火灾报警系统设计(共26页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上摘要随着科技的发展，时代的进步，高楼大厦才能追上人类的脚步，伴随着家庭用火、用电量的增加，所以火灾出现的可能性在持续加大，全国各地几乎每天都有不同情况的火灾在发生，也正是因为这个原因，用来警示火灾的火灾报警器的地位越来越重要，在各种建筑内被广泛使用。该论文的主要研究对象为无线且具备多种功能的火灾报警器，该报警器使用的是利用气体的传感器模数转换器以及温度传感器（型号为），以及用作为主要核心进行控制的组件等来使基础功能得以实现。一旦在室内的温度，或者是一定体积内的燃烧后产生的气体的浓度达到了传感器能够感知的临界值时，火灾警示器就会通过声音和警示灯来提示可能发生火灾险情，让

2、处于建筑物的人们能够及时逃生。关键词：气体传感器MQ-2；火灾报警；51单片机；智能控制；DS18B20ABSTRACTWith the development of science and technology, the progress of The Times, high-rise buildings to catch up with the pace of the human race, Along with the family in the fire, the increase of electricity consumption, and thus the fire freque

3、ncy is higher and higher, almost all the fire in different regions, Fire alarm and therefore is widely applied to various occasions for warning of fire. This topic research the multi-function wireless fire alarm the STC89C51 as the core controller, using gas sensor MQ - 2, ADC0832 and DS18B20 t

4、emperature sensor to realize the basic functions. Through these sensors, when the concentration of combustible gas in the environment or indoor temperature changes, such as system have a corresponding light and sound alarm signals, to prompt the process of fire, let people to save his life. With the

5、 development of science and technology, the progress of The Times, high-rise buildings to catch up with the pace of the human race.Key words: MQ-2 gas sensor; fire alarm; MCU51; intelligent control；DS18B20目录1 绪论1.1 课题的研究背景作为一种能给人类的生命安全、财产安全带来严重威胁的燃烧性质的灾难，火灾通常是不可控的。由于火灾酿成的悲剧比比皆是，正是因为这个

6、原因，人们对于火灾的预警和研究一直在继续。在我国，火灾发生频率高，破坏性强，影响极其严重。随着城市化进程的加速，我国的建筑楼层越来越高，地下建筑面积不断加大，大型建筑群不断积聚，这些都是火灾隐患的主要发生地，这些建筑群的火灾发生概率更高，造成的人身和财产损失更大，这种情况近年来越来越多。没有人希望看到火灾的发生，所以人们才日积月累地去研究这个灾难。人们都希望能够有效地预防火灾的发生。但是，发生火灾背后的原因十分复杂，涉及到化学转化及物理转化，且与周边的环境有很大的关系。通常情况下，火灾的发生伴随着烟雾、高温和火光，且由于产生场地和周遭环境的限制，其燃烧之后产生的颗粒也各有不同。所以，为了预防火

7、灾，最初的火灾预警系统就由此设计而得，目前，该项技术正得到了普及。在中国，经济发展尤其迅速，人们的生活质量也在不断地升高，各种类型的高楼拔地而起，这也造成了火灾隐患。此外，现在的建筑中，尤其是高档酒店，摩天大楼，图书馆，档案馆等公共场所，都大量地使用玻璃、塑料等材质的建筑材料，这也使火灾发生之后的施救产生了难度。这就意味着，火灾的探测报警系统需要起到更大的作用。要在火灾发生之前给人们警示，让现场人员得以逃生，只有这样，才能避免不必要的人身和财产损失。由上可知，火灾的预测报警系统十分必要，这不仅是对火灾预警的一种长期有效的防护措施，也是一种早期预警措施。1.2 课题的研究目的与意义目的：火灾，作

8、为一种能给人类的生命安全、财产安全带来严重威胁的燃烧性质的灾难之一，通常不能通过人力控制。但是我们的生活又和火息息相关，通过对以往火灾发生原因的总结，我们得出规律来进行预防。在过去，对于火灾，认为就得出了主要靠预防，然后才是救火，下策才是吸取教训。社会的脚步一直在向前，技术得到了革新，而火灾对人类的威胁却越来越大了。一方面，火灾能够夺去人类的生命和财产，一方面火灾能够引起社会的不稳定。全世界每年死于火灾的人不计其数。那么，我们更需要对引起火灾的根源进行研究，总结规律，达到预防的效果。 这也就是我们研究声光报警器目的所在。意义：火灾时有发生，发生地遍布世界各国，火灾关系着每一个人的生命和财产安全

