自动化毕业设计 单片机 自动灭火.docx

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自动化毕业设计单片机自动灭火

毕业论文（设计）作者声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全了解有关保障、使用毕业论文的规定，同意学校保留并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版。

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本毕业论文内容不涉及国家机密。

论文题目：

作者单位：

作者签名：

年月日

目录

摘要.................................................................1

引言.................................................................1

1.总体设计方案.....................................................2

1.1设计方案的选择................................................2

1.2设计思路......................................................2

1.3系统总体设计框图..............................................3

2.开发工具介绍.....................................................3

2.1Protel99SE简介...............................................3

2.2KeilC51简介................................................4

3.系统的硬件设计...................................................4

3.1单片机的控制中心..............................................4

3.2单片机最小系统的设计..........................................5

3.3传感器检测电路的设计..........................................6

3.4模数转换模块的设计............................................7

3.5报警显示及按键电路设计........................................8

3.6消防联动的设计................................................9

3.7系统电源的选择..............................................11

4.系统的软件设计.................................................11

4.1主程序流程图................................................11

4.2按键控制扫描子程序流程图.....................................12

5.总结与展望......................................................13

5.1总结.........................................................13

5.2展望.........................................................14

参考文献...........................................................14

附录................................................................16

致谢................................................................21

基于单片机自动灭火系统的研究

摘要：

本课题以AT89C51单片机为控制核心，融合了用于检测空气中烟雾：

浓度的传感器MC14468及转换速度快、精确度高的模数转换器ADC0809，并用按键控制显示输出。

采用数码管显示能让输出变得可视化，动态地显示空气中烟雾的含量，当烟雾含量超过单片机内部的设定值，将引起蜂鸣器警报，同时启动联动灭火装置，更有效地达到控制及灭火的目的。

关键词：

AT89C51;MC14468;ADC0809：

TheStudyofAutomaticFireExtinguishingSystemBasedonMCUAbstract：

ThistopicistakingAT89C51microcontrollerasthecontrollingcore,itintegratestheMC14468smokesensor,whichdetectstheconcentrationofsmokeintheair,andADC0809converter,whichhasthecharacteristicoffastconversionspeedandhighaccuracy,alsobyusingthebuttoncontrolthedisplayoutput,whilethedigitaldisplaycanmaketheoutputbecomevisibleanddynamicallyshowthecontentofsmogintheair.Whensmoglevelsexceedthestandardwhichissetbytheinternalmicrocontrollerlimits,itwillcausethebuzzeralarm,begintomovefirestartinglinkageDevicesatthesametime,moreandgetthepurposesofcontrollingandfightingfiremoreeffectively.

KeyWords：

AT89C51；MC14468；ADC0809：

引言

自古以来，火灾也是影响人类生命财产安全的重大灾害之一，然而火灾隐患处处藏在生活中。

“11.15上海公寓火灾事件”2010年11月15日14时15分，上海市静安区一座28层高的住宅楼发生特大火灾。

火灾造成58人死亡，逾百人受伤。

起火楼房高28层，消防队员纵有孙悟空七十二变的功夫，也无法翻越这座“火山”，高压水枪喷出的水流，无异于杯水车薪，根本起不了多大的效果，任由大火肆虐的蔓延。

2010年1至6月份全国共发生火灾73317起死亡656人，仅受伤271人，直接财产损失79290.7万元。

如此惊人的数目，是根本无法想象的。

所以我们只有开发出火灾报警及其自动灭火系统装置，才能在消防人员到来之前，发出警报及提前自动控制火情或灭火，有效的把火灾遏止于萌芽之中。

随着社会和经济的发展，高层建筑物越来越多、建筑面积增大、用电设备增多、供电要求高、人员集中等这些特点，都给高层建筑的防火问题提出了很高的要求,消防工作的重要性就越来越突出。

因此，火灾报警及其联动灭火系统在消防工作中的作用也尤为突出了。

我国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、高级写字楼等场所大型火灾报警系统的研发，其系统复杂、成本较高[1]。

而在居民住宅区、娱乐场所、宾馆等小型防火单位，需要设置一种区域配套、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、价格低廉的火灾报警器及自动灭火系统是非常必要的。

1.总体设计方案

1.1设计方案的选择

火灾报警可以通过探测烟雾浓度报警或者通过温度测量进行报警。

本课题主要研究通过烟雾探测报警，而没有选择温度报警方式。

原因是火灾从初起到引燃的时间段是一个较长的过程，这就是燃烧的开始阶段[2]。

若要把火灾损失控制在最低限度，保证人身财产安全，火灾探测应从开始阶段进行。

在火灾的开始阶段尽管产生大量烟雾，充满整个建筑物空间，但该环境的温度并不高，此时测量烟雾比测温度更为敏感，所以选择烟雾报警系统。

1.2设计思路

本课题设计思路是根据烟雾检测报警器的功能特点来展开，即它能够检测环境中的烟雾浓度，具有报警功能，其最基本组成部分包括烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。

