基于单片机的火灾报警综合系统.docx

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基于单片机的火灾报警综合系统

基于单片机的火灾报警综合系统

摘要：

本系统采用AT89C51作为控制器，选用温度传感器DS18B20、烟雾传感器、红外敏感元件ST178P作为火灾探测的敏感元件，采用声光报警的方式，设计出可以应用于办公室、教室、家庭房屋等场所的简单实用的火灾探测报警器。

单片机巡回检测温度、红外辐射、烟雾并显示温度，当以上任一项发生异常时系统判断具体是哪项异常，再发出相应的声光报警信号，只到异常被排除，系统自动停止报警

关键字：

单片机、DS18B20、ST178P、火灾报警

目录

摘要………………………………………………………………………………………………1

1引言………………………………………………………………………………………………3

2报警器硬件设计………………………………………………………………………………3

2.1硬件组成………………………………………………………………………………………3

2.2单片机控制模块………………………………………………………………………………3

2.2.1AT89C51的简介…………………………………………………………………………3

2.2.2单片机接线…………………………………………………………………………………4

2.3数码显示电路…………………………………………………………………………………4

2.4声光报警电路…………………………………………………………………………………5

2.5烟雾检测模块…………………………………………………………………………………5

2.6红外探测模块…………………………………………………………………………………6

2.6.1LM339比较器的使用简介…………………………………………………………………6

2.6.2ST178的工作原理…………………………………………………………………………6

2.7温度采集模块…………………………………………………………………………………7

2.7.1DS18B20简介……………………………………………………………………………7

2.7.2接线图………………………………………………………………………………………8

2.8电源电路………………………………………………………………………………………9

2.9主程序流程图…………………………………………………………………………………10

3．调试结果………………………………………………………………………………………12

3.1温度检测模块的功能调试……………………………………………………………………12

3.2红外探测模块的功能调试……………………………………………………………………13

3.3烟雾探测模块的功能调试………………………………………………………………13

4设计总结…………………………………………………………………………………………13

参考文献……………………………………………………………………………………………13

附页…………………………………………………………………………………………………14

程序清单……………………………………………………………………………………………14

1引言：

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，灵敏度也越来越高[1]。

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[2]。

本系统则主要应用于居民住宅、机房、办公室等场所的小型防火报警器。

廉价实用且可在火灾发生的初期就检测到并且发出声光报警，同时可实时显示该场所的环境温度[3]。

2报警器硬件设计

设计原理：

单片机巡回检测温度、红外辐射、烟雾并显示温度，当以上三项任意两项或三项都同时发生异常时系统认为发生了火灾，发出声光报警信号，只到异常被排除，系统才自动停止报警。

2.1硬件组成

图2-1硬件组成

如图2-1，本系统主要由单片机控制模块、烟雾探测模块、温度采集模块、红外探测模块、数码管显示模块、声光报警模块、电源模块。

2.2单片机控制模块

因本系统要求实时显示环境温度，涉及到一些计算及BCD转化的处理，同时考虑到功耗等问题，综合考虑后选择AT89C51作为本系统的中央控制器。

2.2.1AT89C51的简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[4]。

2.2.2单片机接线

图2-2单片机接线

如图2-2所示P0口用于控制发光二极管，P1.0、P1.1作为数码显示的数据口和时钟。

P1.2接温度传感器DS18B20的数据脚，用于读入温度，P1.3接红外辐射的检测口，当红外辐射大于常态时P1.3状态变为1，P1.4接烟雾传感器的检测口，当烟雾浓度大于常态时该口状态变为1，P1.5作为蜂鸣器的控制口，当发出声音报警是P1.5口输出一定频率的方波。

