基于单片机的火灾自动报警系统设计自动化毕业论文.docx
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基于单片机的火灾自动报警系统设计自动化毕业论文
本科毕业论文（设计）
基于单片机的火灾自动报警系统设计
所在学院信息科学技术学院
专业名称自动化
申请学士学位所属学科工学
摘要
目前，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。
为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。
本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其它电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。
其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件的烟雾传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。
选用的STC12C5412AD单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。
以STC12C5412AD单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。
是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器，具有一定的实用价值。
关键词：
烟雾，报警器，STC12C5412AD，传感器
ABSTRACT
Atpresent,astheelectronicproductsmorewidelyusedinhumanlife,thefiredisastercausedmoreandmore,firehazardslurkingaroundinourlives.Wemustfollowtheconceptof"hiddenrisksinthefire,precautionarymeasuresbetterthandisasterreliefresponsibilityisextremelyheavy"designandimprovethefireautomaticalarmsystem,firewillbenippedinthebud,tominimizethelossofsocialwealth.
Inthisthesis,resistancetypesmokesensorandsinglechipcomputerasthecoreandotherelectronictechnology,designsatechnologybettersmokealarm.TheselectionofMQ-2typesemiconductorgassensitiveelementofthesmokesensorsmokedetection,whichhashighsensitivity,fastresponse,highantiinterferenceability,andthepriceislow,longservicelife.TheselectionofSTC12C5412ADsingle-chipmicrocomputer,theintegrationoftheA/Dconversion,hardwaremultiplier,hardwarepulsewidthmodulatorandotherresources,hastheadvantagesofhighspeed,lowpower,stronganti-interferenceandotheradvantages,isofsimilartechnology,cost-effectiveproducts.
WithSTC12C5412ADMCUandMQ-2typesemiconductorresistortypesmokesensorasthecoredesignofthesmokealarmcanberealizedsound-lightalarm,faultdiagnosis,theconcentrationdisplay,alarmlimitsettings,delayalarmandPCserialcommunicationsandotherfunctions.Itisakindofsimplestructure,stableperformance,convenientoperation,lowprice,intelligentsmokealarm,hasacertainpracticalvalue.
Keywords:
Smog,alarm,STC12C5412AD,sensor
1引言
1.1概述
火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。
即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。
火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温格火光。
这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。
区域报警器能将所在楼层之探测器发出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的房间号；同时还能监视若干楼层的集中报警器（如果监视整个大楼的则设于消防控制中心）输出信号或控制自动灭火系统。
集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具体显示出着火的楼层和房间号，机上停走的时钟记录下首次报警的时间，利用本机专用电话，还可迅速发出指示和向消防队报警。
此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。
1.2发展趋势
二十多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。
国外的产品和品牌一统天下，占领中国的大部分市场。
由于中国的建设正在飞速发展，市场大的惊人，难道这由中国发展带来的成果只能由外国企业来瓜分？
可幸的是中国企业抓住了机遇，顶住了挑战，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之功，这是典型的自力更生，走自己的路。
当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚启动。
中国企业正虎视眈眈，准备进军海外市场。
1.3现状及特点
消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动。
是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。
依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。
在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，像消防报警产品那样又拥有自主知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。
在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：
类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的消防报警市场。
2烟雾检测报警器的方案设计
2.1烟雾检测报警器设计思路
烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：
烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。
烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。
模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。
单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值（也就是报警限），如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。
为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。
方便调节报警限，可以加入按键。
为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。
以上是根据报警器应具备的功能提出的整体设计思路。
烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是至关重要的。
烟雾传感器的选型在下一节详细介绍。
单片机作为硬件电路的核心，它的选型将在第三部分详述。
2.2烟雾传感器的选型
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单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。
传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。
由此可见，传感器的选型是非常重要的。
2.2.1烟雾传感器介绍
（1）烟雾传感器的分类
烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类[10]：
（a）利用物理化学性质的烟雾传感器：
如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。
（b）利用物理性质的烟雾传感器：
如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。
（c）利用电化学性质的烟雾传感器：
如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。
（2）烟雾传感器应满足的基本条件
一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。
但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：
（a）能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；
（b）对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；
（c）对检测信号响应速度快，重复性好；
（d）长期工作稳定性好；
（e）使用寿命长；
（f）制造成本低，使用与维护方便。
（3）常见烟雾传感器简介
下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍[5]。
（a）半导体烟雾传感器
半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。
自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于其具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。
该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。
按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。
（b）接触燃烧式传感器
当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。
接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时将铂丝通电，保持300°C~400°C的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道烟雾的浓度。
（c）高分子烟雾传感器
利用高分子气敏材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。
高分子气敏材料在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。
