单片机煤气自动报警排烟装置

绪论1.1设计背景随着社会的发展，人们的经济水平和生活水平也日益提高，随之而来，计算机开始普及并且信息技术得到迅猛发展，于是，人们不再满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，不但希望住宅便利、舒适而且要更安全。于是，智能化系统就被引入了家庭及住宅小区，并开始迅速遍及世界各地，家庭住宅小区是否智能化，安全系统是否完备、可靠成为评价小区的重要指标。本文旨在设计一种可以智能防火的报警系统，它能实现的功能包括能对火灾进行自动报警和能对偷盗实行自动报警。1.2国内外研究概况现在世界各国都在致力于研究和开发能早期预报火灾的火灾探测方法和设备，如利用神经网络所具有的自学习和自适应等特点，就可组成智能火灾探测系统，提高火灾探测系统的检出率，增进系统的可靠性。在我国，小区安全防范报警系统已成为智能小区中实现安全管理的重要系统，根据我国建设部的规定，主要包括电视监控、防盗报警、求救求助、煤气泄漏报警、消防报警等内容。该系统是一种比较完善的安全防范系统，通过在可视对讲的基础上，不断扩展主机功能，增设室内分机用于接收室内各探测器的报警信号。室内分机有多个探测器接口，可接收感烟探测器、温度探测器、红外及微波探测器、煤气泄漏探测器等传来的报警信号。我国智能住宅安防系统相对国外来讲，是有较大差距的。现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门，虽有一定的防盗作用，在灾害发生的情况下，使逃生更加困难。另外，小区安全措施不足；居民安全意识有待增强；安全防范系统也急需普及。可以预见，智能住宅、智能小区将成为21世纪建筑业的发展主流。特别是在我国，随着人们生活水平的日益提高，住宅小区是否智能化，安防系统是否完备、可靠将成为评价住宅小区的重要指标。1.3研究意义火灾报警系统设计规范的制订适应了消防工作的实际需要，不仅为广大工程设计人员设计火灾自动报警系统提供了一个全国统一的、较为科学合理的技术标准，也为公安消防监督管理部门提供了监督管理的技术依据。这对更好地发挥火灾自动报警系统在建筑防火中的重要作用，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，保卫社会主义现代化建设，具有十分重要的意义。

2系统设计方案2.1设计方案本设计方案是利用AT89C52单片机监控传感器信号来判断防火和防盗情况，并且作出相应的回应，以达到能时时预防在意外发生的时候作出及时的防范措施。设计由两个部分组成：信号监视部分和信号处理部分。信号监视部分根据设计任务的要求，主要是用于防火的温度传感器。温度传感器设定有一个极限值，当温度超过这个上限时，系统检测电路就会输出一个低电平的温度信号。红外线发生器发出某频率的红外信号给红外接收器，一般情况下，发生器和接收器之间是没有物体阻挡的，接收器接到的信号就是连续的，而当它中间有物体阻碍时，接收器接到的信号就会出现一个信号跳变，这时接收器就会输出一个低电平信号给单片机说明有进入该区域。信号处理部分是为承接上下两部分而存在的，它的工作是对单片机接受监视部分发过来的信号来做相应的处理，并调用相应部分的程序来处理突发情况。本文将介绍该报警器的主要功能及特点，详细阐述该报警器的工作原理、硬件、软件设计思想及其实现过程。2.2设计原理2.2.1光电感烟火灾探测器（1）光电感烟探测器工作原理光电感烟火灾探测器是利用烟对红外光线的散射原理来探测火灾初期阴燃阶段产生的烟雾，探测器的工作原理图。图2-1探测器的工作原理图光电传感器由砷化稼红外发光二极管和红外光电二极管组成，红外光传感器固定在黑罩板内，红外发光二极管发射一束红外光，当无烟雾时，由于黑罩板的阻隔作用，这束红外光线不能射到红外光电二极管上，当有烟雾进入探测器时，红外光线遇到烟雾粒子，产生了光散射现象，散射的红外光线被红外光电二极管接收，转化为电信号，电信号通过放大、滤波、比较电路、输出报警信号，再通过地址编码电路送到控制器处理、鉴别、发出火灾报警信号，同时探测器确认灯点亮。