火灾报警器的设计

1、楼宇自动化系统设计(火灾报警器) 系 部： 机 电 工 程 系 学生姓名： 庄 宇 专业班级： 电 气11C2 班学 号： 111041249 指导教师： 王 熙 雏 2014年2月20日声 明 本人所呈交的 楼宇自动化系统设计(火灾报警器)，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 庄宇 日期： 2014年2月20日 目录摘要1引言2一、选题及总体方案3（一）选题3（二）火灾报警系统的总体方案3二、硬件设计3

2、（一）温度气体信号采集模块31.主控制芯片的选择42.数字温度传感器的选择43.可燃性气体传感器54.A/D转换器55.液晶显示模块的选择56.三端稳压器78056三、火灾报警系统的硬件电路设计6（一）电源部分电路6（二）温度采集电路6（三）液晶显示部分电路7（四）控制部分电路81.复位电路82.时钟电路83.控制执行电路94.报警电路95.火灾报警器的电路图10四系统主要程序的设计10（一）主程序10（二）温度测量和处理的软件设计12（三）可燃气体浓度采集的软件设计16总结18参考文献19谢辞20附录一21附录二22【摘要】火灾自动报警系统是楼宇自动化的一个构成系统，其设置目的是为了防止和减

3、少火灾危害，保护人身和财产安全。目前国内外先进的通用火灾报警控制器均是集报警和消防联动控制于一体的智能火灾报警系统，可以将探测器件收集的烟、温、光等信号以模拟量形式，连同外界相关的环境参数一起传送给报警器，报警器再根据获取的数据及内部存储的大量数据，利用火灾模型判断火灾是否存在，以及启动相关消防联动设备，这种智能化的系统在提高火灾判断、控制能力的同时，对总线传输也提出了更高的要求。【关键词】：火灾报警系统;单片机;温度控制器22引言二十一世纪的今天，人类社会发展迅速，居民楼、大型商场，医院等各式建筑随处可见，但同时带来的还有突发事故发生时人们生命和财产的不安全性。火灾对人们生命和财产的威胁尤其

4、严重，因此人们对火灾的预防愈发的重视。在一座建筑中安全有效的火灾自动报警系统是人们生命和财产的保障，设计出有效的火灾报警系统才能减少火灾给人类社会带来的损失。 我国的火灾自动报警系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也不断提高，但距离国际先进水平还有一定距离。随着社会和科技的不断进步，对于火灾自动报警系统的要求也越来越高，所以要充分认清现状，不断发展我国自主研发的火灾自动报警系统。 下面我们对火灾自动报警设计的全面认识以此来增加我们对火灾自动报警装置的认识，从而增加我们对火灾的认识，以此来减免火灾发生时所带来的损失。一、选题及总体方案（一）选题火灾报警系统能时时监控温度和可燃

5、气体的浓度，当检测到可燃气体超标时便会启动报警装置同时开启排气扇将可燃性气体排出去，为人身和财产安全提供了保障。（二）火灾报警系统的总体方案系统包含了六个小的电路块，其中复位电路的工作方式是采用上电自动复位，用来对整个工作系统做好工作前的准备，一上电就使得CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。时钟电路采用的是12MHZ的晶振作为系统软件及硬件调试的工作时钟。对于环境中温度及气体浓度，则通过数字温度传感器及可燃性气体传感器来获取。显示部分采用的是液晶显示。当采集到的气体浓度超出正常值时，CPU便启动报警电路及外部设备控制执行电路，该部分电路主要由蜂鸣器及继电器构

6、成，用来实现对可燃性气体浓度超标时的报警和排气工作。系统的总体方案结构原理框图如图1-1所示。气体监控电路单片机AT89C52复位电路时钟电路LCD显示电路温度监控电路报警电路液晶显示模块GDM0801A 气体监控电路报警及执行电路图 1-1 火灾报警系统总的结构原理框图二、硬件设计（一）温度气体信号采集模块系统的采集部分电路设计包括以下两部分。（1）温度采集电路的设计：这里采用数字温度传感器来直接获得环境中的温度，不需要进行A/D转换，便可直接与单片机相连进行数据的传输，硬件电路简单。（2）气体浓度采集电路的设计：根据生活中经常接触到的可燃性气体成分，系统采用的可燃性气体传感器的型号是MQK

