火灾报警系统设计

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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可怜况的火灾在发生，也正是由于这个原因，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MQ-2、ADC0832模数转换器以及温度传感器（型号为DS18B20），以及用STC89C51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醒可能发生火灾险情，让处于建筑物的人们能够及时逃命。

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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，譬如温度探测法、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)灯光报警功能：一般状况下，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约的方向，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。

火灾报警系统寻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。一般状况下，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，以及其他的大量技术指标。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更换，都更加便利；

(2)功耗低：供电尽量选择5号干电池或5v的电源。

(3)可靠性:好多时候，系统可能存在不稳定的状况，由于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。

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系统的组成结构如下：

AD烟雾采集模块按键模块复位电路晶振电路

单片机液晶显示模块声光报警提醒模块温度采集模块共III页第II页

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3系统的硬件设计

总体电路

图3.1

由上图3.1显示，protel99se软件绘制出了上图，proteus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，一旦烟雾数据超过临界值，报警器的红灯就会亮

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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CMOS8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Flash编程的8K存储器。对于单芯片来说，也具备在系统能够编程Flash和八位的CPU，唯有如此，才能让STC89C51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Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，复位电路MAX810，定时器/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，STC89X51能够被降低到0Hz静态规律操作，这个时候两种软件都可以选择节能mode。当系统在空闲mode，CPU不再工作，RAM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RAM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STC89C51的主要功能，下图2展示了DIP的封装表1：STC89C51主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统32个双向I/O口3个16位可编程定时/计数器中断2个串行中断2个外部中断源2个读写中断口线低功耗空闲和掉电模式4K可反复擦写FlashROM256x8bit内部RAM时钟频率0-24MHz可编程UART串行通道共6个中断源3级加密位软件设置睡眠和唤醒功能STC89C52引脚介绍①主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源GND(Pin20)：接地线②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③控制引脚（4根）共III页第II页毕业设计用纸

RST/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。④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（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7作频率35Mhz，6T/12T可选。

U11234567891011121314151617181920P10P11P12P13P14P15P16P17RESETP30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P36WRP37/RDX2X1GNDSTC89C52VCCP00P01P02P03P04P05P06P07EA/VPALE/PPSENP27P26P25P24P23P22P21P204039383736353433323130292827262524232221图3.2STC89C51DIP封装图

要实现一个火灾报警系统的最小的核心系统，主要是需要单片机适合他工作的主要的周边环境，譬如电源、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繁杂功能得以实现，就要存储扩展单片机，或者扩展A/D。

ROM/EPROM芯片存在于STC89C51中，这个芯片能够简化和稳固系统，尽管它十分小。与此同时，当STC89C52单片机接到时钟和复位两个电路的时候，由此组成的系统

十分之小，下图2-3为结构示意，但好多时候集成度会影响最小系统的应用，譬如只能作为一些小型机的控制器。

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图3.2单片机最小系统原理框图

(1)时钟电路

STC89C51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XTAL1(18)和

XTAL2(19)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

STC89C51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，5~30pF为其电容区间，30pF为其典型值。

1.2~12MHz这个振荡频率区间是晶振CYS的可选范围，典型值分别是12MHz和6MHz。

图3.4STC89C51内部时钟电路(2)复位电路

当且仅当STC89C51单片机的RST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，假使这个引脚能够一直都在高电平保持住，那么STC89C51就能够一直复位再复位地循环。

好多上电自动复位电路都不是很繁杂，上电自动复位的实现需要依靠外部复位电路的电容充放电。当且仅当Vcc有小于1ms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。一般状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RST(9)端与电源Vcc。

图3.5STC89C51复位电路

（3）STC89C51中断技术概述

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作为实时监控的主要技术，中断技术需要单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觅服务请求上消耗好多的时间成本。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ADC0832，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。

3.2.1MQ-2介绍

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MQ-2型气体传感器具备好多特性，能够抗争强干扰，普通的干扰，譬如烟雾和水气都

无法影响MQ-2，其主要功能是对城市煤气、自然气、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：

⑴广泛的探测范围⑵高灵敏度／快速响应恢复⑶优异的稳定性／长寿命⑷简单的驱动电路

3.2.2ADC0832介绍

ADC0832是一种A/D转换芯片具备八位分辩率和双通道。ADC0832以其小体积，高

兼容的优势深得广大顾客的爱好，是当前实用率最高的一种单片机。要想深入地去了解A/D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ADC0832的相关知识学习并实践。

ADC0832的分辩率为八位，且从分辩的角度考量，它的极限是256级，对于普通的模拟

量转换指令都能够实现。

ADC0832的参考电压的复用和内部的电源输入都可以让使0~5V变成芯片的模拟电压

输入的范围。32μ2是其芯片的转换时长，要想使数据的误差减小，加强转换性能，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，多器件挂接才更加简单，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靠DI数据输入端轻而易举地实现。

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，显示得更加明白明白，即使是在夜晚都可以看明白。其编写驱动程序也更加简易，能够被普遍使用。但是也存在好多问题，譬如扫描显示方式的方法是五个LED需要依次变亮，所以闪烁的状况时有发生，但是这种闪烁不易被人眼发现，由于一般人类的肉眼只能看到大于20MS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，其次套方案对于数据的显示更加具有美感，可以显示出好多，无论是数字，还是符号和图案，LED的数码管根本不具备这种优点。可是，这种方案也优缺点，由于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。

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3.4声光报警提醒电路

图3.9声光报警提醒电路

3.4.1灯光提醒电路

=LightEmittingDiode，中文的意思是发光二极LED英文单词的缩写，主要含义：LED管，LED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

根本上进行了一次白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的技术革命。根据试验数据可知，LED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LED的不同的色调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，蜂鸣器浮现出一种一体化的结构，采用直流电来提供电能，在好多电气设备中的发声原件都有应用，譬如计算机、警铃等。该设备主要有两种类型，分别为压电式和电磁式。寻常，在电路中使用字母“H〞或“HA〞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，其次部分是共鸣箱，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发光二极管。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Q1来实现，三极管的饱和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。

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3.5温度采集电路

GNDDQVCCU2DS18B20233+5GNDR1610K图3.11温度采集电路

DQ3.5.1DS18B20概述

要想对这些产品以