毕业论文_基于单片机原理的烟雾传感器设计.doc

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，火灾烟雾报警器已成为必要的装置。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烟雾报警系统的核心。本文对火灾烟雾报警控制器和探测器做了深入的研究，并全面阐述了火灾烟雾报警控制器和探测器硬件和软件设计。以下是本文完成的主要工作：1火灾烟雾报警系统的控制器采用c8051f020单片机进行设计，所设计的控制器具有较高的性价比，还具有操作人员管理、报警信息查询、探测器管理、预报警、火警处理、通讯等功能，在控制器中采用lcd显示器进行报警系统所需各种信息显示。2探测器控制电路的核心采用philip公司的低功耗p87lpc762单片机，它实现了对火灾信息的检测和传送；为提高系统的适应性与扩展性，进行了写码器设计。3控制器与探测器之间的通讯采用无线高频通讯方式进行，运用kb8825双频合成器进行了无线通讯电路设计，具有抗干扰能力强、功耗低等优点，可靠地完成了探测器与控制器之间的无线通信。本文设计的火灾烟雾报警电路能有效地防止和减少火灾危害，解决有线火灾报警系统不能解决的问题，对保护人身安全和财产安全具有现实意义。 【关键词】火灾烟雾报警系统电路 火灾探测器 单片机 目 录目 录i第一章 前言11.1烟雾报警系统在国内的发展情况11.2烟雾报警系统的分类2第二章 方案设计和测量原理22.1引言22.2火灾探测器的选择22.2.1离子感烟探测器的工作原理5第三章 火灾烟雾报警控制器的设计53.1电源模块的设计53.1.1供电方式53.1.2稳压电源73.1.3不间断供电电路63.2主控模块设计73.2.1mcu的选择73.2.2lcd模块的接口电路8第四章 火灾烟雾报警系统的软件设计94.1火灾报警系统控制器软件设计94.2火灾烟雾报警系统通讯模块软件设计9结论12参考文献13谢 辞13第一章 绪 论1.1烟雾报警系统在国内的发展情况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。区域可以视为一栋楼或几层楼的范围，在区域报警系统中宜设置一台区域控制器，最多设置不应超过三台区域控制器。集中报警控系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制器、集中报警控制器等组成。在集中报警系统中应设置一台集中报警控制器和两台以上的区域报警控制器。集中报警控制器应设置专用值班室或消防值班室内，由专人看守。 控制中心报警系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制器、集中报警控制器、消防控制设备等组成。系统中应至少设置一台集中报警控制器和相关的消防控制设备设置在值班室，其他部位的集中报警控制器应将火灾报警信号和消防联动控制信号均送至消防控制值班室。1.2 烟雾报警系统的分类火灾报警系统根据需要可划分为区域报警系统、集中报警系统和控制中心报警系统。火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类。第二章 方案设计和测量原理2.1 引言火灾报警系统，一般由火灾探测器和控制器组成。其中火灾探测器是识别火灾是否发生的专门仪器，根据建筑物或实地场所的要求，安装不同类型的火灾探测器。火灾探测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。 2.2 火灾探测器的选择对各类火灾探测器进行比较后，根据设计本系统的实际情况出发，系统采用离子感烟探测器，它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。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。2.2.1 离子感烟探测器的工作原理离子感烟探测器探头电路是利用两片放射性物质241（am）源构成的两个电离室（检测电离室和补偿电离室）及场效应晶体管（eft）等电子元件件组成。 其工作原理为：p1和p2是一相对的电极，在电极之间放有放射源241镅，由于它持续不断地放射出射线，粒子以高速运动，撞击空气分子，从而使极板间空气分子电离为正离子和负离子（电子），这样电极之间原来不导电的空气具有了导电性，实现这个过程的装置我们称它为电离室，如图2.1所示。图2.1 电离电流的形成如果在极板p1和p2间加上一个电压e，极板间原来做杂乱无章运动的正负离子，此时在电场的作用下，正负离子做有规则的运动，正离子向负极运动，负离子向正极运动，从而形成了电离电流i。施加电压e愈高，电离电流愈大。当电离电流增加到一定值时，外加电压再增高，电离电流也不会增加，此电流称之为饱和电流is，如图2.2所示。图2.2电流和电压的关系电离电离室又可分为双极性和单极性两种。整个电离室全部被a射线所照射，电离室内的空气都被电离，我们把这种电离室称为双极性电离室。