基于单片机的火灾报警控制系统毕业论文.docx
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基于单片机的火灾报警控制系统毕业论文
基于单片机的火灾报警控制系统毕业论文
绪论1
1烟雾检测报警器的方案设计3
1.1火灾报警控制器设计思路3
1.2烟雾传感器的选型3
1.2.1烟雾传感器介绍3
1.2.2烟雾传感器选型5
1.2.3MQ-2型烟雾传感器的工作原理6
1.2.4MQ-2型传感器的特性及主要技术指标7
1.3火灾报警控制器整体设计方案8
1.3.1火灾报警控制器的工作原理8
1.3.2火灾报警控制器的结构8
1.3.3火灾报警控制器的主要性能指标9
1.4本章小结10
2系统设计11
2.1系统功能11
2.2系统框图11
2.3单片机的介绍11
2.4DS18B20的介绍16
2.4.1DS18B20的介绍16
2.4.2DS18B20温度传感器与单片机的接口电路21
2.4.3DS18B20的控制方法22
2.51602LCD液晶显示屏24
2.5.1LCD1602主要技术参数24
2.5.2LCD1602引脚说明25
2.5.3控制指令说明25
3硬件设计27
3.1单片机最小系统电路27
3.2DS18B20测温电路27
3.3报警电路28
3.4液晶显示电路29
3.5报警温度设定按键电路29
3.6烟雾传感器转换电路30
3.7控制电路设计31
4软件设计33
4.1主程设计及流程图33
4.2主程序初始化流程图34
4.3中位置平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图35
4.4插值法线性化处理子程序设计及流程图36
4.5烟雾子程序设计及流程图38
4.6报警子程序设计及流程图39
4.7控制按键子程序设计及流程图40
4.8本章小结41
5实验检定及误差分析42
5.1烟雾检测报警器检定42
5.1.1爆炸下限概念介绍42
5.1.2实验数据分析43
5.2实验误差分析45
5.3本章小结46
结论47
参考文献49
附录A50
附录B51
毕业论文本装订顺序71
绪论
该系统以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的火灾报警控制器。
是为了早期发现和通报火灾并控制火情，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。
保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。
1．课题背景
（1）人们对生活质量要求的提高和人们安防意识的提高
都说水火无情，火灾是比较常见的灾害之一，为了能早期发现和通报火灾，防止和减少火灾带来的危害，保护人身和财产安全。
为了能及早发现隐患，避免事故发生，并采取有效措施，实施控制，就必须对烟雾进行实时检测，采用先进并可靠的安全检测装置，。
因此，研制烟雾报警控制器和烟雾的检测方法就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。
（2）广阔的市场前景
由于我国是一个人口大国，而煤气和电器基本覆盖全国。
据不完全统计，我国煤气管道使用人数约为4亿。
可想而知该火灾报警控制器的需求量有多大。
在不久的将来相信这个需求量还会不断增加。
另外，随着农村经济的发展，沼气的使用数量也不断增多。
到目前为止，全国沼气池数量多达2000万个，这就为火灾报警控制器提供了巨大的市场。
可见，火灾报警控制器具有十分广阔的市场前景。
2．国内外火灾报警控制器的发展现状
随着人们安全意识的加强和对火灾所带来的危害的恐惧，国外从上世纪20年代初开始从事研究和开发烟雾传感器，并得到政府安全部门的大力支持，所以发展非常快。
据统计，1996~2002年美国当地烟雾传感器年均增长率高达30%。
随着科技的不断发展，传感器生产工艺水平也逐步提高，日益精炼集成的传感器，使得火灾报警控制器的体积也逐渐变小，提高了火灾报警控制器的便携性和使用率。
日本于1963年5月自主研发了第一台家用燃气泄漏报警器，该报警器可检测燃气、一氧化碳等气体。
在当时该仪器使用非常广泛，也取得了很大的成功。
为以后的发展奠定了良好的基础。
我国从事烟雾报警的时间比较晚，但是发展速度却非常快。
最早主要是通过引进国外比较先进的传感器设备和生产技术，在不断探索和研究下，才慢慢有了自己的特色产品。
现如今烟雾传感器的品种繁多、性能优良，在世界范围内也有一定的地位。
3．课题完成可行性分析
火灾检测控制系统是一个多种技术相互渗透的综合系统，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。
（1）硬件设计上，采用MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器，其检测精度很高；
