10 它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号 根据这些电信号的强弱就可 以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息 从而可以进行检测 监控 报警 还可以通过接口电路与计算机组成自动检测 控制和报警系统 通过比较分析 本设计的感烟探测器采用的是日本 NEMOTO 公司生产 NIS 09C 离子型感烟探测器 内部有微量的放射性物质媚 Am 241 探测器被金属电极覆盖 放 射能不会泄露 它对白色 灰白和黑色烟雾都有良好的响应 符合美国 UL217 标准 欧洲 EN 54 7 标准及 GB4715 93 国家标准 NIS 09C 是具有低功耗 普适性的传感器 适用于高灵敏度烟雾探测器 火灾报警系统 2 烟雾检测器工作原理 首先 传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大 转化成大的电压 信号送入 AT89C51 单片机 后 在 AT89C51 单片机内 A D 转换 浓度比较 对数据 进行线性化处理 将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值 最后 将实际可 燃性气体浓度送入液晶 并判断浓度值是否超出报警限 另外由于烟雾传感器需要在 加热状态下工作 温度越高 反映越快 响应时间和恢复时间就越快 为提高响应时 间 保证传感器准确地 稳定地工作 报警器需要向烟雾传感器持续输出一个 5V 的电 压 为了保证其可靠性 在输出 5V 的电压的同时 进行故障监测 当传感器加热丝或 电缆线和传感器断线和接触不良时 进行故障报警 发出声光报警信号 当然几种状 态的报警信号是各不相同的 3 33 3 各电路模块的设计各电路模块的设计 3 3 13 3 1 单片机外围接口电路单片机外围接口电路 1 晶振电路 晶振电路为单片机 80C51 工作提供时钟信号 芯片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荡器一起构成自激振荡器 电路 中的外接石英晶体及电容 C2 C3 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路 系统 的晶振电路如图 3 3 所示 由于外接电容 C2 C3 的容量大小会轻微影响振荡频率的高 低 振荡器工作的稳定性 起振的难易程度及温度稳定性 如果使用石英晶体 电容 的容量大小范围为30 10pFpF 如果使用陶瓷谐振 则电容容量大小为 4010 FpFp 本设计中使用石英晶体 电容的容值设定为 30pF 江苏城市职业学院 11 2 复位电路 复位电路的基本功能是 系统上电时提供复位信号 直至系统电源稳定后 撤销 复位信号 为可靠起见 电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号 以防电源开 关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位 单片机在启动时都需要复位 以使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态 并从初态开始工作 80C51 的复位信号是从 REST 引脚输入到芯片内的施密特触发器中的 当系统处于正常工作状态时 且振荡器 稳定后 如果 REST 引脚上有一个高电平并维持 2 个机器周期 24 个振荡周期 以上 则 CPU 就可以响应并将系统复位 单片机系统的复位方式有 手动按钮复位和上电复 位 本设计采用的是手动按钮复位 AT89C51 晶振电路与复位电路如图 3 3 图 3 4 所示 图 3 3 AT89C51 单片机的晶振电路 图 3 4 AT89C51 单片机的复位电路 江苏城市职业学院 12 3 3 23 3 2 A DA D 转换电路转换电路 经气敏传感器所检测的电压信号为模拟信号 无法直接被单片机所识别 所以在 经过放大电路后对信号进行 A D 装换 将模拟信号转化为数字信号输入单片机 A D 转 换 电路采用了常用的 8 位 8 通道数模转换常用芯片 ADC0809 烟雾 温度传感器的 输出端分别接到 ADC0809 的 IN0 和 IN1 ADC0809 的通道选择地址由 AT89S52 的 P0 0 P0 2 经地址锁存器 74LS373 输出提供 当 P2 7 0 时 与写信号 WR 共同选通 ADC0809 其中 ALE 信号与 ST 信号连在一起 在 WR 