基于单片机的火灾报警系统的设计与实现-电子与单片机专业毕业设计-毕业论

基于单片机的火灾报警系统的设计与实现摘要烟雾检测报警器可避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，可保障生产与生活的安全，具有广阔的市场空间与发展前景。本论文内容主要对火灾报警控制器的理论做了研究，对系统的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计，并全面阐述了一个能实际应用的火灾报警控制器硬件部分和软件部分的方法和过程。论文设计的烟雾报警器由烟雾信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用NIS-09C型半导体电阻式烟雾传感器和DS18B20温度传感器。NIS-09C是对CO、CO2、煤气等多种烟雾气体有良好敏感特性的半导体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、受环境影响较小等优点。信号经A/D转换传送给单片机，然后对火灾情况进行判断，根据判定情况来决定报警与否，同时对相关信息进行显示。当烟雾的浓度达到设定的浓度时，发出声光报警，或者在温度大于一定值时报警。在系统单片机控制电路的设计上，充分利用了其高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现了仪器的小型化和智能化。以STC89S52单片机和离子型NIS-09C半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、浓度显示、报警限设置、报警时间显示等功能,是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉的烟雾报警器。具有一定的实用价值。关键词：烟雾，报警器，STC89S52，传感器Microcontroller-basedfirealarmsystemdesignandimplementationABSTRCTThesmokedetectoralarmscanpreventfiresandexplosionsandgaspoisoningoccurs,itisafireandexplosionpreventingequipmentthatnecessaryforsafetyproduction,andcanprotectthesafetyofproductionandlife,andhasbroadmarketspaceanddevelopmentprospects.

Thispapermainlyonthestudyofthetheoryoffirealarmcontrol,andmakeadetailedanalysisanddesignofoveralldesignandthevariouscomponents,andacomprehensiveexpositionofthehardwareandsoftwarecomponentsmethodsandprocessesofapracticallyapplicationalfirealarmcontroller.ThesisofthesmokealarmconsistsofsmokesignalacquisitioncircuitandMCUcontrolcircuit.

Accordingtodesignrequirements,theuseofenvironment,costandotherfactors,wechoseNIS-09CtypesemiconductorresistancesmokesensorandDS18B20typetemperaturesensor.NIS-09Cisagoodsemiconductor-sensitivedevicesthatsensitivetoCO,CO2,gasandothergas.Itssensitivityismoderate,withagoodcharacteristicsoftheresponseandrecovery,long-termstability,littleimpacttoenvironmental.SignaltransmittedtothemicrocontrollerafterthroughbytheA/Dconversion,andthenjudgeofthesituationofthefire.Accordingtothejudgement,MCUdetermineswhetheralarmornot,anddisplaytherelevantinformationatthesametime.Whenthechromaofsmokeorthetemperaturereachedthesetvaluelevels,audibleandvisualalarm.AstoMCUcontrolcircuitinthesystemdesign,wemakefulluseofitshigh-speeddataprocessingcapabilitiesandawealthofon-chipperipheralstoachievetheminiaturizationandintelligentoftheinstrumentation.

