基于單片機(jī)的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)+2120504

1、江蘇城市職業(yè)學(xué)院摘 要科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展與進(jìn)步給人們的生活帶來了前所未有的便利，如電力技術(shù)的迅猛發(fā)展與應(yīng)用等，使人們的衣食住行條件得到了極大的改善。然而其負(fù)面的作用也隨之凸顯出來，如各種電子產(chǎn)品，易燃裝飾材料等我們身邊經(jīng)常接觸到的一些普通生活用品，為火災(zāi)的發(fā)生埋下了巨大的隱患，人們在享受科技帶來的便利之外無時(shí)不在受到潛在的火災(zāi)的威脅。所謂水火無情，為了避免火災(zāi)以及減少火災(zāi)造成的損失，讓人們的生活更加安寧，殘酷的現(xiàn)實(shí)以及觸目驚心的教訓(xùn)要求我們必須設(shè)計(jì)和完善火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，提高火災(zāi)的預(yù)警與早期處理水平，將火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，最大限度地減少社會(huì)財(cái)富的損失?；诖?，本文從生活中的實(shí)際情況著手，設(shè)計(jì)了

2、一種適用于多種公共場所的基于單片機(jī)的火災(zāi)智能報(bào)警系統(tǒng)。該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是以AT89C51單片機(jī)作為控制中心，接受、處理火災(zāi)探測器輸出的煙霧濃度信號(hào)、溫度信號(hào)，并進(jìn)行聲光報(bào)警。它通過不斷的向現(xiàn)場發(fā)射巡檢信號(hào)來監(jiān)視現(xiàn)場的溫度、煙霧濃度等，并不斷反饋給報(bào)警控制器，控制器將接到的信號(hào)與內(nèi)存的正常整定值比較、判斷確定是否有火災(zāi)的發(fā)生。關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī)；智能報(bào)警；傳感器；目 錄第一章 緒論1第二章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)及其整體方案設(shè)計(jì)22.1 火災(zāi)發(fā)生時(shí)的特點(diǎn)22.2火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)功能及其類型22.3 本系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)42.3.1 本設(shè)計(jì)的研究范圍42.3.2 系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)42.3.3 系統(tǒng)軟件

3、總體結(jié)構(gòu)5第三章 系統(tǒng)的硬件選擇與設(shè)計(jì)73.1 主要芯片的選擇73.1.1 單片機(jī)的選擇73.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇83.2 傳感器的選擇113.2.1火災(zāi)探測器的分類113.2.2 溫度探測器的選定113.2.3 煙霧傳感器的選擇133.3 各電路模塊的設(shè)計(jì)163.3.1單片機(jī)外圍接口電路163.3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路173.3.3 煙霧信號(hào)調(diào)理電路193.3.4 光報(bào)警電路203.3.5 聲報(bào)警電路203.3.6 報(bào)警器故障自診斷21第四章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)224.1 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)244.1.1主程序流程圖224.1.2 主程序初始化流程圖224.1.3數(shù)據(jù)采集子程序23

4、4.1.4 火災(zāi)判斷與報(bào)警程序244.1.5 濾波子程序25第五章 功能仿真驗(yàn)證分析275.1關(guān)于仿真與編程軟件275.2 Protues仿真原理圖27第六張 總結(jié)28致 謝29參考文獻(xiàn)30附 錄31第一章 緒論在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是公共安全和社會(huì)發(fā)展面臨的最常見和最廣泛的威脅之一。 它威脅到人們的健康，生命和財(cái)產(chǎn)的安全，一旦發(fā)生火災(zāi)，就可以使成千上萬的財(cái)產(chǎn)立即成為灰燼，損失是大約5倍的地震，第二是干旱和洪水。殘酷的現(xiàn)實(shí)讓人們逐漸認(rèn)識(shí)到監(jiān)控預(yù)警和消防工作的重要性?；馂?zāi)監(jiān)測預(yù)防工作已變得日益緊迫，尋找一種及時(shí)有效的預(yù)防火災(zāi)產(chǎn)生的方法已經(jīng)變成人們迫切需要解決的問題。良好的監(jiān)控系統(tǒng)和及時(shí)的報(bào)警機(jī)制可以

