基于AT89S51单片机的中小型单位火灾事故报警的智能物联网报警器设计

第1章引言1.1选题背景我国每年发生火灾几十万起，因此烟雾报警器存在十分广阔的市场。未来，烟感报警器将向着智能化发展。并且随着万物互联的发展，烟雾报警器将能够多终端实时推送火灾警报，从而让附近的人能第一时间采取措施。日后，能否及时进行火灾报警以及是否多功能多种因素将成为判断一个智能火灾报警器好坏的标准。1.2研究现状科学技术的快速发展，智能化，网络化，规模化，多样化，灵敏度较高，已经成为无限信息技术的发展方向。从当前的情况来看,火灾预警信息系统面临不少困难,包括信息内容不统一,电子化水平差,系统报错,自动化水平低下,抗干扰能力弱等。1.3研究的目的及意义发展环境:由于我国有关政府支持智慧消防,以及应急管理部的建立,标志着消防产业将向大规模、专业化方向加速发展;市场需求:从市场需求上分析,由于国民经济的稳步增加和经济社会发展日益繁荣,对社会消防安全意识的也将大大增强,并由此推动了市场开拓。据我国权威部门的预计,二零二零年中国消防行业报警器设备市场五规模将超过四百六十四亿,消防报警设备市场将占中国全部消防产业的百分之十四点五。同时由于我国经济的迅速发展，扩大消防产业市场规模，提高人民群众消防意识，增加消防报警设备，是急需的。使产业规模维持在百分之十五-百分之二十的稳定增长;产业发展的新趋势:快速发展的物联网与智能技术使得跨界合作给消防信息化带来了大规模的应用信息市场。消防产业的技术创新和发展，使得AI、互联网大数据分析等高新技术相互融合。消防产业的发展边界也将进一步拓宽,从而产生全新的消防行业。

第2章烟雾报警系统的方案选择与论证2.1系统总体功能概述用信息采集儿、单片机测控模块儿、无线发射接受系统儿、声光报警控制器、构成了烟雾报警装置。监测环境中必须有烟雾感应器模块和温度传感器系统,并同时把所监测到的数据传送给控制器,控制系统才能分析周围环境中是否具有火情。如下图2-1总体设计总框图所示。图2-1总体设计总框图本设计是一种可以对监测点进行即时监视、告警的智能烟雾告警控制系统。智能烟雾报警控制系统,是集信息检测、传递、管理、报警功能为一身的综合控制系统。本设计主要特征为,利用由stc89c51单片机、MQ-2烟气感应器和DS18B20温度传感器等组成的模块,设计以实现烟气监测和声光报警的功能。2.2单片机的选择方案一：PIC系统单片机。PIC单片机具有比普通微控制机更高的程序执行的零。它由微芯片技术公司在一九八九年提出,是一个八的单片机控制器。当时人们认为,单片微型机不过是处理器,内存和外置于同一个存储器中的组合。而PIC单片机控制器以类似的形式,由一个RAM和数百个ROM用来存放所要编程的ROM,以及一个I/O接口,一个具有八个插针的在存储器中的定时器所构成。优势:由于PIC单片机的核心采用了RISC结构,所以运算效率比较高;提供了与模拟装置之间的轻松连接;拥有低廉的功耗。劣势:较少的指令条数会提高程序的长度;它通常只含有一个累加器。方案二：AVR系统单片机。AVR单片机具有较先进的技术特点。AVR全系列的单片微型计算机都能够使用在线编程接口,在较多的AVR单片机上都有存在,在单片微型计算机的I/O接口有了更强大的驱动能力,驱动继电器、LED等元器件时能够使用更大密度的灌电流,这样还能够省去了驱动电路,降低系统成本。AVR单片式微型电脑,通常使用了低功率、非挥发性的CMOS工艺技术生产,除拥有低功率、高密度的特性以外,还支援了低电流的联机Flash能力,和EEPROM输入成功能力。方案三：MSC-51系列单片机。位处理器拥有按位控制系统中是从硬件到程序，负责对象采用按位数。这套按位控制系统可以对片内某种特定功能或者辅助寄存器中的数能够加以管理，传输，置位，清零检测等功能，还可以实现位的逻辑计算。其能力非常全面,运用来说也得心应手;并且在片内RAM区域中还特意设置了一种双重操作的位置区域,应用非常灵活多样,这一特点无疑地为用户带来了很大的便利;乘除指令,这为程序也提供了方便。51单片机缺陷:如AD、EEPROM等特性必须靠扩展,加大了硬件和软件压力;51系列单片机的最大软肋就是I/O脚使用简便,仍旧存在高高电平时无输出能力,这也是;计算速率过慢,尤其是双数据指针时,若能修改就可为程序提供极大的方便;这种单片机的防护能力较差,容易损坏芯片。