（2）显示技术上，采用LCD显示浓度级别和温度级别大大提高了显示效果；
（3）通信传输方式上，采用数字化技术使得可靠性得到很大的加强；
（4）性能方面，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点。
4．论文的组织结构
本文共分为三个大部分：
第一部分：
系统设计与结构
主要阐述了系统的设计思路和大体组成结构、其中各部分的材料选型是该部分的重点。
第二部分：
系统硬件设计部分
这部分详细介绍了硬件部分电路的组成和各组成部分的工作原理，包括：
DS18B20测温电路、报警电路、液晶显示电路、报警温度设定按键电路、烟雾传感器转换电路和控制电路。
第三部分：
系统软件设计部分
软件部分对各部分结构的程序进行流程化讲述，其中涉及：
主程序的初始化、烟雾子程序、报警子程序、控制按键子程序等。
1火灾报警控制器的方案设计页眉？
1.1火灾报警控制器设计思路
火灾报警控制器是能够检测环境中的温度和烟雾浓度，并具有诊断报警和自动采取控制功能的设备。
设备一般由以下几部分组成：
单片机处理电路、外部控制电路烟、雾信号采集电路、模数转换电路。
首先由烟雾传感器采集的烟雾信号经过本身转化为模拟电信号。
该模拟信号经过模数转换电路转换成单片机可识别的数字信号后再送入单片机中。
由单片机对该数字信号进行滤波处理和数据分析，判断其数值是否超出某个预设值（也就是报警值），如果大于则触发报警电路并发出报警声音。
另外使用LCD显示屏显示烟雾浓度和温度使得该仪器更加直观。
为了方便调节报警限，可以加入调节按键。
在事故发生之后，控制电路自动开启排风扇或水，把烟雾排出室外并控制火势。
以上是根据报警控制器应具备的功能，提出的整体设计思路。
单片机和烟雾传感器是火灾报警控制器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器和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，它的选型将在第三章详述。
1.2烟雾传感器的选型
烟雾传感器是气-电变换器，即将收集到的烟雾气体信号通过A/D转换电路将模拟信号转换成电信号送入单片机处理器，之后由单片机进行数据处理工作。
属于气敏传感器。
传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的重要组成部分之一。
因此，传感器的选型是非常重要的。
1.2.1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，根据检测原理上可以分为三大类：
物理化学性质型烟雾传感器、物理性质型烟雾传感器、电化学性质型烟雾传感器。
（2）一个烟雾传感器应具备的条件有：
（a）对检测烟雾响应速度快、重复性好；
（b）能在多种气体共存的情况下选择某种单一烟雾，而对其它气体不响应；
（c）对被测烟雾具有较高的检测灵敏度；
（d）使用寿命长、稳定性好、制造成本低、便于使用与维护；
（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。
（a）电化学传感器
电化学传感器通过膜电极和电解质封装成。
烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子,通过电极将信号传播。
它的优点是:
稳定性好,反映快速、准确和可定量检测,但是使用寿命比较短。
它主要适用于有毒烟雾检测。
国际大多数气体检测使用的是这种类型的传感器。
（b）半导体烟雾传感器
半导体烟雾传感器包括使用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感系统的烟雾传感器,使用单晶半导体装置制造烟雾传感器。
自1962年以来,半导体金属氧化物烟雾传感器出现以来,由于其耐久性强、响应快、灵敏度高、输出信号强,价格低廉,结构简单等诸多优点,得到了广泛的应用。
传感器已成为世界上产量最大、使用最广泛的一个烟雾传感器。
其按照敏感机理分类,可分为电阻式和电阻式。
（c）接触燃烧式传感器
当可燃烟雾接触催化内容覆盖传感器表面伴随氧化反应和燃烧现象,所以命名为接触燃烧式传感器。
接触燃烧式烟雾传感器检测元件通常铂系金属线,使用铂丝通电,保持高温300°C到400°C,若接触到烟雾,会在金属催化层燃烧,因此铂温度将上升,铂电阻值也在不断上升,通过测量铂电阻变化值,我们可以知道烟雾的浓度。
（d）固体电解质烟雾传感器
固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料的气敏元件,其原理是利用气体敏感材料在穿过烟雾产生电阻,测量形成电动势和测量气体浓度。
