基于AT89C51单片机的火灾报警器

1、四川师范大学成都学院课程设计报告火灾报警器内容摘要：多少年来，火灾一直是人们所遭遇的最主要灾害之一，曾对人类的文明造成了重大破坏，许多著名的建筑大都毁于火灾。由火灾引发的重大安全事故比比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究。本文介绍了一种适用于多种公共场所的基于单片机火灾报警系统。本系统以AT89C51为主控制器，DS18B2W度传感器为感温器件，离子感烟传感器为感烟元件，将烟雾和温度等信号转化为可检测的电信号。然后将传感器输出的电信号送入A/D转换电路，完成烟雾传感器和温度传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，再由单片机判断现场是否发生火灾。若发生火灾，系统会驱动蜂鸣器和LED指示灯报警。

2、该系统主要由烟感数据采集模块、单片机控制模块、驱动声光报警模块组成，采用高性能的单片机芯片为核心和高灵敏度的离子感烟传感器和温度传感器，而且利用声音和指示灯两种报警形式进行报警提示，大大的提高了系统的精确性和可靠性。关键词：火灾报警器离子感烟探测器AT89C51单片机DS18B20FireAlarmAbstract：Formanyyears,firewaspeopleencounteredthemaindisasters,hadtohumancivilizationcausedmajordamage.Manyfamousbuildingsmostlydestroyedinthefire.Ama

3、jorsafetyaccidentcausedbyafirecanbefoundeverywhere,sohumanbeingshaveneverstoppedstudyingit.Thispaperintroducesakindoffirealarmsystembasedonsinglechipmicrocomputer,whichissuitableformanykindsofpublicplaces.ThesystemtakestheAT89C51asthemaincontroller,andtheDS18B20temperaturesensorisatemperaturesensor,

4、theionsensorisasensor,andthesignalcanbeconvertedintoadetectablesignal.ThenthesensoroutputoftheelectricalsignalintotheA/Dconversioncircuit,completethesmokesensorandtemperaturesensoroutputanalogsignaltodigitalsignalconversion,andthenbythemicrocontrollertodeterminewhetherthesceneoffire.Ifafireoccurs,th

5、esystemwilldrivethebuzzerand四川师范大学成都学院课程设计报告LEDindicatoralarm.Thesystemmainlybythesmokesensedatacollectionmodule,MCUbontrolmodule,drivethesoundandlightalarmmodule,asthecoreandhighsensitivityofionsmokesensorandtemperaturesensorwithhighperformancesinglechip,andtheuseofsoundandtheindicatorlamptwotypeso

6、falarm,alarm,greatlyimprovetheaccuracyandreliabilityofthesystem.Keywords:firealarmsmokedetectorAT89C51MCUDS18B20II四川师范大学成都学院课程设计报告目录1绪论1.1课题研究背景11.2国内外火灾报警器研究历史 11.3火灾报警技术的发展趋势 32火灾报警器系统总体方案设计32.1火灾产生的原理 42.2系统设计要求 43系统硬件设计53.1烟感传感器 53.1.1烟感传感器选择 53.1.2离子式感烟探测器介绍 53.2温度传感器 63.2.1温度传感器选择 63.2.2DS18B2

7、0 工作原理 63.2.3DS18B20 特性 73.2.4DS18B20 注意事项 83.3单片机芯片的选择 83.3.1 AT89C51 简介 93.3.2 AT89C51 管脚功能说明 104火灾报警器软件实现与调试114.1信号处理电路 114.2声光报警电路 124.2.1声报警电路 124.2.2光报警电路 134.3系统调试 134.3.1编程 KEIL 环境介绍 134.3.2调试步骤 145结束语15参考文献.16III四川师范大学成都学院课程设计报告火灾报警器1绪论1.1课题研究背景进入上世纪90年代后，我国经济步入高速发展的时期，城市化建设不断加快，城市建筑也由分散式低密

8、度向集中式高密度过渡，林立的高层建筑成了城市的主要的标志。任何事物的发展都具有两面性，高层建筑中各种通讯线路、动力和照明线路、以及各种系统中线路纵横交错，还有现代人类大量使用煤气、天然气，甚至是烟花等火灾隐患致使火灾的发生概率也在大幅增加。火灾是一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，加之现代建筑的密闭性较强，一旦发生火灾，整幢大楼就像一个大的火炉，而楼梯道、各种通风管道、线路竖井都是效果极佳的火筒，从而给灭火施救造成了巨大的难度。由火灾导致的后果给人类、社会和自然造成的危害越来越大，它不仅毁坏物质财产，而且还直接危胁人们的生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的火灾引发的重大安全事故比比