5、大大降低人員的傷亡，為社會(huì)減少不必要的損失。智能火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)就是為了滿足這一需求而研制出的，并且其自身的技術(shù)水平也在隨著人們需求的不斷地提高，在功能、結(jié)構(gòu)、形式等方面不斷地完善。基于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)方面的需求，本課題旨在開發(fā)一個(gè)能夠?qū)ΡO(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。第二章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)及其整體方案設(shè)計(jì)2.1 火災(zāi)發(fā)生時(shí)的特點(diǎn)火災(zāi)是一種失去人為控制的由燃燒造成的災(zāi)害，產(chǎn)生火災(zāi)的基本要素是可燃物、助燃物和點(diǎn)火源。它們?nèi)紵幕具^程是當(dāng)從外部獲取一定的能量時(shí)，液體或固體先蒸發(fā)成蒸汽或分解出可燃?xì)怏w(如CO、H2等)的分子團(tuán)、灰燼和未燃燒的物質(zhì)顆粒懸浮在空氣中，稱之為氣溶膠。在產(chǎn)生氣溶膠的同時(shí)，

6、產(chǎn)生分子較大的液體或固體微粒，稱為煙霧。著火后，燃燒產(chǎn)生的熱量使液體或固體的表面繼續(xù)放出可燃?xì)怏w，并形成擴(kuò)散燃燒。同時(shí)，發(fā)出含有紅、紫外線的火焰，散發(fā)出大量的熱量，形成火災(zāi)。起火過程曲線如圖2-1所示。圖2-1 起火過程曲線2.2 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)功能及其類型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一般由火災(zāi)探測器、區(qū)域報(bào)警器和集中報(bào)警器組成?；馂?zāi)探測器通過對(duì)火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象氣（燃燒氣體）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測，將探測到的火情信號(hào)轉(zhuǎn)化成火警電信號(hào)傳遞給火災(zāi)報(bào)警控制器。區(qū)域報(bào)警器將接收到火警信號(hào)后經(jīng)分析處理發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，警示消防控制中心的值班人員，并在屏幕上顯示出火災(zāi)的房間號(hào)。集中報(bào)警是將接

7、收到的信號(hào)以聲光形式表現(xiàn)出來，其屏幕上也顯示出著火的樓層和房間號(hào)，利用本機(jī)專用電話還可迅速發(fā)出指示和向消防隊(duì)報(bào)警。此外，也可以控制有關(guān)的滅火系統(tǒng)或?qū)⒒馂?zāi)信號(hào)傳輸給消防控制室。整體電路的框圖如圖2-2所示及其類型。傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換微型計(jì)算機(jī)狀態(tài)指示燈聲音報(bào)警濃度溫度顯示按鍵串口通信圖2-2 智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)框圖火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，一般由火災(zāi)探測器、聯(lián)動(dòng)單元和控制器三部分組成。由火災(zāi)探測器首先探測到火災(zāi)的萌芽而后通過聯(lián)動(dòng)單元傳輸至控制器分析其形勢從而實(shí)現(xiàn)是否報(bào)警。火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)除了具有預(yù)防報(bào)警之外，還有遙控檢測功能，它能夠根據(jù)總臺(tái)的監(jiān)測預(yù)防的要求而有所對(duì)其功能模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。2.3 本系統(tǒng)的總體

8、方案設(shè)計(jì)2.3.1 本設(shè)計(jì)的研究范圍本文主要研究的是一般場合下的火災(zāi)的預(yù)警與應(yīng)對(duì)，此類火災(zāi)發(fā)生比較緩慢，發(fā)生之前伴隨有溫度的非正常變化，火苗出現(xiàn)之前的煙霧等有害氣體的產(chǎn)生。方案涉及到現(xiàn)場溫度的檢測，煙霧濃度的檢測，不同險(xiǎn)情的不同燈光顯示等。該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是以AT89C51單片機(jī)作為控制中心，接受、處理火災(zāi)探測器輸出的煙霧濃度信號(hào)、溫度信號(hào)，并進(jìn)行聲光報(bào)警。當(dāng)現(xiàn)場煙霧或者溫度發(fā)生異常，或者發(fā)生火災(zāi)時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的用于小型防火單位的單片機(jī)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):（1）能對(duì)室內(nèi)煙霧（CO2，CO）及溫度突變進(jìn)行報(bào)警,具有聲、光雙重報(bào)警功能。（2）系統(tǒng)故障報(bào)警功能。當(dāng)系統(tǒng)