信号的前沿写入地址信号 在 其后沿启动转换 图中 ADC0809 转换结束状态信号 EOC 接到 AT89S52 的 INT1 引脚 当 A D 转换完成后 EOC 变为高电平 表示转换结束 产生中断 在中断服务程序中 将转换好的数据送到指定的存储单元 由于 ADC0809 片内无时钟 故利用 8051 提供 的地址锁存使能信号 ALE 经 D 触发器四分频后获得时钟 因为 ALE 信号的频率是单 片机时钟频率的 1 6 如果时钟频率为 12MHZ 则 ALE 信号的频率为 2MHZ 经四分 频后为 500KHZ 与 ADC0809 的典型值吻合 电路图如图 3 5 所示 当 AT89C51 的 ALE 端口不访问外部存储器时 AT89C51 的 ALE 端以时钟振荡频率的 1 6 输出固定的 正脉冲信号 故晶振设定 12MKz 再经过二分频电路 单片机即可向 ADC0809 输出 500KHz 的时钟信号 二分频电路由 D 触发器实现 R S 端接地 D 接 Q 非 Q 端作 为输出端 CLK 接 AT89C51 的 ALED 端 D 触发器的特性方程为 n 1 QD 由于当 CP 1 时 D 触发器有效 CP 0 时 触发器保持原来状态 故 D 触发器能 实现对 ALE 端口的信号二分频 由于本火灾报警系统只采集温度 烟雾信号 经过调 理的温度 烟雾信号分别进入 ADC0809 的 IN 0 和 IN 1 端口 其余输入引脚接地 8 个 江苏城市职业学院 13 图 3 5 AD 转换电路 数字量输出引脚接 AT89C51 的 P0 口 单片机的 P0 口接受 ADC0809 传输来 8 位数字 量 向 A D 输出的 8 位地址经地址锁存器 74LS373 锁存 选择低 3 位地址作为 A D 的 通道选通地址 本设计使用 74LS373 作为地址锁存器 当三态允许控制端 OE 为低电平时 输出 端 O0 O7 为正常逻辑状态 可用来驱动负载或总线 3 3 33 3 3 烟雾信号调理电路烟雾信号调理电路 滤波电路能使有用频率信号通过 同时抑制无用频率成分 滤除或衰减无用频率 信号到足够小 一阶滤波电路过渡带较宽 幅频特性的最大衰减频率仅为 20dB 十倍频 为使滤波器的滤波特性接近理想特性 即在通频带内特性曲线更平缓在同频带外特性 曲线衰减更陡峭 只有增加网络的级数 系统使用二阶滤波器电路 由于在火灾发生 早期 温度烟雾信号是一种缓变信号 25 故系统使用二阶有源低通滤波器电路 Low Pass Filter LPF 将串联的两节 RC 低通网络直接与反向电压跟随器电路相连 可构 成烟雾 温度 江苏城市职业学院 14 3 2 1 411 U3A LM 324 R 6 100k 5V R 4 1K C 9 0 1uF C 8 0 1uF 9V OUT 3 VC C 1 GND 2 Q2 NIS 09C IN1 图 3 6 烟雾信号调理电路 调理电路中的简单二阶低通滤波器电路 二阶低通滤波电路中 89 1RRRK 89 0 1CCCF 3 3 43 3 4 光报警电路光报警电路 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 电路如图 3 7 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 图 3 7 光报警电路 3 3 53 3 5 声报警电路声报警电路 其电路图如图 3 8 所示 D1 红 D2 绿 5V P16 P15 R 8 470 R 10 470 江苏城市职业学院 15 R 2 10K Q1 NPN B UZZER 5V P1 4 图 3 8 声报警电路 3 3 63 3 6 报警器故障自诊断报警器故障自诊断 判断传感器电源连接情况 在传感器的地端串联一个电阻 R 当传感器正常连接 时 电阻和传感器分压 此时电阻两端有微弱的电压 单片机可以通过 P2 1 口检测到 如果如果传感器电源连接不正常 则会产生断路 检测到电阻两端电压为 0V 江苏城市职业学院 16 第四章第四章 火灾报警系统的软件设计火灾报警系统的软件设计 4 14 1 火灾报警系统程序设计火灾报警系统程序设计 4 1 14 1 1 主程序流程图主程序流程图 火灾报警系统控制器上采用 80C51 作为主控芯片 其主要功能包括 控制 IO 端口 逻辑判断处理 驱动外部电路 语音报警和 A D 采样等 该部分是火灾报警系统智能 化的集中体现 为了便于系统维护 在火灾报警系统的软件设计中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 