基于单片机的火灾报警系统研究毕业设计.doc

清华大学2012届毕业设计说明书基于单片机的火灾报警系统研究毕业设计目录1 引 言11.1课题的研究目的和意义11.2传统火灾自动报警系统及国内外现状21.3 无线火灾自动报警系统及国内外现状31.4 短距离无线通信技术的现状与发展趋势41.5 本课题研究的主要内容42 系统方案的总体设计52.2 系统方案的确定62.2.1 总体系统实现方案62.2.2 火灾检测传感器方案62.2.3 短距离无线通信模块方案72.3 主要器件的选用92.3.1 温度传感器的选择92.3.4 时钟芯片的选择132.3.5 存储芯片的选择132.4 本章小结143 电路的硬件设计153.1 火灾报警主控制器硬件设计153.1.1 AT89S52 单片机简述153.1.2 火灾报警主控制器时钟电路183.1.3 火灾报警主控制器存储电路193.1.4 火灾报警主控制器无线通信电路203.1.5 火灾报警主控制器键盘电路223.1.6 火灾报警主控制器显示电路233.1.7 火灾报警主控制器电源电路253.1.8 火灾报警主控制器报警电路273.2 火灾报警系统子机硬件设计283.2.1温度监测电路设计283.2.2 烟雾监测电路设计333.2.3 系统子机电源电路设计354 火灾报警系统软件设计374.1 火灾报警控制器软件设计374.1.1 火灾报警控制器主程序374.1.3 火灾报警控制器液晶显示程序384.2 火灾报警系统子机软件设计424.2.1 火灾报警系统子机主程序424.2.2 温度测量子程序434.2.3 烟雾测量子程序444.3 本章小结445 结论46附录A 原理图47附录B 部分程序50参 考 文 献59致 谢62第II页 共II页1 引 言1.1课题的研究目的和意义 火灾严重威胁着人类的生命财产安全，每年我国由火灾引起的灾难数不胜数，然而，准确、及时的对火灾进行预测已成为迫在眉睫的事情。目前，火灾探测技术是预防火灾发生的最有效的手段，根据火灾发生初期的迹象来判断并进行预测，从而使人们在第一时间对这些迹象进行处理，有效的减少了火灾的发生。火灾自动报警系统所具有的早期发现并通知火灾和启动灭火设备灭火的功能，使大量火灾在起初阶段就被扑灭，避免了重大经济损失，成为现代消防不可缺少的安全技术措施1,2。预防和消除火灾引起了消防部门和社会各方面的高度重视，因此使火灾自动报警设备的设计、生产、应用有了较大的发展。火灾自动报警系统是在保护对象发生火灾的情况下自动探测、显示火灾警报的装置。安装火灾自动报警系统的目的，就是及时发现火灾、及时采取灭火、疏散等措施，最大限度的降低因火灾带来的损失。为了更好地进行人机交互，把与火灾有关的各种信息以文字或图形方式显示在液晶屏或CRT上。火灾自动报警系统是由火灾报警控制器、火灾报警探测器及其它现场报警器组成。按照消防规范，火灾报警探测器主要有感烟探测器、感温探测器、手动报警按钮等。火灾自动报警技术根据其发展,通常分为两个阶段。把上世纪 80 年代初兴起的新一代报警系统称为“现代火灾自动报警系统”。把采用 80 年代以前技术生产的目前仍在使用的系统通常称为“传统火灾自动报警系统”3。当前火灾探测领域广泛使用的智能探测器的探测方式是将火灾探测及信号处理都集中在探测器内部，在探测器内部设有微处理器，这样探测器就不是单纯的传感器。在探测器内部可以融入更多、更先进的火灾信号算法。由于其内部有微处理器，每个探测器都有信号处理软件，就地采集就地处理，不需要经过线路传输，信号的真实程度得到提高。当今，微处理器技术发展非常迅速，低价位，低功耗，高性能的小型单片机比比皆是，这就为发展智能型探测器提供了充分的物质保障。所以，智能火灾探测器也是现在消防领域的一个重要发展方向。普通可燃物燃烧的表现形式是：首先产生燃烧气体和烟雾，在氧气供应充足的条件下才能达到完全燃烧，产生火焰并发出一些可见光与不可见光，同时释放大量的热，使得环境温度升高。普通可燃物由初起阴燃阶段开始，到火焰燃烧、火势渐大，最终酿成火灾的起火过程。因此在该系统中我们以环境温度、烟雾浓度作为判断火灾的依据。传统火灾报警系统有准确度低、存在误报和漏报等问题，针对传统火灾报警系统这些问题，本文设计了基于AT89S52的无线火灾报警系统，该系统具有较高的可靠性、稳定性、准确度。1.2传统火灾自动报警系统及国内外现状国际上，火灾自动报警技术根据其发展,通常分为两个阶段。把上世纪 80 年代初兴起的新一代报警系统称为“现代火灾自动报警系统”。把采用 80 年代以前技术生产的目前仍在使用的系统通常称为“传统火灾自动报警系统”3。传统火灾自动报警系统主要是多线制开关量式火灾自动报警系统。根据其发展和应用表明，不同型号，不同类型的火灾自动报警系统根据其场合的要求进行安装使用，均能发挥其监控火情的作用。但存在明显的不足：一是抗干扰能力差、误报率较高。