7、1，此传感器对日常所接触到的煤气、天然气和瓦斯的成分都比较敏感。由此传感器获得的信号经调理电路处理，便可作为A/D转换模块的输入模拟信号。所获得的模拟电信号经A/D转换送入CPU中处理。由此可设计出可燃气体浓度采集部分的方案框图，如图2-1所示。可燃气体传感器单片机AT89C52温度传感器DS18B20A/D转换传感器调理电路单片机AT89C52 图2-1温度气体采集模块方框图 控制执行电路（二）火灾报警系统主要器件的选择1.主控制芯片的选择采用51系列芯片来作为主控芯片，结合这次课题的具体要求和经济实用方面的考虑，选择了51系列单片机中的AT89C52芯片来作为这次总设计的主控芯片。2.数字

8、温度传感器的选择采用数字温度传感器的型号是DS18B20，其内部结构如图2-2所示。供电方式检 测64位ROM和一线口存储器和控制逻辑便笺式存储器CRC发声器温度传感器高温度触发器TH低温度触发器TLVDDDQVDDGND 图2-2 DS18B20的内部结构DS18B20的测温原理如图2.5所示，低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器l。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器l和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器l对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器l的预置值减到0时，温度寄存器

9、的值将加l，计数器l的预置将重新被装入，计数器l重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器l的预置值。斜率累加器计数器1=0计数器2=0比较温度寄存器预置低温度系数晶振高温度系数晶振预置停止加1LSB置位/清零 图 2-3 DS18B20测温原理 3.可燃性气体传感器根据我们日常生活中经常接触到的可燃性气体成分，本系统采用的可燃性气体传感器的型号是MQK1，此传感器对我们日常所接触到的煤气、天然气和瓦斯的主要成分都比较敏感。4.A/D

10、转换器A/D转换器用于实现模拟量与数字量之间的转换。按转换原理，模数转换器可分为四类：计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。根据系统的需要，我们这里选择了常见的ADC0809转换芯片来实现。ADC0809是一个典型的逐次逼近式8位CMOS型A/D转换器，片内有8路模拟选通开关、三态输出锁存器以及相应的通道地址锁存与译码电路。它可以实现8路模拟信号的分时采集，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出），可直接与单片机数据总线相连接。ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为500HZ时，转换时间为128µs。5.液晶显

11、示模块的选择LCD液晶显示器是一种利用液晶的扭曲/向列效应制成的新型显示器，它具有微功耗、体积小、抗干扰能力强、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。另一特点是，LCD本身不发光，是通过借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器件。根据系统设计显示的需要，我们这里采用点阵式字符型液晶显示器，型号为GDM0801A。6.三端稳压器7805线性集成稳压器分固定式输出、可调式输出两种类型，又以三端固定或可调式集成稳压器的应用范围为最广。主要用途：适用于各种电源稳压电路。主要特点： 输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。三、火灾报警系统的硬

12、件电路设计（一）电源部分电路要能成为独立的单片机系统，首先就要拥有能够提供系统正常工作的抗干扰直流稳压电源。即要求设计的电源电路能够直接将220V交流电转变为5V直流电，其中包含了变压器、整流桥、7805三端稳压块，极性电容和一般电容。我们采用的是三端集成稳压器的典型电路接法，这样就可以得到一个相对不受外界干扰的5V直流电源。给这个系统带来更好的工作环境。经过这个整体的设计思路,可以得到具体的电路图如图3-1所示。图 3-1 电源部分电路图（二）温度采集电路系统的数据采集部分电路由两个部分组成。一部分是可燃气体浓度采集电路，其中包括气体浓度的数据采集及处理工作和A/D转换电路。前面的工作主要由