51嵌入式单片机成为目前使用最通用的8bit单片机之一。在单晶芯板上,有着更灵巧的8个CPU以及在系统可编程flash,所以STC89C51能够为许多的嵌入式控制技术应用操作系统,创造更多灵巧、超高效的产品设计。优先选择STC89C51单片机作为本系列的主要控制器STC89C51的引脚图如图2-2所示。图2-2STC89C51引脚图2.3烟雾传感器选型2.3.1烟雾传感器的介绍烟雾传感器是物联网智能烟气检测仪的关键组成部分它比传统感应器更安全,并且反应速度也更快。而现在,人们能够利用在SmArtSmokeDevices内放置的其他感应器来去除来自灰尘,零烟雾以及烹饪时的虚假警报,这样将可以提供更精确的反应并提供给智慧型手机的全流程控制。而烟气感应器则是属于气敏传感器,原理是全气-电流转换器,它先将可燃成分气体在空气中的含量信号(即浓度)转化成代表气压和电流的信号,随后再经过A/D变换集成电路将仿真量转换成数值量后再输入数字单片机,从而由单片机实现进行数据分析、浓度管理和告警监测等各项工作。感应器用作烟雾检测报警器的主信号采音部门,是仪器的重要核心组成之中。由此可见,感应器的选型是相当关键的。2.3.2烟雾传感器的分类1.离子式烟雾传感器使用了等离子型烟雾感应器是技术世界领先的烟雾报警器,且工作最稳定安全的感应器,广泛使用在各类消防报警装置中,各项特性均远高于气敏电阻型的火灾报警装置。2.光电式烟雾传感器光电烟雾报警器内有一个检测装置，当烟尘进入光学迷宫时,通过了折射、反射，接受管接收到经红外线，通过智能告警电路可以判定有无超出阈值，一旦超越发出的告警。3.气敏式烟雾传感器气敏传感器,是指一类测量特定气体性质的传感器。其中应用的最多的就是零点五导体气敏传感器,如MQ负二烟雾感应器。将气体种类以及与浓度变化相关的化学信号转换成电信号,来调节这些电信号的强弱就能够得到与待测量气体在周围环境中的存在状况相关的信号,因此就能够实现测量、监视、告警功能;还能够利用接口电路和电脑构成的自动检测、监控和告警控制系统。2.3.3烟雾传感器的选定综合以上烟雾感应器的选择MQ-2烟雾感应器，通过简化的电路,可以把气体电导率的改变换算为和该物质含量变化相对应的输出信息。由于MQ负二气体烟雾感应器对液化原油、丙烯烃、储氢材料、工业烟气等的敏感性都很好,对瓦斯以及各种易燃蒸汽等的测量效果都非常好,故也因此,MQ气体传感器可以更确切说是一个多种气体传感器,它的主要优势:灵敏度高、反应快、可靠性高、寿命长、驱动电路简化和性价比好,有模拟和数字信号输出两种选择方式。仿真说明:由于Proteus软件中缺乏MQ-2烟雾传感器模块,在仿真中可用滑动变阻器代替。原因是:由于MQ-2气体传感器内部结构电导率会因为气体浓度的升高而升高,电阻是内部电导率的倒数,所以电阻也是相应降低的。特性就相当于一种滑变阻器,因此在实际仿真中用滑动变阻器替代。2.3.4MQ-2烟雾传感器的主要特点和主要功能技术指标MQ-2型传感器,对煤气、液化原油气等烟有很大的敏感度,尤其是烷类烟尤其灵敏。MQ-2系列传感器具有优异的重复性和良好的可靠性。初始平稳,反应时间极短,长期运行稳定性较高。而MQ负二系列感应器产生了强大的抗干扰能力,可以快速消除有刺激性或非可燃性烟雾的干扰信号,比如酒精和烟尘等。MQ-2型传感器的特性参数：a)回路电压:(Vc)5~24Vb)取样电阻:(RL)0.1~20Kc)加热电压:(VH)5+0.2Vd)加热功率:(P)约750mWe)甲烷的灵敏度:RO(air)/RS(01%CH4)>5f)响应时间:Tres<10秒g)恢复时间:Trec<30秒烟雾检测报警器的主要技术指标1)传感器类型:半导体电阻式2)检测范围:0~100%LEL3)报警准确度::士5%LEL4)报警点设置:当达到百分之二十LEL时开始报警5)报警器工作方法:在现场定点放置,根据自然扩散进行采样,长年连续运行。6)工作温度:检测器-50℃~50℃,报警装置零℃~500℃7)工作环境湿度:≤85%RH8)报警方法:采用烟雾泄漏声光报警和自动判断系统故障报警9)指示方法:数码指示,并提示被测烟雾LEL%及设定报警时间限值烟雾感应器的基本结构图如图2-3,而烟雾感应器的外形图如图2-4。