9、。如果我们可以设计出一个能够根据实际情况制定火灾预警方案和措施的火灾生觉、视觉预警系统，那么意义非凡。1.3 火灾报警器的发展与现状最近几年，国外对于无线报警系统的研发日趋成熟，也应用到了实际生活中。最初，火灾报警系统的成本很高，而且需要进行复杂的布线工作，往往对于使用环境的要求也很高，通常只作为设备的一部分。现在，基本上所有的设备都能够改装成这种无线火灾报警系统，而且对于使用环境也没有太高的要求，很多的商用和民用住房都可使用。作为美国在生产规模上最为庞大的一个无线报警系统生产的商业，建于1981年的松柏公司（ITI）生产的无线报警器市场占有率高达九成，仅北美市场的销售额就将近1亿美元。与此同

10、时，ITI销售的无线报警系统也经过我国的“国家消防电子产品质量监督检验测试中心”的认证，证明该产品完全具备成为火灾警报器的资质，还可以保障安全，将火灾预警和安保功能相结合，目前属于科技前沿。但是，对比目前的情况，中国目前对于这个领域的研究起步于上个世纪而改革开放时期，起步比较晚，所以相对研究也少。在那之后，我国的无线报警器的设计和生产大多是把外国的东西拿来或者直接就进口，从根本上看，完全没有自主研发的技术，但是对火灾报警产品已经开始具备一定的市场需求，自然也就出现了该类产品的交易，时长在不断地发展壮大。所以，在上个世纪90年代，我国政府对于该产品的限制也在逐渐放开，很多国外的相关产品开始走进国

11、门，将高科技引入了中国。这也促成了我国火灾报警产业的高速发展，我国的企业很多都和国外的企业在技术研究和产品开发方面进行合作，成绩斐然，通过合作，很多国内企业都做大做强，技术上完全可以和发达国家比肩。1.4课题的研究内容火灾报警器的原理主要是通过对温度和燃烧产生的烟雾进行检测，形成执行指令，单片机根据指令来调控响应的报警，并使负载被驱动。然后将检测到的温度和烟雾以数据的形式显示在液晶显示器上，然后对两者的阀值进行设定。该项目主要是为了完成任务，包括：硬件部分：需要拣选传感器、显示模块， 以及对报警驱动电路进行规划、烟雾信号转换电路。（2）软件部分：需要编程来进行微处理器的控制，并把该软件工作的整

12、个原理画下来。（3）系统的综合调试与分析：将（1）（2）完成后，进行一次全方位的系统检测，并进行系统实验，对其可靠性和实用性加以检验，根据结果进行调整。2 火灾报警器的总体方案设计本文的主要方向是对烟雾报警与火灾发生时的报警及控制进行研究和实现，下文将总体阐释该系统对功能的各项要求，该系统使用的各项技术，以及实现该系统的方案。2.1系统的功能要求在设计该系统时，需具备如下几项功能：（1）火情探测功能：无线火灾报警系统的使用地点不同，所以在这些不同的环境下需要采用不同的火灾预警方式，比如温度探测法、可燃气体检测法及烟雾探测法等，在实际应用中，只有这样才能有效提高火灾预警的实时和精准； (2)灯光

13、报警功能：一般情况下，当有故障发生、火情发生或者有烟雾，首先采用的报警方式就是灯光报警。但需要设定当烟雾达到了一定的临界值时，使用蜂鸣报警。2.2 系统的技术要求要想对该系统的技术上的要求有一个大概的方向，就需要对这个系统的基础功能以及工作原理进行一定的了解。火灾报警系统通常采用价格低廉的单片机作为处理器，这使得该系统能够实现大批量的规模化生产，也能满足小成本工程的需要。一般情况下，一个系统需要具备比较小的体积、和比较低的功耗、具备可靠的数据传输、比较低的成本，以及其他的许多技术指标。详细的技术指标见下文：(1)体积小：为了减少空间的占用，我们需要火灾检测系统尽量保证小体积，这样无论是使用还是

14、更换，都更加方便； (2)功耗低：供电尽量选择5号干电池或5v的电源。(3)可靠性: 很多时候，系统可能存在不稳定的情况，因为安装环境有可能存在不确定的电磁波，只有通过多个指示灯来表示不同的状态，才能使报警的失误次数减少。2.3 系统的组成及方案设计该系统由以下几个部件构成：单片机、烟雾探测传感器电路、负载驱动电路、用指示灯进行报警的电路、控制程序和编解码程序等。系统的组成结构如下：3 系统的硬件设计总体电路图3.1由上图3.1显示， 软件绘制出了上图， 仿真软件绘制出了下图。使用按键可以设置温度和烟雾的最高临界值，这个数值用来确定是否需要报警，液晶显示屏能够显示出当时的温度和烟雾的数据，一旦