9、出現(xiàn)硬件故障時(shí)，能發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。（3）異常報(bào)警功能。當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)異常(如煙霧濃度過大或是溫度較高)時(shí)，能發(fā)出異常報(bào)警信號(hào)，引起人們注意，盡可能避免火災(zāi)的發(fā)生。（4）火災(zāi)報(bào)警功能。一旦真出現(xiàn)火災(zāi)(煙霧和溫度同時(shí)出現(xiàn)異常)時(shí)，能立即發(fā)出聲光警報(bào)。據(jù)類似本系統(tǒng)的報(bào)警器現(xiàn)場模擬實(shí)驗(yàn)表明,本系統(tǒng)安全可靠,誤報(bào)率低。且由于其體積小、操作維護(hù)方便、成本低廉等,具有廣闊的應(yīng)用前景。2.3.2 系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)（1）硬件系統(tǒng)組成一個(gè)完整的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，必須包含以下幾個(gè)部分：系統(tǒng)控制模塊，火災(zāi)探測模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊以及報(bào)警模塊。本設(shè)計(jì)一單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，以傳感器作為其測溫裝置，來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

10、。該設(shè)計(jì)可以對(duì)室內(nèi)外溫度以及煙霧實(shí)時(shí)采集可檢測，當(dāng)所測溫度或者煙霧濃度高于臨界溫度時(shí)自動(dòng)報(bào)警。溫度信號(hào)或者煙霧濃度信號(hào)采集電路將溫度信號(hào)或者煙霧濃度信號(hào)以數(shù)字信號(hào)的形式送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或者等于某個(gè)預(yù)設(shè)值，即報(bào)警臨界溫度或者煙霧濃度。如果大于則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音和顯示非正常狀態(tài)，反之則為正常狀態(tài)。（2）硬件系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)控制模塊、聲光報(bào)警模塊組成。圖2-3為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2-3 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖2.3.3 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)為了便于系統(tǒng)維護(hù)和功能擴(kuò)充，采用了模塊化程序設(shè)計(jì)方

11、法，系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷與報(bào)警子程序等，系統(tǒng)程序流程圖如圖2-4所示。圖2-4 程序流程圖第三章 系統(tǒng)的硬件選擇與設(shè)計(jì)3.1 主要芯片的選擇3.1.1 單片機(jī)的選擇（1）單片機(jī)的比較單片機(jī)是報(bào)警系統(tǒng)的核心部件，一方面它要接收來自傳感器的煙霧濃度和溫度的模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)和故障檢測信號(hào)，另一方面要對(duì)兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時(shí)，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)做數(shù)字濾波，再進(jìn)行線性化處理，這一過程的軟件實(shí)現(xiàn)，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到實(shí)時(shí)的煙霧濃度，并進(jìn)

12、行相應(yīng)處理。AT89C51單片機(jī)應(yīng)用普遍，工具多，易上手，片源廣，價(jià)格低，且適合民用、商用，用途更廣泛。綜合以上觀點(diǎn)，本論文選定AC89C51作為本系統(tǒng)的核心。（2）關(guān)于AT89C51本設(shè)計(jì)的控制芯片使用的是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51，AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM）和128字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51的引腳圖如圖3-1所示。芯片可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程，其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。圖3

13、-1 AT89C51的引腳圖3.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)亦稱模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換，與數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換相反，是將連續(xù)的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過取樣轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量。例如，對(duì)圖象掃描后，形成象元列陣，把每個(gè)象元的亮度（灰階）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字表示，即經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，構(gòu)成數(shù)字圖象。通常有電子式的模/數(shù)轉(zhuǎn)換和機(jī)電式模/數(shù)轉(zhuǎn)換二種。在遙感中常用于圖象的傳輸，存貯以及將圖象形式轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的處理。A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來分，有8位、10位、12位、16位等。位數(shù)越高，其分辨率也越高，但價(jià)格也越貴。而就其結(jié)構(gòu)而言，有單一的A/D轉(zhuǎn)換器，有內(nèi)含多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換器