20脚接地，40脚接电源，18、19接6MHZ晶振输入端，31脚接电源端。

2.3数码显示电路

图2-3数码显示电路连接图

本系统采用四个数码管来显示带一为小数位的温度，其接线如图2-3所示其中74LS164为移位寄存器，数码管采用共阳接法。

2.4声光报警电路

因为本系统是应用在办公室、机房等小单位的防火场所，所已采用发光二及管电路及蜂

鸣电路作为报警电路，其接线如图2-4所示

图2-4声光报警电路

2.5烟雾检测模块

　　离子感烟探测器和光电感烟探测器是目前工程中应用最广泛的两种火灾探测器。

离子感烟探测器是利用放射性同位素（目前普遍采用的是241Am）衰变过程中放出的α射线使电离室内的空气产生电离，使电离室在电子电路中呈现电阻特性。

当烟雾进入电离室后，改变了空气电离的离子数，即改变了电离电流，也就相当于电离室的阻值发生了变化。

根据电阻变化的大小识别烟雾量的大小，并判断是否发生火灾[5]。

光电感烟探测器是利用火灾烟雾对光产生吸收和散射作用来探测火灾的一种装置。

通过测量由于烟雾对光的吸收而产生的衰减作用来确定烟雾，从而探测火灾的探测器称为减光型光电感烟探测器。

如果在光路以外的地方，通过测量烟雾对光的散射作用而产生的光能量来确定烟雾从而探测火灾的探测器，称为散射型光电感烟探测器。

本系统采用离子式感烟探测器，作为本系统的烟雾敏感元件。

离子式感烟探测器的工作原理是：

有两个电离室串联，构成等效于电阻串联的偏置电路。

其中一个是基本不与外界相通的内电离室，另一个是与外界相通的外电离室，（即检测电离室），两个电离室中均放入一片放射源镅24l（AM241），不断地放射出α粒子，使两室内的气体都被部分电离。

当有烟雾进入外电离室，因烟雾颗粒吸附一部分离子，使外室的离子电流减小．等效于它的电阻增大，分压电位增高。

当烟雾达到检测的限定浓度时，则电位增高到能触发开关电路（高电位触发型）而报警。

该离子式感烟探测器型号SS-168，在市场上可以买到，供电电压为9V，输出触发报警电路的高电平大约为3.2V，因此将该触发信号接至比较器LM339的4脚作为比较器正端，负端接1V电压，当无触发信号时比较器输出端2脚输出底电平（0V），当有触发报警信号时，比较器输出5V的高电平，从而与单片机AT89C51的管脚电压相匹配。

2.6红外探测模块

2.6.1LM339比较器的使用简介

由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用[6]。

LM339类似于增益不可调的运算放大器。

每个比较器有两个输入端和一个输出端。

两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。

用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。

当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。

当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。

两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。

2.6.2ST178的工作原理

本系统的红外检测模块采用单光束反射取样式光电传感器ST178，该传感器是由南平旭光电子科技有限公司开发生产的主要应用于物体运动方向及正反转转速、行程测量等。

其在本系统中的应用原理是，光电传感器接收孔探测到火焰辐射的较强烈的红外线时，接收管导通输出一定的电压，辐射越强烈，则3脚输出的电压也越大，应此把3脚接与比较器LM339，当辐射达到一定时比较器输出高电平，当在无红外辐射或辐射较少时，比较器输出底电平，并且ST178对人体辐射的红外线波长不敏感，对火焰辐射的红外线可灵敏检测，价格实惠，因此本系统采用该传感器作为红外敏感元件。

其电路接线如下图2-6所示,其中P1.3、P1.4接单片机的对应口，YL1接离子式烟雾传感器的报警触发信号口。

图2-6ST178的接线图

2.7温度采集模块

本系统要求要实时显示环境温度当温度高于常态时作出声光报警，为了能够更准确更快速地采集到环境温度，采用温度传感器DS18B20作为温度敏感元件。

2.7.1DS18B20简介

DS18B20、DS1822"一线总线"数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持"一线总线"接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。

DS1822的精度较差为±2°C。

现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的！

性能价格比也非常出色！

省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。

根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功[7]。

表2-1ROM指令表

指令

约定代码

功能

读ROM

33H

读DS1820ROM中的编码（即64位地址）

符合ROM

55H

发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS1820使之响应，为下一步对该DS1820的读写作准备。

搜索ROM

0F0H

用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址。

为操作各器件作好准备。

跳过ROM

0CCH

忽略64位ROM地址，直接向DS1820发温度变换命令。

适用于单片工作。

告警搜索命令

0ECH

执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。

1.）DS18B20时序

（a）初始化时序

图2-7初始化时序图

（b）写时序

图2-8写时序图

（c）读时序

图2-9读时序图

2.7.2接线图

接线如下图2-10所示：

图2-10DS18B20接线图

2.8电源电路

本系统烟雾传感器的供电电压为9V,C51及其他芯片的工作电压是5V,应此采用9V镍氢镍镉充电电池提供9V烟雾传感器的电源,再用芯片7805从9V电源中分压变成5V作为C51及其他芯片的供电电源,其接线图如下

图2-11电源电路图

3.软件设计

3.1主要设计思路

主程序循环判断以上三项是否发生异常，当有一项异常时，系统再判断其他两项是否有一项或两项都异常，如果是则系统认为发生了火灾，发出声光报警，只到异常被排除，如果其他两项都没有异常则系统认为没有发生火灾，系统继续循环检测。

