船舶火警系统的设计Office2003

1、高英明 船舶火警系统的设计南通航运职业技术学院 毕业设计（论文） 班级 电气3082 专业 电气自动化 题目 船舶火警系统的设计 学生姓名 高英明 指导教师 贾君瑞 2011年 2 月 21 日 目录摘要·································

2、·······································4导言··········

3、83;·················································

4、83;···········51船舶火警系统的概述····································

5、3;···············61.1意义·································

6、3;·································61.2发展···············

7、3;·················································

8、3;·61.3前景···············································

9、3;···················62船舶火警系统的原理·····························

10、;·······················72.1系统简介·························

11、83;····································72.1.1系统组成············

12、;············································72.1.2系统形式····&

13、#183;·················································&

14、#183;··82.2系统原理··············································

15、;················92.2.1主控制器原理································

16、;····················92.2.2探测器原理····························

17、·························102.2.3手动报警原理·······················

18、;····························122.2.4防爆隔离栅原理···················

19、83;·····························133船舶火警系统的设计··················

20、83;································143.1系统整体设计方案···············&#

21、183;····································143.1.1烟雾检测报警器工作原理··········&#

22、183;·····························143.1.2烟雾检测报警器的结构·················

23、83;························153.1.3烟雾检测报警器的功能······················

24、3;···················153.2系统硬件设计·····························

25、;···························163.2.1单片机选型·····················

26、;································163.2.2烟雾检测报警器硬件电路设计··············

27、83;····················173.2.2.1信号采集及前置放大电路··························&

28、#183;·······173.2.2.2声音报警电路·······································

29、3;·····193.2.2.3数码管显示电路··········································

30、·193.2.2.4状态指示灯及控制键电路··································203.2.2.5报警器故障自诊断电路········

31、83;···························213.3系统软件设计····················

32、3;····································213.3.1 STC12系列单片机调试及开发工具·········

33、83;····················213.3.2烟雾检测器软件流程及设计··························&#

34、183;··········223.3.2.1主程序设计及流程图····································&#

35、183;·223.3.2.2主程序初始化流程图······································233.3.2.3插值法线性化处理子程序设计及流程图···

36、·················243.3.2.4报警子程序及流程图······························

37、········263.3.2.5控制按键设计子程序及流程图·····························273.4系统分布········

38、;··················································

39、;···283.5系统连桥·············································&#

40、183;···············30摘要目的任何复杂的火灾报警系统都不能消除火灾的产生，它只能防止火灾的发展和失控。随着现代船舶自动化程度的日益提高和装潢档次的逐渐豪华，合成材料和化学物品广泛地应用于家具和室内装修，它们有的燃点很低，而且在很低温度时就能发挥出有毒气体，其它隐藏的火灾源，如自动电站等在最近十几年快速发展，相应地对火灾探测的要求也随之提高。火灾探测系统的最基本的功能是为了救命，为此目的，该系统必须能够探测到阴燃，最好在阴燃的一

41、开始就能发现它。除此外之外，还要能显示和描述出实际的火灾位置和区域，以文字形式贮存和显示每个探头的定位，能够打印出这些信息以及其他邻近区域危险情况的警报，能够清晰快速的通知值班人员和消防人员以便使他们在收到警报信号后12分钟内能迅速地集合于火灾地点，并能起用几乎所有消防设施。方法结合自己在学校所学的知识，积极查阅图书资料，利用网络，以及在实习期间实践所学的有关船用方面的知识进行深入的研究，思考。向泰科火警服务商请教，深入了解泰科火警，以此为理论依据，结合实际操作设计出论文。结果能够满足现代船舶自动化程度发展的要求，在短时间内检测到火灾发生并传递信号，迅速采取自动灭火措施，同时使值班人员能够迅速

42、听到报警声音，知道火灾发生的地点，并能及时采取更好灭火措施。结论 当前火警系统能够满足船舶自动化的要求，探头检测灵敏，控制器处理信号迅速，但是火警探头对环境要求较高，容易受污染，当环境中灰尘多时，反应不灵敏甚至于失去检测作用，增加火灾隐患，这是个比较复杂的问题，短时间内难以解决。关键词：火灾报警系统；船舶自动化；泰科火警导言利用实习期间所学习的有关火警系统的知识，参照“库娜森”号油轮上配备的泰科(TYCO)火警系统进行设计，使火警探头能够及时有效地捕捉到火灾信号并及时发出信号，主控制器能够及时接受并迅速处理报警信号，及时发出报警信号到各个联动装置，使个联动装置发生动作，迅速采取灭火措施，保证生