14、。美國Analog Device公司生產(chǎn)的8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)換速率高，自帶三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與各種典型的8位或16位的微處理器相連而無需附加邏輯接口電路，且能與CMOS及TTL兼容。是目前我國應(yīng)用最為廣泛，價(jià)格適中的A/D轉(zhuǎn)換器。綜合以上各種條件和因素，也根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，我選擇的A/D轉(zhuǎn)換器是ADC0809。3.2 傳感器的選擇3.2.1火災(zāi)探測器的分類火災(zāi)探測器是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的現(xiàn)場探測部件，它的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，它是整個(gè)系統(tǒng)最為重要的部件，是識(shí)別火災(zāi)是否發(fā)生的專門儀器。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，探測器通過把火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的各種非電量參數(shù)（如煙、氣體濃度等）

15、轉(zhuǎn)化成電量參數(shù)從而得到統(tǒng)一測量參數(shù)，然后再傳送給控制器。其特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性。其能夠?qū)崟r(shí)跟隨各種非電量參數(shù)的變化而變化。火災(zāi)探測器根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象可以分為：感溫型、感煙型、圖光型、感聲型、氣敏型五大類。本文僅探討現(xiàn)場溫度與煙霧這兩項(xiàng)與火災(zāi)的發(fā)生相關(guān)的指標(biāo)的檢測，其他與火災(zāi)相關(guān)的因素本文未予探討。3.2.2 溫度探測器的選定（1）本設(shè)計(jì)溫度探測器的選擇條件根據(jù)監(jiān)測溫度參數(shù)的不同，一般用于工業(yè)和民用建筑中的溫度探測器有定溫式、差溫式、差定溫式等幾種。. 定溫式探測器。定溫式探測器是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)引起的溫度上升超過某個(gè)定值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警的火災(zāi)探測器。它有線型和點(diǎn)型兩種結(jié)構(gòu)。. 差溫式

16、探測器。差溫式探測器是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)引起的溫度上升速率超過某個(gè)規(guī)定值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警的火災(zāi)探測器。它也有線型和點(diǎn)型兩種結(jié)構(gòu)。. 差定溫式探測器。差定溫式探測器結(jié)合了定溫和差溫兩種作用原理并將兩種探測器結(jié)構(gòu)組合在一起。差定溫式探測器一般多是膜盒式或熱敏半導(dǎo)體電阻式等點(diǎn)型組合式探測器。在溫度傳感器的選型過程中考慮的因素：被測對(duì)象的溫度是否需記錄、報(bào)警和自動(dòng)控制，是否需要遠(yuǎn)距離測量和傳送。測溫范圍的大小和精度要求。測溫元件大小是否適當(dāng)。在被測對(duì)象溫度隨時(shí)間變化的場合，測溫元件的滯后能否適應(yīng)測溫要求。綜合以上多種原因，經(jīng)對(duì)比，本文溫度探測器使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其引腳與實(shí)物樣式如圖3-4所示

17、。（）關(guān)于DS18B20DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼 封裝式，型號(hào)多種多樣，有LTM8877，LTM8874等。. DS18B20的主要特性：適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù) 據(jù)線圖3-2 DS18B20數(shù)字溫度傳感器引腳圖供電。2獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)

18、換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。溫范圍55+125，在-10+85時(shí)精度為±0.5?？删幊痰姆直媛蕿?12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫。在9位分辨率時(shí)最多在 93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。. S18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。. DS18B20引腳定義：DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式

19、時(shí)接地）。3.2.3 煙霧傳感器的選擇（）煙霧傳感器的比較分析. 離子式煙霧傳感器該煙霧報(bào)警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運(yùn)用到各消防報(bào)警系統(tǒng)中，性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器。. 光電式煙霧傳感器光電煙霧報(bào)警器內(nèi)有一個(gè)光學(xué)迷宮，安裝有紅外對(duì)管，無煙時(shí)紅外接收管收不到紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光，當(dāng)煙塵進(jìn)入光學(xué)迷宮時(shí)，通過折射、反射，接收管接收到紅外光，智能報(bào)警電路判斷是否超過閾值，如果超過發(fā)出警報(bào)。. 氣敏式煙霧傳感器氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是

20、半導(dǎo)體氣敏傳感器。它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂（R11、R12）的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測、控制和報(bào)警系統(tǒng)。通過比較分析，本設(shè)計(jì)的感煙探測器采用的是日本NEMOTO公司生產(chǎn)NIS-09C離子型感煙探測器，內(nèi)部有微量的放射性物質(zhì)媚(Am)241，探測器被金屬電極覆蓋，放射能不會(huì)泄露。它對(duì)白色、灰白和黑色煙霧都有良好的響應(yīng)，符合美國UL217標(biāo)準(zhǔn)，歐洲