3.1.1主要端口说明

P1.0为单片机向数码管串行输出要显示的温度的数据口，P1.1为单片机向数码管串行输出数据的脉冲信号，P1.2温度传感器DS18B20的数据输入口，P1.3红外辐射检测端口，单片机检测到该口为高电平时认为红外辐射发生了异常，P1.4烟雾传感器的检测口，单片机检测到该口为高电平时认为烟雾浓度过高，发生异常，P1.5蜂鸣器的触发信号口。

3.1.2主程序流程图

3-1主程序流程图

3.2温度获取子程序流程图

图3-2温度获取子程序流程图

3.3温度BCD转化流程图

图3-3温度BCD转化流程图

4.调试结果

4.1报警功能调试

将9V电池接入电路中，单片机自动复位，数码管显示当前温度24.3摄氏度，为检测温度高于50摄氏度时是否报警，将DS18B20用密封的塑料放在装有开水的杯子中，可以看到数码管显示的温度急剧上升，当温度到达50摄氏度时，同时打火机在光电传感器正上方大约1米左右的地方点火，8个发光二极管有4个亮，4个暗，并且亮暗间隔开，同时可听到蜂鸣器发出尖锐的报警声，且发光二极管亮暗在向昨移动，每移动一位蜂鸣器就发出一声持续时间约0.8秒的报警声；发出8次报警声后，可看到数码管的温度显示会变化一次，取出DS18B20，将其放在空气中，可看到数码管显示的温度急剧下降，单温度底于50摄氏度时，声光报警自动停止。

经多次检测，该功能稳定可靠[8]。

4.2红外探测模块的功能调试

上电后，单片机自动复位，数码管显示当前温度24.4摄氏度，打火机在光电传感器正上方大约1米左右的地方点火，将DS18B20用密封的塑料放在装有开水的杯子中，可以看到数码管显示的温度急剧上升，当温度到达50摄氏度时，发出光电报警。

8个发光二极管有4个亮，4个暗，并且亮暗间隔开，同时可听到蜂鸣器发出尖锐的报警声，且发光二极管亮暗在向昨移动；当停止点火时声光报警也自动停止，数码管仍然显示当前的温度，由此判定当有较大的火焰时，单片机可测距离将大幅度增大。

经多次检测，该功能稳定可靠[9]。

4.3烟雾探测模块的功能调试

上电后，单片机自动复位，数码管显示当前温度25.7摄氏度，用小纸条捆成圆形，用打火机点火，纸条火焰熄灭后产生大量的浓烟，靠近烟感，可看到烟雾漂进传感器的检测腔中，将DS18B20用密封的塑料放在装有开水的杯子中，可以看到数码管显示的温度急剧上升，当温度到达50摄氏度时，8个发光二极管有4个亮，4个暗，并且亮暗间隔开，同时可听到蜂鸣器发出尖锐的报警声，且发光二极管亮暗在向昨移动，每移动一位蜂鸣器就发出一声持续时间约0.8秒的报警声；将带烟雾的条移走后，可看到声光报警并未立即停止，这是由于在烟感的检测腔中仍还滞留有一部分烟雾的缘故，大约4-12秒过后，声光报警自动解除。

经多次检测，该功能稳定可靠[10]。

5.设计总结

经过这次毕业设计，我接触到更多平时没有接触过或使用较少的科学仪器设备、元器件以及获得相关的仪器调试经验，同时我也发现自己在这方面很多不足之处。

体会到理论知识对实践有很大的指导作用，她让我知道，只有在正确的理论指引下，才能设计出合乎实际需要的硬件电路。

学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料。

我发现，在我们所使用的书籍上有一些知识在实际应用中其实并不是十分理想，各种参数都需要自己去调整。

偶尔还会遇到错误的资料现象，这就要求我们应更加注重实践环节。

毕业设计是对大学四年所学知识的一次运用和检阅，同时对自学能力提出很高的要求，所以平时的学习离开思考，就是严重的错误，我们学习不应该有偏科现象，各方面的知识都应该要接触，这样做才能为毕业设计打下基石。