所谓单极性电离室，是指电离室局部被a射线所照射，使一部分形成电离区，而未被a射线所照射的部分则为非电离区。这样在同一个电离室内分为两个性子不同区域。如图2.3所示。我们把这个非电离区称为主探测区。图2.3单极性电离室示意图综上所述，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。第三章 火灾烟雾报警控制器的设计火灾报警系统控制器的硬件由电源模块和主控模块组成。电源模块用于对控制板上各电子元器件供电，并要保证在市电突然停止供电的一定时间内保持系统正常工作。主控模块完成火灾报警信息查询、探测器管理、预报警、火警处理、通讯等功能。下面对这些电路的设计分别进行介绍。3.1 电源模块的设计在各种电子设备中，电源是不可缺少的组成部分，其性能的高低直接关系到电子设备的技术指标和能否安全有效的工作。我国市电电压波动较大，噪音污染比较严重，工控系统由电源引起的故障要占一定的比例。因此，精心设计一个可靠、高效、稳定的电源是一项重要的设计工作。3.1.1 供电方式因为整个系统必须24小时连续工作，并要保证在市电突然停止供电的一定时间内保持系统正常工作即：主供电模式和从供电模式。其中主供电模式是通过工频变压器将市电降压，然后经过整流、滤波、稳压输出所要求的直流电；从供电模式是在主电源突然停止供电的情况下，通过蓄电池直接供给系统所需的直流电，从而保持系统正常工作。3.1.2 稳压电源线性集成稳压器60年代末问世，经历了多端可调集成稳压器、输出电压固定的三端集成稳压器、三端输出电压可调的集成稳压器三个阶段的发展。其中，三端输出电压可调的集成稳压器具有：稳压性能好、外围元件少、设计组装调试方便、可靠性高、体积小、重量轻、成本低等优点，它还具备芯片过热保护、限流保护等功能，这些功能是分立元件难以制作的，因此这类集成稳压器得到了广泛的应用。本系统的备用电源采用为蓄电池，而蓄电池的充电电流一般应控制在电池容量安培小时（ah）的十分之一，也就是说，对蓄电池充电需要一个恒流源。利用三端可调正输出集成稳压器lm317，可以组成各种恒流源。lm317属于第二代三端集成稳压器，输出电压连续可调，是串联浮式结构，其内部设置了过流保护、短路保护、调整管安全工作区保护及芯片过热保护等电路，使用十分安全可靠。lm317在本系统中的应用电路图如图3.1所示。图3.1 lm317应用电路图lm317内部由稳定性很高的恒流源提供电流iadj=50ua作为基准电压源的供电电流，此电流从adj端（调整端）输出。它的基准电压源是一种能带间隙式基准源，在输出端和adj端提供稳定性很高的电压vref=1.25v作为基准。本系统需要多种电压，主板上存在的电压主要有：ttl/cmos元件的工作电压为+5v和+3.3v，+12v专用蓄电池的充电电压一般为+13v左右，液晶显示器需要一个负的对比度调节电压uadj，本系统采用t6963为控制器的点阵图形字符显示lcd需要的uadj为-10v。为得到系统要求的各种电压，我们采用的方法是：将变压器输出的电压经过桥式整流、平滑滤波得到了+16v直流电，但是输入输出回路中的监视电路对电压的稳定性要求较高，所以直流电还必须其经过三端可调集成稳压器lm317的稳压，从lm317输出的波纹极小的+13v左右直流然后在经过滤波后可为从电模式供电电源（+12v蓄电池）充电。而ttl/cmos元件则由dc-dc可调模块max831提供稳定的+5v电压，其中，max831要求输入端电压在+8v到+30v之间。在采用从电模式时，蓄电池也对max831进行充电，让其输出稳定的+5v电源，维持系统正常工作。由于系统中有采用+3.3v电源供电的ttl/coms元件，由于整个系统必须24小时连续工作，系统采用双电源供电模式。从lm317稳压器输出的电压在蓄电池不足时，要以12v左右的电压给蓄电池充电，以防在市电突然中断时，蓄电池有足够的电量在设计系统规定的时间内维持系统正常工作，另外由于接口电路需要它正常工作的+5v电压，控制器核心芯片c8051f020供电电压+3.3v以及lcd驱动所需-10v电压。而lm317稳压器在压差大的情况下，转换效率低，而且需另加散热片。 3.1.3 不间断供电电路对于重要生产过程或设备，突然停电会造成重大损失，这时要考虑不间断供电装置。常用的不间断供电装置有不间断供电电源ups、柴油机发电机组、蓄电池和直流交流逆变器等。大容量ups价格较贵；柴油发电机组启动慢、机械噪音大、而且必须定期进行维护；因此本系统采用蓄电池作为备用电源。对蓄电池容量的最低要求是：电池提供的电流要能维持系统满负荷运行8小时。蓄电池浮充电的一种简单的方法见图3.2。图3.2 浮充电方式不间断电源当交流电源正常时，蓄电池相当于在电源线上并接旁路电容器，它对交流电源侵入的噪音有旁路作用，所以使系统的噪音容限得到提高。本系统需要由一个主电源（交流电源）和一个副电源（蓄电池）提供所需要的能量。在正常情况下，通过交流电源供电。当发生停电或交流电源发生故障时，备用的蓄电池对max831芯片供电来维持整个系统继续正常工作。两组电源之间的切换是通过一个二极管实现的。3.2 主控模块设计3.2.1 mcu的选择主控模块的核心是一块八位mcu（微控制器）。