15、烟雾数据超过临界值，报警器的红灯就会亮起，蜂鸣器也会响起，一旦温度数据超过临界值，报警器的黄灯就会亮起，蜂鸣器也会响起。3.1 主控电路作为一种位微控制器，STC89C51具备功耗低和性能好两大特性，且有在系统能够进行编程的存储器。对于单芯片来说，也具备在系统能够编程和八位的CPU，唯有如此，才能让提供更加可以随机应变的能够起到效果的措施给嵌入式控制应用系统。具有以下标准功能： 8k字节，512字节RAM， 32 位I/O 口线，内置4KB EEPROM，复位电路， /计数器3个（十六位），中断结构1个（6向量2级），以及全双工串行口。除此之外， 能够被降低到静态逻辑操作，这个时候两种软件都可

16、以选择节能mode。当系统在空闲mode，不再工作，是被允许的、串口、定时器/计数器、一直在进行的所有工作均终止。当系统在掉电保护mode，能够存储内容，能够冻结振荡器，一直到再一次硬件复位或者是中断，单片机在进行的所有命令都要即刻暂停。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。下面的表1表示了的主要功能，下图2展示了的封装表1：STC89C51主要功能STC89C52引脚介绍 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端控制引脚（4根）R

17、ST/VPP(Pin9)：引脚复位，单片机的复位通过引脚上的2个机器周期的高电平来实现。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：对于程序进行存储的机器的内外部选通，指数的获取是通过接低电平从外部程序存储器，指令的读取需要通过接高电平则从内部程序存储器。可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，所有的接口都是八位（8根引脚），共有根数三十二。P0口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准

18、双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7作频率35Mhz，6T/12T可选。 图3.2 STC89C51 DIP封装图要实现一个火灾报警系统的最小的核心系统，主要是需要单片机合适他工作的主要的周边环境，比如电源、时钟、复位器等，只要有了它们就能让单片机正常运转。这个时候要想使单片机的复杂功能得以实现，就要存储扩展单片机，或者扩展。芯片存在于中，这个芯片能够简化和稳固系统，尽管它非常小。与此同时，当单片机接到时钟和复位两个电路的时候，由此组成的

19、系统非常之小，下图2-3为结构示意，但很多时候集成度会影响最小系统的应用，比如只能作为一些小型机的控制器。时钟电路复位电路STC89C51单片机I/O口图3.2单片机最小系统原理框图(1) 时钟电路单片机能够通过内部时钟和外部时钟两种形式来形成时钟的信号。内部时钟方式如图2-4所示。在上述的单片机里面有一个震荡电路，当且仅当和这两个引脚在外面连接晶振的时候，自激振荡器随之形成，并且会在内部形成时钟脉冲信号。下图中可见C1和C2两个电容，它们可以达到使频率稳定并且能够实现以最快的速度起振，为其电容区间，为其典型值。这个振荡频率区间是晶振的可选范围，典型值分别是和图3.4 STC89C51内部时钟

20、电路(2) 复位电路当且仅当单片机的引脚可以接入高电平，并且能够稳定持续两个机器周期，那么就意味着其内部可以进行复位操作，如果这个引脚能够一直都在高电平保持住，那么就能够一直复位再复位地循环。很多上电自动复位电路都不是很复杂，上电自动复位的实现需要依赖外部复位电路的电容充放电。当且仅当有小于的上升时长，那么自动上电复位就能够进行。除了以上提到的复位方法，还可以使用按键的手动复位。本设计就是用的按键手动复位。一般情况下可以通过电平和脉冲两种方式实现这种复位。第一种方式的事先要借助端与电源。图3.5 STC89C51复位电路（3） STC89C51中断技术概述作为实时监控的主要技术，中断技术需要单

21、片机对中断请求源发出的所有的命令和服务要求都能做出快速的相应，以及及时的反馈，并且进行有效的处理。这是由片内的中断系统来实现的。这个过程是这样的，首先，中断请求源会进行中断指令，一旦通过该指令，单片机就需要终止目前正在进行着的工作主程序，去对这些中断指令进行解决。当中断服务指令被解决之后，就需要回到刚刚停下来的地方，继续进行这些被终止的主程序。图2-6为整个中断响应和处理过程。图3.6 中断响应和处理过程假设当单片机并没有终止主程序，就需要在固定时间段寻找服务请求上消耗很多的时间成本。一旦终端技术被使用，就可以消除这些时间成本的浪费，能够有效地使工作效率得以提高以及完善其时效性。3.2 烟雾探