CenteredwithSTC89S52microcontrollerandionicNIS-09Csemiconductorresistancesensorofthesmokealarm,thissystemcanachievethesoundandlightsmokealarms,concentrationdisplay,alarmlimitsetting,timeofalarmdisplay.Thesystemisasimplestructure,stableperformance,easytouseandinexpensivesmokealarmsandhassomepracticalvalues.KEYWORDS:smokealarm,STC89S52,sensor目录摘要 IABSTRCT II第1章．绪论 11.1概述 11.2发展趋势 11.3现状及特点 21.4本章小结 2第2章．火灾探测器的简介 32.1火灾探测器的分类 32.2火灾探测器的选择 42.3火灾探测器的设置 62.4烟雾传感器的选型 72.4.1烟雾传感器介绍 72.4.2烟雾传感器的选定 102.4.3离子式感烟传感器NIS-09C的简介 102.5感温探测器DS18B20简介 142.6本章小结 16第3章．系统硬件设计 173.1单片机的选择 173.2ADC0832简介 183.3烟雾采集模块 203.4温度采集模块 213.5声光及手动报警模块 213.6显示模块 223.7灵敏度选择模块 223.8本章小结 23第4章．系统软件设计 244.1系统主程序简介 244.2烟雾采集模块程序 244.3温度采集模块程序 264.4声光报警及手动模块程序 264.5显示模块程序 264.6灵敏度选择程序 274.7本章小结 27第5章．总结与展望 285.1系统总结 285.2系统展望 30致谢 32参考文献 33附录 34第1章．绪论1.1概述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。火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一，对人们的生命财产造成极大的危害。随着社会经济的飞速发展，城市化进程的加快，我国的火灾发生次数、造成的损失呈上升趋势。对于火灾，在我国古代，人们就总结出“防为上，救次之，戒为下”的经验。于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失。火灾报警系统就是为了满足这一需求的而研制出来的，它能准确地判断火警、预报火警，从而保障生命和财产安全。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发,他们采用集中区域报警控制方式,其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位,需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探测报警装置,因此,研制一种结构简单、价格低廉的语音数字联网火灾报警器是非常必要的。1.2发展趋势火灾报警系统从发展过程来看，大体可分为三个阶段。第一阶段：多线型火灾自动报警系统。每个探测器除需要提供两根电源线外，还需提供一根报警信号线，探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯。第二阶段：总线型火灾自动报警系统。此系统已采用微处理器控制，一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，其探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整，此类系统可进行现场编程，并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区分，目前国内生产的火灾自动报警系统大多为此类产品，由于此类产品具有报警和控制功能，它的施工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用。第三阶段：智能型火灾自动报警系统。由于采用了先进的计算机控制技术，智能化程度大大提高，探测器的报警形式采用数字量，并可通过软件对基灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。对探测器的使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报。我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪70年代才开始研制生产火灾报警系统产品。二十多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。国外的产品和品牌一统天下，占领中国的大部分市场。由于中国的建设正在飞速发展，市场大的惊人，可幸的是中国企业抓住了机遇，顶住了挑战，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之功。当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚启动。中国企业正虎视眈眈，准备进军海外市场。1.3现状及特点国外一些较发达的国家，具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的消防体系。德、日、美等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。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。