基于多传感器的智能火灾报警系统设计.doc
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本科学生毕业设计
基于多传感器的智能火灾报警系统设计
院部名称：
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
李静
职称：
讲师
黑龙江工程学院
二○一二年六月
TheGraduationDesignforBachelor'sDegree
DesignofIntelligenceAutomaticFireAlarmBasedonMultisenor
Candidate：
Specialty：
Measurement-ControlTechnology
andInstrumentation
Class：
Supervisor：
Lecturer.LIJing
HeilongjiangInstituteofTechnology
2012-06·Harbin
黑龙江工程学院本科生毕业设计
Ⅰ
摘要
基于单片机技术和多传感器技术开发设计了一套火灾自动报警系统。
设计内容包括软件系统和硬件系统。
系统的软件部分包括主程序、按键、温度气体浓度采集、和数码管显示子程序；硬件包括四个部分：
单片机最小系统、温度气体浓度检测电路、显示电路和报警电路。
选用最常用的AT89S52单片机作为控制处理器，对所采集的数据进行处理；采用DS18B20数字温度传感器将温度信号直接转换成数字信号，传递给单片机；选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾浓度的检测；MQ-2型半导体烟雾传感器电路简单，成本低，同时可设置温度报警值，实现声光报警。
CPS3641BR数码管具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。
该火灾自动报警系统结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉，具有一定的实用价值。
关键词：
单片机；温度传感器；烟雾传感器；火灾自动报警；结构简单
ABSTRACT
Wedevelopmentanddesignasetofautomaticfirealarmsystembasedonmicrocontrollertechnologyandsensortechnology.Thisdesigncontainsoftwaresystemandhardwaresystem.Thesoftwareincludemainprogram,key,collectingoftemperaturegasconcentration,subroutineofLEDdisplay.Hardwaresystemincludemicrocontrollerunitsystem,detectioncircuitryoftemperaturegasconcentration,displayingcircuitsandalarmingcircuits.ThissystemchoseAT89S52asthecontrolprocessorandhandlewithcollectingdates.ThissystemchosedigitaltemeperaturesensorDS18B20totransformtemperaturesignaltodigitalsignalandconveyittomicrocontrollerunit.ThissystemchosesemiconductorflammablegassensitivecomponentssensorMQ-2realizethetestingofthedensityoffog.ThecircuitsofsemiconductorsmokesensorMQ-2aresimpleandlowcost.Atthesametimeitcansetpanicvalueandrealizeaudibleandvisualalarm.NixietubeCPS3641BRhasthemeritofhighsensitivity,fastresponse,anti-interferencecapability.Andthepriceischip,thelifetimeislong.Thisautomaticfirealarmsystemhasalotofmeritssuchas,simplestructure,stableperformance,convenienttouse,lowcost,havingpracticalvalueandsoon.
Keywords:
MicrocontrollerUnit;Temperaturesensor;Smokesensor;Automaticfirealarmingsystem;Simplestructure
II
目录
摘要 II
Abstract II
第1章引言 1
1.1智能火灾报警器设计的目的和意义 1
1.2智能火灾报警器的国内外发展情况 2
1.3本设计研究的主要内容 2
第2章多传感器的智能火灾报警系统总体方案设计 4
2.1系统的基本方案 4
2.2主控芯片的选择 4
2.3传感器的选择 5
2.3.1温度传感器的选择 5
2.3.2烟雾传感器的选择 5
2.4ADC芯片选择的论证 6
2.5显示电路的选择论证 6
2.6整体方案 7
2.7本章小结 7
第3章多传感器的智能火灾报警系统的硬件设计 9
3.1AT89S52单片机简介 9
3.2AT89S52单片机的最小系统电路及其引脚功能说明 9
3.3温度采集电路 11
3.3.1DS18B20的介绍 11
3.3.2温度传感器DS18B20的主要特点 11
3.3.3温度传感器DS18B20的引脚图和封装及引脚功能说明 12
3.3.4DS18B20供电方式 12
3.3.5温度采集模块 13
3.4气体浓度采集电路 13
3.4.1MQ-2传感器介绍 13
3.4.2MQ-2传感器的特性及主要技术指标 14
3.4.3气体采集模块 14
3.5ADC0832转换器 15
3.5.1ADC0832转换器介绍 15
3.5.2AD0832转换器各引脚功能 15
3.6报警电路设计 16
3.6.1蜂鸣器 16
3.6.2LED指示灯 16
3.7数码管显示电路设计 16
3.7.1显示器的工作原理 16
3.8按键控制电路设计 17
3.9本章小结 17
第4章软件系统设计 19
4.1主程序流程图 19
4.2串行通讯的实现 19
4.2.1串行口控制寄存器SCON的设置 19
4.2.2定时器的初始化设置 20
4.2.3波特率计算 21
4.3主程序初始化流程图 22
4.4滤波子程序 22
4.5单片机处理子程序 22
4.6按键处理子程序 23
4.7本章小结 23
结束语 25
参考文献 26
致谢 28
附录A 29
附录B 30
黑龙江工程学院本科生毕业设计
第1章引言
1.1智能火灾报警器设计的目的和意义
火灾，是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。