由于电路中采用了调制、滤波和编码电路，大大提高了稳定性和可靠性。（2）光电感烟火灾探测器的设计红外光源采用砷化稼发光二级管，光敏元件采用红外光电二极管，电路采用调制式红外光电电路，发射电路使用脉冲调制驱动电路，接收电路采用调试光接收电路。这种电路对提高光电器件的使用寿命、降低电路功耗、抗外界干扰和消除噪声影响等均有好处。在发射电路中，采用了温度补偿电路，设计合适的补偿参数，补偿了温度变化对探测器输出信号幅度的影响。在变换电路中，采用I-V变换，红外光电二极管的使用方法采取短路法，其优点是：（1）电路时间常数小，频率特性好；（2）信号有很好的光电线性和大的动态范围；（3）输出信号不包括暗电流，对探测弱光有利。调制光电信号经过变换电路、放大电路和滤波电路后，输入电压比较器与报警闽值电压进行比较，然后通过地址编码电路，再送到控制器判断是否是火灾信号。2.2.2感温火灾探测器物质在燃烧过程中，释放出大量热，使环境温度升高，探测器中的热敏元件发生物理变化，将物理变化转变成的电信号传输给火灾报警控制器，经判别，发出火灾报警信号。感温火灾探测器种类繁多，这里仅根据其感温效果和结构形式举些例子说明其工作原理和应用情况。（1）定温式探测器。定温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时启动报警的火灾探测器。它有线型和点型两种结构。其中线型是当局部环境温度上升达到规定值时，可熔绝缘物熔化使两导线短路，从而产生火灾报警信号。点型定温式探测器利用双金属片、易熔金属、热电偶热敏半导体电阻等元件，在规定的温度值上产生火灾报警信号。（2）差温式探测器。差温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。它也有线型和点型两种结构。线型差温式探测器是根据广泛的热效应而动作的，点型差温式探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温器件是空气膜盒、热敏半导体电阻元件等。（3）差定温式探测器。差定温式探测器结合了定温和差温两种作用原理并将两种探测器结构组合在一起。差定温式探测器一般多是膜盒式或热敏半导体电阻式等点型组合式探测器。

3系统硬件总体设计3.1系统总体设计结构框图本设计集防火功能于一体，可实现自动检测和自动报警。其中，红外探测器实现盗情报警，温度探测器实现火情报警。系统由信号检测、区域控制和报警控制等几部分组成。最底层的是探测器和执行设备它们负责各种异常信号的采集和转换，同时向区域控制器发送信息。区域控制器再向报警控制中心计算机传送所负责区域内的报警情况。设计包括硬件部分和软件部分。其中，硬件部分包括单片机控制电路、红外探头电路、驱动执行报警电路、LED控制电路等组成部分[3]。处理器采用52系列单片机AT89C52芯片，整个系统是在系统软件控制下工作。结构图（如图3.2所示）。键盘控键盘控制电路温度报警电路AT89S52控制电路蜂鸣报警电路液晶显示电路图3.2防火报警器电路结构图3.2单元电路设计3.2.1控制器控制器主要是对输入信号进行处理。控制器包括主控制器和现场控制器，主控制器是根据现场控制器通过串口传输的不同信息的状态，输出对应的控制信号，从而控制声光报警电路和数码管驱动电路的工作，是整个主动红外报警电路的核心。从控制器是对现场的信息进行处理并将处理的结果传递给主控制器。主控制器和现场控制器均采用AT89C52单片机。AT89C52简介：AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-52指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。