【红外火灾检测报警系统的设计8000字（论文）】

PAGEIV红外火灾检测报警系统的设计摘要随着科学技术的迅速发展，火灾的隐患也随之大大增加，市场对于火灾报警系统的要求也越来越高。但随之而来的是火灾的发生频率及其带来的危害、损失也不断增加。因此，火灾检测控制系统的重要性尤为突出。本文设计了一套基于增强型51单片机的火灾预警系统，重点设计基于AT89S51单片机应用的防盗、防火报警器,并引入模块化设计的思想,从而使整个系统更经济、简洁、实用，设计完成了火灾探测器部分和报警控制器部分的智能火灾报警系统。以红外光谱，温度和烟雾作为判断火灾的依据，完成了对火灾的预警。火警探测器部分采用多路传感器电路的探测方式，负责对防火工程的温度、烟雾信息进行检测和预处理，完成了RS485与单片机的串口电路设计以及单片机、传感器、以及外围电路的设计。关键词：火灾检测；报警系统；混合传感；控制器目录摘要 IABSTRACT II目录 III第一章前言 11.1研究背景 11.2研究意义 21.3智能型火灾报警系统的总体方案 2第二章智能型火灾报警系统硬件设计 12.1单片机的选用 12.2单片机AT89C51最小系统模块 22.2.1时钟模块电路 22.2.2复位电路 22.2.3振荡电路 32.2.4单片机电源的设计 42.3外接采集节点模块电路 42.3.1显示电路 42.3.2键盘电路 62.3.3报警电路 72.4火灾采集传感器选用 82.4.1红外传感器 82.4.2烟雾传感器 92.4.3温度传感器 10第三章火灾报警系统实现的软件设计 113.1单片机编程语言 113.2各模块的功能程序实现 113.2.1系统主程序流程 113.2.2系统显示流程 123.2.3温度采集子程序 133.2.4报警子程序设计 143.2.5红外采集子程序 143.2.6单片机中断处理函数 15第四章系统焊接与测试设计 174.1火灾系统终端的焊接 174.2电路测试 174.3仿真与验证 18结论 20参考文献 21PAGE22第一章前言1.1研究背景科技飞速发展,各式各样的电子产品更是层出不穷,日常生活中的大部分都涉及到。科学技术作为第一生产力在生产中起到了很大的推动作用,人类社会从原始到现在都伴随着它的进步。火灾已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。因此，设计简单实用的火灾报警控制系统有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义。火灾报警控制器是一种能接收、显示和传递火灾报警等信号的报警装置，它是火灾报警系统的主要组成部分。火灾报警探测器是监视周围环境状况的“感觉器官”，而火灾报警控制器则是系统的“神经”、“大脑”，是整个系统的核心。火灾报警控制器担负着监视探测器及系统自身的工作状况、处理火灾探测器输出的报警信号、进行声光报警、指示报警的具体部位、时间及执行相应的辅助控制等任务。单片机问世以来所走的路与微处理器是不同的。微处理器向着高速运算、数据分析与处理能力、大规模容量存储等方向发展，以提高通用计算机的性能。其接口界面也是为了满足外设和网络接口而设计的。单片机则是从工业测控对象、环境、接口特点出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。因此，单片机有着自己的特点，主要是:品种多样，型号繁多。为了提高火灾检测效率，克服传统传感器对火灾检测方法单一、不及时等问题，本文研究的是采用单片机为主机的防火防盗报警系统,实现了对火灾盗情的实时报警,用单片机控制提高了效率,达到了更先进的预防效果。对及时发现安全隐患,并发出警报,实时灭火防偷,挽回经济损失有着良好的实际意义。1.2研究意义本文研究的是采用单片机为主机的防火报警系统,实现了对火灾盗情的实时报警,用单片机控制提高了效率,达到了更先进的预防效果。对及时发现安全隐患,并发出警报,实时灭火防偷,挽回经济损失有着良好的实际意义。