消防报警产品是一个系列产品，由触发器件、火灾警报装置以及具有其它辅助功能的装置组成，是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，像消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。1.4本章小结通过以上论述可以看出，我国火灾自动报警装置具有很大发展空间，而且也越来越受到重视。由此提出了本题目：基于单片机的火灾报警系统的设计与实现。第2章．火灾探测器的简介火灾探测器通常又叫做探头，是我们监视保护区域发现火灾的第一线感觉器官。火灾探测器是把火灾发生时燃烧所产生的热量、烟雾、火焰等特性进行“感觉”，并转变为电信号，传给“大脑”——火灾报警控制器，由它来处理判断，一旦信号值大于原来设定的阈值，就立即报警，消防控制室立刻启动其它消防设施扑救火灾。严格说来，这种系统还是一个初步智能系统，它的智能是单向性的。它只在控制机中有智能功能而在探测器中没有智能功能，而真正的智能系统应该是可以根据现场环境自动调整运行参数，具有自我学习和自适应能力等一系列高级功能的系统。尽管目前火灾探测器的实报与误报比例在10:1以下，但是随着火灾自动探测系统应用的日益普遍，其绝对数量不断增加，经常产生误报会降低自动探测系统的可信度，造成不必要的损失，影响它的应用。因此，寻找适当的信号处理算法和探测方式一直是火灾自动探测研究的首要任务。2.1火灾探测器的分类物质燃烧时会释放出热量、光、燃烧气体、还有悬浮在空气中较大的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒。对于普通可燃烧物质的表现形式，首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气供应充分的条件下，才能达到全部燃烧，产生火焰，并散发出大量的热，使环境温度升高，起火过程曲线如图2-1所示：图2-1起火过程曲线如图所示，起火过程中，总是前两个阶段所占有的时间比较长，这是燃烧的开始阶段。如果要把火灾损失控制在最小限度，保证人身不受伤亡，那么火灾的探测器就应该从此阶段开始进行为宜。因为此阶段尽管产生了大量的烟雾，充满建筑内的空间，但环境温度并不高，尚未蔓延发展到严重的程度。l)感温式火灾探测器：火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。感温式火灾探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器。它是将温度的变化转换为电信号以达到报警目的。根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用建筑中的感温式火灾探测器有定温式、差温式、差定温式等几种。感温探测器对火灾发生时温度参数的敏感，其关键是由组成探测器核心部件——热敏元件决定。感温式火灾探测器适宜安装于起火后产生烟雾较小的场所，平时温度较高的场所不宜安装感温式火灾探测器。2)感烟式火灾探测器：火灾的起火过程一般都伴有烟、热、光三种燃烧产物。在火灾初期，由于温度较低，物质多处于阴燃阶段，所以产生大量烟雾。烟雾是早期火灾的重要特征之一，感烟式火灾探测器是能对可见的或不可见的烟雾粒子响应的火灾探测器。它是将探测部位烟雾浓度的变化转换为电信号实现报警目的一种器件。感烟式火灾探测器有离子感烟式、光电感烟式、激光感烟式等几种型式。感烟式火灾探测器适宜安装在发生火灾后产生烟雾较大或容易产生阴燃的场所，它不宜安装在平时烟雾较大或通风速度较快的场所。3)感光式火灾探测器：物质燃烧时，在产生烟雾和放出热量的同时，也产可见或不可见的光辐射。感光式火灾探测器又称火焰探测器，它是用于响应火灾的光特性。即扩散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。据火焰的光特性，目前使用的火焰探测器有两种：一种是对波长较短的光辐射敏感的紫外探测器，另一种是对波长较长的光辐射敏感的红外探测器。紫外火焰探测器是敏感高强度火焰发射紫外光谱的一种探测器，它使用一种固态物质作为敏感元件，如碳化硅或硝酸铝，也可使用一种充气管作为敏感元件。红外光探测器基本上包括一个过滤装置和透镜系统，用来筛除不需要的波长，而将收进来的光能聚集在对红外光敏感的光电管或光敏电阻上。感光式火灾探测器宜安装在有瞬间产生爆炸的场所，如石油、炸药等化工制造的生产存放场所。4）感焰式图像火灾探测技术：感焰型火灾探测器主要检测明火出现的情况，其核心是采集后图像的数字图像处理部分，利用摄像头对现场进行监视，对摄取的视频信号由图像采集卡捕捉为数字图像并输入计算机，根据火灾的图像特征进行处理分析，达到探测火灾是否发生的目的。5)可燃气体探测器：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。可燃气体探测器有催化型和半导体型两种类型。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。半导体可燃气体探测器要用灵敏度较高的气敏半导体元件，它在工作状态时，遇到可燃气体，半导体电阻下降，下降值与可燃气体浓度有对应关系。6)复合式火灾探测器：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火灾探测器的选择1)根据火灾的特点选择探测器：a)火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量热，很小或没有火焰辐射，应选用感烟探测器。b)火灾发展迅速，产生大量的热、烟和火焰辐射，可选用感烟探测器、感温探测器、火焰探测器或其组合。c)火灾发展迅速、有强烈的火焰辐射和少量烟和热、应选用火焰探测器。