主要功能特性：32个双向I/O口·256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz2个串行中断·可编程UART串行通道2个外部中断源·共8个中断源2个读写中断口线·3级加密位兼容MCS52指令系统·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能其引脚功能如图3-1：图3-1AT89C52引脚图这里的控制器包括现场控制器和主控制器，它们的流程图见软件设计部分。3.2.2红外线发射电路由于仿真中不含红外发射头，现运用普通二极管替代红外发射管，发射管在出厂测试时一般会给予直流50mA,对应的Vf约为1.3V,一般给予直流驱动不得高于100mA，电流选择50mA，根据欧姆定律，其限流电阻约为75Ω，其简易示意图如图3-2：图3-2红外发射电路3.2.3红外线接收电路由于仿真中不含红外接收头，现运用分立元件对其功能进行模拟。红外接收头现在都是一体化接收头，即包含接收、放大、整形电路。运用信号源模拟接收到的微弱信号，假设是5mv.再运用741和电阻组成的同相比例运算放大器，同相比例运算电路的优点是其输入电阻高，缺点是共模输入电压不为0。因为要把微弱信号取出来，那么输入阻抗就要比较大，所以选择同相比例运放电路。而利用施密特触发器不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效的消除。所以选择同相比例运算电路和施密特触发器组合即可以提高输入电阻，又可以解决同相比例运算放大电路的共模输入电压不为0的情况。-+ui-+uiR1=1kRf=999kRuo图3-3同相比例运算电路A=1+Rf/R1，通过计算可知该电路将信号Ui放大1000倍。这时收到的信号Uo是模拟的原始信号，波形变换缓慢，幅度连续变化，将放大的信号接入由电阻、电容、555组成的施密特触发器，该施密特触发器为反向传输的施密特触发器，正向阔值电压和负向阔值电压分别为：VT+=2/3VccVT-=1/3Vcc当输入电压上升至2/3Vcc=2/3×5=3.3V，下降至1/3Vcc=1/3×5=1.67V时，输出波形将分别发生由高至低和有低至高的跳变。运用该施密特触发器对波形进行整形，这时输出的就是规则的宽窄方波。电路如图2-3：图3-4红外接收电路图上图中R2（1）模拟接收到的微弱信号，555的引脚3输出经过整形后的波形。3.2.4开关模拟输入电路开关电路用于把手动的按钮操作转换成电信号，替代红外传感器发出检测信号，总共两个，分别是一同接在P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.5、P2.6、P2.7（除了P2.4）的SW1和接在P2.4上的SW2。SW1表示的是由七个红外接收管传来的信号。为了防止类似落叶这样的干扰，程序应当设计为至少有两条红外发射线被遮挡时系统才认为有非法入侵，发出警报。SW2的引入目的是表示自己的系统不会因为只触发一个红外传感器而出现报警情况。SW2接入低电平时表示只有一个探测器被触发，根据仿真，当只有一个传感器被触发时系统不会发生报警，所以程序运行正确。电路图如下：图3-5开关模拟输入电路3.2.5数码管驱动电路本电路中的数码管显示电路用于报警器报警时显示发生入侵的路数代码。根据电子参考手册，所选的3mm数码管额定电流为1-10mA,选择5mA。额定电压为1.9V,而单片机的输出额定电压是5V,所以需要限流电阻，根据欧姆定律I=U/R，可知数码管的限流电阻大约是0.6k.数码管显示运用查表法，所以电路简单，就只有数码管的各个引脚通过限流电阻与单片机的引脚按数码管共阴还是共阳连接即可，本电路选用共阴数码管。电路图如图3-6：图3-6数码管驱动电路3.2.6声光报警电路声音报警电路由一个小型电动式扬声器并联一个10µF的电容组成，直接连接在P2.1上即可。要发出警报声，只需在P2.1口加入个方波信号。光报警信号就是让LED不断闪烁，只要在P2.0加上方波信号即可。