43、命安全，减少财产损失。同时业为了检验自己学习水平，进一步了解船舶火灾报警系统，深入探讨船舶火警系统的原理，所以选择了船舶火灾报警这个课题帮助自己巩固知识并能在工作学习中进行创新。本设计重点放在烟感探测部分，详细的对其进行了解剖，分析，设计。设计过程中充分利用了课本基本知识，网络以及泰科火警的产品介绍书和使用说明书，向老师傅和厂家服务商请教，与同事讨论，自己不断的摸索而来并且经过自己反复思考修改最后定稿。1船舶火警系统概述1.1意义船舶是运载国际贸易货物量最大的运输工具，随着发展中国家的经济增长，人口的快速膨胀，人类生活水平的提高及信息技术对全球各行业的促进，将会大大推进航运业运输量的提高，从而

44、导致航运工具船舶的迅速增加，根据中国船舶工业经济研究中心的一项研究表明：随着海运量增长和更新船舶在内，我国2015年之前，需求船舶的新增量为7300万载重吨，世界船队继续扩增并基本稳定在7万艘左右，大约6亿7亿总吨的规模。船舶大型化，专业化，科技化，高速化已成为现实。在这样一个飞速发展变化的过程中，船舶事故的发生也会出现大幅度增加的现象，根据DNV（挪威船级社）估计，世界船队每年的事故损失达100亿美元，伦敦保险行（ILU）1996年统计海上船员死亡高达1190人，因此，保证船舶的航运安全，对于相关海运业的主管机关，航运企业及广大海船的员工都是一个重大问题，一切海难的发生。几乎都是在“人，机，

45、环境和管理”的不良因素相互作用下发生的出人意料，又是在必然之中的破坏性事件，这些海难事故占到较大比例成分的是船舶火灾事故，大约85%以上事故是人为因素所造成的，自80年代以来，船舶因火灾所造成的海难事故的比重平均每年递增1%，给国家造成巨大的经济损失和重大的人员伤亡。因此，船舶火灾问题是关系到船舶安全和人身安全的重大问题，船舶防火，灭火是航运界为了确保船舶安全航行，保障海上人命安全，减少经济损失，保护海洋环境的一个永远的课题。船舶主、辅机舱、锅炉舱、机舱集控室、电缆间等都是容易发生火灾的部位。火灾报警系统在发生或出现火灾征兆时能发出报警并自动灭火，可以大大减小因火灾带来的损失。对于火灾报警系统

46、来说，最重要的就是它的可靠性。对于火灾探测这种非结构性问题，人的识别能力较强。而模糊逻辑和神经网络是能够有效地模仿人类思维的智能化技术，将该技术用于火灾探测报警，将有效提高探测灵敏高，降低误报率，大大提高系统的抗干扰能力和环境适应能力。1.2发展（1）多线制开关量式火灾探测报警系统。这是第一代产品，目前国内除极少数厂家生产外，它基本已处于淘汰状态。（2）总线制可寻址开关量式火灾探测报警系统。这是二代产品，尤其是二总线制开关量式探测报警系统目前正被大量采用。（3）模拟量传输式智能火灾报警系统。这是三代产品，是火灾自动报警系统发展的新阶段，它使误报降低，大幅提高了报警的准确度和可靠性。1.3前景船

47、舶火灾自动报警技术发展的总趋势是朝早探测、广谱探测、体型探测、高可靠、少误报、网络化和智能化方向发展。早探测主要是指气体探测技术，其中，CO探测技术最有发展前途，以及高灵敏度的甚早感烟技术等。广谱探测主要是指一只探测器可以探测多个火灾信号，如普遍采用的光电与感温传感器复合的火灾探测器或光电、离子、感温传感器任意复合的多传感器火灾探测器；光电、离子、感温、CO传感器复合的火灾探测器；可以探测灰烟和黑烟的多角散射或前、后向散射的光电感烟探测器等。体型探测(亦称对空间的多方位和全方位探测)主要指在几何学上与点和线探测相区别的面和体的探测，如线型光束感烟探测器；火焰探测器；采用红外摄像技术监视空间热、