21、EN-54-7標(biāo)準(zhǔn)及GB4715-93國家標(biāo)準(zhǔn)。NIS-09C是具有低功耗、普適性的傳感器，適用于高靈敏度煙霧探測器、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。（2）煙霧檢測器工作原理首先，傳感器送來的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的微小的電壓信號(hào)經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成大的電壓信號(hào)送入AT89C51單片機(jī)；后，在AT89C51單片機(jī)內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換、濃度比較，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，將實(shí)際可燃性氣體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報(bào)警限，另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反映越快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)間，保證傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，報(bào)警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一

22、個(gè)5V的電壓。為了保證其可靠性，在輸出5V的電壓的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測。當(dāng)傳感器加熱絲或電纜線和傳感器斷線和接觸不良時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)然幾種狀態(tài)的報(bào)警信號(hào)是各不相同的。3.3 各電路模塊的設(shè)計(jì)3.3.1單片機(jī)外圍接口電路（1）晶振電路晶振電路為單片機(jī)80C51工作提供時(shí)鐘信號(hào)，芯片中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器。電路中的外接石英晶體及電容C2、C3接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，系統(tǒng)的晶振電路如圖3-3所示。由于外接電容C2、

23、C3的容量大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，電容的容量大小范圍為；如果使用陶瓷諧振，則電容容量大小為。本設(shè)計(jì)中使用石英晶體，電容的容值設(shè)定為30pF。（2）復(fù)位電路復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。80C51的復(fù)位信號(hào)是從REST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩

24、器穩(wěn)定后，如果REST引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動(dòng)按鈕復(fù)位和上電復(fù)位，本設(shè)計(jì)采用的是手動(dòng)按鈕復(fù)位。AT89C51晶振電路與復(fù)位電路如圖3-3，圖3-4所示。圖3-3 AT89C51單片機(jī)的晶振電路圖3-4 AT89C51單片機(jī)的復(fù)位電路、3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路經(jīng)氣敏傳感器所檢測的電壓信號(hào)為模擬信號(hào)，無法直接被單片機(jī)所識(shí)別，所以在經(jīng)過放大電路后對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D裝換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換。電路采用了常用的8位8通道數(shù)模轉(zhuǎn)換常用芯片ADC0809，煙霧、溫度傳感器的輸出端分別接到A

25、DC0809的IN0和IN1。 ADC0809的通道選擇地址由AT89S52的P0.0P0.2經(jīng)地址鎖存器74LS373輸出提供。當(dāng)P2.7=0時(shí)，與寫信號(hào)WR共同選通ADC0809。其中ALE信號(hào)與ST信號(hào)連在一起，在WR信號(hào)的前沿寫入地址信號(hào)，在其后沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。圖中ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)EOC接到AT89S52的INT1引腳，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，EOC變?yōu)楦唠娖?，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)程序中，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送到指定的存儲(chǔ)單元。由于ADC0809片內(nèi)無時(shí)鐘，故利用8051提供的地址鎖存使能信號(hào)ALE經(jīng)D觸發(fā)器四分頻后獲得時(shí)鐘。因?yàn)锳LE信號(hào)的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/6，

26、如果時(shí)鐘頻率為12MHZ，則ALE信號(hào)的頻率為2MHZ，經(jīng)四分頻后為500KHZ，與ADC0809的典型值吻合。電路圖如圖3-5所示。當(dāng)AT89C51的ALE端口不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，AT89C51的ALE端以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，故晶振設(shè)定12MKz，再經(jīng)過二分頻電路，單片機(jī)即可向ADC0809輸出500KHz的時(shí)鐘信號(hào)。二分頻電路由D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，R、S端接地，D接Q非，Q端作為輸出端，CLK接AT89C51的ALED端。D觸發(fā)器的特性方程為由于當(dāng)CP=1時(shí)，D觸發(fā)器有效；CP=0時(shí)，觸發(fā)器保持原來狀態(tài)。故D觸發(fā)器能實(shí)現(xiàn)對(duì)ALE端口的信號(hào)二分頻。由于本火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)只采集溫度