由于这种传感器电导率、高灵敏度和良好的选择性,因此广泛的应用,几乎打进矿业、环保、石油化工等领域,它是仅次于半导体烟雾传感器输出另一种传感器。
但这种传感器制造成本较高,感烟探测范围是有限的,但在测试领域的环境污染有优势。
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。
1.2.2烟雾传感器的选定
由于火灾报警控制器的应用场所主要集中在油库、冶金、石油液化气站、化工、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，基于该种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。
使用接触燃烧式传感器的弊端是在无焰燃烧的时，空气与烟雾的混合物中含有硫物质的情况下，有些固态物质会附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，以至于影响其灵敏度，导致反应滞缓。
这称之为阻缓。
虽然将阻缓的传感器重新放回新鲜空气环境中会得到某种程度的恢复，如果传感器长期暴露在这样的环境中，会导致其灵敏度的不断下降，最终传感器丧失检测烟雾的能力。
另外如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器会使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。
所以当怀疑检测环境中存在这些物质时，对传感器探头进行标定，是必不可少的。
因此，经常对传感器进行维护和标定，是保证其能正常工作和准确程度的必要的途径。
该传感器一般在两个月左右进行一次重新校准，然而这种经常性对传感器的维护，无形当中增加了工作人员的工作量，同时加大了传感器的维护成本。
半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性、和稳定性。
半导体烟雾传感器包括用单晶半导体器件制作的烟雾传感器以及用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，半导体烟雾传感器具有使用方便、结构简单、灵敏度高、体积小、响应快、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。
通过对上述两种传感器的比较，半导体烟雾传感器的优点更加明显：
价格便宜、灵敏度高、响应快、使用方便、抗干扰性好，且不会发生探头阻缓和中毒现象，维护成本低等。
所以，本设计作为报警器烟雾信息采集部分的核心采用半导体烟雾传感器。
而在众多半导体气体传感器中，MQ-2型烟雾传感器又具有突出的性能，该型号的传感器具备大多数半导体烟雾传感器所具备的特性：
灵敏度高、抗干扰能力强、响应快、寿命长等优点。
1.2.3MQ-2型烟雾传感器的工作原理
半导体烟雾传感器包括用用单晶半导体器件制作的烟雾传感器烟雾传感器以及半导体陶瓷材料作为敏感体制作的氧化物。
按敏感机理分类，它可分为电阻型和非电阻型。
半导体气敏元件也有P型和N型之分。
P型阻值随烟雾浓度的增大而增大；N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小。
半导体气敏传感器的分类如表1.1所示。
表1.2半导体气敏传感器的分类所利用的特性工作温度表面电阻控制器300~450°C
表1.1半导体气敏传感器的分类
类型
所利用的特性
工作温度
举例
电阻型
非电阻型
表面电阻控制器
体电阻控制器
二极管蒸馏特性
300～450°C
300～450°C
室温～200°C
可燃性气体
乙醇、可燃性气体
H2、CO、乙醇
类型
所利用的特性
工作温度
代表性被检测气体
电阻型
电阻
表面电阻控制器
300～450°C
可燃性气体
体电阻控制器
300～450°C
700°C以上
乙醇、可燃性气体
非电阻型
二极管整流特性
室温～200°C
H2、CO、乙醇
晶体管特性
150°C
H2、H2S
MQ-2型感烟传感器属于锡氧化物半导体气敏材料,属于表面离子类型n型半导体。
当在200-300°C温度、二氧化锡吸附空气中的氧气,形成氧阴离子吸附、半导体电子密度减小,其阻力值增加。
当和烟雾接触时,如果晶界在屏障从烟的调制和变化,将导致表面导电率的变化。
使用它可以获得烟雾信息。
当遇到可燃烟雾（如甲烷等）,原来的吸附的氧脱附,二氧化锡半导体表面的可燃烟雾以阳离子状态吸附;而氧脱附放出电子,烟雾以阳离子状态吸附也要发射电子,所以,二氧化锡半导体导带电子密度增加,电阻值下降。
当空气无烟雾时,二氧化锡半导体又将自动恢复负氧离子吸附,增加抗其原始状态。
这是MQ-2型可燃性烟雾传感器检测可燃烟雾基本原理。
MQ-2型传感器结构如图1.1显示,其外观以1.2。
图1.1MQ-2型传感器的结构图
图1.2MQ-2型传感器的外观