48、烟、火焰、气体分布的成像系统。高可靠是指提高现有各种火灾探测系统的可靠性，保证系统准确探测火灾。少误报是指采取一切技术和措施，进一步减少现有各种火灾报警系统的误报率，使之减少到人们可以接受或令人满意的程度，最大限度减少误报损失和不利影响。网络化是指火灾自动报警系统之间和火灾自动报警系统与非火灾自动报警系统之间的联动或联网。智能化是指火灾自动报警系统探测器和控制器采用微处理器和具有人工智能技术和理论的高级算法软件实现智能报警决策。目前智能型火灾 自动探测系统主要有两种，一种是应用较多、普遍看好的智能集中型(由控制器决策)智能火灾探测系统；另一种是最近推出的应用较少、被一些国家看好的智能分布型(由

49、探测器决策)智能火灾探测系统。  （1）神经模糊算法软件技术将会在火灾自动报警技术发展中得到更广泛应用智能型火灾探测系统分辨真假火灾现象、提高可靠性。减少误报率的关键，是采用具有人工智能理论和技术的神经模糊算法软件，己得到专家试验验证和实用实践证实，今后，这种高新技术一定会得到更大发展。  （2）火灾模化和模拟技术将会有很大发展  最近几个世纪，世界出现数次技术革命，即以前出现的工业革命、电磁革命和最近出现的信息革命。目前，世界正处在信息革命时代，在即将来临的2l世纪，信息技术将会有很大发展，这会给火灾自动报警技术，特别是对火灾自动报警技术的的发展起决定

50、作用的神经模糊算法软件技术的基础理论和技术一火灾模化和模拟技术的发展，带来新的机遇，将起着十分重要的作用。（3）体型火灾探测技术将会有很大发展最近，国外有许多专家认为，从点型火灾探测器系统期望得到的排除误报的能力正在很快接近最佳，仍在发展中的新的点型探测器技术将不会从根本上改变目前整个火灾自动报警技术的面貌，火灾自动探测技术的未来必须依赖于智能信号处理技术，而智能信号处理技术又必须依赖体型火灾探器，特别是红外成像体型探测技术的发展将会提供充足的高质量的信息，这将会加速火灾自动报警技术的发展。  （4）标准和检验技术将会有新的发展  标准和检验技术滞后于火灾自动报警技术发展的

51、现状，已经引起世界各国专家们的注意，加速和提高标准和检验技术发展是适应和推动当前和今后火灾自动报警技术发展的当务之急。随着性能基建筑消防安全和消防安全工程设计标准和规范的出现和实施，将会对火灾自动报警技术标准和检验技术产生更大的影响。2船舶火警系统原理2.1系统简介2.1.1系统组成火灾自动报警系统是由触发装置、火灾报警装置、联动装置和电源等部分组成的通报火灾发生的全套设备。火灾自动报警系统的触发器件：主要有各类探测器、各类手动报警按钮。火灾自动报警系统的联动设备：消火栓系统;自动喷水灭火系统;七氟炳烷、纯氮气(IG100)等气体灭火系统;泡沫灭火系统; 机械防烟、排烟设施;火灾应急广播与警报

52、装置;消防专用电话;防火卷帘;电梯回降控制;应急疏散指示灯。图表 1系统组成2.1.2系统形式根据工程建设的规模、保护对象的性质、火灾报警区域的划分和消防管理机构的组织形式，将火灾自动报警系统划分为三种基本形式：区域报警系统、集中报警系统、控制中心报警系统。图表 2图表 3图表 4目前火灾自动报警系统有智能型、全总线型以及综合型等，这些系统不分区域报警系统或集中报警系统，可达到对整个火灾自动报警系统进行监视。2.2系统原理2.2.1火警主控制器原理报警控制器的基本功能:可向探测器供电,并有如下功能:能接收探测信号并转换成声光报警信号,指示着火部位和记录报警信息;可通过火警发送装置启动火灾报警信

53、号或通过自动消防灭火控制装置启动自动灭火设备和消防联动设备;自动地监视系统的正常运行和对待故障给出声光报警。有主备电源，当主电网断电时会自动切换至电池供电，保证系统正常运行。时钟锁定，记录着火时间；火警优先；自动巡检，自动打印；部位（有地址点的设备）的开放及关闭；显示被关闭的部位；联动控制：可分“自动”联动和“手动”启动两种方式，但都是总线联动控制方式；输出：单机输出、跨机联动输出；报警控制器的分类:1、按控制范围分:区域型:直接连接探测器,处理各种报警信息的单路或多路报警控制器;集中型:可不与探测器直接相连,而与区域控制器相连,接受并处理区域报警器或探测器的信号,并能发出某些控制信号使区域报