27、、煙霧信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理的溫度、煙霧信號(hào)分別進(jìn)入ADC0809的IN-0和IN-1端口，其余輸入引腳接地，8個(gè)圖3-5 AD轉(zhuǎn)換電路數(shù)字量輸出引腳接AT89C51的P0口。單片機(jī)的P0口接受ADC0809傳輸來8位數(shù)字量，向A/D輸出的8位地址經(jīng)地址鎖存器74LS373鎖存，選擇低3位地址作為A/D的通道選通地址。本設(shè)計(jì)使用74LS373作為地址鎖存器，當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，輸出端O0O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。3.3.3 煙霧信號(hào)調(diào)理電路濾波電路能使有用頻率信號(hào)通過，同時(shí)抑制無用頻率成分，濾除或衰減無用頻率信號(hào)到足夠小。一階濾波電路過渡帶較寬，幅頻特性的最大衰減頻率僅為-

28、20dB/十倍頻。為使濾波器的濾波特性接近理想特性，即在通頻帶內(nèi)特性曲線更平緩在同頻帶外特性曲線衰減更陡峭，只有增加網(wǎng)絡(luò)的級(jí)數(shù)，系統(tǒng)使用二階濾波器電路。由于在火災(zāi)發(fā)生早期，溫度煙霧信號(hào)是一種緩變信號(hào)25，故系統(tǒng)使用二階有源低通濾波器電路（Low Pass Filter，LPF）。將串聯(lián)的兩節(jié)RC低通網(wǎng)絡(luò)直接與反向電壓跟隨器電路相連，可構(gòu)成煙霧、溫度圖3-6 煙霧信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理電路中的簡單二階低通濾波器電路。二階低通濾波電路中，。3.3.4 光報(bào)警電路此類報(bào)警根據(jù)單片機(jī)所給電壓，確定LED燈中的電流流向，以驅(qū)動(dòng)燈發(fā)光。連接電路如圖3-7所示：圖中當(dāng)單片機(jī)為低電平時(shí)，小燈是亮的；高電平時(shí)，小燈滅

29、。圖3-7 光報(bào)警電路3.3.5 聲報(bào)警電路其電路圖如圖3-8所示圖3-8 聲報(bào)警電路3.3.6 報(bào)警器故障自診斷判斷傳感器電源連接情況。在傳感器的地端串聯(lián)一個(gè)電阻R，當(dāng)傳感器正常連接時(shí)，電阻和傳感器分壓，此時(shí)電阻兩端有微弱的電壓，單片機(jī)可以通過P2.1口檢測到：如果如果傳感器電源連接不正常，則會(huì)產(chǎn)生斷路，檢測到電阻兩端電壓為0V。第四章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)4.1.1主程序流程圖火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制器上采用80C51作為主控芯片，其主要功能包括：控制IO端口、邏輯判斷處理、驅(qū)動(dòng)外部電路、語音報(bào)警和A/D采樣等，該部分是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)智能化的集中體現(xiàn)。為了便于系統(tǒng)維護(hù)，

30、在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中采用了模塊化程序設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。既使得程序結(jié)構(gòu)清晰，又便于以后進(jìn)一步擴(kuò)展其功能。本系統(tǒng)主要包括主程序、溫度煙霧數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷與報(bào)警子程序等。系統(tǒng)程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1 程序流程圖4.1.2 主程序初始化流程圖主程序初始化流程圖如圖4-2所示。這部分實(shí)現(xiàn)的功能包括各種I/O輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、寄存器初始化、中斷使能等。首先設(shè)定定時(shí)器工作方式，然后開系統(tǒng)中斷，以便響應(yīng)中斷定時(shí)，及時(shí)對(duì)氣體濃度和溫度進(jìn)行采樣。然后關(guān)閉蜂鳴器，開啟綠燈，設(shè)置報(bào)警限初值。開始定時(shí)器初始化開中斷關(guān)閉蜂鳴器，打開綠燈設(shè)定初值YN是否保持

31、報(bào)警初值返回圖4-2 主程序初始化流程圖4.1.3數(shù)據(jù)采集子程序數(shù)據(jù)采集是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。為了降低誤報(bào)率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)溫度煙霧采用了兩次采集、兩次判斷的方法。每次采集溫度煙霧數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存入單片機(jī)的寄存器，然后在火災(zāi)判斷程序中，將采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，判斷現(xiàn)場是否發(fā)生火災(zāi)。系統(tǒng)溫度煙霧信號(hào)采集程序流程圖如圖4-3所示。在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中使用了延時(shí)程序，延時(shí)10ms的程序如下：void delay_10ms (uint i) while (i-) uchar i ， j ， k ； for (i=5 ；i>0 ；i- ) for (j=4 ；j>0