智能安防体系将是我国未来智能住宅建筑发展的重点方向,而防火、防盗报警器又是当前报警技术领域的热点,因此开发出能适应当前市场需求的,低价位的、可靠性较高的、操作简单的报警系统具有非常重要的现实意义。1.3智能型火灾报警系统的总体方案（1）该设计主要包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、显示和报警模块功能。（2）红外防盗报警系统由热释电红外传感器、智能语音报警，单片机控制电路，控制电路和相关的控制管理软件。（3）键盘主要起到方便使用者的功能，使用者可以根据键盘的使用说明以及自己的需要来按下按键从而达到自己的目的，键盘的设计简洁大方，这样很好的实现人机交互。（4）显示屏幕主要是显示使用者所按下的按键所对应的数字，让使用者能够更加直观的明白远程控制车辆在当前情况下所进行的工作。（5）89C51是远程控制语音播放器的核心控制部件，单片机的可编程性以及便于操作的特性都决定了使用AT89C51的核心控制作用。检测火灾信号，当有火灾时，热释电红外传感器来检测火灾情况，设置监控红外探测人体辐射的红外光谱转换成电子信号，放大电路、比较电路、开关的阈值，打开阀门的阈值TTL电平AT89S51单片机，单片机驱动处理操作执行后报警电路发出警告的声音。如果有火灾发生会自动触发传感器，实现灾情报警通知。第二章智能型火灾报警系统硬件设计2.1单片机的选用微处理器AT89C51单片机作为主要控制器，是ATMEL公司生产的低电压，高绩效CMOS8有4k字节flash单片机可擦只读程序存储器和获取数据128字节的随机存取内存(RAM)，设备采用ATMEL公司的高密度非易失存储器技术，生产，和标准MCS-51指令，8-芯片，通用汽车的中央处理单元(CPU)和闪存细胞相容性[[]刘炳云,卢大伟,王庆,万德钧.基于GSM的GPS车辆监控系统及报警状态下的通信实时性分析[J].测控技术.2001(08)][]刘炳云,卢大伟,王庆,万德钧.基于GSM的GPS车辆监控系统及报警状态下的通信实时性分析[J].测控技术.2001(08)图2.1最小系统图2.2单片机AT89C51最小系统模块2.2.1时钟模块电路DS1302是一个高性能、低功耗实时时钟芯片DS1302和微控制器连接只需要三行，采用三线SPI接口与CPU同步通信发送时钟信号或多个字节的RAM中的数据。在此系统中，AT89C51单片机为主要设备，DS1302的设备和从设备接收数据，发送数据。DS1302为每一位读者需要16个时钟脉冲，8地址前脉冲输入操作和写命令。DS1302读取和写入实时数据，用于定时控制照明灯具的启停。本次系统设计中系统时钟所采用的晶振为50MHz的有源晶振，活跃的晶体主要使用3.3V直流电源，该电源系统时钟电路[[]刘文东,蔡茂国,杨淑雯.DSP芯片原理与设计[J].深圳大学学报.2001(01)]。经实际电路测试，该时钟电路可以稳定输出50MHz[]刘文东,蔡茂国,杨淑雯.DSP芯片原理与设计[J].深圳大学学报.2001(01)图2.2时钟模块硬件电路图2.2.2复位电路在MCS单片机系列，广泛使用复位电路如图2.3所示，其有效时间就持续24个振荡周期以上才能完成复位操作[[]蒋文怡,王虹英,钟章队.GSM短消息传输时延及其对GPS定位数据传输的影响[J].移动通信.2001(02)]。RST销复位信号输入，复位信号的有效高度，RST有一定宽度的脉冲，可以有效地实现电动自动复位和手动复位[[]钱涛.GPS在食品物流配送路径优化中的应用分析[J].中国商贸.2011(03)]。在12MHz时钟时，通常C7可取22μF，R2可取1kΩ，需持续2μ[]蒋文怡,王虹英,钟章队.GSM短消息传输时延及其对GPS定位数据传输的影响[J].移动通信.2001(02)[]钱涛.GPS在食品物流配送路径优化中的应用分析[J].中国商贸.2011(03)图2.3复位电路随着时间的增加，电容电压值增加缓慢，和RST销上的电压逐渐降低，当RST销的电压值降至较低水平，单片机恢复正常，呼吁电动复位。