d)火灾形成特点不可预料，可进行模拟试验，根据试验结果选择探测器。2)根据安装场所环境特征选择探测器：a)相对湿度长期大于95%，气流速度大于5m/s，有大量粉尘、水雾滞留，可能产生腐蚀性气体，在正常情况下有烟滞留，产生醇类、醚类、酮类等有机物质的场所，不宜选用离子感烟探测器。b)可能产生阴燃或者发生火灾不及早报警将造成重大损失的场所，不宜选用感温探测器；温度在0℃以下的场所，不宜选用定温探测器；c)有下列情形的场所，不宜选用火焰探测器：①可能发生无焰火灾；②在火焰出现前有浓烟扩散；③探测器的镜头易被污染；④探测器的“视线”易被遮挡；⑤探测器易被阳光或其他光源直接或间接照射；⑥在正常情况下，有明火作业以及X射线、弧光等影响。3)根据房间高度选择探测器在不同高度的房间设置火灾探测器时可参照表2-1的规定：表2-1点型感烟、感温火灾探测器的实用高度房间高度(m)感烟探测器感温探测器一级二级三级12<h20不适合不适合不适合不适合8<h12适合不适合不适合不适合6<h8适合适合不适合不适合4<h6适合适合适合不适合h4适合适合适合适合总之，探测器选择应根据实际环境情况选择合适的探测器，以达到及时、准确报警的目的。综合考虑使用场所、成本等因素，选择感烟式火灾探测器和感温探测器DS18B20。2.3火灾探测器的设置1)探测区域内每个房间至少应布置一只火灾探测器。2)感烟探测器、感温探测器的保护面积和保护半径应该满足表2-2的规定：表2-2感烟、感温探测器的保护面积和保护半径火灾探测器的种类地面面积S（m）房间高度h(m)一只探测器的保护面积A和保护半径R房间坡度θA（）R()A（）R()A（）R()感烟探测器S≤80h≤12806.7807.2808.0S>806<h≤12806.71008.01209.9h≤6605.8807.21009.0感温探测器S≤30h≤8304.4304.9305.5S>30h≤8203.6304.9406.33)一个探测区域内所需设置的探测器数量，应由下式计算：(2-1)式中：N—一个探测区域所需设置的探测器数量(只)，N1(取整数)；S—一个探测区域的面积(m2)；A—一个探测器的保护面积；K—修正系数，重点保护建筑K取0.7～0.9，普通保护建筑K取1.0。4)在宽度小于3m以内的走廊顶棚上设置探测器时宜居中布置。感温探测器的安装间距L不应超过10m，感烟探测器的安装间距L不应超过15m，探测器至端墙的距离不应大于探测器间距的1/2。5)探测器至墙壁、梁的水平距离不应小于0.5m，并且探测器的周围0.5m内不应有遮挡物。6)房间被书架、隔断、设备等分隔且至顶棚或梁的距离小于房间净高5％时，则每个被格开的部分至少安装一只探测器。7)探测器宜水平安装，如必须倾斜安装时，倾斜角不应大于45°，当屋顶坡度θ大于45°时，应加木台或类似方法安装探测器。2.4烟雾传感器的选型烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。2.4.1烟雾传感器介绍1)烟雾传感器的分类烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：a)利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。b)利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。c)利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。2)烟雾传感器应满足的基本条件一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：a)能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；b)对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；c)对检测信号响应速度快，重复性好；d)长期工作稳定性好；e)使用寿命长；f)制造成本低，使用与维护方便。3)常见烟雾传感器简介下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍：a)半导体烟雾传感器半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。b)固体电解质烟雾传感器固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中有优势。c)接触燃烧式传感器当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持300℃~d)高分子烟雾传感器利用高分子气敏材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。e)电化学传感器电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性烟雾检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。f)热传导传感器热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。g)红外传感器红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR(non-dispersiveIR)是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃烟雾(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。