方波信号的子程序如下：for（u=0；u<10000；u++） { faguang=1； for（t=0；t<50；t++） { fasheng=1； delay（）； fasheng=0； delay（）； } faguang=0； for（t=0；t<50；t++） { fasheng=0； delay（）； fasheng=1； delay（）； } }voiddelay（）{intk,l; for（k=0；k<2；k++） for（l=0；l<2；l++）；} 由于程序在判断红外探测器的状态是否变换时需不停的采集数据，现为简单起见，直接将生成数据检测的频率用来发声，声音在1000HZ左右，符合人的听力范围。由于报警电路除了发声外还要求发光，而发光的频率不能像声音那样，否则光的闪烁频率太大，人眼辨别不出来，基于此，先让光点亮，然后发一段声音让灯熄灭，再让灯停止点亮，停止点亮的间隔是和上面扬声器发声的时间是相同的，这样就实现了简单的声光报警。电路图如图3-6：图3-7声光报警电路扬声器采用旋转式绕线方式，在电路中并联一个电容是为了中和线圈通电时所表现出的电感性。电容的值取典型值5µF。3.2.7主控制器与现场控制器的数据传输电路要实现控制器之间的数据传输可以由以下两个方案实现：方案一：使用无线数传模块。将主控制器与现场控制器通过无线电进行连接，其综合成本低，只需一次性投入，不需要埋管，安装周期短、维护方便，方便移动，但是无线传输有较强辐射，尤其是本报警器是以居民小区应用为基础来设计的，长期辐射对人体有害，加上居民小区楼比较高且靠得紧，障碍物比较多，实现起来比较困难。方案二：使用有线传输。主控制器与现场控制器通过有线传输，通过RS-485总线实现，实现功能的MAX487芯片价格便宜，传输距离远，距离达到1200米左右，完全胜任工作要求，有线传输速度快，带宽宽，无辐射，但是不便于移动。基于上面的分析，由于小区安装不需移动，居民强调环保，还有方案一在居民楼区数据传输难以实现，，基于此，本课题选择方案二。电路图如图3-7：图3-8主控制器与现场控制器的数据传输电路3.2.8其它附属电路1、时钟电路：时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式，本设计采用内部时钟方式，电路如左图所示，选用12MHz的晶体振荡器，C1、C2取典型值30pF。2、复位电路：单片机的复位方式也有多种，本设计采用按键复位方式，如下图所示。复位只需按图中的开关，此时电源经过电阻R1、R2分压，在RST端产生一个复位高电平。晶体振荡频率为12MHz，电阻只需R2>>R1，取典型值R1=200Ω，R2=1kΩ，C=22uF。3、电源供电电路：红外报警系统的电源是家用的220V交流电压，而芯片需要的电压为5V直流，所以需要对电压进行转变。电源供电电路的作用是将家用220V交流电压转变为5V直流电压。如图5所示，输入的220V交流电压经变压器转变为8V直流电压，再经桥式整流，将交流电转换成脉动直流电，经电容滤波、稳压后，输出5V直流电压，供芯片和其它元器件使用。因为需要5V的直流电压，所以稳压器可以选CWL7805，该型号的稳压器为5V三端固定稳压器，输入电压为7～35V，最大输出电流IOM=1.5A,最大输出功率POM=7.5W。根据稳压器的输入电压要求，可选用阻抗比初级：次级＝220：15的变压器，输出15V交流电压。根据对整机电路功率的估算，电路的功率达到近4W，所以桥式整流电路中的整流二极管需选用整流电流大的型号。ICZ55A-M的最大正向整流电流为1A。经过桥式整流后，还需要经过C1电容滤波。家用电是50Hz的低频电压，需要用大容量电容滤波，选用3300µF的铝电解电容CD10，其单位元体积电容量特别大，而且价格便宜。C2用于抑制CW7805的自激振荡，一般取0.33µF。C3用于压窄CW7805的高频带宽，减小高斯噪声，一般取0.1µF。其电路图如图3-11：图3-11电源供电电路78057805T+AC220VINOUT+－DC5Vc1c2c3INCOM3.3安装调试步骤1．按照元器件清单选择元器件和一块通用板，将所选器件分类，并标记好器件值，安装时方便取用。2．在通用板上初步布局，分配好各个单元电路的位置。3．将各元器件按整机原理图排布在通用板上，相通的引脚用导线相连。