9、皆是，因此，人类从未停止过对火灾发生后及时发现、及时控制的研究，火灾报警产品应运而生。随着科技的发展和人们需求的不断提高，火灾报警器在功能、结构、形式等方面也在不断完善。1.2国内外火灾报警器研究历史在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生。据联合国“世界火灾统计中心（WFSC）200懈计资料”，全球每年大约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000至75000人。其中，欧美地区发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平以及消防技术和设施有关。相比较而言，亚洲地

10、区发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。据统计，我国70年代火灾年平均损失不到2.5亿元，80年代火灾年平均损失接近3.2亿元。进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成极大的危害。火灾自动报警系统已有百余年的发展历史，19世纪40年代美国诞生的火灾报1四川师范大学成都学院课程设计报告警装置标志着火灾自动报警系统首次进入

11、人们的视野。1890年在英国，感温式火灾探测器研制成功并应用于火灾探测系统，标志着火灾自动报警系统的发展走上正轨。此后，随着世界科技取得了突飞猛进的进步和各种新兴技术的出现和发展，火灾监测技术也相应迅速发展，各种类型的火灾探测器相继问世，并日渐完善，火灾自动报警系统也在此基础上逐渐地蓬勃发展起来，其发展过程可以分为以下几个阶段：第一阶段， 从19世纪40年代至20世纪40年代， 火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用的探测器主要是感温式的探测器，它通过采集温度信号，然后判定是否超出设定的阀值，从而判断是否有火灾发生。这一阶段，火灾报警系统简单，仅靠单一的温度参量进行火灾判断。但是它易受环境中其他

12、干扰源的影响，灵敏度低，响应速度慢，无法判断阴燃火灾，也无法满足智能化火灾报警系统的要求。第二阶段，20世纪40年代末，开始了离子感烟探测器的研究。这一研究引起了人们的重视，随后离子感烟探测器得到广泛应用，并逐渐占据了绝大部分市场，迫使感温式探测器退居其次；到70年代末，光电式感烟探测器在光电技术的基础上发展起来，并很快得到大力发展。它的使用寿命长，抗干扰能力强，没有离子感烟探测器的放射性问题。在这一阶段，火灾报警系统普遍采用多线制布局方式，布线、调试、系统可靠性是系统发展的瓶颈。第三阶段，20世纪80年代初期，总线型火灾报警系统开始兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。它

13、使得布线工作量显著减少，安装调试更加容易，更能精确报警定位。但是这一时期的火灾报警系统的智能化水平不高，采用有线连接对工程要求高。第四阶段，从20世纪80年代中后期开始，随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代，智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾自动报警系统相继出现。模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义。近年来，采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的

14、电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制，适用于各类建筑和场所。无线四川师范大学成都学院课程设计报告火灾自动报警系统起初仅用于特殊场合，如博物馆、名胜古迹等不宣布线的场合，而且其价格也比较高。随着科技进步和元器件成本的降低，无线火灾自动报警系统的研发和生成成本也随之降低，它在性能和价格上都具有很强的竞争力。在我国，采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面，一般分为分散式、集中式和

15、分布式，分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成， 由探测节点完成火灾状态的判断；集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向。1.3火灾报警技术的发展趋势在我国，采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面，一般分为分散式、集中式和分布

16、式，分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成， 由探测节点完成火灾状态的判断；集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向。近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到任何电子系统中去，同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以

17、满足社会发展的需求。2火灾报警器系统总体方案设计火灾探测器是消防自动报警的眼睛。它将火灾信号快速传到报警控制器，发出警报信号。火灾报警器要根据火灾的特点、针对保护对象的特点进行选择探测器，四川师范大学成都学院课程设计报告做到安全适用、技术先进经济合理的系统设计。2.1火灾产生的原理火灾是一种失去人为控制的由燃烧造成的灾害，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和点火源。可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常是空气中的氧气。一般可燃物在燃烧时先产生燃烧气体，继而产生烟雾，在氧气充足的条件下就会完全燃烧而产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高，其过程如图2.1-1中

18、曲线所示。 起火过程中， 刚开始会产生大量的烟雾且持续的时间相对较长，而此时现场的环境温度还不是太高没有骤变，若此时烟感传感器感应到了烟雾就可以及时报警并在火势没扩大之前让人们提前预防和撤离，这样就可以把火灾损失控制在最小限度。等到火焰燃烧后，它会快速蔓延，产生大量的热而导致环境温度的升高，若能感受到温度的变化而报警提醒人们就可以比较及时地控制火灾。若以此硬件设计中我会加入温度传感器和烟感传感器配合工作，互补各自的不足，大大的降低了报警器的误报率。2.2系统设计要求根据以上火灾发生过程的分析，对火灾报警器作以下要求：(1)声、光双重报警功能。(2)异常报警功能。当环境出现异常(如烟雾浓度过大或