1.2.4MQ-2型传感器的特性及主要技术指标
（1）MQ-2型传感器的一般特点：
（a）MQ-2型传感器稳定性好。
初始稳定、长时间工作性能好。
（b）电路设计电压宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。
（c）MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等常用烟雾有很高的灵敏度。
（d）MQ-2型传感器抗干扰性强。
（2）MQ-2型传感器的基本特性灵敏度特性、初期稳定特性、加热特性
（3）MQ-2型传感器的特性参数
（a）响应时间：
Tres＜10秒
（b）加热功率：
（P）约750mW
（c）恢复时间：
Tres＜30秒
（d）加热电压：
（VH）5±0.2V
（e）回路电压：
（Vc）5~24V
（f）取样电阻：
（RL）0.1~20K
（g）灵敏度：
以甲烷为例R0（air）/RS（0.1%CH4）＞5
1.3火灾报警控制器整体设计方案
1.3.1火灾报警控制器工作原理
本论文中的烟雾检测报警器以AT89S52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，烟雾传感器采集的数据经过AD0832进行转换后，进入单片机，温度通过DS18B20进行采集，用LCD显示温度和烟雾浓度的级别，其中温度报警的上下限值可以通过三个按钮来设置。
另外，还设置一个紧急呼叫按钮，可以通过按此按钮来紧急报警，也可以设置为无人状态，用烟雾和温度自动报警。
报警时继电器工作，模拟控制的工作。
1.3.2火灾报警控制器的结构
为了满足国内工业和其他易燃易爆场所烟雾安全需求,设计的可燃烟雾报警装置应不仅能工作在较宽的温度范围内,还应该有故障自检,显示可燃烟雾浓度、延时报警功能,可以满足计算机进行现场测量和实时控制功能。
目标是在传统的烟雾报警装置的基础上,尽量提高精度、缩小体积、降低成本。
报警系统结构图如图1.3所示,系统以单片机为核心,结合外围电路完成信号采集、集中显示、状态显示、键盘输入、声音和闪光报警、故障自检等功能。
报警器以报警检查的工作方式,两级进行报警值设定,并伴有不同的光和声信号。
系统应采用高性能单片机,要求工作稳定,测量精度高、普遍性、低功耗,保证报警器的精度和可靠性,最好是小体积,低成本,这样有利于减少报警器的体积,降低报警器的成本。
图1.3可燃性气体检测报警器结构框图
1.3.3烟雾检测报警器的主要技术指标
（1）传感器类型：
半导体电阻式
（2）检测范围：
0~100%LEL
（3）报警点设置：
达到20%LEL开始报警
（4）报警准确度：
±5%LEL
（5）报警器工作方式：
现场固定安装，自然扩散进行采样，长年连续运行
（6）工作环境温度：
检测器-50°C~50°C；报警器0°C~500°C
（7）工作环境湿度：
≤85%RH
（8）报警方式：
烟雾泄漏声光报警、自诊断故障报警
（9）指示方式：
数字显示，可显示被测烟雾LEL%及设定报警限值
（10）响应时间：
≤30S（11）输出信号：
可输出与烟雾浓度对应的0~5VDC标准信号
（11）工作电压：
AC220V±15%，50±lHz
（12）具备快速重复检测和延时报警功能，可区别烟雾的泄漏和短时间的微量散失，防止误报。
1.4本章小结
本章主要阐述了烟雾报警仪的设计方案，即传感器的选型和报警器的设计。
传感器从种类、选定、工作原理、基本特性四个方面分别叙述。
根据本设计要求及使用环境、成本等因素选用的MQ-2型半导体电阻式烟雾敏感器件。
并且从结构、功能、技术指标三方面对报警器进行了详细地论述，使其在较宽的温度范围工作，用于检测空气中烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度。
该报警器会将烟雾浓度和温度集中显示在LCD上,当空气中的烟雾或可燃液体蒸气浓度达到一定程度时,报警器会发出声、光报警信号,并作出有效的控制。
反复测试和延迟报警,是防止误报的有力措施,其中开阀产生可燃烟雾微量损失,就很容易造成误报。
该系统可以由计算机进行现场实时控制。
2系统设计
2.1系统功能
本系统利用单片机采集温度，温度值精确到小数点一位，LCD显示温度值，设置三个按键调整报警温度值，当温度超出所设定的上下限范围时，蜂鸣器开始报警，继电器工作。
2.2系统框图
图2.1总体设计方框图
2.3单片机的介绍
该单片机主要由以下几部分组成：
40个引脚，4kbytesflash片内程序存储器，128bytes的随机存储器，32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。
AT89S52单片机是一个高性能低功耗的微控制器，内置8KB可编程的闪存。
该器件采用的是Atmel公司的高密度存储技术，该指令与工业标准的80C51指令兼容。