4)常见烟雾传感器可检测烟雾种类由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。表2-3简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。表2-3各种烟雾传感器可检测的烟雾种类传感器种类COHCNHCl半导体气体传感器○○○○○固体电解质传感器○接触燃烧式传感器电化学式传感器○○○○○高分子电解质气体传感器○○注：○好◎不太好2.4.2烟雾传感器的选定烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单、使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。在这个设计中采用NIS-09C型离子感烟传感器。2.4.3离子式感烟传感器NIS-09C的简介1)离子感烟传感器的组成常见的离子感烟传感器主要由内外两个电离室为主构成。外电离室(即检测室)有孔与外界相通，烟雾可以从该孔进入传感器内；内电离室(即补偿室)是密封的，烟雾不会进入。内外两个电离室是串联的。如图2-2所示。图2-2离子式烟雾传感器的连接方式图2-3传感器等效电路图A电极——通常与电源(+9V)相连。B电极——接地线端。C电极——收(收集烟雾等)集电极，作信号输出端。当外电离室有燃烧生成物和烟雾进入时，部分正离子和负离子被吸附到燃烧生成物和烟雾颗粒上(燃烧生成物与烟雾颗粒比离子大1000倍左右)，故其在电场中的移动速度就会比原来的速度慢，而且在移动过程中正负离子中和的机会也将增多，也就是离子电流会相应地减小。烟雾数量较多，离子电流也越小，相当于等效电阻增加。在另一方面，由于内电离室是密封的，无烟雾粒子进入，离子电流是恒定的。由于离子感烟传感器中的内外电离室是采用串联连接方式(如图2-2所示)，外电离室的等效电阻是变化的(随烟雾而变)，可等效为一只可调电阻RP，而外电离室等效，电阻R是不变的，故图2-2电路又可以等效为图2-3的形式。这两个等效电阻串联后将E分压提供给后级电路供控制电路使用。当无烟雾时，图2-2电路中的A点电压约为0.5E。当有烟雾时，外电离室的离子电流减少，等效电阻增加，由于RP的变化使A点电位降低。电位降低的大小与烟雾的数量成比例关系，有烟雾与无烟雾时，两者在A点的电位差可以达到1V以上。2)离子感烟传感器的原理离子感烟传感器的工作原理为：P1和P2是一相对的电极，在电极之间放有放射源镅-241，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(即电子)，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称为电离室，如图2-4所示：图2-4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2-5所示。图2-5电离电流和电压的关系电离室又可分为双极性和单极性两种。整个电离室全部被射线所照射，电离室内的空气都被电离，这种电离室称为双极性电离室。所谓单极性电离室，是指电离室局部被射线所照射，使一部分形成电离区，而未被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质不同区域。如图2-6所示。这个非电离区称为主探测区。图2-6单极性电离室示意图一般离子感烟器的电离室均设计成单极性的，因为当发生火灾时，烟雾进入电离室后，单极性电离室要比双极性电离室的电离电流变化大，也就是说可以得到较大的电压变化量，从而可以提高离子感烟探测器的灵敏度，在实际的离子感烟探测器设计中，是将两个单极性电离室串联起来，一个作为检测电离室(也叫外电离室)，做成烟雾容易进入的结构；另一个作为补偿电离室(也叫内电离室)，做成烟粒子难进入而空气又能缓慢进入的结构形式，如图2-7所示。图2-7检测电离室和补偿电离室示意图电离室采用这种串联的方式，主要是为了减少环境温度、湿度、气压等自然条件的变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境使用能力和稳定性。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。3)NIS-09C的特征参数NIS-09C是离子式烟雾传感器，内部使用了微量的放射性物质镅-241。但传感器本身被金属制电极所覆盖,放射能决不会泄露。NIS-09C属于低功耗广普型传感器,可用9V电池带动。火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。NIS-09C烟雾传感器能探测CO2、CO、a)检测方式：离子型，一源两室

b)放射源：放射元素：镅-241放射量：平均33.3KBq.=0.9uCi(29K——37KBq)

c)工作环境：电源电压：DC6.0-18.0V,最大24V,温度：0—50℃,最大-10——60℃,温度95%,保存温度：-25—80℃,温度95%