13、可燃性气体传感器及传感器调理电路来完成，后面的A/D转换则由ADC0809和单片机组成的电路来完成，用来实现环境中可燃性气体浓度的监测。另一部分则是温度获取电路，该部分电路由数字温度传感器及其附属电路和CPU来组成，用来检测环境中的温度。DS18B20的供电方式有两种：一种是寄生电源供电；另一种是外部电源供电。从分析中可以看出DS18B20这两种供电方式都各有其优点，但从另一方面来看寄生电源方式需要强上拉电路，软件控制则变得复杂同时芯片的性能也有所降低。因此，出于减轻软件负担和条件允许的情况，在不影响工作性能的前提，我们本次课题就温度数据采集这部分电路的设计采用外部电源供电方式。由此设计出温度

14、采集电路图如图3-2所示。 图 3-2 温度采集电路图（三）液晶显示部分电路为了满足系统显示的需要，我们采用液晶显示模块来实现显示功能。LCD本身不发光，是通过借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器件，因此功耗很低，只要求液晶周围有足够的光强。必要时，可选用背光源来保证LCD显示信息。由此可知显示部分电路的原理框图如图3-3所示，电路图如图3-4所示。图 3-3 显示部分电路的原理框图图 3-4 显示部分电路的电路图（四）控制部分电路1.复位电路我们使用的是CMOS型的51单片机，要使RST在上电的时候得到一个高电平，需要在RST复位端接一个电容至电源和一个电阻接地，就能实现上电自动复

15、位。系统插上电源时就能够进行自动复位，RST端出现一段时间的高电平，器件复位。根据以上的设计思路可以设计出上电自动复位电路如图3-5所示。图 3-5 复位部分电路图 2.时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。MSC-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的，典型值为12MHz。CMOS型单片机内部有一个带反馈的线性反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件。在单片机的外部接一个晶振而后电容就组成了振荡器，加电以后延迟一段时间（约10ms）振荡器起振产生时钟，不受软件控制。振荡器产生的时钟频

16、率主要是由晶振参数来确定。外接的两个电容的作用有两个：一是使振荡器起振，二是对振荡器的频率f起微调作用（电容大，f变小），其典型值为30PF。因为我们这次使用的单片机是AT89C52，所以我们就采用了这个典型的时钟电路，其晶振值和电容值采用的都是典型值。则时钟电路的电路图如图3-6所示。图 3-6 时钟电路的电路图3.控制执行电路根据课题要求和系统需要，即当监测到环境中可燃性气体浓度超标时,系统要能启动外部设备将可燃性气体排出,以降低气体浓度的要求。电路原理图如图3-7所示。由图可见，当给P2.2管脚置为低电平时，光耦导通，从而三极管也导通，继电器吸合接通排气扇的工作电路。 图 3-7 控制执

17、行电路图4.报警电路根据课题要求和系统需要，我们的系统中要有一个报警电路，考虑到成本问题，我们一开始就决定要设计一个比较简单的报警电路，首先我们必须要有一个报警器，在这里我们选择了常用的蜂鸣器，要使这个蜂鸣器进行工作，直接接电源是不能发出报警的。那么就需要加一个电流放大器件，我们使用了NPN三极管8050与电源连接来对电流进行放大。根据以上的设计思路设计出的报警部分电路图如图3-8所示。 图 3-8 报警部分电路图5.火灾报警器的电路图根据引言部分的火灾报警器的方框图，和本章种介绍的各部分的电路图，可以连接成火灾报警器的电路图（见附录）。四系统主要程序的设计（一）主程序首先，在主程序书写开始之

18、前，先要完成变量的定义以及显示器引脚定义，本系统软件的基本定义如下：温度检测的变量定义TEMPEQU30H ；温度值存放中间单元定义 TEMP1EQU40H ；温度值高字节存储单元定义 TEMP2EQU41H ；温度值低字节存储单元定义显示器引脚定义RS EQU P2.6 ； 寄存器选择的引脚定义RW EQU P3.6 ； 读写信号线引脚定义E EQU P2.7 ； 使能端定义其次，完成几乎每个程序开头都应有的说明。例如：ORG 0000H ；程序开始地址 LJMP START ；转初始化 ORG 0003H ；外部中断0入口地址 LJMP EXINT0 ；转外部中断0 ORG 0100H 然