在芯片程序内存允许重复在线编程,使程序中的内存系统通过SPI串行端口改写或重写。
通过一般8位CPU可以在线下载Flash集成在一个芯片上，AT89S52成为一个高效的微型计算机。
它的应用范围广泛,可以用来解决复杂的控制问题,成本低。
结构关系图如图2.2所示。
图2.2AT89S52结构框图
图2.3AT89S52
主要功能特性：
（1）兼容mcs-51指令系统
（2）4k可反复擦写（>1000次）ispflashrom
（3）32个双向i/o口
（4）4.5-5.5v工作电压
（5）2个16位可编程定时/计数器
（6）时钟频率0-33mhz
（7）全双工uart串行中断口线
（8）128x8bit内部ram
（9）2个外部中断源
（10）低功耗空闲和省电模式
（11）中断唤醒省电模式
（12）3级加密位
（13）看门狗（wdt）电路
（14）软件设置空闲和省电功能
（15）灵活的isp字节和分页编程
（16）双数据寄存器指针
按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。
1.多功能I/O口
AT89S52共有四个8位的并行I/O口：
P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7，共32根I/O线。
每根线可以单独用作输入或输出。
①P0端口，该口是八个双向I/O端口并带有上拉电阻,P0口输出缓冲区可以驱动四个TTL的输入。
当端口写“1”时,通过内部上拉电阻变为高电平,此时可以用作输入端口。
P0口输入端口使用,因为有内部上拉电阻,外部信号会输出一个电流。
在Flash编程和校验时,P0口接收低8位地址。
在访问外部程序存储器或16外部数据存储器时,P0口送出高8位地址,访问外部数据存储器,P0口引脚的内容,在整个访问期间都不会改变。
在Flash编程和校验期间,P0口也接收到高地址或一些控制信号。
②P1端口，该口是八个双向I/O端口并带有上拉电阻,P1口输出缓冲区可以驱动四个TTL的输入。
当端口写“1”时,通过内部上拉电阻变为高电平,此时可以用作输入端口。
P1口输入端口使用,因为有内部上拉电阻,外部信号会输出一个电流。
在Flash编程和校验时,P1口接收低8位地址。
在访问外部程序存储器或16外部数据存储器时,P1口送出高8位地址,访问外部数据存储器,P1口引脚的内容,在整个访问期间都不会改变。
在Flash编程和校验期间,P1口也接收到高地址或一些控制信号。
另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表2.1所示。
表2.1 P1口管脚复用功能
端口引脚
复用功能
P1.0
T2（定时器/计算器2的外部输入端）
P1.1
T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）
P1.5
MOSI（用于在线编程）
P1.6
MISO（用于在线编程）
P1.7
SCK（用于在线编程）
③P2端口，该口是八个双向I/O端口并带有上拉电阻,P1口输出缓冲区可以驱动四个TTL的输入。
当端口写“1”时,通过内部上拉电阻变为高电平,此时可以用作输入端口。
P2口输入端口使用,因为有内部上拉电阻,外部信号会输出一个电流。
在Flash编程和校验时,P1口接收低8位地址。
在访问外部程序存储器或16外部数据存储器时,P2口送出高8位地址,访问外部数据存储器,P2口引脚的内容,在整个访问期间都不会改变。
在Flash编程和校验期间,P2口也接收到高地址或一些控制信号。
④P3端口，该口是八个双向I/O端口并带有上拉电阻,P3口输出缓冲区可以驱动四个TTL的输入。
当端口写“1”时,通过内部上拉电阻变为高电平,此时可以用作输入端口。
P3口输入端口使用,因为有内部上拉电阻,外部信号会输出一个电流。
在Flash编程和校验时,P3口接收低8位地址。
表2.2P3端口引脚与复用功能表
端口引脚
复用功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
2.RST 复位输入端。
在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。
看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。
在SFRAUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。
DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。
3.ALE/PROG 地址锁存允许信号。
在存取外部存储
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