判断火灾仅仅是根据探测的某个火灾现象参数是否超过设定值阈值来确定是否报警，所以无法排除环境和其它干扰因素。由于灵敏度过高或过低，会使报警不及时、漏报或形成误报。二是功能少，性能差，不能满足发展的要求。现代火灾自动报警系统的主要形式有：总线制可寻址开关量式火灾报警系统，模拟量传输式火灾报警系统，分布智能火灾报警系统和无线火灾自动报警系统。目前较为常用的一种火灾报警控制形是集散式火灾自动报警系统。此种控制形式在信号传输方面大多数采用有线传输，通常采用的是RS-232，RS-485 总线或CAN 总线。现代火灾自动报警系统的特点：一是具备自动检测功能的系统提高了系统的可靠性。二是为能够准确的定位火灾发生的地址，火灾自动报警探测器具备了自动编址功能。三是模拟量探测器能及时准确的预知火灾和提供火灾的详细情况。我国火灾自动报警系统研究比西方国家晚些，主要安装在大型计算机中心，高层建筑等地，其工程技术水平还相对落后，存在着一些比较突出的问题，表现在：（1）适用范围过小。在我国，主要是根据高层民用建筑设计防火规范、建筑设计防火规范规定安置在大型计算机中心、高级宾馆、高层建筑，学校，大型公共建筑中，而中小型公众聚集场所及社区民居住宅区都没有安装火灾自动报警系统。（2）智能化程度低。目前，我国的火灾自动报警系统具备了一定的智能化，但存在巡检速度慢、稳定性和可靠性差的缺点。（3）网络化程度低。各区域火灾自动报警系统间没有建立网络，使得它们不能共享资源和服务，有可能使消防人员不能及时到达火灾现场，延缓救缓，造成额外经济损失和人员伤亡。（4）组件连接方式有待改善。多线制和总线制是我国火灾自动报警系统的主要连接方式。火灾报警探测器与火灾报警控制器主要采用两根或多根铜芯绝缘导线或铜芯电缆相连接，这种连接方式施工与维护复杂，加大了系统成本费用，且功耗大，降低了系统的抗干涉性。（5）火灾自动报警系统误报、漏报问题较多。由于存在以上问题，火灾自动报警应用技术应进一步着眼于当前国际发展的新形势，加快更新改造进程，加强对数字技术和新工艺、新材料的应用，改进系统能力，使火灾自动报警应用技术向着高可靠、低误报和网络化、智能化、无线化、社区化方向发展。1.3 无线火灾自动报警系统及国内外现状无线火灾报警系统是近几年来国外发展起来的新型火灾报警系统，它是利用无线火灾探测装置发出的火警信号和故障信号，并记录发出这些信号的地点和时间的火灾自动报警专用设备,。近年来，无线火灾报警系统在国外已经发展起来，并走向了实用化。起初，无线火灾报警系统不仅价格高，而且部分探测装置必须通过布线进行连接，这仅适合于一些特殊场所，如具有历史价值的古建筑物，将火灾自动报警探测器安装在不易、不可能实现布线的彩绘天花板与石墙上。如今，几乎所有的电器装置都可以改由无线控制，可广泛地应用于各类建筑和场所。无线火灾自动报警系统安装简单、方便、快捷，适用于包括家庭等多种场所，不会对建筑物自身造成伤害，具备有线火灾自动报警系统不可比拟的优点。由于无线火灾自报警系统不采用导线，因此可以方便地将火灾报警探测器从室内移到室外进行工艺处理，完成后再将探测器放回原位。这些都为无线火灾报警系统的发展提供了技术保障。美国松柏公司（ITI 公司）成立于1981 年，其创办人发明了第一代全监控无线报警系统。1983 年前，美国的无线系统一般并不可靠，ITI 公司采用了多种军用技术使无线报警方法有所突破，采用数码传送及鉴别技术，大大提高了可靠性及干扰的排除。1983 年推出第一代可靠性的无线报警系统，第三代技术是世界上最先进的无线报警技术，第四代产品将推出。我国在无线报警系统发展方面滞后于国外，但近年来有所发展。开始之初，无线火灾报警系统不仅价格高，而且仅适合于一些特殊场所。现在，能用布线连接的电器几乎都可以用无线电信号来实现，广泛地应用于各类建筑物及场所。我国无线火灾报警系统技术基本空白，虽然有人进行了这方面的研究，但并没有成型产品推向市场。因此，无线火灾自动报警系统的研究势在必行。1.4 短距离无线通信技术的现状与发展趋势随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增长，人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。与上述技术一样，数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用，他们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。所以如果我们能够很好地了解无线通信的基本原则以及这些技术的特点，就能更好地理解并完成传感数据的无线采集。无线数据通信技术可分为两大类：一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据(CDPD)，通用分组无线传输技术(GPRS) 、EDGE 等。