它的主要功能是整个系统进行初始化，提供主板上的各种控制信号，并对读入的数据进行处理，并把处理的结果发送到输出模块和通讯模块。目前单片机已进入广泛发展时代，目前我国销售的主流mcu产品是8051、avr、pic等系列单片机，硬件工程师选择单片机时考虑的主要问题有：性价比较高、容易开发。选择单片机应从两个方面考虑：其一目标系统需要资源情况；其二是选择价格低的产品。资源方面考虑的重要指标有：速度、位数、电压、功耗、存储器容量、系统扩展与驱动能力、抗干扰能力，是否嵌入adc、dac等。另外软件开发的简易性也是考虑的重要因素。同一类产品往往很多兼容系列，不同厂商价格有很大的区别。更重要的是要选择供货服务好、能提供良好的技术服务支持、信誉高的代理经销商。 根据系统的具体要求，我们设计系统控制器时，选择了一片美国cygnal集成产品公司生产的c8051f020单片机作为系统的处理器，它具有如下几个重要的优点：速度快、强大的模拟信号处理功能、先进的jtag调试功能、强大的控制功能、丰富的串行接口、多达22个中断源、可靠的安全机制、有多大64k的flash存储器，部分可以作为数据存储器使用，同时片内可有多达4kb的ram存储器等。c8051f020是一种集成度高、功能强大的单片机芯片，非常适合于要求速度快、可靠性高、扩展功能强和节电的应用系3.2.2 lcd模块的接口电路作为一个完整的火灾报警系统，显示部分是必不可少的一部分。在本系统设计中，显示模块采用主芯片为t6963的lcd点阵图形字符显示器，它可显示4行汉字，每行15字，共60个字，或显示8行数字（包括字母）每行30字符，共240个字符。主控模块与lcd模块的接口电路如图3.3所示。图3.3 lcd模块的接口电路第四章 火灾烟雾报警系统的软件设计4.1 火灾报警系统控制器软件设计因为系统最终面向终端用户，而用户一般对技术细节不了解，也不需要了解，用户直接接触到的是软件的运行界面。在系统功能实现的基础上，用户往往通过操作界面的简洁与否、操作流程的复杂程度、截面是否有良好的一致性、是否可以方便的二次开发等标准来评价一个系统的优劣。从编程人员的角度考虑，能够轻松维护和升级的程序才有活力。因此，在基本功能实现的基础上，如何为用户提供一个简单、舒适、友好的界面，如何能使用户方便、简单的操作系统，如何在现有基础上方便的实现软件的维护和升级，如何能使拥护容易的进行二次开发，使现代系统软件设计的目标。报警控制器软件的基本功能设计要求如下：1要能够对每个火灾探测器进行管理，包括查询火灾报警探测器的相关信息、修改火灾探测器的相关信息、增加、删除火灾报警探测器。在软件运行过程中，可以随时在界面上观察火灾探测器的工作状态。2要能够准确判明发生火灾或故障的火灾探测器的位置，并且在界面上显示相关报警信息，提示操作人员进行处理。如果发生了火灾，系统除了在屏幕上显示出报警信息，发出报警以外，还将相关报警信息打印出，以方便查阅、分析。3软件要完成报警控制器和各火灾探测器之间的通讯。报警控制器和火灾报警探测器之间是无线通讯，接收火灾探测器发送的数据，完成对火灾探测器的巡检。4软件还要能够管理操作人员的相关信息。可以增加、删除操作人员，并且可以修改现有操作人员信息。软件运行时需要输入操作人员编号和密码进入系统，使对于操作系统的人员进行更好的管理，使系统具有更高的安全性。软件还要做到能方便查询报警控制器和火灾探测器之间传递的数据记录，以及程序主界面报警信息查询模块通讯模块火警处理模块探测器查询模块探测器管理模块操作人员管理模块系统运行日志模块系统进行的历史记录4.2 火灾烟雾报警系统通讯模块软件设计系统软件中，很重要的一个功能就是实现报警控制器和火灾探测器之间的通讯。通讯过程为：由火灾报警器依次向各个火灾探测器发送巡检数据包，火灾探测器接收到数据包后检查数据包内包含的火灾探测器地址编码，如果和自身的地址编码相匹配说明数据包是发给自己的；否则，丢弃该数据包，不作任何响应。当火灾探测器确定报警控制器是呼叫本机时，由数据包头可以判断出数据包的内容，对数据包中的数据做出正确的处理。为了确保数据包的内容，每个数据包最后一个字节传输的是整个数据包计算出的效验和，接收方也通过同样的方法计算出数据包的效验和，二者相比较，如果一致则认为数据包传输正确；否则，认为数据包传输错误，要求重新传输该数据包，当火灾报警控制器发送巡检数据包后，报警控制器处于等待状态，等待时间可以在程序中人为设定，如果在等待时间内接收到报警探测器返回的数据包，判断正确后，可以对数据包进行相应处理。如果在预设时间内没有收都无法收到火灾探测器的答应数据包，则系统判断通讯线路或者该火灾探测器出现故障。在lcd显示器屏幕显示错误警告，提示操作人员检查。火灾报警控制器通信程序流程图如图4.1所示。图4.1 火灾烟雾报警控制器通信程序流程图结论火灾探测器采用了更加科学合理，性能更趋完善的离子感烟探测器。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。控制器的电源模块用于对控制板上各电子元器件供电，并要保证在市电突然停止供电的一定时间内保持系统正常工作。