32、；j- ) for (k=248 ；k>0 ；k- ) ； 4.1.4 火災(zāi)判斷與報(bào)警程序（1）火災(zāi)報(bào)警數(shù)據(jù)處理方法固定門限檢測法是使用最早，且應(yīng)用最廣泛的火災(zāi)探測方法，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小且易于實(shí)現(xiàn)，其原理是根據(jù)火災(zāi)探測器的信號(hào)幅值作為火災(zāi)報(bào)警的依據(jù)，并與固定的閾值進(jìn)行比較：當(dāng)信號(hào)幅值超過報(bào)警閾值時(shí)，則發(fā)出報(bào)警，否則解除報(bào)警。 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中使用的是溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器NIS-09，煙霧傳感器輸出電壓v與煙霧濃度p關(guān)系為：v=-0.3p+5.6。在本設(shè)計(jì)中報(bào)警溫度設(shè)為57，煙霧報(bào)警濃度設(shè)為3.2FS（參照市面銷售的火災(zāi)報(bào)警器溫度煙霧的報(bào)警臨界值）。經(jīng)過換算可得出溫度煙霧傳感器

33、輸出火災(zāi)報(bào)警臨界電壓值為： （2）火災(zāi)判斷與報(bào)警系統(tǒng)對(duì)溫度和煙霧進(jìn)行了兩次數(shù)據(jù)采集與判斷，每次信號(hào)采集后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值比較，當(dāng)溫度57，溫度異常，置寄存器變量a為1，否則為0；當(dāng)煙霧濃度3.2，煙霧濃度異常，置寄存器變量b為1，否則為0。綜合兩次溫度煙霧信號(hào)的采集，根據(jù)溫度和煙霧的寄存器變量a和b的狀態(tài)，判斷現(xiàn)場情況：2個(gè)寄存器變量圖4-3 數(shù)據(jù)采集流程圖變量均為0，表示情況正常；2個(gè)中僅有1個(gè)為1，表示情況異常；2個(gè)均為1，表示有火災(zāi)發(fā)生。系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行報(bào)警判斷后，間隔20s后（通過系統(tǒng)的延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)），再一次采集現(xiàn)場的溫度煙霧信號(hào)進(jìn)行判斷，即每一次語音報(bào)警持續(xù)20s，直到系統(tǒng)做

34、出下一次判斷結(jié)果。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)為00時(shí)，表示正常，80C51的P2.2口變成低電平，綠燈亮。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)為01或10時(shí)，表示異常，P2.3口變?yōu)榈碗娖?，P2.1口變?yōu)榈碗娖剑S燈亮，蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)為11時(shí)，表示發(fā)生火災(zāi)，P24口變?yōu)榈碗娖?，P2.1口變?yōu)榈碗娖?，紅燈亮，蜂鳴器報(bào)警。如果兩次采集同一種信號(hào)寄存器變量不相同，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，P24口變?yōu)榈碗娖?，P10口變?yōu)楦唠娖?，紅燈亮，蜂鳴器報(bào)警。4.1.5 濾波子程序在對(duì)氣體濃度采樣時(shí)，可能會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差比較大。如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計(jì)算結(jié)果上去，故

35、平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的煙霧濃度采樣值的偏差。為此，可采取去極值平均濾波法，先對(duì)N個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計(jì)算余下的N2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾。保證報(bào)警器檢測煙霧濃度的準(zhǔn)確性，減小誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)的可能。濾波子程序流程圖如圖4-3所示。圖4-3 濾波子程序流程圖第五章 功能仿真驗(yàn)證分析5.1關(guān)于仿真與編程軟件本次設(shè)計(jì)首先用KeilC51進(jìn)行編程開發(fā)，然后通過Protues軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，最后根據(jù)調(diào)試得出應(yīng)有的結(jié)果。（1）Keil C51開發(fā)系統(tǒng)Keil C51的相關(guān)介紹見第四章，本章不再贅述。（2）Protues軟件概述Protues軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。5.2 Protues仿真原理圖當(dāng)設(shè)定房間發(fā)生火情時(shí)