图2-3烟雾传感器结构图图2-4烟雾传感器外观图2.4烟雾监测报警器的总体设计方法2.4.1烟雾检测报警器的设计原理本论文中的烟气检测报警器,以STC89C51单片微式电脑为主控核心,并采用MQ-型电阻式零点五导体感应器收集的烟气信号。第一步,感应器首先将与烟气浓度值对应的较小的电流信息放大,再转化成大的电流信息输入STC89C51单片机:在单片机控制台内A/D切换、浓度比较,并对数值完成线性化数据处理,然后再将大数位化电流信息转换成相应的正十边形浓度数值;最后再将实际可燃的成分气体浓度信息输入液晶,从而确定浓度数值有无超过声响报警限,当浓度达到正常状态绿灯长亮后,当烟气浓度超过设置的限定值后,发出声音告警并伴随着红灯点亮。同样为了增加反应时间,并保障感应器正确地、平稳地运行,声响报警装置还必须给烟气感应器连续输送一次五V的电流。为提高其安全性,在输送五V的电流的时候,必须经过故障测试。当感应器发热丝或电缆线与感应器断开或触及错误时,发送事故告警,并产生声光报警信息。2.4.2烟雾传感器使用的注意事项使用烟雾传感器应该遵守好相关的使用注意事项，这样在使用传感器的过程中才能更加安全。1、报警装置须注意防尘,且防尘帽须在工程人员正常投入使用之后才可摘掉;2、当装设在屋顶上时,报警器安装的在屋顶角度要保持一定间距当坡度低于30°时,距离0.3m~0.5m为宜；3、不能放置在一般状况下呈烟雾滞留的地点,因为烟雾报警装置对烟的高感应性,所以对像在厨房,或抽烟处这样易生成烟雾的区域,很可能会误报警。2.5本章小结本文重点介绍了烟雾报警仪的基本设计方案,以及感应器的选择和报警器的设计。传感器通过在以下几个方面：类型、选定、工作原理、基本特点进行介绍。采用的MQ-2型半导体电阻式烟气敏感器件是根据本系统设计特点和应用环境、生产成本等原因。对报警器进行了详尽地阐述还需要从构造、功用、技术指标等三个方面,测量气体中烟雾或可燃成分液体蒸气的含量需要在较宽的温度范围内工作。气体中烟雾或可燃成分液体蒸气的含量显示在该报警器仪表盘上,含量超过规定浓度范围时,快速启动重复检测和延时告警功能,能够区分出是否是管路中烟气的大量泄露,还是由于开启阀门而形成的可燃烟气的微量散失,从而避免了误报。如果确定为烟雾泄露时,可产生声、光等报警信号,并能在发出报警的同时自动驱动相应安全装置,而且具备了故障自动检测功能。

第3章烟雾报警系统的硬件电路3.1单片机的最小系统要让单片机运行起来,最基本的集成电路构成就是单片机最小系统,如图3-1。图3-1信号处理模块单片机、复位回路、时钟电路等组成的是单片机的最小控制系统。在复位电路中，当单片机操作系统正在正常管理工作中,但遭受外部环境影响而发生程式跑飞的时刻,按下恢复键盘后的程式自动从头开始运行。本设计使用的是外自动键盘复位电路,必须通过接上拉电阻来增加机器输出高电平的数量。时钟系统就好比单片机的大脑,它掌控着整个单片机的操作节奏。而时刻集成电路也就是振荡集成电路,是给单片机提供的一种以正弦波信息为基础,确定了单片机的运动速度。XTAL1和XTAL2各自是相反扩大器的输入和输出,该相反扩大器也可设置为片内振荡器。3.2单片机的时钟电路和复位电路的设计本系列使用了内部方式的时钟电路和加电后自动复位方式的复位电路,如下图3-2图3-3所示:图3-2时钟电路图3-3复位电路因为在单片或微型计算机PO口内并没有上拉电阻,且为高阻态,因此无法顺利地传递高/低电平,所以这群I/零接口在实际应用中都需要另外接上拉电阻。3.3烟雾采集电路烟雾测量可以通过MQ-2传感器。当通过ADC0832采集后,就能够获取在不同烟气浓度下的电压差值。以便设计出理想的烟气强度报警值。图3-4烟雾采集电路图3-5ADC传感电路MQ-2传感器的4脚、6脚的大电流为输出信号,而Rs则为传感器的本体大电流。其中如果气体含量增加,必引起Rs变化。而气体Rs的温度下降,又会使得MQ负二的4脚、6脚,相对地输出的电流增加。所以当气体的温度增加了,它输出的的电流也就会增加,并通过ADC0832变换使数值上升。3.4控制程序1.比较器电路处理的检测信号只有高和低两种状态；当浓度低于阈值时，信号为高电平；浓度高于阈值时，信号为低电平。