二是基于局域网的技术，如 IEEE802.11 WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距离无线通信技术等。与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络(如蜂窝移动通信网)相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。1.5 本课题研究的主要内容本课题的研究任务是研发一种基于单片机的无线火灾自动报警系统，该系统采用无线电信号传输代替通常用的双总线或多总线的传输模式。本系统包括火灾自动报警系统控制器、火灾自动报警系统子机两部分。火灾自动报警控制是控制处理中心，相当于人的大脑；火灾自动报警系统子机完成对火灾报警控制器和火灾报警探测器间的数据处理转发。无线火灾报警系统具有数据交换、误码率低、火警预报、上报及时等特点，实现了施工简单、安装容易。从而最大程度的减少由于火灾带来的经济损失和人员伤亡。本课题的主要研究内容如下：(1) 火灾自动报警控制器整体设计及实现，包括时钟存储电路、电路、液晶显示电路、键盘电路、通讯电路、电源电路等硬件设计及时钟、液晶、键盘、通讯等软件编程；(2) 火灾自动报警系统子机整体设计及实现，包括探测器、通讯电路等硬件设计及通讯等软件编程；(3) 火灾自动报警系统整体软件设计及实现，包括显示、无线通讯及火警检测、数据处理、无线通讯协议等软件编程。2 系统方案的总体设计火灾现场环境的检测有许多方法，可供选择的器件和运用的技术也有多种。因此，系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下，充分考虑系统使用的环境，所选的结构要尽量简单实用、易于实现，器件的选用要着眼于合适的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换性能。2.1火灾报警控制器及系统子机功能要求依据中华人民共和国国家标准GB4717-93 对火灾报警控制器及系统子机的要求，火灾报警控制器及系统子机应具有以下功能：(1)火灾报警功能火灾报警控制器及系统子机接收到探测器的异常信息后，经多次识别确认，发出声、光报警等信号，指示火灾发生的部位。报警时火警指示灯亮，火警音响，同时显示第一次报警地址及循环显示后续报警地址，并可显示报警总数和报警点的地理位置及类型。报警声响可以手动消除，光信号可以保持，直至手动复位。当有新的报警发生时，声光报警再次启动。火灾自动报警系统具有火警优先功能，即当前系统无论处于任何状态下，只要出现了火警，则系统由当前状态自动切换至火警显示状态。(2)故障报警功能火灾报警控制器有完善的故障监视系统，可以对以下情况：主电故障、备电故障等。声报警可以手动消除，光报警则持续保持，直至故障消除。(3)中文显示及时钟功能火灾报警控制器配置点阵式大屏幕液晶显示器（蓝底白字），多级菜单式操作，全中文功能提示。火灾自动报警系统具有实时时钟显示功能，内含时钟芯片。 (4) 具有后备电源功能在火灾报警控制器中备有浮充电池，在火灾报警控制器投入使用时，应将电源开关全打开，当主电网有电时，火灾报警控制器自动利用主电进行供电。当主电网断电或欠压时备用电池自行启动。 (5)存储功能用户从火警报警控制器上进行相关查询及有火警、故障等信息需要在液晶屏进行显示时，都需要从火灾报警系统控制器的存储单元读取。系统的功能往往决定了系统采用的结构，本系统要实现的是温度和烟雾数据的测量、存储、显示及后期处理等功能，因此系统采用近几年来成熟的各种温烟传感技术、短距离无线通信技术、数据处理控制技术等来构造基本的系统功能。系统的总体结构可以构想为温度烟雾采集模块、短距离无线通信模块、系统控制及数据处理模块、存储、显示及报警等几大部分。2.2 系统方案的确定2.2.1 总体系统实现方案 火灾自动报警系统由火灾报警控制器和火灾报警系统子机组成。当火警探测器监测到火灾、故障等异常情况时，系统子机通过无线通讯模块以无线电波的形式将这些信息发射给系统控制器，系统控制器一端有同样无线通讯模块将信号接收进来。火灾报警控制器通过无线模块接收这些信息后，及时进行相应的处理，使用户可以要根据这些提示进行相应的灭火、排除故障等操作。同时火灾报警控制器将这些火警及故障信息在液晶屏上予以显示、存储，以备用户将来查询所用。无线火灾自动报警系统设计方案如图2-1。图2-1 火灾自动报警系统设计方案2.2.2 火灾检测传感器方案火灾发生时，会产生大量烟雾和热量，温度和烟雾是最明显的物理变化和化学反应过程。火灾探测的原理是检测火灾发生产生的各种物理、化学变化，进行动态监测，并将其转化为电信号传送给火灾报警控制器，从而实现对火灾的检测和报警。