4．检查。对单元电路块进行逐一检查，确认连接正确。5．焊接。确认连接无误后，用电烙铁和焊锡将各引脚焊好在通用板上。6．再次检查。用万用表测试电路中是否有虚焊、错焊、漏焊、短路、挂锡现象。7.先不接线，检查电源电压是否正确，检查无误后，关闭电源再接线，确定没有接错的情况下，打开电源，观察有无异常现象，有异常情况（包括电源电压显著下降，芯片发热，组件冒烟等），立即关闭电源，查找原因直至排除。8.对单元电路进行检测。8.1检测电源电路。将示波器接电源电路的输出端，接入220V交流电压，示波器上可以观测到输出为＋5V的直流电压。8.2检查复位电路。检查复位时RST端瞬间电压的幅度是否接近5V，隔一小段时间后电压是否接近0V，若是，则复位电路正常。8.3检查放大电路。检测放大电路的输入与输出的关系，拟定输入的电压是5mv,放大倍数是1000倍，用示波器测量放大器的输出的幅度是否接近5v，波形是否正常。8.4检查施密特电路。用双踪示波器的双通道对施密特电路的输入输出进行比较，检查施密特电路的作用是否正常。8.5检查开关模拟输入是否正确。8.6检查MAX487的电平是否正确。8.7检查LED显示电路是否正确。9.对整机电路进行测试。

4系统软件设计部分4.1软件程序框架图当从DS18B20读取数据时，主机生成读时间隙。当主机把数据线从高电平拉到低电平时，写时间隙开始。数据线必须保持至少1μs，从DS18B20输出的数据在读时间隙的下降沿出现后15μs内有效。因此，主机在读时间隙开始后必须停止把I/O脚驱动为低电平15μs，以读取I/O脚状态。在读时间隙的结尾，I/O引脚将被外部上拉电阻拉到高电平。所有读时间隙必须最少60μs，包括两个读周期间至少1μs的恢复时间[2]。DSl8B20工作过程协议如下：初始化ROM操作命令存储器操作命令处理数据，然后再对ROM进行操作命令，例如，总线主机检测到DS18B20的存在可疑发出ROM操作命令之类的这些指令。软件设计流程图（如图4.1所示）。图4.1系统软件设计流程结构图4.2软件程序主控制器程序：#include<reg52.h>unsignedchari,m,t,u,j=0，x=0，y=0，flag=0；unsignedchartable[8]={0x7f,0x6f,0x77，0x7c,0x39，0x5e,0x79，0x71}；//8，9，A,B,C,D,E,Fsbitfaguang=P2^0；sbitfasheng=P2^1；voiddelay（）；voidmain（）{ fasheng=0； faguang=0； SM0=0； SM1=1； //设置为串口工作方式1 REN=1； //允许串口接受 TMOD=0X20；//设置定时器1工作方式2（8位自动重装） TH1=0Xe8； TL1=0Xe8；//设置计数初值，波特率为1200B TR1=1； //定时器开始计时 EA=1； ES=1； //开中断 while（1）；//等待中断 }voidser（）interrupt4 //串口中断{RI=0； //中断清0 switch（x） { case0：{if（SBUF==0） { SBUF=1； x++； } elseSBUF=0； while（!TI）； TI=0； break; } case1：{i=SBUF;x++； break; } case2：{table[j]=SBUF; y^=SBUF; //异或校验码 j++； if（j==i） x++； break; } case3：{if（y==SBUF）//比较发送过来的校验码和上面的校验码是否相同 