在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。
人类能够对火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。
火，给人类带来文明进步、光明和温暖。
但是，失去控制的火，就会给人类造成巨大的灾难。
对于火灾，在我国古代，人们就总结出“防为上，救次之，戒为下”的经验。
随着社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生火灾的危险性也在增多，火灾的危害性也越来越大。
据统计，我国70年代火灾年平均损失不到2.5亿元，80年代火灾年平均损失不到3.2亿元。
进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。
实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性就越来越突出。
由此，火灾报警器在消防工作就的作用也尤为突出了。
我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。
但目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。
而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探测报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的语音数字联网火灾报警器是非常必要的。
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。
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时间性，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。
本设计是基于多传感器的智能火灾报警系统，能够在火灾初期，将燃烧的烟雾、热量和光辐射等物理量，通过感温、感烟和感光等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，出现异常情况能够进行报警，起到早期发现火灾和通报火灾的作用。
1.2智能火灾报警器的国内外发展情况
许多年前，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，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，花了好多年时间，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。
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，象消防报警产品那样又拥有自我知识产权，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。
1.3本设计研究的主要内容
目的是研究一个由单片机控制的火灾自动报警系统，采用多种传感器，如温度传感器和烟雾传感器，对环境中的温度和烟雾浓度状况进行实时监测，能对周围环境的温度突然升高和烟雾浓度突然的提高进行报警，同时通过这个设计提高自己对单片机和传感器的使用能力，了解和掌握单片机、温度传感器和烟雾传感器的使用，巩固自己在大学学习的所有知识，增强自己的实际操作的能力。
要求所设计的火灾自动报警系统能够对温度和烟雾进行实时监测，出现异常状况能够进行及时的报警，起到早期出现火灾并及时通报相关人员和及时扑灭火灾，来减少人员及财产的损失。
本火灾智能报警系统包括很多部分：
触发电路、报警电路、显示电路、转换电路、数据处理和控制电路等。
触发电路由温度传感器和烟雾传感器等组成。
报警电路由报警装置蜂鸣器和光报装置LED灯。
显示电路由数码管显示模块实现由温度传感器和烟雾传感器所传送过来的数据。
采用单片机作为主控芯片来进行数据的处理和控制。
设计包括软件和硬件两部分，软件部分包括主程序、温度和气体的浓度的采集、单片机处理和控制程序及数码管显示子程序；硬件包括单片机最小系统、触发电路、显示电路和报警电路。
第一章引言部分主要介绍了智能火灾报警器的设计目的与意义以及国内外的发展情况。
第二章主要进行了对主控芯片的对比和选择以及传感器芯片的对比和选择，并且给出了整体的设计方案。
第三章根据设计的要求，对外围电路进行了设计，主要有温度采集电路和气体浓度采集电路及其显示电路等等。
第四章主要介绍了系统软件设计。
主要介绍了系统的主程序流程，及其各模块的流程图等。
第2章多传感器的智能火灾报警系统总体方案设计
2.1系统的基本方案
根据设计的要求系统硬件部分可分为单片机控制和处理部分、传感器部分、显示电路和报警电路。
为实现各模块的功能，分别做了几种不同的方案设计并进行论证。
2.2主控芯片的选择
方案一：
AT89S51是一个低功耗芯片，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，该器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，主要特点如下：
1、4kBytesFlash片内程序存储器；
2、128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；
3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；
4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断；
5、6个中断源；
6、2个16位可编程定时器/计数器；
7、2个全双工串行通信口；
8、看门狗（WDT）电路；
9、片内振荡器和时钟电路；
10、与MCS-51兼容；
11、全静态工作：
0Hz-33MHz；
12、三级程序存储器保密锁定；
13、可编程串行通道；
14、低功耗的闲置和掉电模式。
方案二：
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用ATMEL公司高密非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
芯片上Flash允许程序存储器在系统可编程亦适于常规编程器。
在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效地解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，8个中断向量源，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，主要特点如下：
1、8位字长CPU；
2、振荡器和时钟电路，全静态操作：
0-33MHz；
3、8KB系统内可编程Flash存储器；
4、4个I/O端口共32线；
5、3个16位定时/计数器；