d)典型特性参数：电源电压：DC9V,输出电压：5.6+0.4V,电流损耗：27+3pA,灵敏度：0.6+0.1Ve)平衡电位：5.6±0.3Vf)测量范围：0.6±0.1V在雾底2%部位(以UL217标准测量)g)灵敏度特性(风速0.1M/s)如表2-4：表2-4灵敏度特性烟雾浓度（%/英尺）输出电压（V）误差（V）05.60.4015.30.50.30.125.00.50.60.134.70.50.90.244.40.51.20.254.20.51.40.2 h)电源电压特性如表2-5：表2-5电源电压特性电源电压（V）输出电压（V）63.30.395.60.4128.00.71510.00.851813.01.02.5感温探测器DS18B20简介温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20实现。DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。DS18B20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9～12位的数字值读数方式。并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,因而使用DS18B20可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、分辨率等方面带来了令人满意的效果。1)DS18B20的特性如下：a)独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯；b)简单的多点分布应用；c)无需外部器件；d)可通过数据线供电；e)零待机功耗；f)测温范围-55～+125℃，以0.5℃递增。华氏器件器件-67～+257℉g)温度以9位数字量读出；h)温度数字量转换时间200ms(典型值)；i)用户可定义非易失性温度报警设置；j)报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件；k)应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感系统。其引角电路如图2-8所示：图2-8DS18B20测温电路2)DSI8B20的测温功能的实现：其测温电路的实现是依靠单片机软件的编程。当DSI8B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的0，1字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。温度值格式如表2-6表2-6DS18B20温度值格式表LSByteMSByteSSSSS3)温度转换算法及分析由于DS18B20转换后的代码并不是实际的温度值，所以要进行计算转换。温度高字节(MSByte)高5位是用来保存温度的正负(标志为S的bit11～bit15)，高字节(MSByte)低3位和低字节来保存温度值(bit0～bit10)。其中低字节(LSByte)的低4位来保存温度的小数位(bit0～bit3)。由于本程序采用的是0.0625的精度，小数部分的值，可以用后四位代表的实际数值乘以0.0625，得到真正的数值，数值可能带几个小数位，所以采取小数舍入，保留一位小数即可。算法核心：首先程序判断温度是否是零下，如果是，则DS18B20保存的是温度的补码值，需要对其低8位(LSByte)取反加一变成原码。处理过后把DS18B20的温度Copy到单片机的RAM中，里面已经是温度值的Hex码了，然后转换Hex码到BCD码，分别把百位，十位，个位的BCD码存入RAM中。2.6本章小结综合以上分析，考虑成本、使用环境、传感器性能等多方面因素，此设计选择用NIS-09C型离子式半导体电阻式烟雾传感器。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、受环境影响较小等优点。温度传感器采用DS18B20。第3章．系统硬件设计火灾报警系统选用Atmel公司的AT89S52作为主控制器，它是一款低功耗、高性能的8位单片机，具有8K可编程Flash存储器，与89C51系列产品完全兼容。系统将烟雾传感器测得的电压信号通过比较器转换为数字信号，然后输入单片机处理。单片机分析该信号后可以声光报警，还带有时钟功能，对报警时间计时。系统框图如图3-1系统框图3.1单片机的选择单片机，又称微处理器，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。目前市场上的单片机从数据总线宽度上来分主要有8位机、16位机、32位机，其中，32位单片机近年来在信号分析与处理、语音处理、数字图像处理等数字信号处理运用领域得到了广泛的运用。但在工业测控现场，占主导地位的还是8位机和16位机。生产单片机的厂商有很多，尤其是近年来微电子技术、计算机技术的飞速发展，比较著名的有Intel、Philips、Microchip、Motorola、Zilog、Atmel等半导体企业。其中运用较多的是Intel公司的MCS-51系列和Microchip公司的PIC系列单片机。近年来，随着Intel公司对8031内核的公开以及半导体企业在关键技术上的相互渗透，不仅Intel公司，而且Philips、Atmel公司等企业目前都生产MCS-51系列的CPU。单片机是火灾报警系统的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎，STC单片机和AT单片机在接口上基本是一样的，但芯片内部由于公司设计有些许差别：1)内部硬件结构不同，一般STC的同类型单片机资源比AT的多，执行速度也快。2)STC单片机内部集成了看门狗电路。3)STC单片机烧写方便，只需使用232接口芯片便可以直接烧写，而AT单片机是用并口烧写，需要不同的烧写转换电路。其中STC89S52有如下特性：1)与MCS-51单片机产品兼容；2)8K字节可反复擦写(>1000次)ISPFlash存储器；3)32个双向I/O口；4)三级加密程序存储器；5)128×8bit内部RAM；6)双数据寄存器指针；7)6个中断源；8)全双工UART串行通道；9)低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒；10)看门狗(WDT)定时器。综上所述，我们选用STC89S52单片机。图3-2单片机引角图3.2ADC0832简介ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片，它体积小，兼容性强，性价比高。