常见的火灾探测传感器根据所检测的对象不同，可以分为以下几种：(1)感温探测器的检测对象是温度，其结构简单，可靠性高； (2)感烟探测器的检测对象是烟雾微料，对烟雾敏感，技术成熟，可靠性高；(3)气体探测器适用于散发可烯气体和可燃汽的场所，但会降低其探测的灵敏度；(4)火焰探测器的检测对象是火焰辐射光，其探测范围广，对火焰反应速度快，但易受太阳光等高温物体辐射干扰；(5)图像探测器其检测对象是烟雾、火焰形状，适合商场等大空间建筑物；综上对比，感温传感器，感烟传感器成本低，适用环境广，抗干扰能力强，因此本系统主要采用这两种传感器。2.2.3 短距离无线通信模块方案目前国内外比较成熟的短距离无线通信技术主要有以下几种：（1）红外通信技术（IrDA）8,9,10红外通信技术 IrDA(InfraRed Data Association)采用人眼看不到的红外线传输信息，是使用最广泛的短距离无线通信技术。它利用红外线的通断表示计算机中的0-1逻辑，通常有效作用半径2米，传统速度可达4 Mbit/s，1995 年 IrDA 将通信速率扩展到的高达 16Mbit/s，红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收具有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低廉的特点。因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，PDA，移动电话等移动设备。但红外技术只是一种视距传输技术，有效距离近，发射角度较小，一般不超过20 度，两台相互通信的设备之间必须对准，而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物，只能限于两台设备通信，无法灵活构成网络，且无法用于边移动边使用的设备，另外，IrDA 设备中的核心部件 LED 易磨损。（2）蓝牙技术（Bluetooth）8,9,10蓝牙技术使用全球统一开放的2.4GHz的ISM频段，采用跳频扩频FHSS技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网(Piconet)。多个微微网之间也可以形成分布式网络(Scatternet)，从而方便，快速的实现各类设备之间的通信。蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点:规范的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。蓝牙技术目前只是一种行业联盟制定的短距离无线通信规范。（3）微功率短距离无线通信技术10近年来，随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响。射频芯片一般采用 FSK 调制方式，工作于 ISM 频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。综上对比，微功率短距离无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。使用该种方案无线通讯接口与数据采集系统接口电路设计简单可靠。2.2.4 数据处理方案11现代科学技术的不断进步，一些先进的算法不断产生。这些算法在各个行业中得到了广泛应用，使该行业得到新的发展。火灾报警探测领域同其他领域一样，先进的算法使火灾探测技术更上一个新的台阶。本系统采用门限检测法和变化率检测法对火灾信息进行判断。火灾检测方法最早使用的是固定门限检测法，其检测方法是以火灾报警传感器采集到的数据值作为火灾报警的依据，将这个数据值与固定的门限值比较,当采集到的数据值超过报警门限值时，表示有火警发生，发出报警信息；否则就是没有火警发生。固定门限检测法具有计算量好的优点，而且该算法易于实现。但是由于算法简单，误报或漏报率高。因此为了提高火灾传感器的抗干扰能力，对固定门限值检测法进行改进，其原理是“浮动底线固定报警门限值”。根据火灾探测器的工作环境不同，对固定报警门限值设置不同的值。当其值适中时，火灾探测器工作在正常模式；当值较高时，火灾探测器工作在低灵敏度模式；当值较低时，火灾探测器工作在高灵敏度模式。感温火灾探测器的报警门限值是75oC。任何物质的燃烧都会明显的温度变化,因此感温火灾报测器可以利用温度变化率对火灾进行检测。在实际计算中对一段时间内的温度采样，计算信号变化斜率值，将其与设定的斜率门限值进行比较。以此来判断火灾是否发生。为了提高检测的可靠性和抗干扰能力，在使用这种算法时同时可以使用信号平均和延时等处理手段。