2.2.3振荡电路单片机内部有一个高增益、反相放大器芯片销XTAL1输入，其输出XTAL2销。通过两个别针在芯片和石英晶体振荡器和两个电容(电容和通用pf33)。从而形成一个稳定的自激振荡器。二进制频振荡电路脉冲后系统时钟信号，然后根据二进制频率三点啤酒信号频率，接收到的信号，当机器周期。振荡电路如图2.4所示：图2.4振荡电路2.2.4单片机电源的设计utu2410-S-V3.02410开发板电压设计采用5V输入主板，经电压稳压，提供I/O端口需要的电压3.3V。要核心板上采用稳压模块供CPU内核电压（2.5V或1.8V）电源电路如图2.5所示。LCD的CCFL背光使用12v电源控制电路，稳压电源直接提供的，地板使用5v电源电路，稳压电源直接提供的。图2.5电源电路设计图12V转5V2.3外接采集节点模块电路2.3.1显示电路液晶显示采用LCD12864，这样就算是在不使用计算机的情况下，控制系统系统也能正常运行，并且能具有直观的可视性。使用该模块模式灵活的界面和简单和方便的操作指令，可以在中文构成了人机交互式图形界面[[]王洪山.基于GIS/GPS的车辆监控在企业关务系统中的应用[J].信息与电脑(理论版).2011(02)][]王洪山.基于GIS/GPS的车辆监控在企业关务系统中的应用[J].信息与电脑(理论版).2011(02)图2.6液晶显示LCD12864电子图组成的液晶显示器(LCD)的模块方案并与类型的图形点阵液晶显示模块，无论硬件电路结构或显示程序更简洁，和这个模块的价格略低于相同的点阵图形液晶模块。LCD12864的主要管脚如表2.1所示：表3.1LCD12864管脚说明管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3-5V电源正3VD-对比度调整4RSH/LRS=“H”，表示DB7——DB0为显示数据RS=“L”，表示DB7——DB0为显示指令数据5R/WH/LR/W=“H”，E=“H”，数据被读到DB7——DB0R/W=“L”，E=“H→L”，DB7——DB0的数据被写到IR或DR6EH/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC-空脚17RSTH/L复位端，低电平有效18NC-LCD驱动电压输出端19BLAVDD背光源正端（+5V）20BLKVSS背光源负端下图是显示原理图2.7：图2.7LCD显示原理图本系统可以通过键盘来设置车辆定位信息的运动状态，具有良好的人机交互功能。2.3.2键盘电路本设计采用单片机控制器处理，按键是采用行列式键盘。键盘是最常见的人机接口设备，微机控制器通过键盘可以输入各种操作指令和数据，单片机控制器捕捉关键信息，与单片机控制器进行相应的处理[[]杨新夺.基于网络GPS的物流动态调度系统应用分析——以泉州大物流网络建设为例[J].中国商贸.2011(08)]。与单片机控制器的PO口相连，八个键盘分别控制步进电机的运行情况，其中P0.0控制电机的开启和停止，P0.2控制电机的转向，P0.4控制电机加速，每按一次，按键控制电路采用八个按键开关，速度增加一个等级，直到最高的速度等级。P0.6控制电机减速，若速度为最低等级，则速度保持不变，否则每按键一次，速度减少一个等级。本设计中，我们采用4*4键盘进行对电路的设定。4*4[]杨新夺.基于网络GPS的物流动态调度系统应用分析——以泉州大物流网络建设为例[J].中国商贸.2011(08)图2.8键盘示意图2.3.3报警电路本系统中的报警模块包括上位机监控中心报警和火灾控制器报警模块。蜂鸣器报警原理比较简单，单片机对IO口P3.0和3.1进行控制。报警信号电路由单片机控制，该系统使用发光二极管和蜂鸣器报警，传感器检测闯入时，响应单片机蜂鸣器报警。当RE200B检测到信号，经BIS0001处理，传给单片机，单片机将P3.0和P3.1口输出低电平，蜂鸣器工作，LED灯亮达到报警的效果。