6、全双工串行口通道；
7、ISP端口；
8、定时监视器；
9、双数据指针；
10、20多个特殊功能寄存器；
11、电源下降标志。
通过比较AT89S51和AT89S52本质上没有太大的区别，只不过AT89S52是AT89S51增强型，成本差不多，电源下降有明显的标志，所以选择AT89S52作为本设计的主控芯片。
2.3传感器的选择
2.3.1温度传感器的选择
方案一：
温度传感器DS18B20，它直接能把收集到的温度信号直接转化成单片机识别的数字信号，不需要增加外围电路，直接可以和单片机进行相连接。
结构简单，使用起来方便。
方案二：
温度传感器Pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。
它的输入响应时间为1秒同步测量，是一个模拟信号量。
综上所述，DS18B20温度传感器的结构简单，能把采集到的信号直接传送给单片机做处理，然而铂热电阻，需要添加响应的转换电路。
相比来说比较麻烦。
2.3.2烟雾传感器的选择
方案一：
烟雾传感器MQ-2，它具有信号输出指示，双路信号的输出，对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。
具有长期的使用寿命和可靠的稳定度，快速的响应恢复特性，试用与家庭或工厂的气体泄漏监测装置。
方案二：
GQQ0.1烟雾传感器主要用于煤矿井下橡胶、煤尘等因摩擦起热或其它原因产生产生的烟雾进行监测。
本传感器只能在无显著摇动和冲击振动的地方，在无足够以腐蚀金属和破坏绝缘的气体和蒸汽的环境中，在无滴水及液体浸入的地方。
综上所述，MQ-2烟雾传感器的寿命长，可靠的稳定度，快速的响应恢复特性，具有信号输出指示，双路信号的输出。
所以本设计采用MQ-2作为烟雾传感器。
2.4ADC芯片选择的论证
A/D转换器的作用是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。
随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换的新设计思想和制造技术层出不穷。
并为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构的不同、性能各异的A/D转换芯片应运而生。
尽管A/D转换器的种类繁多，但目前广泛应用在单片机应用系统中的有以下几种类型：
逐次比较型转换器、双积分型转换器、∑-△式转换器。
方案一：
ADC0809转换器
ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换，由单一的+5V电源供电。
片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选的通道。
ADC0809完成一次转换需100微秒左右，它可对0-5V的模拟信号进行转换，但是它在精度、速度和价格上都适中。
方案二：
ADC0832转换器
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨率可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0-5V之间。
芯片的转换时间仅为32微秒，具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性强。
通过比较ADC0832具有较快的转换时间且稳定性能强，选择ADC0832作转换芯片选择。
2.5显示电路的选择论证
方案一：
LED灯显示
LED按显示方式可分为静态显示和动态显示。
静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下一次显示时再传送一次新的数据。
只要当前显示的数据没有变化，就无需理睬数码管显示。
静态显示的数据稳定，占用CPU时间少。
静态显示中，每一个显示器都要占用单独具有锁存功能的I/O口，该接口用于笔画段字形代码。
这样单片机只要把显示的字型数据代码发送到接口电路，该字段就可以显示要发送的字型。
要显示新的数据时，单片机再发送新的字型码。
另一种方法是动态扫描显示，是用接口电路把所有显示器的8个笔画字段（a-g和dp）同名端连接在一起，而每一个显示器的公共极各自独立接受I/O线控制。
CPU向字段输出端口输出字型码时，所有显示器接收相同的字型码，但究竟使哪一位则由I/O线决定。
动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示器的公共极，使每个显示器轮流点亮。
在轮流点亮的过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二级管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。
方案二：
LCD显示器
LCD是液晶显示器的缩写，它是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，从而达到白底黑字或者黑底白字显示的目的。
液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点，因此被广泛应用在仪器仪表和控制系统中。
通过比较LCD是具有很多优点，但是本设计中用LED灯就能实现其很好的功能，且节约成本。
所以选择LED。
2.6整体方案
根据基于多传感器的智能火灾报警系统的基本工作原理：
当有火灾发生时，环境中的温度和气体的浓度会升高，温度传感器把模拟信号直接转化成数字信号，再传送给单片机来处理，烟雾传感器把感受的烟雾信号经过放大，再经过A/D转换电路，把模拟信号转换成数字信号，发送给单片机来处理和控制。
通过单片机处理过的信号，再与预订的门限值进行对比，达到门限值单片机通知报警电路报警。
系统总体方案如图2.1所示。
图2.1系统总体方案框图
2.7本章小结
通过控制芯片、传感器、显示部分的对比和分析，对本设计的主要器件进行论述，最终确定了各部分所用的元器件。
主控芯片选择AT89S52作为控制核心，DS18B20温度传感器和MQ-2烟雾传感器作为数据搜集电路，并用LED作为显示电路。
第3章多传感器的智能火灾报警系统的硬件设计
3.1AT89S52单片机简介
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
3.2AT89S52单片机的最小系统电路及其引脚功能说明
AT89S52单片机各个功能部件的运行都以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。
所以在单片机系统设计中，振荡电路的设计是十分重要的一个环节，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定。
如图3.1中的时钟电路的电容C1和C2的典型值通常采用选择为30pF左右。
该电容的大小会影响振荡器频率的高低、
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