54、警控制器工作;通用型:兼有区域、集中火灾报警器的双重特点,通过设置既可以作区域级使用,连接控制器;又可当集中级使用,连接区域报警控制器。2、按结构形式分类:壁挂式;立柜式;琴台式;3、按内部电路分类:普通型:内部电路设计采用逻辑组合,可采用标准单元的插板组合方式进行功能扩展,其功能较简单;微机型:对软硬件程序均有相应要求,具有易操作、扩展方便、技术相对复杂,硬件可靠等特点。4、按系统布线分类:多线制;总线制;5、按信号处理方式分类：有阀值开关量报警器无阀值模拟量报警控制器。2.2.2探测器原理 作用:它是火灾自动探测系统的传感部分,能产生并在现场发出火灾报警信号,或向控制和指示设备发出现场火灾

55、状态信号的装置。分类:可燃物有:固、液、气3种状态;以下部分列举:固:纸张(130C)棉花(150C)橡胶(130C)等;液:石油醚(-50C)，汽油(-58+10C)，二硫化碳(-45C)，乙醚(-45C)等;气:甲烷(燃点537C,爆上15%,爆下5%);乙烷(燃点472C,爆上12.5%,爆下3.22%)等;图表 5根据不同物质的燃烧和火灾早期产生的烟雾、温度、光、气体等派生出不同类型的探测器。探测器主要分为烟感、温感两大类，烟、温感探测器按形状均可分为:点型和线型；温感探测器按功能又分:定温式、差温式和差定温式；烟感探测器按原理又分:离子型、光电型；其它还有可燃气体探测器、火焰探测器，

56、复合式探测器等等。 烟感探测器：通过对烟雾的检测而判断火灾的发生，按检测方式主要分为离子感烟探测器，光电感烟探测器，复合感烟探测器。通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟雾探测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，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通

57、知远方的接收主机，将报警信息传递出去。（为本文重点设计对象，详情请见下文）温感探测器：通过对温度的检测而判断火灾的发生，按检测方式分为定温探测器和温升检测温感探测器。探头和控制钮是用空心管，管中充有热涨系数较大的液体，当温度变化时，液体随着涨缩，从而把开关触点顶断或联通。图表 6可燃气体探测器：通过物理或化学的方式检测空气中的可燃气浓度，一般按可燃气的爆炸下限为最大量程，即100LEL，量程范围一般为0-100LEL。一般到20LEL视为警告，40LEL视为气体泄漏报警。按检测原理一般分为催化燃烧型可燃气探头和红外可燃气探头。可燃气体探测器是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。可燃气体探测器

58、有催化型、红外光学型两种类型。 催化型可燃气体探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度 。当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧），其产生的热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻率便发生变化。 红外光学型是利用红外传感器通过红外线光源的吸收原理来检测现场环境的碳氢类可燃气体！火焰探测器：通过对可燃性气体或液体火焰的检测来发现明火并发出火灾报警信号，一般分为红外火焰探测器，紫外火焰探测器，红外紫外火焰探测器，视频火焰探测器等几种。火焰探测器（flame detector）是探测在物质燃烧时，产生烟雾和放出热量的同时，也产生可见的或大气中没有的不可见的光辐射。 火焰

59、探测器又称感光式火灾探测器，它是用于响应火灾的光特性，即探测火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。根据火焰的光特性，目前使用的火焰探测器有三种：一种是对火焰中波长较短的紫外光辐射敏感的紫外探测器；另一种是对火焰中波长较长的红外光辐射敏感的红外探测器；第三种是同时探测火焰中波长较短的紫外线和波长较长的红外线的紫外/红外混合探测器。 具体根据探测波段可分为：单紫外、单红外、双红外、三重红外、红外紫外、附加视频等火焰探测器； 类型可分为：隔爆型、本安型；复合式探测器：复合式火灾探测器是对两种或两种以上火灾参数响应的探测器，它有感烟感温式、感烟感光式，感温感光式等几种型式。2.2.3手动

60、报警原理作用:同火灾探测器，提供报警信号。手动报警按钮的紧急程度比探测器高,一般不需确认.所以手动按钮要求更可靠、更准确处理火灾要求更快.分类:地址码、非地址码、含电话插孔、普通消火栓报警按钮、可直接启动消防泵的消火栓报警按钮等图表 7手动报警按钮2.2.4防爆隔离栅原理隔离栅主要运用于国内的大型石油公司，天然气行业，化工行业以及船舶等行业。主要起系统隔离提高抗干扰作用,用于仪器仪表、智能控制系统可提高EMS电磁兼容指标。防爆隔离式安全栅主要应用在本安防爆系统的设计中，它是安装于安全场所并含有本安电路和非本安电路的装置，电路中通过限流和限压电路限制了送往现场本安回路的能量，从而防止非本安电路的