既使得程序结构清晰 又便于 以后进一步扩展其功能 本系统主要包括主程序 温度烟雾数据采集子程序 火灾判 断与报警子程序等 系统程序流程图如图 4 1 所示 开开始始 初初始始化化 第第一一次次温温度度烟烟雾雾 信信号号采采集集判判断断 报报警警判判断断正正常常异异常常报报警警 火火灾灾报报警警手手动动复复位位 第第一一次次温温度度烟烟雾雾 信信号号采采集集判判断断 图 4 1 程序流程图 4 1 24 1 2 主程序初始化流程图主程序初始化流程图 主程序初始化流程图如图 4 2 所示 这部分实现的功能包括各种 I O 输入输出状态 的设定 寄存器初始化 中断使能等 首先设定定时器工作方式 然后开系统中断 以便响应中断定时 及时对气体浓度和温度进行采样 然后关闭蜂鸣器 开启绿灯 设置报警限初值 江苏城市职业学院 17 开始 定时器初始 化 开中断 关闭蜂鸣器 打开绿灯 设定初值 N 是否保持报警 初值 返回 图 4 2 主程序初始化流程图 4 1 34 1 3 数据采集子程序数据采集子程序 数据采集是火灾报警系统中的重要环节 为了降低误报率 系统设计时对温度烟 雾采用了两次采集 两次判断的方法 每次采集温度烟雾数据后 将数据存入单片机 的寄存器 然后在火灾判断程序中 将采集的数据与设定的阈值进行比较 判断现场 是否发生火灾 系统温度烟雾信号采集程序流程图如图 4 3 所示 在火灾自动报警系统的程序设计中使用了延时程序 延时 10ms 的程序如下 void delay 10ms uint i while i uchar i j k for i 5 i 0 i for j 4 j 0 j for k 248 k 0 k 江苏城市职业学院 18 4 1 44 1 4 火灾判断与报警程序火灾判断与报警程序 1 火灾报警数据处理方法 固定门限检测法是使用最早 且应用最广泛的火灾探测方法 优点是计算量小且 易 于实现 其原理是根据火灾探测器的信号幅值作为火灾报警的依据 并与固定的阈值 进行比较 当信号幅值超过报警阈值时 则发出报警 否则解除报警 火灾报警系统中使用的是温度传感器 DS18B20 和烟雾传感器 NIS 09 烟雾传感器 输出电压 v 与烟雾浓度 p 关系为 v 0 3p 5 6 在本设计中报警温度设为 57 烟雾 报警浓度设为 3 2 FS 参照市面销售的火灾报警器温度烟雾的报警临界值 经过换 算可得出温度烟雾传感器输出火灾报警临界电压值为 4 6VV 烟临 2 火灾判断与报警 系统对温度和烟雾进行了两次数据采集与判断 每次信号采集后根据得到的数据 与设定的阈值比较 当温度 57 温度异常 置寄存器变量 a 为 1 否则为 0 当烟 雾浓度 3 2 烟雾浓度异常 置寄存器变量 b 为 1 否则为 0 综合两次温度烟雾信 号的采集 根据温度和烟雾的寄存器变量 a 和 b 的状态 判断现场情况 2 个寄存器变 量 江苏城市职业学院 19 开开始始 接接收收温温度度信信号号 延延时时10ms 采采集集烟烟雾雾信信号号 结结束束 延延时时50ms 等等待待数数据据转转换换 第第一一次次采采集集 第第二二次次 采采集集 采采集集温温度度信信号号 接接收收烟烟雾雾数数据据 第第二二次次采采 集集完完毕毕 无无中中断断 中中断断 图 4 3 数据采集流程图 变量均为 0 表示情况正常 2 个中仅有 1 个为 1 表示情况异常 2 个均为 1 表示有 火灾发生 系统对现场进行报警判断后 间隔 20s 后 通过系统的延时程序实现 再 一次采集现场的温度烟雾信号进行判断 即每一次语音报警持续 20s 直到系统做出下 一次判断结果 当系统状态为 00 时 表示正常 80C51 的 P2 2 口变成低电平 绿灯亮 当系统状态为 01 或 10 时 表示异常 P2 3 口变为低电平 P2 1 口变为低电平 黄灯亮 蜂鸣器报警 当系统状态为 11 时 表示发生火灾 P24 口变为低电平 P2 1 口变为低电平 红 灯亮 蜂鸣器报警 如果两次采集同一种信号寄存器变量不相同 说明系统出现故障 P24 口变为低 电平 P10 口变为高电平 红灯亮 蜂鸣器报警 4 1 54 1 5 滤波子程序滤波子程序 在对气体浓度采样时 可能会遇到尖脉冲干扰的现象 干扰通常只影响个别采样 江苏城市职业学院 20 点的数据 此数据与其他采样点的数据相差比较大 如果采用一般的平均值法 则干 扰将 平均 到计算结果上去 故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的烟雾浓度 采样值的偏差 为此 可采取去极值平均滤波法 先对 N 个采样数据进行比较 去掉 