19、后，对DS18B20的初始化，开外部中断0及显示接口初始化，以完成显示模块LCD的清屏。本系统的情况如下：LCALL RESET ；DS18B20的初始化SETB F0 ；置中断发生标志MOVX DPTR,A ；启动A/D(P2.0=0,WR=0)SETB IT0 ；置外部中断0为边沿触发SETB EX0 ；允许外部中断0SETB EA ；开中断LCALL P_INIT_DISP ；显示接口初始化最后，调用DS18B20测温子程序、温度处理子程序、中断子程序及液晶显示子程序，并把检测到的气体浓度值与预存好的临界浓度值进行比较，从而确定报警电路及控制执行电路的启动与否。因此主程序框图如图4-1所

20、示。开始DS18B20的初始化开外部中断0液晶显示器初始化调用测温子程序调用温度处理子程序采用中断方式采集可燃性气体浓度调用液晶显示子程序 显示字符“CHAOBIAO”可燃性气体浓度是否 超标？NY驱动执行机构报警调用液晶显示子程序显示温度调用液晶显示子程序 显示字符“NORMAL”图4-1 主程流程图（二）温度测量和处理的软件设计1.DS18B20的温度测量子程序主要完成对DS18B20的初始化，测温以及将温度数据由DS18B20的暂存存储器的前两个字节读出保存在40H和41H中。其程序流程图4-2所示。DS18B20作为一线总线器件要求采用严格的信号时序，以保证数据的完整性。而DS18B2

21、0能否正常的工作和得到正确的温度数据决定了整个设计能否成功，所以DS18B20的初始化、写和读信号的软件编程要严格的按照其时序进行。 DS18B20初始化设置DS18B20分辨率发SKIP ROM 命令发温度开始转换命令发读温度命令，从DS18B20 中读出两个字节的温度数据，并存于40H、41H返回开始 图4-2 DS18B20测温子程序流程图DS18B20的初始化程序：RESET:L0: CLR P1.0 MOV R2, #160L1: NOP DJNZR2，L1 SETB P1.0 ；主机发置位脉冲持续600µs MOVR2，#20L4: DJNZR2,L4 ；等待60

22、1;s CLRC ORLC, P1.0 ；数据线应变低 JC L0 ；没准备好，重来 MOVR6，#30L5: ORLC, P1.0 ；C中的值与P1.0的值求或再送给C JCL3 ；数据线变高初始化成功 DJNZR6,L5 ；数据线低电平可持续240µs SJMP L0 ；初始化失败，重来L3: MOVR2, #120L2: DJNZR2,L2 ；应答过程最少480µs RETDS18B20写子程序WRITE: MOVR3, #8WR1: SETB P1.0 MOV R4, #6 RRC A ；A中的值带进位右环移 CLR P1.0WR2: DJNZR4,WR2 ；数据线

23、变低16µs MOV P1.0, C ；命令字按位送 MOV R4, #20WR3: DJNZR4,WR3 ；保证整个写过程持续60µs DJNZ R3，WR1 SETB P1.0 RETDS18B20读子程序READ: MOV R6，#8RE1: CLR P1.0 MOV R4, #4 NOP ；低电平持续2µs SETB P1.0 ；P1.0改为输入RE2: DJNZ R4,RE2 ；等待12µs MOV C, P1.0 RRC A ；按位读入 MOV R5, #20RE3: DJNZ R5, RE3 ；保证读过程持续60µs DJNZR6