22、测电路的设计图3.7 烟雾探测电路从上图3.7中可以看出，组对于烟雾的检测和传感组成了整个电路， 第一步是电压信号会被传递给，模拟信号会被模数转换电路转换成数字信号，并传递给单片机，而后相应的数据会被单片机读到，并会给出相应的解决。3.2.1 MQ-2介绍型气体传感器具备很多特性，能够抵抗强干扰，普通的干扰，比如烟雾和水气都无法影响，其主要功能是对城市煤气、天然气、液化石油等一些含有大量氢气的气体进行检测。MQ-2的特点和工作参数如下：特点： 广泛的探测范围 高灵敏度快速响应恢复 优异的稳定性长寿命 简单的驱动电路 3.2.2 ADC0832介绍是一种转换芯片具备八位分辨率和双通道。以其小体积

23、，高兼容的优势深得广大顾客的喜爱，是当前实用率最高的一种单片机。要想深入地去了解转换器的工作原理，并能灵活地应用单片机的科技，都需要首先对的相关知识学习并实践。的分辨率为八位，且从分辨的角度考量，它的极限是256级，对于普通的模拟量转换指令都能够实现。的参考电压的复用和内部的电源输入都可以让使变成芯片的模拟电压输入的范围。是其芯片的转换时长，要想使数据的误差减小，增强转换性能，加快转换速度，就需要数据的校验是用双数据输出的方法来实现的。独立芯片是进行输入的很重要的工具，只有如此，多器件挂接才更加容易，与此同时，对于处理器的控制也更加便利。于是，对于选择实现通道的功能可以依赖数据输入端轻而易举地

24、实现。3.3显示电路设计方案一：使用动态扫描的显示的技术，温度依靠五位共阳数码管来显示。方案二：采用液晶显示屏LCD显示温度方案一相较于其他方案来说花钱少，耗能少，显示得更加清楚明了，即使是在夜晚都可以看清楚。其编写驱动程序也更加简易，能够被普遍使用。但是也存在很多问题，比如扫描显示方式的方法是五个需要依次变亮，所以闪烁的情况时有发生，但是这种闪烁不易被人眼发现，因为一般人类的肉眼只能看到大于的闪烁，所以闪烁的时长可以随着扫描频率的增加而缩短。相对于其他方案，第二套方案对于数据的显示更加具有美感，可以显示出很多，无论是数字，还是符号和图案，的数码管根本不具备这种优点。可是，这种方案也优缺点，因

25、为这种模块的成本很高，驱动程序相对繁复，不够实用，操作也不够简单，所以本文使用方案1。3.4 声光报警提示电路图3.9声光报警提示电路3.4.1 灯光提示电路LED英文单词的缩写，主要含义：，中文的意思是发光二极管，是一种半导体器件，可以将变电能为光，这种器件采用电场发光，它的发明从根本上进行了一次钨丝发光与三基色粉发光的技术革命。根据实验数据可知，的使用年限更长，效果好，耗能少，对人体的有害辐射更少。本文中的设计就是通过的不同的色彩光来表示烟雾的不同浓度，起到警示作用。3.4.2 声音报警作为一种电子讯响器，蜂鸣器呈现出一种一体化的结构，采用直流电来提供电能，在很多电气设备中的发声原件都有应

26、用，比如计算机、警铃等。该设备主要有两种类型，分别为压电式和电磁式。通常，在电路中使用字母“”或“”来表示蜂鸣器。压电式蜂鸣器可以分为五大部分，第一部分是多谐振荡器，第二部分是共鸣箱，接下来还有三个部分分别是阻抗匹配器、压电蜂鸣片和外壳。个别的还有第六个部分，即为安装在外壳上的。蜂鸣器驱动电路由三极管、蜂鸣器、限流电阻三者各一个组成而得。作为发声元件，将直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）加在其两端，工作频率、工作电流、外形尺寸、驱动方式（直流/方波）、发声方向、工作电压等都是蜂鸣器的主要数据参数。这些都可以根据需要来选择。本设计采用有源蜂鸣器。开关的功能需要三极管来实现，三极管的饱和