SBUF=2； else{SBUF=03；x=1；y=0；} while（!TI）； TI=0； flag=1； x=0； break; } } if（flag==1） { P1=table[m]； for（u=0；u<10000；u++） { faguang=1； for（t=0；t<50；t++） { fasheng=1； delay（）； fasheng=0； delay（）； } faguang=0； for（t=0；t<50；t++） { fasheng=0； delay（）； fasheng=1； delay（）； } } } flag=0； TI=0；//（产生了中断要清除）}voiddelay（）{intk,l; for（k=0；k<2；k++） for（l=0；l<2；l++）；}现场控制器程序：#include<reg52.h>#defineucharunsignedcharucharflag0=0，flag1=1，flag2=1，m=2，x;uchartable[]={0x3f,0x06，0x5b,0x4f,0x66，0x6d,0x7d,0x07}；//0，1，2，3，4，5，6，7uchari,j,z;intb=0，s=0；uchartemp[8]；uchara[8][8]；voiddelay（intz）；voidmain（）{ SM0=0； SM1=1； //设置为串口工作方式1 REN=1； //允许串口接受 TMOD=0X20；//设置定时器1工作方式2（8位自动重装） TH1=0Xe8； TL1=0Xe8；//设置计数初值，波特率为1200B,降低传输速率能有效提高传输距离 TR1=1； //定时器开始计时 P1=0；//将红外发射管打开 for（i=0；i<=7；i++） { temp[i]=P2； delay（2）； //延时0.14ms,采集数据8次 }for（j=0；j<=7；j++）//j表示的是第几位，i表示的是采集的第i组数据，每组数据包含8位 { for（i=0；i<=7；i++） { a[j][i]=temp[i]&0x01；//取出第i组数据的第一位 temp[i]=temp[i]>>1；//为取出下一组数据做准备 } for（i=0；i<=7；i++） {s=a[j][i]+s； }//将每组数据的同一位加起来 if（s==0） {//若s=0的话说明没有收到发射头发射的信号，即有人挡住了 b++； } s=0； } if（b>=2）//如果至少有两条被遮住{ flag0=1；}while（flag0）{ while（flag1） { SBUF=0； //发送呼叫信号0； while（!TI）； //等待发送完成 TI=0； //清除中断标志位 while（!RI）； //等待接收从机应答信号 RI=0； if（SBUF==1） //持续呼叫，直到应答信号是01 { flag1=0； } } while（flag2） {SBUF=1； //发送数据长度 while（!TI）； //等待发送完成 TI=0； SBUF=table[m]；//发送数据 x^=table[m]； //生成异或校验码 while（!TI）；//等待一个字节数据发射出去 TI=0； delay（z）； SBUF=x;//发送异或校验码 while（!TI）；//等待发送完成 TI=0； while（!RI）；//等待从机应答信号 RI=0； if（SBUF==2） { flag2=0； } } } }voiddelay（z） //延时函数0.14ms{inte,y; for（e=z;e<=10；e++） for（y=0；y<=2；y++）；}

5系统联调5.1仿真本文利用Proteus进行仿真，仿真步骤如下：1.在Proteus接口上画出整机原理图。2.在Keil-c进行程序的编译，产生HEX文件。3.将HEX文件导入到Proteus中的单片机中，保存设置。4.运行电路，检查是否有错误。若出现错误，仔细检查软、硬件，修改出现的错误，直到运行过程符合预期值。以下是仿真过程的截图，图上显示了输出线路上的高低电平状态，截图为彩图，输出（输入）为高电平时，输出（输入）端显示红点，低电平显示蓝点。图5-1警戒电路图图5-1是proteus的仿真截图。它是报警器的警戒状态图，此时数码管无显示，声光报警电路没有启动。图5-2报警电路图图5-2是报警器的报警电路图，当有人非法入侵时，电路发出声光报警，具体表现是主控制器的二极管发光并闪烁，扬声器发出刺耳