烟雾信号采集电路则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。

然后单片机对该数字信号进行处理，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。

即数码管动态显示空气中烟雾的含量，当烟雾含量超过单片机内部设定的标准上限值，将引起蜂鸣器警报，同时启动联动自动灭火装置。

但是有一点值得注意，那就是警报会一直响。

所以，必须设定一个按键控制功能，要经过按键取消警报才会消失，而且让它过一段时间后重新开始检测，继续工作。

1.3系统总体设计框图

从整体上设计本系统框图，总体框图如图1所示。

在上图所示的系统总框图中，主要包括传感器检测模块、模数转换模块、显示模块、按键控制及报警模块。

本系统以MOTOROLA公司生产的气敏传感器MC14468来检测空气中烟雾的浓度，经过模数转换成数字信号，再经过AT89C51单片机的处理，即与设定值进行比较，数码管动态显示瞬时的烟雾浓度。

当烟雾含量超过单片机内部设定的上限值，将引起蜂鸣器警报，同时启动联动自动灭火装置。

按键控制则为取消报警，便于重新检测。

2.开发工具介绍

2.1Protel99SE简介

Protel99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。

该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。

Protel99SE由两大部分组成：

电路原理图设计AdvancedSchematic和多层印刷电路板设计AdvancedPCB。

其中AdvancedSchematic是由两部分组成：

电路图编辑器Schematic和元件库编辑器SchematicLibrary。

Protel99SE采用数据库的管理方式。

Protel99SE软件沿袭了以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。

新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层[3]。

2.2KeilC51简介

本系统的软件编程及调试使用的是美国KeilSoftware公司出品的KeilC51，是51系列兼容单片机汇编语言软件开发系统。

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

C51工具包的整体结构中，?

Vision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境IDE，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程[4]。

开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。

然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件.OBJ。

目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经C51连接定位生成绝对目标文件.ABS，ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

3.系统的硬件设计

3.1单片机的控制中心

本课题是基于单片机的烟雾报警及其联动系统的研究，单片机是其中的核心部件，是设计的枢纽。

AT89C51是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有4K字节的FLASH可编程，可擦除只读存储器（EPROM），它采用CMOS工艺和Atmel公司的高密度非易失性存储器技术[5]。

而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。

片内的FLASH存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。

它具有功能强、灵活性高、价格低、普遍和适合民用等优点，可方便应用于本系统设计的控制中心。

因此选择来AT89C51单片机。

以下是其部分引脚的功能特点：

P0口：

可以被定义为数据/地址的低八位，能够用于外部程序/数据存储器。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

标准输入输出I/O，P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

既可以用于标准输入输出I/O，也可用于外部程序存储器或数据存储器

访问时的高八位地址。

口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信P2号。

P3口：

既可以作标准输入输出I/O，也可作为AT89C51的一些特殊功能口。

RST:

复位输入。

当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.2单片机最小系统的设计

单片机最小系统是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对51单片机来说，最小系统一般包括单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出等。

本课题研究的单片机最小系统如图2所示。

其中复位是由外部的复位电路来实现的。

复位引脚RST通过一个施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

复位通常为上电自动复位和按钮复位两种。

上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的[6]。

只要Vcc的上升时间不超过1ms,就

可以实现自动上电复位。

时钟频率用12MHZ时C取10uF,R取1K。

本课题研究选用的是按键手动复位。

3.3传感器检测电路的设计

本课题的烟雾检测选用了美国摩托罗拉（MOTOROLA）公司生产的离子感烟探测报警专用芯片MC14468，为大规模CMOS电路构造。

它是一种新型的烟雾传感器，只需外接一个离子源和用于安装离子源的离子室及少量的外部元件，即完成烟雾探测、报警的功能。

当探测到烟雾时，它能通过外接的压电式换能器和内部的驱动电路发出报警声。

它具有以下特点：

（1）内置高输入阻抗的场效应管和比较器；

（2）内含压电式蜂鸣器的驱动电路，可以直接驱动蜂鸣器；

（3）探测信号输入端具有保护二极管；

（4）电池欠压报警，电池电压报警点可通过外接电阻设置；

（5）探测阀值即灵敏度可通过电阻进行设置；

（6）MC14468还具有一个I/O脚，允许40个报警单元相互连接在一起，组成一个多点报警区域系统；

MC14468为双列直插式16脚封装，其引脚如图3所示。

内部结构含有振荡器、定时器、锁存器、报警控制逻辑电路和高输入阻抗的比较器、电阻网络等。

没有检测到烟雾时，MC14468的内部振荡器振荡周期为1.67S。

每个1.67S周期内，内部的电源都提供给整个芯片工作。

除了LED闪亮、电池欠压告警和有烟雾报警期间，它都不停地检测有无烟雾，每24个周期检测一次电池电压是否正常，它是通过与比较器中的一个稳压二极管相比较而得出，因为整个探