2.3 主要器件的选用2.3.1 温度传感器的选择随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用 MCU 的 I/O引脚数情况如何，因为 MCU 的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约与 MCU的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有Philips公司的I2C总线，Motorola 公司的 SPI 总线，National Semiconductor 公司的 Microwireplus总线，Dallas Semiconductor 公司的 1-Wire 总线和 Siemens 公司的 Profibus总线等。常用的数字温度传感器主要有： AD7418 是是美国模拟器件公司（ADI）推出的单片温度测量与控制用集成电路。其内部包含有带隙温度传感器和 10 位 A/D 转换器。测温范围为-55+125，具有 10 位数字输出温度值，分辨率为 0.25，精度为2，转换时间为 1530ms。具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境千扰等优点。AD7418 可以级联至多 8 片在同一个 I2C 总线上。 MAX6575L/H 是美国 MAXIM 公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。测温范围为-40+125，其误差范围：在 25时优于3, 在 85时优于4.5，在 125时优于5。但是 MAX6575L/H 在其测温范围内非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。它最多允许在一根 MCU 的 I/O 总线上同时挂接 8 个 MAX6575L/H 进行多点温度测量。为了避免多个传感器同时测温时有重叠的现象，MAX6575 提供了“L”和“H”两种型号的传感器,它们的使用方法相同,而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。但是，MAX6575L 的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在 5m 以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。 DS18B20是美国Dallas半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的 A/D 转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。DS18B20 的测温范围-55+125，最高分辨率可达 0.0625，由于每一个 DS18B20 出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。Dallas 公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点：适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好；具有 CRC 校验功能，可靠性高；软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。由于 DS18B20 独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用 MCU 的 I/O 引脚资源少，和 MCU 的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用 DS18B20 做为温度测量的传感器。2.3.2 烟雾传感器的选择12绝大多数物质在燃烧的开始阶段，首先产生烟雾，烟雾具有很大的流动性，它能潜入建筑物的任何空间。烟雾具有毒性，它对人的生命具有特别大的威胁。火灾中约有70%的死者是由于燃烧气体或烟雾窒息造成的。因此要实现早期发现火灾，减少火灾损失，在通常情况下利用感烟式火灾探测器会有良好效果。这种探测器可探测70%以上的火灾。感烟火灾探测器是目前世界上应用最普遍、数量最多的探测器。感烟式火灾探测器分为点型与线型，点型分为离子型感烟和光电型感烟，线型分为激光感烟分离式红外光束感烟。离子感烟式探测器（点型探测器）：它是在电离室内含有少量放射性物质，可使电离室内空气成为导体，允许一定电流在两个电极之间的空气中通过，射线使局部空气成电离状态，经电压作用形成离子流，这就给电离室一个有效的导电性。当烟粒子进入电离化区域时，它们由于与离子相接合而降低了空气的导电性，形成离子移动的减弱。当导电性低于预定值时，探测器发出警报。光电感烟探测器（点型探测器）：它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。根据烟粒子对光线的吸收和散射作用。光电感烟探测器又分为遮光型和散光型两种。