高分子气敏材料由于具有易操作性、制作工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。
高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。
（d）热传导传感器
热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。
它的测量原理是：
将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。
温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。
表2-1各类烟雾传感器及其可检测的气体种类
传感器种类
C0
CO2H2SNH3
HCN
HCI
COCI2
CI2NOX
SO2
O2
CH4
C3H2
H2
H2O
半导体气体传感器
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
固体电解质传感器
○
○
○
○
○
接触燃烧式传感器
◎
○
○
○
电化学式传感器
○
○
○
○
○
○
○
○
高分子电解质气体传感器
◎
○
○
○
○
注：
○好◎不太好
（e）红外传感器
红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。
在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。
未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。
非扩散式红外探测器NDIR（non-dispersiveIR）是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。
不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。
由于非碳氢化合物易燃烟雾（如氢）不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。
（4）常见烟雾传感器可检测烟雾种类
由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。
例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。
固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。
表2-1简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。
2.2.2烟雾传感器的选定
烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器[8]。
使用接触燃烧式传感器，它的探头的中毒和阻缓是常出现的问题。
中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。
当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。
阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓、灵敏度降低。
虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。
因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。
一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。
半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单、使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用[7]。
半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）。
经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：
灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜且不会发生探头阻缓及中毒现象、维护成本较低等。
因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。
而在众多半导体烟雾传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点，还具有探测范围广的特点。
2.3烟雾检测报警器整体设计方案
2.3.1烟雾检测报警器工作原理
本论文中的烟雾检测报警器以STC12C5412AD单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。
首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入STC12C5412AD单片机；然后，在STC12C5412AD单片机内A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮[4]。
另外，由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。
为提高响应时间，保证传感器准确稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。
为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。
当传感器加热丝或电缆线和传感器断线或接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。
当然几种状态的报警信号是各不相同的。
2.3.2烟雾检测报警器的结构
为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾报警器应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、故障自诊断、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。
其目标是在传统的烟雾报警器的基础上，尽量提高准确性、降低成本、缩小体积。
报警器系统结构框图如图2-1所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。
报警器采用巡检的工作方式，进行两级报警值设定，并发出不同的光、声信号。
系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。
图2-1报警器系统结构框图
2.3.3烟雾检测报警器的功能
（1）自诊断故障报警功能
当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时，报警器发出警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，及时排除故障，保证安全。
（2）烟雾浓度显示
通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。
（3）烟雾报警功能
当烟雾浓度连续20秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。
因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。
（4）防止报警器误报功能
快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏，还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。
（5）看门狗自检单片机状态功能
调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。
（6）与上位机通讯功能
可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。
（7）自动控制相关安全装置的扩展功能
留有继电器接口，可以带动排风扇或大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子阀门，可在报警的同时自动启动相关安全装置。
3烟雾检测报警器的硬件设计
在报警器的设计中，单片机是其核心部件。
它一方面要接收来自传感器送来的烟雾浓度对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。
在单片机完成这些的工作中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况做进行相应处理。
并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。
根据多方面的比较，本设计选用宏晶科技生产的STC12系列单片机。
3.1单片机的选型
3.1.1单片机的选择
单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。
在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，然后送LCD显示，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进行相应处理。
同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本、缩小体积。
如今市面上比较普遍的单片机有8051系列与STC系列。
8051单片机虽然应用普遍、工具多、易上手、片源广、价格低，但是速度慢、功耗大，适合民用、商用，不适合工业用途[1]。
STC系列单片机是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是功耗低、精简指令集、抗干扰性好、可靠性高，但是存在溢出隐患问题。
8051系列采用的是堆栈指针，STC采用硬件堆栈8级[2]。
当堆栈指针设定合理，局部变量少的情况下，8051系列用10层的程序嵌套不会出现问题。
而STC单片机程序嵌套包括中断最多不能超过8层。
所以如果用C语言进行STC编程设计容易堆栈溢出。
汇编语言对于不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移植。
而C语言是一种结构化的高级语言，虽然占用资源较汇编多，但是可读性好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。
鉴于C语言的易读性和普遍性，本论文的软件设计选择C语言编程，所以STC系列单片机在此处不是非常适合。
为适用于本论文设计的烟雾检测报警器，应选择一种比8051系列速度快、功耗低、抗干扰性好、而又避免C语言编程溢出问题的单片机。
宏晶科技新推出的STC12系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度却比8051单片机快8~12倍。
而且STC12系列下属的STC12C54xxAD系列单片机是低功耗Flash单片机，它具有高效的寻址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器（PWM）等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。
而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和实用性。
STC12C54xxAD系列单片机有6种型号：
分别是STC12C5412AD、STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD和STC12C5402AD。
它们是以单片机内部集成Flash的大小区分的[3]。
在价格相同的情况下，尽量选择Flash较大的芯片，所以选择了STC12C5412AD单片机作为本论文设计的烟雾报警器的单片机核心芯片。
它体积小、价格低，非常适用于本设计。
3.2烟雾检测报警器硬件
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