24、, RE1 ；R6减1不等于0跳至RE1 MOV TEMP, A SETBP1.0 ；P1.0口置1 RET2.温度处理子程序该子程序主要完成对存放在40H、41H两单元里的二进制数据进行十进制转化，并用ASCII码表示，最后有存回到40H、41H两单元里的过程。从而可以得到该子程序的流程图4-3所示。取温度高字节的低四位放入A中累加器A中值左移四位，并放回40H取温度低字节的高四位放入A中累加器A中值右移四位，并放回41H把40H中的值转换成十进制并用ASCII码表示把41H中的值转换成十进制并用ASCII码表示返回开始图4-3 温度处理子程序流程图BASCII：MOV A, 40H ；把4

25、0H中的值送入A中ANL A, #0FH ；A中值的高四位清零RL A RL ARL ARL A ；A中的值左移四位MOV 40H, A ；把A中的值送回40H中MOV A, 41H ；把41H中的值送给AANL A，#0F0H ；将A中的值低四位清零RR ARR ARR ARR A ；A中的值右移四位MOV 41H, A ；把A中的值送回41H中MOV A, 40H ；把40H中的值送入A中ORL A, 41H ；A中的值与41H中的值求或MOV B, #0AH ；把立即数“0A”送入B中 DIV AB ；A中的值整除B中的值，商的整数部分存入A中，余数在B中 ADD A, #30H ；A中

26、的值加“30H”，即转换成ASCII码 MOV 40H, A ；将A中的值送回40H中，为温度值的十位 MOV A, B ；将B中的值送入A中 ADD A, #30H ；A中的值加“30H”，即转换成ASCII码 MOV 41H, A ；40H、41H分别为温度十进制数(ASCII码)，41中的值为个位（三）可燃气体浓度采集的软件设计此部分程序设计的功能是，采用外部中断0的方法，把经A/D转换的气体浓度读入到单片机中，和预先存好的气体浓度临界值进行比较，从而确定报警电路及执行机构的启动或停止。常用的软件设计方法有两种：查询方式、中断方式。为了提高CPU的工作效力，我们这采用中断方式来实现气体浓

27、度的采集工作，即用到CPU的外部中断0。当A/D转换结束时，转换结束状态信号端（EOC）会由低电平变为高电平，利用这一电平的变化，作为外部请求中断信号源，而CPU的外部中断0为低电平有效，所以我们用了一个非门来实现EOC和INT0的连接8。为了更好的说明问题，附出相应的硬件原理图，如图4-4所示。外部中断0的入口地址是0003H，所以必用的两条指令是： ORG 0003H LJMP EXINT0保护现场产生读信号来读取结果再次启动A/D转换恢复现场中断返回图4-4 气体浓度监测中断服务子程序流程图由此我们可得气体浓度监测中断服务子程序流程图4.4所示。此外，当检测到的可燃气体的浓度超过预存的报

28、警临界浓度值时，要能通过单片机来控制报警装置及外部执行机构的启动，即使蜂鸣器响和继电器吸合，从而达到报警和排出可燃气体的目的。因此，我们根据硬件电路可知，把P2口的P2.2和P2.3两管脚都置0即可。指令如下： CLR P2.2 ；启动报警装置 CLR P2.3 ；继电器吸合气体浓度监测中断服务子程序如下：EXINT0: PUSH ACC ；保护现场MOVX A,DPTR ；产生读信号来读取结果 MOV R0，A ；把A中的值送入R0指出的内部RAM存储单元中 MOV DPTR，#0FEFFH MOV A，#00HMOVX DPTR,A ；再次启动转换POP ACC ；恢复现场RET0 ；中断返回总结此次课题结合所学的专业知识来选择的，设计了一个火灾报警系统包含硬件和软件两大部分，硬件包括数据采集模块、液晶显示模块、报警装置及控制执行电路。它们都是由AT89C52单片机做为主控芯片。其中数据采集模块主要由：温度测量电路、可燃气体浓度检测电路两部分组成。这个系统主要是用于监测环境中可燃性气体的浓度情况，当发现其浓度超标时，CPU能启动报警装置和控制继电器吸合。其中继电器的吸合启动了外围的排气扇进行排气工作，降低空气中可燃气体的浓度，同时报警装置即时提醒人们存在的危险。通过此次设计，我们对火灾报警系统有了比较全