根据接入方式和电池供电方式等的不同，感烟探测器又可分为联网型烟感，独立型烟感，无线型烟感。红外光束感烟探测器（线型探测器）：它是对警戒范围内某一线状窄条周围烟气参数响应的火灾探测器。它同前面两种点型感烟探测器的主要区别在于线型感烟探测器将光束发射器和光电接受器分为两个独立的部分，使用时分装相对的两处，中间用光束连接起来。红外光束感烟探测器又分为对射型和反射型两种。离子感烟探测器对小粒子响应灵敏度高, 随着烟的色带由可见烟到不可见烟的变化，相对响应灵敏度增加得很小，即离子感烟探测器响应灵敏度与烟的颜色近似无关；光电感烟探测器对大粒子响应灵敏度高，散射光型光电探测器对灰色的可见烟具有较高的响应灵敏度，由于黑烟对光的吸收作用而对其响应较迟钝，因此其对小粒子响应小.综上对比，离子感烟探测器对各种烟雾的响应灵敏度都较高。因此，本系统采用离子式感烟探测器作为系统的感烟器件。2.3.3 无线收发芯片的选择13无线收发芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适芯片可以提高产品开发周期、节约成本。在选择时，应主要参考以下几点： 收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的 1/3，而采用串口传输的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率，编程方便。 收发芯片所需的外围元件数量芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度和成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。 功耗大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品 发射功率在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。常用的无线收发芯片主要有： nRF24E1 是挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近开发的一种嵌入了高性能单片机内核的高速单片无线收发芯片15。采用先进的 0.18s CMOS工艺、6mm6mm 的 36 引脚 QFN 封装；以 nRF2401 芯片结构为基础，将射频、8051MCU、9 输入 12 位 ADC、125 频道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT 全部集成到单芯片中；内部有电压调节器（工作电压 1.93.6V）和 VDD 电压监视，通常开关时间小于 200s，数据速率 1Mbps，输出功率 0dBm；不需要外接 SAW 滤波器，极少的外围电路，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响；工作在全球开放的 2.4GHz 频段、勿需申请通信许可证。 nRF903 单片射频收发器芯片工作在915MHz国际通用的 ISM 频段； GMSK/GFSK 调制和解调, 抗干扰能力强；采用 DDS+PLL 频率合成技术，频率稳定性好；灵敏度高达-100dBm , 最大发射功率达+10dBm；数据速率可达 76.8 Kbit/s；170 个频道,适合需要多信道工作的特殊场合；可方便地嵌入各种测量和控制系统中进行无线数据双向传输，在仪器仪表数据采集系统、无线数据通信系统、计算机遥测遥控系统等中应用。 nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的单芯片 RF 收发机，专为在 433MHz ISM (工业、科研和医疗) 频段工作而设计。该芯片集成了高频发射、高频接收、PLL 合成、FSK 调制、FSK 解调、双频道切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。nRF401 的外围元件很少，仅 10 个左右。只包括一个 4MHz 基准晶振(可与 MCU 共享)、一个 PLL环路滤波器和一个 VCO 电感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。基于nRF401成本低、可靠性高、外围设计简单的优点，本系统将nRF401做为无线收发芯片的首选。2.3.4 时钟芯片的选择目前单片机可用时钟芯片很多，但功能都很相似，例如HOLTEK公司生产的HT1380和DALLAS公司生产的DS1302。下面仅介绍一下DS1302：DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM ，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线： RES （复位）、I/O（数据线） 、SCLK（串行时钟）。