61、危险能量串入本安电路，它在本安防爆系统中称为关联设备，是本安系统的重要组成部分。由于安全栅被设计为介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的接口，因此无论控制室设备处于正常或故障状态，安全栅都能确保通过它传送给现场设备的能量是本质安全的。如LPG船在货舱污水井液位检测，可燃气浓度检测，液位测量等，在控制箱内都有安全隔离栅。图表 8防爆隔离栅3船舶火警系统设计*由于现实中烟感探测器使用最多，最为普遍，本设计仅将烟感检测作为设计对象，且以“库娜森”号油轮的泰科（TYCO）火警系统为参照进行设计。3.1系统整体设计方案3.1.1烟雾检测报警器工作原理 本论文中的烟雾检测报警器以STC12C5410

62、AD单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。 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，转化成较大的电压信号送入STC12C5410AD单片机；然后，在STC12C5410AD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，当浓度处于正常状态绿 灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红 灯闪亮。另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越 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

63、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或接触不良时，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。 3.1.2烟雾检测报警器的结构 报警器系统结构框图如图9所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。报警器采用巡检的工作方式，进行两级 报警值设定，并发出不同的光、声信号。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可 靠性，而且最好体积小

64、，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器 的成本。图表 9可燃性气体检测报警器结构框图3.1.3烟雾检测报警器的功能 (1)自诊断故障报警功能 当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时，报警器发出警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，及时排除故障，保证安全。 (2)烟雾浓度显示通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。 (3)烟雾报警功能 当烟雾浓度连续20秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏 感

65、，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。 (4)防止报警器误报功能 快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏，还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。 (5)看门狗自检单片机状态功能 调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。 (6)与上位机通讯功能 可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集 和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。 (7)自动控制相关安全装置的扩展功能 留有继电器接口，可以带动排风扇或大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子阀门，可在报警的同时自动启动相关安全装置。 3.2烟雾检

66、测报警器的硬件设计在报警仪的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感 器送来的烟雾浓度对应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，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否 有键按下的请求。在单片机完成这些的工作中，尤其是信号处理中，比较 浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速 度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况做进行 相应处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功 耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用宏晶科技生产的STC12系列单片机。 3.2.1单片机选型单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方

67、面它要接收来自传 感器的烟雾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LCD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，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。 如今市面上比较普遍的单片机有8051系列与STC系列。 8051单

68、片机虽然应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，但 是速度慢，功耗大，适合民用，商用，不适合工业用途。STC单片机是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是功耗低， 精简指令集 ，抗干扰性好，可靠性高，但是存在溢出隐患问题。8051系 列采用的是堆栈指针，STC采用硬件堆栈8级。当堆栈指针设定合理，局部变量少的情况下，8051系列用10层的程序嵌套不会出现问题。而STC单片机程序嵌套包括中断最多不能超过8层。所以如果用C语言进行STC编程设计容易堆栈溢出。 汇编语言对于不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移 植。而C语言是一种结构化的高级语言，虽然占用资源较汇编多，但是可读性好

69、，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。鉴于C语言的易读性和普遍性，本论文的软件设计选择C语言编程，所以STC系列单片机在此处不是非常适合。 为适用于本论文设计的烟雾检测报警器，应选择一种比8051系列速度快，功耗低，抗干扰性好，而又避免C语言编程溢出问题的单 片机。 宏晶科技新推出的STC12系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度 却比8051单片机快812倍。而且STC12系列下属的STC12C54xxAD系 列单片机是低功耗Flash单片机，它的高效寻址方式、大容量Flash、 EEPROM、A/D转换、硬件乘法器、硬件

70、脉宽调制器(PWM)等功能特点， 较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。而且在功能同样的情况下， 管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和应 用适应性。 STC12C54xxAD系列单片机有6种型号：分别是STC12C5412AD、 STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD、 和STC12C5402AD。 它们是以单片机内部集成Flash的大小区分的。在价格相同的情况下，尽量选择Flash较大的芯片，所以选择了STC12C5410AD单片机作为本论文设计的烟雾报警器的单片机核 心芯片。它体积小，价格低，非常适