监控该信号的高低电平即可。2.AD信号采集程序实现了对MQ-2烟雾浓度信息的采集后,仅需要实现ADC8032采集函数,便能实现信息的收集。最后得出实际的浓度数值，见附录二智能烟雾报警器的源程序A1。图3-6仿真中的烟雾传感器3.5数码管显示电路模块技术参数包括:工作电压:2.7~,5.5V每段工作输出电压10ma字高度:约十一点四mm环境相对湿度:<百分之八十五视角:6:00工作温度:-10~+50°C接口方式:8线并行接口图3-7数码管显示器电路图3-7数码管显示电路LCD显示电路采集程序：见附录二智能烟雾报警器的源程序A2。3.6温度检测电路DS18B20独特的一线接口，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量温度范围为-55°C至+125℃。它与控制系统的连接方式如下图3-8所示。图3-8温度传感器的连接电路DB18B20温度信号采集电路程序，见附录二智能烟雾报警器的源程序A4。3.7本章小结产品的设计特点和微电脑STC51性能、价格和所需的空间需要详细考虑引进集成电路设计技术、烟雾报警器，包括收集资料和前置放大器电路、微机接口电路STC89C51单片机,报警电路、电路的指明灯的状态和键盘的检测。

第4章智能烟雾报警器的软件设计4.1STC51系列单片机调试及开发工具编程系统采用KeilC51系统，该系统采用与51系列兼容的微控制器C编程语言开发系统。与汇编语言相比，C编程语言在功能、结构、可读性和保护方面具有显著的优势。KeilC51软件引入了大量的库功能和功能改进的集成设计调试开发工具，全Windows界面。4.2主程序设计及流程图主程序流程图,如图4-1所显示。首先要把感应器加热至三分钟,但由于MQ-2的零点五导体电阻式烟雾感应器,断电放置一会,再接通电源时,感应器不能够立即正常收集烟气信号,再进行一段时间的高温加热。完成初始化程序初,系统进入下一阶段了，该阶段叫做监控阶段。在该论文中的主要程序设计是能够对传感器加热至三分钟探索,并且在预热同时,可以对传感器进行发热丝故障检查,并通过软件方法检查传感器发热丝以及电缆线有无断线和接触不良。图4-1程序流程图STC89C51单片机在对传感器所测量的烟气浓度信息进行A/D变换、平均值法的过滤、线性化处理之后,再将浓度值与报警量限的设定值相比较后,确定是否报警。同时送入二段式的液晶显示烟气浓度数值。同时主程序中还包含了状态指明灯以及按键功能设定,中断子进程等,使报警装置的功能更为齐全,给使用者提供了方便，如图4-2是烟雾报警器的安全报警流程，通过传感器，单片机，传感器根据烟雾浓度输出电压，判定电压是否超过安全数值，单片机发指令给GSM模块，发送短信给主人报警，如图4-2安全报警流程图。图4-2安全报警流程智能烟雾报警器仿真中的整体电路图见附录一仿真运行图。智能烟雾报警器的总的程序代码，见附录智能烟雾报警器的源程序A3。4.3本章小结这一章节主要介绍了烟雾报警器中软件设计。通过对软件程序的开发环境和开发工具的选用,选择合适的STC51系列单片机,使用KEILC51编程器完成软件开发已经完成。

总结最传统的火灾自动报警控制系统,但最先前的烟雾报警系统最明显的优点是:创造简便快捷、制造成本低。但存在明显的不足:一是抗干扰能力差、误报率较高。烟气监测报警器既能确保生产和生活环境的安全,防止火灾和爆炸事件和煤气中毒物的产生,同时也是防火、防爆和安全生产所需要的重要器具,具有广阔的市场空间与发展前景。判断火灾,仅仅是通过检测的特定火灾现象参数是否超过设定值(阈值)的问题可以用来判断是否有警报，但不能排除环境和其他原因。如果选择灵敏度低，会延迟或错过报警，如果选择灵敏度高，会产生假阳性。据国外统计，假火灾报警时间与真火灾报警时间之比为20∶1。其次，功能小而低效本论文希望可以在烟雾传感器与报警技术能够进行更深一步的研究,将国外同类产品的技术优缺点进行合并总结，能够全面优化升级产品,并科学合理地制定了系统的设计方案。并对仪器的总体设计以及各个部分做出了详尽的系统分析与方案设计。

参考文献[1]单天鑫.浅谈综合监控系统与子系统间接口调试方法与技术[J].智能城市,2018,04(022):017-018.[2]2