报警电路如图2.9：图2.9蜂鸣器与单片机的接口电路图2.4火灾采集传感器选用2.4.1红外传感器热释电红外传感器RE200B，红外传感器工作原理与红外线有关，当环境温度改变时，这样可以相互抵消，避免出现检测误差。红外热释电晶体可以停止不需要或其他光进入传感器，其结构如图2010所示。它是使用一个红外传感器测量的物理性质，热释电红外传感器的内部热释电晶体的极化现象，并随着温度的变化。另外，两个晶体的参数会同时发生变化，该传感器使用时，D端接电源正极，S端为信号输出、G端接电源负极。图2.10红外传感器结构图图2.11热释电红外传感器内部结构示意图实现对单片机外围电路的控制，如电磁阀控制水阀电路，液晶显示淋浴时间等。红外采集电路如图2.12：图2.12红外采集电路2.4.2烟雾传感器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AT89C51单片机，进而由AT89C51单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。根据探测烟颗粒的原理不同，感烟火灾探测器可以划分为离子感烟火灾探测器和光电感烟火灾探测器两种类型。感烟火灾探测器能够俘获和阻挡燃烧粒子；而光电感烟火灾探测器对光线具有散射和吸收作用。本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。图2.13有co气体检测电路图2.4.3温度传感器感温火灾探测器选择DS18B20数字温度传感器，它具有体积小，精度高，硬件开销低，抗干扰能力强等特点。多个DS18B20可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。温范围-55℃~+125℃，固有测温分辨率0.5℃。DS1820采用3脚TO-92封装或8脚50封装，管脚排列如图2.14所示：图2.14DS18B20的引脚率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作;当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。本次设计采用第二中供电方式，他与单片接的链接如图2.15。图2.15温度传感器DS18B20与单片机连接图第三章火灾报警系统实现的软件设计3.1单片机编程语言汇编C语言是单片机编程语言的一种重要形式，也是最常用的在今天的单片机开发人员程序开发的语言形式。汇编语言是一种替代机器语言的编程语言。汇编语言的特点是每个指令助记符。并进行目标程序、检查修改程序中的错误，对程序运行结果进行分析，直到正确为止。3.2各模块的功能程序实现3.2.1系统主程序流程根据系统硬件设计和电路原理，根据硬件连接和每个模块的特点和功能芯片实现，初始化，包括红外模块输入端口，端口输入/输出的单片机、串行端口输入/输出和短消息模块的输入端口。软件部分的设计主要由主程序，程序开始运行的第一个程序初始化每个部分，然后读取数据，时间延迟，液晶显示，存储和其他地区，连接整个系统作为一个整体。主程序的流程是通过红外模块接收火灾信息，然后传送到单片机进行A/D转换。整体方案方框图如图3.1所示。图3.1系统总流程图3.2.2系统显示流程因为通过模数转换模块，使单片机的数据以16进制储存于寄存器当中，为了让LED显示需要转换为BCD码。本次采用软件消抖，通过调用子程序延时来解决，可以很好地解决单片机的抖动问题。驱动HD7279驱动HD7279选择段、位码LED显示数据传输YNLED闪烁LED闪烁≤2m≥15m图3.2LED显示子程序流程图3.2.3温度采集子程序温度传感器DS18B20遵循严格的通信协议，主机使用时间隙来读写DS18B20的数据位，主机和从机之间的通信可通过3个步骤完成，分别为初始化单总线器件、识别单总线器件和交换数据。