19、是温度较高)时，能发四川师范大学成都学院课程设计报告出异常报警信号，引起人们注意，尽可能避免火灾的发生。（3）火灾报警功能。一旦真出现火灾（烟雾和温度同时出现异常）时，能立即发出声光火灾警报。3系统硬件设计此次设计是根据火灾发生过程的特点针对于单片机原理及其应用展开的。根据方案设计要求，系统主要由烟感数据采集模块、单片机控制模块、驱动声光报警模块组成。图3-1为系统框架图。图 3-1 火灾报警器系统框架图3.1烟感传感器3.1.1烟感传感器选择烟感探测器可以分为离子感烟探测器和光电感烟探测器，本系统采用的是离子感烟探测器。离子感烟传感器对于烟雾气颗粒检测很有效，它会使两极板间空气分子电离为正、

20、负离子，使原来不导电的空气带电。当火灾发生时，正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上，使正、负离子相互中和的概率增加，这样烟雾粒子浓度大小可以以电流变化量大小表示出来，实现对火灾参数的检测。3.1.2离子式感烟探测器介绍离子感烟式探测器是典型探测器，它是在电离室内含有少量放射性物质（锢-241）,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。图3.1.2-1为离子式感烟探测器。离

21、子感烟探测器有双源双室和单源双室之分，它利用放射源制成敏感元件，并由内电离室KR外电室KM及电子线路或编码线路构成。 双源双室探测器是由两块性能一致的放射源片（配对）制成互相串联的两个电室及电子线路组成的火灾探测装置。一个电室开孔称为采样电离室（或称为外电室），烟可以顺利进入，另一个是封闭电离室，称为参考电离室（或内电离室），烟无法进入仅能与外界温度四川师范大学成都学院课程设计报告相通。在串联的两个电离室两端直接接入直流电源，两电离室形成一个分压室。两电离烟感、温变烟感、温变传感器传感器放大、流波电跆室电压之和等于工作电压，流过两个电离室电流相同。采用内、外电离室串联的方法，是为了减少环境温度

22、、湿度、气压等自然条件对电离电流的影响，提高稳定性，防止误报。V V川二MEME皿图 3.1.2-1 离子式感烟探测器3.2温度传感器3.2.1温度传感器选择温度传感器一般分为定温式和差温式。温度传感器只有在温度发生较为大的变化时才能检测到，而温度突然升高时火灾已经发生，火苗已经出现，所以温度传感器检测不适用于火灾发生的早期，但可在火灾发生时烟雾较少时再次报警，它往往感测的范围较小，一般安装在不宜安装感烟探测器的区域。本文选择的温度传感器是DS18B20DS18B2Q1美国DALLA芥导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。DS18B20T用数据线供电，电压范围为3.0V

23、-5.5V,其测温范围：-55C-125C,固有测温分辨率为0.5C。3.2.2DS18B20工作原理DS18B201美国DALLA评导体公司继DS182必后最新推出的一种改进型智能温度传感器，其实物图如图3.2.2-1。四川师范大学成都学院课程设计报告图 3.2.2-1DS18B20 实物图与传统的热敏电阻相比， 它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式， 可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20t出的信息或写入DS18B20勺信息仅需要一根口线（单线接口）读写，其原理图如图3.2.2-2所示。温度变换功率

24、来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20%电，而无需额外电源。因而使DS18B2W使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS182M了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。U9、DS18B20图 3.2.2-2DS18B20 工作原理图65,7K65,7Kr re eR4.R4.r rarar( (QN3.2.3DS18B20特性四川师范大学成都学院课程设计报告DS18B2QM有以下特性：独特的单线接口方式。DS18B20t微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20勺双向通讯。在使用中不需要任何外围元件

25、。可用数据线供电，电压范围：3.0V-5.5V。测温范围：-55C-125C,固有测温分辨率为0.1C。通过编程可实现9-12位的数字读数方式。用户可自设定非易失性的报警上下限值。负压特性，电源极性接反时，不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.2.4DS18B20注意事项主机控制DS18B2求成温度转换时，在每一次读写之前，都要对DS18B20!行复位，而且该复位要求主CPL将数据线下拉500仙s,然后释放。DS18B20攵到信号后将等待1660心左右，之后再发出60240心的低脉冲。主CPU攵到此信号即表示复位成功。实际上，较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿。由于DS18B20W微处理