其中的最大值和最小值 然后计算余下的 N 2 个数据的算术平均值 这种方法既可滤 去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰 保证报警器检测烟雾浓度的准确性 减小误报 错报的可能 滤波子程序流程图如图 4 3 所示 中中断断 入入口口 设设定定采采样样次次数数 返返回回 调调用用A D采采样样 已已达达设设定定次次数数 将将采采样样值值排排序序 将将累累加加和和求求平平均均 值值 求求第第二二个个到到第第九九 个个采采样样值值的的累累加加 和和 Y N 图 4 3 滤波子程序流程图 江苏城市职业学院 21 第五章第五章 功能仿真验证分析功能仿真验证分析 5 15 1 关于仿真与编程软件关于仿真与编程软件 本次设计首先用 KeilC51 进行编程开发 然后通过 Protues 软件进行仿真调试 最后根据调试得出应有的结果 1 Keil C51 开发系统 Keil C51 的相关介绍见第四章 本章不再赘述 2 Protues 软件概述 Protues 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件 它不仅具有 其它 EDA 工具软件的仿真功能 还能仿真单片机及外围器件 5 25 2 ProtuesProtues 仿真原理图仿真原理图 当设定房间发生火情时 也就是房间一的温度和烟雾的水平超过传感器预设值 Protues 仿真原理图如下图 5 1 所示 图 5 1 仿真原理图 江苏城市职业学院 22 第六章 总结 本文设计了一种基于单片机 AT89C51 的火灾自动报警系统 系统安全可靠 误报 率低 操作方便 成本较低 本设计抛弃了传统的使用单一传感器探测报警 采用了 温度传感器 DS18B20 和烟雾传感器 NIS 90C 相结合的多传感器探测方法 使系统灵敏 度高 响应时间短 在火灾发生的早期就能准确的报警 系统使用了 8 位 A D 转换芯 片 ADC0809 以通用芯片 AT89C51 作为系统的控制器 系统在采集温度烟雾信号时 采用多次采集 多次判断的方法 降低了误报率 在系统的软件设计方面 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 既使得程 序结构清晰 又便于以后进一步扩展其功能 也便于系统的维护 江苏城市职业学院 23 致致 谢谢 感谢我的导师 XX 教授 他们严谨细致 一丝不苟的作风一直是我工作 学习中的 榜样 他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪 感谢我的室友们 从遥远的家来到这个陌生的城市里 是你们和我共同维系着彼 此之间兄弟般的感情 维系着寝室那份家的融洽 只是今后大家就难得再聚在一起吃 每年元旦那顿饭了吧 没关系 各奔前程 大家珍重 我们在一起的日子 我会记一 辈子的 在论文即将完成之际 我的心情无法平静 从开始进入课题到论文的顺利完成 有多少可敬的师长 同学 朋友给了我无言的帮助 在这里请接受我诚挚的谢意 江苏城市职业学院 24 参考文献参考文献 1 孙育才 MCS 51 系列单片微型计算机及其应用 第 4 版 东南大学出版社 2013 2 王庆 Protel 99 SE DXP 电路设计教程 电子工业出版社 2008 3 康华光 电子技术基础模拟部分 第 4 版 高等教育出版社 2012 4 刘军 单片机原理与接口技术 华东理工大学出版社 2011 5 赖寿宏 微型计算机控制技术 机械工业出版社 2014 6 李中望 一种智能火灾报警系统的设计方案 安防科技 2013 7 王忠民 基于单片机的语音数字联网火灾报警器设计 现代电子技术 2014 8 王钊 智能型火灾报警系统的设计与研究 硕士学位论文 西安理工大学 2009 9 孙健 基于 ARM7 的火灾自动报警控制器研制 硕士学位论文 浙江大学 2007 10 雍静 李北海 杨岳等 建筑智能化技术 M 北京 科学出版社 2008 11 王忠民 郝静 张瑜等 基于单片机的语音数字联网火灾报警器设计 西安邮电 学院 12 张向亮 智能建筑火灾自动报警系统的设计与研究 硕士学位论文 武汉理工 大学 2010 13 陈颖 基于 C8051F 单片机的火灾智能报警控制系统的设计 大连海事大学 2012 14 于智洋 浅析智能建筑中火灾自动报警系统的设计 J 潜江 江汉石油科技 2008 15 丁璐 李春华 杨戍等 火灾探测技术的分析 J 煤矿现代化 2007 4 江苏城市职业学院 25 附录 1 系统原理图 R 2 10K Q1 NPN B UZZE