时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302 是由DS1202 改进而来，增加了以下的特性：双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1 为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。2.3.5 存储芯片的选择系统主机对火灾发生的时间、地方以及火灾报警探测器等的相关信息进行存储，因此火灾报警系统要具有存储功能。考虑到需要存储的信息量不多，本系统选用AT24C16。AT24C16是16K位的非易失性随机存储器，具有非易失性，并且可以象RAM一样快速读写数据。在掉电状态下，数据可以保存10年。比EEPROM或其他非易失性存储器可靠性更高，系统更简单。与EEPROM不同，AT24C16以总线速度进行写操作，没有任何延时。数据送到AT24C16 直接写到具体的单元地址,下一个操作可以立即执行。接口方式为工业标准二线制造串行接口，这种方式占用单片机脚位少，占用线路板空间小，节省系统资源。2.3.6 键盘、显示模块的选择14用户与火灾自动报警系统进行交互时，主要是通过显示屏显示输出和键盘手动输入完成的。显示单元是人机交互的窗口，是传递仪表工作状态和检测数据的关键性设备，通常的显示器件有液晶显示器（LCD）和数码管显示器（LED）。其中数码管仅能显示有限的几位数字或字母且占用系统管脚资源较多。由于火灾报警系统要求显示系统时间、火警、故障等信息，信息较多。因此，本系统采用点阵式大屏幕液晶显示屏，全中文提示。本系统采用HS12864点阵式液晶屏，全中文显示综合功能信息，操作直观方便。键盘电路的结构可以分为独立式按键和矩阵式键盘两种方式。独立式按键就是各按键间相互独立，每个按键各占用一根I/O 口线，各口线间的按键工作状态不会影响其他口线上的工作状态。可通过检测输入线的电平状态来判断哪个按键被按下了。独立式按键电路灵活，软件结构简单，但占用单片机I/O口数量较多，浪费大，适用于按键较少的系统中。矩阵式键盘是一种适合按键数量较多的系统中，它是由行线和列线组成的，又称行列式键盘。按键位于行列的交叉点上，这种结构，节省I/O口线。矩阵式键盘的工作原理：行线是通过上拉电阻接到5V 上。当无按键时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行线电平状态由与此行线相连的列线电平决定。即列线电平为低电平，则行线电平为低；列线电平为高电平，则行线电平为高。本系统键盘采用矩阵式键盘，也就是行列式键盘，由行线和列线组成。采用这种结构主要是考虑到I/O 口线的节省，在能节省口线的同时又能满足系统对键盘的要求。2.4 本章小结本章首先介绍了系统方案的总体要求，然后又介绍了系统方案的构想，最后介绍了器件的选用，确定了系统的设计方案。系统的总体结构框图如图 2-2 所示。图2-2 系统结构框图3 电路的硬件设计根据上一章所选的系统方案构想，下面进行系统硬件电路的具体设计，由图2-2所示，系统由主控机和系统子机两部分组成。其中主控机由时钟模块、键盘显示模块、无线数据收发模块、声光报警模块及电源模块等部分组成；系统子机由温度传感器，烟雾传感器、无线数据收发模块等组成。系统总体工作原理是由数字温度传感器和离子烟雾传感器把监控现场数据传到系统子机CPU，处理后通过无线收发电路向主控机发送信号，接收端收到信号经主控机CPU处理后，进行分析和判断后，把结果通过LCD液晶屏显示出来，并把相关数据存储到存储器中，若有火灾，则进行相关报警操作。3.1 火灾报警主控制器硬件设计 火灾报警控制器是以 AT89S52 芯片为核心；以HS12864点阵式液晶屏进行显示；同时还具有人工干预单片机主要手段的键盘；进行信息传递的无心线通信模块；存储火灾信息的存储器；为整个主控机进行供电的电源模块等。整个火灾自动报警控制器是一个复杂的单片机控制系统，单片机是其核心部件。火灾自动报警主控制器接收系统子机从探测器转发过来关于火灾、故障等报警信号，并对这些信号进行处理后向用户发出声、光等报警信息；所有操作指示、包括火灾警、故障等系统反馈信息都在系统提供的液晶屏上显示，让用户操作更简单、灵活、方便、图像信息更直观。本系统还具有时钟电路，为系统提供日期及时间，时间以直观方式显示在液晶屏上，且为液晶待机时主界面。以上这些硬件模块电路设计主要本着抗干能力强，传递信息准确、可靠，硬件电路简洁、成本较少为基本原则。 3.1.1 AT89S52 单片机简述15，16AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。