26、器间采用串行数据传送方式，因此，在对DS18B20!行读写编程时，必须严格地保证读写时序，否则，将无法正确读取测温结果。对于在单总线上所挂DS18B20勺数量问题， 一般人们会误认为可以挂任意多个DS18B20而在实际应用中并非如此。若单总线上所挂DS18B20过8个时，则需要解决微处理器的总线驱动问题，因此，在进行蓄电池单体多点测温系统设计时该问题要加以注意。连接DS18B20勺总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆且其传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。而将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m,如采用带屏蔽层且每米绞合次数更多的双绞线电缆，则正常

27、通信距离还可以进一步加长。 这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的， 因此，在用DS18B20!行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。3.3单片机芯片的选择单片机是烟感报警器系统最重要的部分，可以说是它的心脏。它用来接收信号并根据判断结果驱动报警装置。51系列单片机的优点是价钱便宜，程序空间大，I/O口多，它是检测系统中比较理想的选择。本设计使用的控制芯片是ATME公司四川师范大学成都学院课程设计报告生产的AT89C51高性能CMOS8微处理器。AT89C5促一个低功耗高性能单片机，片内置通用8位中央处理器（CPU和Flash存储单元，可灵活应用于各种控制领

28、域。40个引脚，2个全双工串行通信口。芯片可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，能反复擦写有效地降低开发成本。本设计主要采用AT89C51E片。AT89C51ft有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM,32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT电路，片内时钟振荡器。3.3.1 AT89C51简介硬件设计中最核心的器件是单片机AT89C51AT89C51是美国ATMEL公司生产的带4K

29、字节FLAS的储器（FPEROMFlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory的低电压、高性能CMOS位微处理器，其实物图如图3.3.1-1。该器件采用ATMEI密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU口闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片

30、内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。图 3.3.1-1AT89C51 实物图四川师范大学成都学院课程设计报告3.3.2 AT89C51管脚功能说明AT89C51共有40个管脚，其管脚分布如图功能。VCC供电电压。GND接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据

31、存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后， 被内部上拉为高， 可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流， 这是由于内部上拉的缘故。 在FLASH程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被

32、外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，103.1.2-1所示，下面介绍各管脚的PL0PL0PL1?LPL1?L2PL3F2PL3Fl.l.4 4PlPl,5PL6,5PL6Fl.7Fl.7RST(RXD)ELRST(RXD)ELC CfTXDlPS.fTXDlPS.】而m mPLPL2 2(NDP(NDP工3T3T518r4.2.1-1 蜂鸣器报警四川师范大学成都学院课程设计报告界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51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。

33、在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。KEILC51标准C编译器为80C51微控制器的软件开发提供了C语言环境，同时保留了汇编代码高效，快速的特点。C51编译器的功能不断增强，更加贴近CP*身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。4.3.2调试步骤(1)源文件的建立：使用菜单“File-New”或者点击工具栏的新建文件按钮，即可在项目窗口的右侧打开一个新的文本编辑窗口， 在该窗口中输入汇编语言源程序。 保存该文件，加上扩展名(.a

34、sm或a51),这里将文件保存为examl1.asm。(2)建立工程文件：点击“Project-NewProject”菜单，出现以个对话框，要求给工程起一个名字，我们输入examl1,不需要扩展名，点击保存按钮，出现第二个对话框。这个对话框要求选择目标CPU(即我们所使用的芯片型号80C51)点击ATME画面的“+”号，展开该层，点击其中的80C51,然后点击确定按钮。回到主界面，此时，在工程窗口的文件页中，出现了“Target1”，前面有“+”号，点击“+”展开，可以看到下一层的“SourceGroup1，这时的工程还是一个空工程，里面什么文件也没有，需要手动把刚才编写好的源程序加入，点击“SouceGroup”使其反白显示，然后，点击鼠标右键，出现一个下拉菜单。选中其中的“AddfiletoGroup”SouceGroup1，对话框，要求寻找源文件，注意该对话框下面的“文件类型”默认为CSoucefile(*.c),也就是以C为扩展名的文件，而我们的文件是以asm为扩展名的，所以在列表框中找不到examl1.asm,要将文件类型该掉，点击对话框中“文件类型后的下拉列表，找到并选中“AsmSouceFile(*.asm,*a51)”，这样，在列表框中就可以找到examl1.asm文文件了。双examl1.asm文件，将文件加入项目，