71、用于本设计，下面介绍STC12C5410AD的自身特点。3.2.2烟雾探测报警器硬件电路设计3.2.2.1信号采集及前置放大电路传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾 传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例 放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利 用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然 会造成浪费。常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点 比较突出，所以本

72、设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。 LM324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源 或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好； 其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与 数字电路兼容。 下面详细介绍运算放大电路： 如图10所示，从传感器的上端出来的信号Vi经过运算放大器的同相 输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压Vo通过电阻R4接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻R3接到参考电压Vref。 同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理 想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍

73、数。 在图3.2中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，I- = I+ = 0，所以V- = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (3-1)而且V- = V+ = ViVo = Vi*（R3 + R4）/R3 (3-2)由以上两式可求出Vo=Vref-R4/R3 (3-3)所以本放大电路的放大倍数A =1+ R4 R3 ，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1。同相比例运算电路有以下几个特点： (1)同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。(2)电压放大倍数A =1+ R4

74、R3 ，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。如果不接R3和R4，则此电 路就成了“电压跟随器”，它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。 (3)由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设 计。 此放大电路还加了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便 的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用滑动变阻器产生一个参考电压Vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考 端。所以调节滑动变阻器，就可

75、以直接改变放大电路的参考电压。而电压 跟随器的作用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止R3和R4对 滑动变阻器输出电压的影响。图表 10前置放大电路图3.2.2.2声音报警电路 声音报警电路图如图11所示。报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器26，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，适用于家用煤气报警 器的报警声音源。当单片机STC12C5410AD的17脚(P3.7)置1时，三极 管Q1导通，蜂鸣器报警。本报警器采用单片机STC12C5410AD的PWM功 能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P3.7(PWM)口输出占空比一定 的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。图表

76、11声音报警电路图3.2.2.3数码管显示电路·报警器浓度显示采用共阳数码管。显示浓度级别，其主要技术参数如下： 模块工作电压： 2.75.5V 工作电流： 80ma,每段10ma字高：11.4mm环境相对湿度：<85 视角：6:00 工作温度：-10+50°C 显示方式：反射式正显示存储温度：-20+60°C接口方式：8线并行接口 图表 12数码管结构图3.2.2.4状态指示灯及控制键电路状态指示灯及控制键电路图如图13所示。单片机STC12C5410AD的18脚(P1.0)、12脚(P2.4)、13脚(P2.5)，控制输出的状态指示灯。绿灯常亮表示正常状

77、态，环境中可燃烟雾浓度极低。黄灯闪亮表示传感器加热 丝或者电缆发生断线或者接触不良。红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超 过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。 当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下按键停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。图表 13状态指示灯电路图图表 14控制按键连接示意图3.2.2.5报警器故障自诊断电路 (1)判断传感器电源连接情况 在传感器的地端串联一个电阻R6。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P1.1(AD)口检测到； 如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电

78、阻两端电压为0。图表 15传感器电源连接自诊断电路 (2)判断传感器信号端连接情况 另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热2分钟后，测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常。 当报警器自诊断发现传感器连接不正常，就会发出长鸣声音警报，并 伴随黄灯闪烁，提醒用户及时排除传感器连接问题。 3.3系统软件设计3.3.1 STC12系列单片机调试及开发工具系统的软件编程使用的是美国Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的

79、优势。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，Keil C51生成的目标代码效率非常之 高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能 体现高级语言的优势。 C51工具包的整体结构中，Vision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经C5

80、1连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对 目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。 STC12系列单片机下载程序使用的是宏晶科技自行开发的STC单片 机ISP下载编程软件。本论文程序调试过程中，使用的是STC-ISP-v3.1版。ISP工具的功能主要是将由PC机串接来的8位并行数据与单片机的 串行数据进行相互转换，以实现PC机与STC12C5410AD的RXD及TXD口通讯。 当用户将源程序(汇编语言或C语言)经语法检查无误并生成代码时， 就可以将

81、程序代码下载到Flash芯片中31，而用户的系统可以是在线状态。用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，在程序中设置断点，在STC12C5410AD中，可以同时设置3个硬件断点，它是经过串口的传输，由芯片中的几组断点条件寄存器实现的。 用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，检查或修改Flash芯片 内的各种存储器、寄存器的数据。 3.3.2烟雾探测器软件流程及设计本论文中，软件解决的主要问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行AD转换，数字滤波，线性化处理，段式液晶浓度 显示，按键功能设置，以及报警器声光警报。 3.3.2.1主程序设计及流程图主程序流程图如图16所示。首先要给传感器预热三分钟，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟， 预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或