由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问单总线器件都必须严格遵循单总线命令序列，即初始化、ROM、命令功能命令。如果出现序列混乱，单总线器件将不响应主机(搜索ROM命令，报警搜索命令除外)。读取温度流程图如图3.3所示：图3.3DS18B20流程图3.2.4报警子程序设计蜂鸣器在其两个保险丝只有3至15v直流电压，可以产生大约3KHZ的声音蜂鸣器振动。可以使用一个晶体管驱动程序。报警程序设计如图3.4所示。驱动报警电路驱动报警电路报警鸣音不报警判别触发信号YN图3.4报警程序流程图3.2.5红外采集子程序IR-IN是将红外线信号译码的子程序，其输出结果为4字节数据。红外线信号译码数据是存放在变量IRCOM处，占用连续4字节的内存空间，并以R0寄存器间接寻址方式做存取。图3.5红外采集子程序流程图3.2.6单片机中断处理函数当8279扫描到有按键按下时，本设计主要用到了单片机的中断系统。键值存储，IRQ针输出高水平中断，通知相关的单片机处理。（如图3.6所示）。当A/D开始转换送入的模拟电压时，INTR端为低电平，转换完成后，INTR端变成高电平，通过反相器变成低电平使单片机89C51产生外部中断，进入中断处理程序。读取键值读取键值点亮相应发光二极管分析键值来源YN置位相应状态变量图3.6中断处理中的相关操作第四章系统焊接与测试设计4.1火灾系统终端的焊接在焊接的过程中，要注意以下几点：1．元件在应该在焊接安装前，仔细检查组件模型，第一脚标记，方向，极性，电阻的阻值，电容的容量等项功能，否则一旦焊接，就很难拆除。2．首先焊接高度低的元件。3．焊接的时间不能太长，否则会损伤PCB板和元件。4．在焊接过程中，我们要认真焊接每一个焊点，避免短路，虚焊等情况的出现。5．实验板焊接完成之后，还要清除焊点周围的助焊剂残余物，防止对电路板产生不必要的干扰。图4.1RE200B红外感应模块实物图片4.2电路测试使用万用表测量每个销和焊点，检查是否正常。在测量的过程中，我们发现有一个封锁和漏焊。在漏焊的情况下，补焊措施，再次和脱焊，焊接。焊接后可对电路板电源进行测试。通电之前，检查焊接好电路板，确保焊接。没有调试电路元件，只要组件，连接是正确的，通常可以正常工作。1.用万用表分别检测电阻、二极管、电容和集成电路。2.元器件的引线成型及插装。3.按技术要求和焊盘间距对元器件的引脚成形。4.在印制电路板上插装元器件。插装时应注意一下事项。5.电阻和涤纶电容无极性之分，但插装时一定要注意电阻值和电容值，不能插装错。6.电解电容和发光二极管有正负极之分，插装是要看清楚极性。7.插装集成电路和传感器时要注意管脚。4.3仿真与验证联机仿真必须借助仿真开发装置、示波器、万用表等工具。这些工具是单片机开发的最基本工具。信号线是联络单片机和外部器件的纽带，如果信号线连结错误或时序不对，那么都会造成对外围电路读写错误。51系列单片机的信号线大体分为读、写信号线、片选信号线、时钟信号线、外部程序存贮器读选通信号（PSEN）、地址锁存信号（ALE）、复位信号等几大类。这些信号大多属于脉冲信号，对于脉冲信号借助示波器（这里指通用示波器）用常规方法很难观测到，必须采取一定措施才能观测到。对电路进行模拟仿真以观察电路的性能参数，打开multiuse软件在软件里画好仿真图，点击仿真按钮，观察电路的现象是否符合设计要求，更改后在进行电路模拟仿真，重复以上步骤直到电路仿真与设计要求相符合。电源电路的仿真效果图如图4.2。图4.2电源电路仿真收集在红外热释传感器信号(即开关)，说这种情况是正常的。其仿真效果图如图4.3所示。图4.3未采集到信号有火灾发生即发出报警信号，红外线热释电传感器采集到信号(即开关闭合)后，表示，其仿真效果如图4.4所示。图4.4报警效果图红外热释传感器采集信号在一段时间内(即开关关闭，然后断开)，表示有灾情发出信号报警，其仿真效果如图4.5所示。图4.5报警效果图结论论文论述了火灾探测的原理，并设计了以感温、感烟和CO气体传感器相结合的探测方法，使对环境参数的探测更准确。另外将探测器的数