指令系统与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。AT89S52 管脚定义如图3-1。图3-1 AT89S52 管脚定义P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。 在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能：P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 AT89S52引脚图 PLCC封装4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚 第二功能：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存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是单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，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。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1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：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。AT89S52 单片机最小系统电路连接方式如图3-2。图3-2 AT89S52 单片机最小系统电路连接图3.1.2 火灾报警主控制器时钟电路时钟电路为火灾自动报警系统提供存储火灾报警发生时间及时间显示功能所需的时钟基准。本系统采用高性能、低功耗的实时时钟芯DS1302。该芯片采用SPI三线接口与CPU 进行同步通信，该芯片可提供秒、分、时、日、星期、月和年进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。DS1302 内部有一个318 的用于临时性存放数据的RAM 寄存器。可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz 晶振。DS1302 芯片的特点：(1) Vcc1 为后备电源，Vcc2 为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行；(2)31*8 位数据存储RAM；(3)工作电压：2.0 V5.5V；(4)单字节传送和多字节传送两种读/写时钟或RAM 数据；(5)时芯片可以采用8 脚DIP 或8 脚SOIC 封装；(6)适用温度范围：40oC+85oC。DS1302 与AT89S52 应用连接电路如图3-3。图3-3 DS1302 与AT89S52连接电路3.1.3 火灾报警主控制器存储电路18系统主机对火灾发生的时间、地方以及火灾报警探测器等的相关信息进行存储，因此火灾报警系统要具有存储功能。本系统选用AT24C16。芯片AT24C16 的特点如下：(1) AT24C16 是串行、非易失的EEPROM 存储器，低压和标准电压工作(Vcc=1.8V5.5V)，2048x8（4k）存储空间，斯密特触发，噪声抑制滤波输入，内部有64 页，允许局部页写操作； (2) 采用8 引脚封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2线总线上并接多片芯片，在使用时只需通过不同的地址对芯片进行访问；(3) AT24C16 采用的是I2C总线19。I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。AT24C16 与AT89S52 连接电路图3-4。图3-4 AT24C16 与AT89S52 连接电路3.1.4 火灾报警主控制器无线通信电路24火灾报警主控制器与系统子机之间靠无线通信芯片来实现信息交互，本系统选用nRF401。nRF401芯片的简介：射频收发芯片nRF401工作在433MHz国际通用的ISM频段；FSK调制和解调，抗干扰能力强；采用PLL频率合成技术，频率稳定性好；灵敏度高达-105dBm，最大发射功率达到+10dBm；数据速率可达20Kbit/S；可方便地嵌入测量和控制系统中。nRF401具有两个信号通道，适合需要多信道工作的特殊场合；可直接与微控制器接口；低工作电压（2.7V3.6V），功耗低，发射时电源电流8mA，接收时电源电流250A，接收待机状态仅为8A；仅需外接一个晶体和几个阻容、电感元件，即可构成一个完整的射频收发器。nRF401采用20脚SS