ADC0832具有以下特点：8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在0～5V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32S；一般功耗仅为12mW；8P\14P—DIP(双列直插)、PICC多种封装；商用级芯片温宽为0℃到70℃，工业级芯片温宽为-40℃芯片引角说明，如图3-3所示：图3-3ADC0832引角图片选使能，低电平芯片使能。CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。GND芯片参考0电位(地)。DI数据信号输入，选择通道控制。D0数据信号输出，转换数据输出。CLK芯片时钟输入。VCC/VREF电源输入及参考电压输入(复用)。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。单片机对ADC0832的控制原理：正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATD0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。3.3烟雾采集模块图3-4烟雾采集模块烟雾传感器NIS-09C的输出为模拟信号，其输出电压经ADC0832转换为8位二进制数字信号，然后经单片机P1.0口输入单片机。考虑到要在多个房间进行探测，可设置多个传感器探头，这个设计中设置了四路探测信号，将其余三路用开关代替。另有四个指示灯，与四路探测信号相对应，如果有一路信号探测出有火灾信号，相应的指示烟点亮。3.4温度采集模块图3-5温度采集模块DS18B20的数据输出端接单片机P1.1，其对应的指示灯接在P1.5。3.5声光及手动报警模块图3-5声光及手动报警模块扬声器接在单片机P3.7，报警烟接P3.0。探测器探测到火情后，单片机控制P3.7输出高电压，三极管Q1导通，扬声器发声，同时报警灯闪烁。P3.2接手动按钮，可以人工报警。3.6显示模块图3-6显示模块图3-7共阳极7段数码管显示模块采用七段数码管，显示报警时间和烟雾浓度、温度。数码管段选接单片机P0口，位选接P2口。报警时间显示分和秒，探测温度精确到1℃3.7灵敏度选择模块图3-8灵敏度选择模块如图所示，该模块采用一个单刀双掷开关进行灵敏度的选择，两个端分别接在单片机P3.3和P3.4，设置烟雾浓度分别为2%/英尺、4%/英尺。灵敏度可调节的实用意义在于系统应用在有风的环境中时，将灵敏度调高可更早一步探测烟雾信息，减少火灾引起的损失。3.8本章小结根据题目要求选择所需芯片并设计了各模块的硬件电路。系统分为五个模块：烟雾采集、温度采集、显示、声光及手动报警、灵敏度选择。第4章．系统软件设计4.1系统主程序简介图4-1系统流程图整个软件分为三大部分：主程序、子程序、定时程序，其中主程序调用子程序实现烟雾采集、温度采集、手动报警、显示等功能，定时程序实现声光报警及计时功能。4.2烟雾采集模块程序该模块主要是芯片ADC0832的编程，其时序图如图4-2：图4-2ADC0832时序图由于ADC0832的数据转换时间仅为32S,所以A/D转换的数据采样频率可以很快，从而也保证某些场合对A/D转换数据实时性的要求。数据读取程序以子程序调用的形式出现，方便了程序的移植。ADC0832数据读取程序流程：图4-3ADC0832数据读取程序流程图烟雾传感器输出电压大于ADC0832的输入电压，因此将ADC0832的模式选择为差分输入，负输入端IN-为3V。4.3温度采集模块程序该模块主要是DS18B20程序，其流程图如图4-4所示：图4-4DS18B20测温流程本设计中设置温度超过454.4声光报警及手动模块程序报警程序写在定时程序中，以实现1S钟扬声器响一次，指示灯闪烁一次。主要语句如下：if(temp10<baojingzhi||TC2==0||TC3==0||TC4==0||(aj%2==1)) {LAM=1; tcount++;if(tcount==20){tcount=0;second++; SPK=~SPK; LAM=~LAM;} }else{LED1=0;LED2=0;LED3=0;LED4=0;LAM=0;second=0;minite=0;}手动报警按钮的功能为按奇数次报警，按偶数次停止报警。4.5显示模块程序显示分为三部分：时间、ADC0832输出的电压、烟雾浓度。由ADC0832输出的是8位二进制数，然后经程序转换为实际电压值显示，其分辨率为0.0196V，在这精确到0.1V。程序为：temp1=ADC_read(0x00); temp10=temp1*196/1000+30;P2=weima[i]; P0=display_code[time[i]];i++; if(i==2||i==7)DISX=0; if(i==6)P0=display_code[10];浓度显示根据烟雾传感器NIS-09C的灵敏度特性编写程序，如：if((i==5)&&(temp10>=56))P0=display_code[0];4.6灵敏度选择程序灵敏度设置了两个值，通过改变报警值来实现，只有两句程序：if(SWH1==0)baojingzhi=53;if(SWH2==0)baojingzhi=47;分别对应浓度值为2%/英尺、4%/英尺。4.7本章小结经过反复实验和调试，将各模块程序编写完毕，实现了基本的功能。实际上各模块程序并不独立，与其它部分相互渗透，共同完成整体功能。第5章．总结与展望5.1系统总结在PROTUES中对火灾报警系统进行了仿真，仿真结果如下：图5-1无火警信号时仿真结果图5-2有烟雾时报警图5-3温度过高时报警由此可见，此设计实现了多路探测报警、显示时间、地点、温度等功能，基本上