测装置对功耗的要求比较高，所以经12脚接的振荡电容应该选低泄漏的电容，以提高电池使用寿命。

当MC14468一旦检测到有烟雾时，振荡器的振荡周期变为40MS，压电蜂鸣器振荡驱动电路启动，启动使能输出为维持高电平160MS后，停止80MS。

在停止期间，继续检测烟雾的变化，这时如果没有检测到烟雾，则禁止蜂鸣器振荡电路振荡，将不发出报警声。

在烟雾报警过程中，将禁止电池欠压报警，同时LED发光二极管指示灯闪亮。

3.4模数转换模块的设计

模数转换器是连接模拟和数字的一个重要接口。

A/D转换器将模拟信号变成数字位流以进行处理、传输及其他操作。

在自动灭火系统中，A/D转换器的选择至关重要，所选择的A/D转换器应确保模拟信号在数字位流中被准确的表示，并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口。

从终端系统的要求、成本、精度及速度等因数考虑，本课题设计选择了ADC0809模数转换器。

ADC0809是美国半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

是目前应用最广泛的8位通用A/D芯片[7]。

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图4所示。

ADC0809在工作工作过程中，首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

因此可采用下述三种方式。

定时传送方式，对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128?

s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。

可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

查询方式，A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。

因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。

中断方式，把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

3.5报警显示及按键电路设计

报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，适合于民用等报警声音源。

由单片机的P2.0控制。

只有当该信号为高电平时，即P2.0置1，三极管Q2导通，芯片才会根据控制端的控制信号发出报警声，否则不会发生报警。

在烟雾传感器MC14468检测过程中，当空气中的烟雾浓度达到单片机内部设定值的上限时，蜂鸣器报警。

烟雾浓度数码显示采用共阳数码管，由P0口控制。

把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。

使用时公共阳极接地，这样阴极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮[8]。

数码管显示方法可分为静态显示和动态

显示两种。

静态显示就是数码管的8段输入及其公共端电平一直有效。

动态显示的原理是，各个数码管的相同段连接在一起，共同占用8位段引管线；每位数码管的阳极连在一起组成公共端。

利用人眼的视觉暂留性，依次给出各个数码管公共端加有效信号，在此同时给出该数码管加有效的数据信号，当全段扫描速度大于视觉暂留速度时，显示就会清晰显示出来，这便是数码管显示的可视化。

报警装置、数码显示及按键控制与单片机连接如图5所示。

3.6消防联动的设计

消防联动装置的设计在火灾自动灭火系统的总体设计中占据了重要的位置。

它决定了自动灭火的成败。

本设计中的消防联动装置用的是电磁阀控制，其工作原理简单，操作简单，经济实用。

用单片机AT89C51控制24V直流电磁换向阀运动，

信号通过单片机端口送出，经三极管的开关放大作用，接直流固态继电器，然后接负载，因为电磁阀是感性负载，其两端并联一个二极管。

如图6所示。

消防联动灭火装置在不同的环境，其各项参数不是恒定值，但工作原理及过程基本相同，所以所选择的元件符号、类型及电阻值等在这里就不必选定列出了。

在实际的工程环境下，我们可以根据实际情况去选定。

在自动灭火系统中，消防联动应具备以下功能[9]：

火灾报警后停止有关部位风机，关闭防火阀，接收和显示相应的反馈信号；起动有关部位防烟、排烟风机（包括正压送风机）和排烟阀，接收并显示其反馈信号；控制防烟垂壁等防烟设施。

接通火灾事故照明灯和疏散指示灯，切断有关部位的非消防电源，应按照疏散顺序接通火灾警报装置和火灾事故广播，并应确保设置的对内外的消防通信设备良好有效，应能解除所有疏散通道上的门禁控制功能。

更为重要的是本课题研究的系统的主要目的是有效地自动灭火。

消防联动中，消防控制室对室内消火栓系统，能控制消防泵的起停，显示起泵按钮的位置，显示消防水池的水位状态、消防水泵的电源状态，显示消防泵的工作状态、故障状态。

灭火措施有以下几种：

自动喷水灭火系统，能控制系统的启停、显示报警阀、闸阀及水流指示器的工作状态，显示消防水池的水位状态、消防水泵的电源状态，显示喷淋泵的工作状态、故障状态。

气体灭火系统，显示系统的手动、自动工作状态；在报警、喷射各阶段，控制室应有相应的声、光警报信号，并能手动切除声响信