27、导通通过其基极的低电平实现，声音发出；关闭三极管通过而基极高电平实现，蜂鸣器的发声被暂停。  3.5 温度采集电路图3.11温度采集电路3.5.1 DS18B20概述要想对这些产品以及其参数进行检验，并且采用技术对其进行调控，就需要使用传感器和微处理的各种科技，一旦产品的性能能够被准确的检测出来，那么存在的问题就能够随之出现了。检测可以为质量的提高、性能的完善以及事故的预警提供一些数据依据和重要的信息。但是火灾预警系统通常都是在不良的环境中工作，这就增加了测量的难度，所以传感器的选择对于整个系统来说都意义重大。现今，世界上出现了一种全新的温度传感器，这种传感器改变了传统的模拟化，采用

28、了数字化；改变了固有的集成化，采用了智能化、网络化。就是这样一种只能温度传感器，它具备很多优点，比如更加安全，更加可靠，更加精密，功能更多，总线标准化，与此同时，也使得传感器技术能够不断地更新换代，且有网互联网和虚拟方向发展的趋势，以及单片测温系统研制这些前沿方向进发。所以，是目前使用最为广泛的一种测温装置，与我们的日常生以及第一、二产业中都有很广泛的使用。DS18B20的性能特点如下： （1） 采用DALLAS公司独特的单线接口方式：仅仅需要用一根口线实现与微处理器的连接，只要如此，即可使与微处理器实现双向通讯；（2）在使用中不需要任何外围元件；（3）非易失性的报警的的数值的上下的范围都可以

29、由用户亲自去设置；（4）只有一根三线，并且它可以并联多个，用这个方法能够对多个点位进行温度测量，并且对多点的组网功能加以支持；（5）具有相对高的的转换速率，仅用就能实现转换九位的温度值；（6）对于任何一种单片机、系统都可以使用；（7）在内部有64位的激光修正的只读存储，减去产品系列号的8位，再减去循环冗余校验码的8位，剩下的是48位的产品序号。出厂前产品序号存入其ROM中。多片在大型温控系统构成时可以挂接到单线总线上。3.5.2 DS18B20引脚介绍图3.12 DS18B20引脚各引脚功能为：数据输入/输出端（即单线总线）是漏极开路输出的，当上拉电阻外接之后，呈高电平在常态下呈现出来。作为外

30、部电源端的可以被选择，当不需要使用的时候，就接地，地是，空脚是。3.5.3 DS18B20的内部结构DS18B20有高速暂存器（即便筏式，用于存放中间数据）、64位激光与单线接口、温度传感器、寄生电源、触发寄存器和触发寄存器这七个内部结构，它们的功能是对使用者设置的温度的上限和下限进行保存，对逻辑进行控制和保存，位循环冗余校验码（）发生器。图3.13 DS18B20内部结构3.6 按键电路本文对按键的数据读取应用了一种全新的方法，即使按键接低方法，单片机在刚一开机的时候，处于高电平状态，一旦按下按钮，低电平回传输给单片机，于是就需要处理低电平的信号。单片机有两种键盘，一种是独立，另外一种是矩阵

31、式。第一种在任何一个口都有一个一端接电源或接地的键，这个接线法比较简单，且具有更大的稳定性；第二种键盘相对第一种就复杂的多，但是也存在很多好的地方，比如很少占用。选择哪种键盘要看设计的需要，本文选择第一种键盘。单片机处理键盘的时候需要进行去除机械抖动，这个是不可或缺的。这个机械抖动是一种很正常的电平不稳产生的现象，通常发生在按键将按未按的时候，通常情况下靠人力不可去除。这种机械抖动非常之快，人几乎无法感知，但是对于单片机来说，10200毫秒的抖动时长范围就并不快了。通常我们会使用硬件和软件两种方式去抖动，硬件是依靠处理抖动部分，软件是依靠延长时间，等键盘抖动过后，处于稳定状态之后再继续按下。本

32、文选择的去抖动方式是软件，利用这种方式，我们首先要对按键进行检测，一旦发现抖动，就延长时间，该时间设置为抖动的时间，也就是10200毫秒的范围，需要等候一下，再对口的值进行读取，当读取的数据为1，说明低电平的时间不到10200 毫秒，视为干扰信号。当读取的数据为0，说明按下了调用相应的处理程序的按键。硬件电路如图3.12所示：图3.15 按键电路4火灾报警器的测试结果及结论4.1 调试调试的任务主要三个，第一是对硬件电路的设计原理测试其正确性，第二是对预期效果检测其是否达成，最后是对实现的方法检测其是否足够简单；接下来，当所有的线路被连接妥当，要对电路的焊接点进行认真的检测。对于各个模块的调试一般是使用分块调试法，并对对烟雾探测电路、控制电路、单片机控制电路这三个块进行依次的调试。再对任意模块进行调试时，要遵循由部分到整体，由简到难的规律，当分别调试之后，再对整体进行整合。4.2 结