最后，衷心地感谢我的毕业设计指导老师张士钱老师。

在一个多月的毕业设计过程中，张老师给了我很大的帮助和细心的指导。

同时也感谢实验指导老师温发林、范宜标等老师的大力帮助。

参考文献

[1]火灾自动报警系统设计规范-GB50116-98中华人民共和国建设部施行日期：

1999年

6月1日

[2]战卫东《谈谈火灾统计》《山东消防》［Ｊ］2003年9期-32-32页

[3]胡显华《火灾探测器误报警的原因及改进方法》《电脑开发与应用》［Ｊ］2007年20卷11期60-62

[4]李广弟．单片机基础［M］．北京：

北京航空航天大学出版社，1994．

[5]刘小舟《煤矿火灾预防与防治技术现状》《煤矿现代化》［Ｊ］22005年5期-25-27页

[6]李焕莉《建筑火灾烟气蔓延规律对火灾探测系统的影响》《武警学院学报》［Ｊ］2006年22卷5期-31-32页

[7]LM339DATASHEET英文资料[EB]

[8]DS18B20DATASHEET英文资料[EB]

[9]何延治杨海荣《火灾危险性评估在建筑防火设计中的应用》《建筑设计管理》［Ｊ］2006年6期55-56页

[10]余明高、袁东升、贾海林、李定启、张建民、贾跃荣《Newprocessingmethodforfireforecastparameters》《煤炭学报：

英文版》［Ｊ］2004年10卷1期41-44页

BasedonacomprehensiveSCMFireAlarmSystem

Physicsandelectromechanicalprojectacademyelectronicinformationprojectspecialfield

      Student:

200402124Name:

LiuZhenguiinstructor:

ZhangShiqian

[Abstract]ThissystemusesAT89C51ascontroller,temperaturesensorselectionDS18B20,smokesensors,infrared-sensitivecomponentsST178Pasfiredetectionsensor,andithasasoundandlightalarm.Thisdesigncanbeusedinoffices,classrooms,housing,etc.Itisasimpleandpracticalfiredetectionalarm.SCMTouroftemperature,infraredradiation,smokeandshowthatthetemperature,Whenmorethantwoinanysystemanomaliesthathavetakenplace，SCMwillsendsoundandlightalarmsignal,onlytobeexcludedfromabnormal,thesystemautomaticallystopsAlarm.

[Keyword]:

SCMDS18B20ST178Pdisasterwarning

附录

程序清单：

ORG0000H

SJMPMAIN

ORG0030H

MAIN:

MOVSP,#29H

MAIN1:

FIRE00:

LCALLGET_TEMP;读温度

LCALLFENLI

LCALLBCD

CJNER5,#4,FIRE1;判断温度是否超过50摄氏度

LCALLCHANGE_CLEAR

LCALLSHUCHU

FIRE11:

;

MOVC,P1.3;判断是否有红外辐射

JCFIRE2

FIRE22:

MOVC,P1.4;判断是否烟雾异常

JCFIRE3

FIRE33:

Ljmpmain1;

FIRE1:

JCFIRE11;

LCALLCHANGE_CLEAR;

LCALLSHUCHU

MOVC,P1.3;当温度大于50摄氏度时，进一步判断是否有红外辐射，如果有就发出报警

JCBAOJING

MOVC,P1.4;如果无红外辐射，判断烟雾是否异常

JCBAOJING

SJMPFIRE11

FIRE2:

;当有红外辐射时，进一部判断是否温度超过50摄氏度或是否烟雾异常

LCALLGET_TEMP

LCALLFENLI

LCALLBCD

CJNER5,#4,F2

LCALLCHANGE_CLEAR;

LCALLSHUCHU

f22:

MOVC,P1.4

JCBAOJING

LJMPFIRE22

F2:

JCf22

LCALLCHANGE_CLEAR

LCALLSHUCHU

LJMPBAOJING

FIRE3:

LCALLGET_TEMP;当烟雾异常时进一部判断是否温度超过50摄氏度或是否有红外辐射

LCALLFENLI

LCALLBCD

CJNER5,#4,F3;

LCALLCHANGE_CLEAR;

LCALLSHUCHU

f33:

MOVC,P1.3;

JCBAOJING;

LJMPFIRE33

F3:

JCf33

LCALLCHANGE_CLEAR;

LCALLSHUCHU

LJMPBAOJING

BAOJING:

MOVR1,#08H;声光报警

MOVA,#55H

MOVP0,A

LCALLLOAD

LCALLLOAD

LCALLDLY1

F1:

MOVA,P0

RRCA

MOVP0,A

LCALLLOAD

LCALLLOAD

LCALLDLY1

MOVC,P1.3

JCFIRE2

MOVC,P1.4

JCFIRE3

DJNZR0,F1

LJMPMAIN1

;*****************************************************************

;功能：

从DS18B20中提