基于80C51单片机智能火灾语音报警系统设计 精品.docx

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基于80C51单片机智能火灾语音报警系统设计精品

基于80C51智能火灾语音报警系统设计

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，在我们生活得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。

本文设计了一种基于单片机8051、集成语音芯片ISD1420、A／D转换器,集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202等,利用多传感器信息融合技术,完成语音报警的实用、可靠的单片机语音自动报警系统,着重讲述了该系统的组成形式及工作原理。

实践表明,单片机技术在系统报警和其它一些自动控制领域中有着广泛的应用前景。

该系统能自动完成对布测点检测，确认火警后能自动报警，并显示火情点，记录火灾发生时间。

本系统可安装在各防火单位，它负责不断地向所监视的现场发车巡检信号，监视现场的温度、浓度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较、判断确定火灾。

当发生火灾时，可实现语音报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警等，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾传感器，具有一定的实用价值。

关键词：

火灾报警;单片机;传感器

Abstract

Now,withelectronicproductsusedinhumanlifemoreandmorewidely,theresultingfire,moreandmore,weliveinfirehazardslurkingaroundeverywhere.Toavoidfiresandreducefirelosses,wemustfollowthe"hiddendangersfireinpreventionisbetterthandisasterrelief,theresponsibilityisextremelyheavy,"theconceptdesignandimprovementofautomaticfirealarmsystem,firenippedinthebud,themaximumreducethelossofsocialwealth.

ThispaperdesignamethodthatusesinglechipcomputeranddigitalvoicechipISD1420torealizeremotevoicealarm,givesoutthehardwarestructureandsoftwareofsystem,Basedonthesingle-chipmicrocomputer80C51,andspeechchipISD1420,temperaturesensorAD590andgassensorTGS202areused,andthemulti-sensorsinformationprocessingmethodisadopted.Practicetheenunciation,Thesingle-chipmicrocomputertechniquehastheextensivelyappliedforegroundinsystemalarmandotherautomaticcontrolrealm.

Thissystemcanautomaticallytomonitorthepointswhichareacutetotemperature.Itcanalsosendoutalarm,showthepointsandrecordtheoccurringtimewhenafirehasbrokeout.Thesystemcanbeinstalledinallfireunits,whichisresponsibleforcontinuouslymonitoringthesitetostarttheinspectionsignal,monitorthesiteoftemperature,concentration,andcontinuousfeedbacktothealarmcontroller,thecontrollerwillreceivethesignalandthenormalmemorysettingvaluewasdeterminedbycomparingtodeterminethefire.Whenfireoccurs,canachievesoundandlightalarm,faultdiagnosis,concentrationdisplay,alarmlimitsettingsanddelayalarmisasimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensive,intelligentsmokesensor,hassomepracticalvalue.

Keywords：

Firealarm;MCU;Transducer

绪论

1.1概述

1.2国内外研究现状

1.3课题研究背景及意义

第２章火灾报警系统整体方案设计

2.1火灾产生的原理与过程

2.2系统整体方案设计

2.2．1系统总体功能概述

2.2．2系统硬件总体构架

2.2．2系统软件总体构架

2.3火灾报警系统的类型

2.4火灾报警系统的原理

第3章火灾报警系统硬件设计

3.1系统核心芯片选择

3.1．1传感器介绍

3.1．2ISD1420语音芯片

3.1．380C51简介

3.1．4AD转换芯片

3.1．5数码管显示电路

3.2单片机外围接口电路

3.3信号处理电路

3.4数据采集电路

3.5报警电路

3.5.1语音报警电路

3.5.2光报警电路

3.6数码管显示电路

第4章火灾报警系统软件设计

4.1软件开发环境

4.2火灾报警系统程序设计

4.2．1主程序流程图

4.2．2主程序初始化流程图

4.2．3数据采集子程序

4.2．4火灾判断与报警程序

参考文献

致谢

附录1

附录2

绪论

1.1概述

无线火灾传感器硬件和软件平台的设计对于整个系统的开发与应用至关重要，作为整个系统的底层支持，其必然向微型化、高度集成化、网络化、节能化、智能化的方向发展，近几年，随着计算机成本下降和微处理器体积缩小，开发和构造火灾智能无线报警系统将有广阔的应用前景。

工程试验结果充分显示了技术的可行性和实现的有效性。

随着智能楼宇技术应用的迅速发展，商业市场对火灾报警器的需求不断增长，目前主要使用的是智能型总线制分布式计算机系统的火灾报警系统，虽然在系统安装方面比过去大大方便，但仍然不能满足现代需要，其安装成本约占设备成本的33%～70%。

而无线火灾报警系统能够满足目前要求，它具有安装容易、快捷、便宜、无需布线、对建筑物表面的最小破坏性、对功能变化的易适应性等特点。

有关资料统计表明：

凡是安装了火灾自动报警系统的场所，发生了火灾一股地说都能及早报警，不会酿成重大火灾。

1.2国内外的研究现状

根据现代战争的突发性、立体性和区域不确定性,使攻防界线模糊,作战方向多变,战火灾自动报警系统已有百余年的发展历史，19世纪40年代美国诞生的火灾报警装置标志着火灾自动报警系统首次进入人们的视野[1]。

1890年在英国，感温式火灾探测器研制成功并应用于火灾探测系统，标志着火灾自动报警系统的发展走上正轨[2]。

此后，随着世界科技取得了突飞猛进的进步和各种新兴技术的出现和发展，火灾监测技术也相应迅速发展，各种类型的火灾探测器相继问世，并日臻完善，火灾自动报警系统也在此基础上逐渐地蓬勃发展起来，其发展过程可以分为以下几个阶段:

第一阶段，从19世纪40年代至20世纪40年代，火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用的探测器主要是感温式的探测器，它通过采集温度信号，然后判定是否超出设定的阂值，从而判断是否有火灾发生。

这一阶段，火灾报警系统简单，仅靠单一的温度参量进行火灾判断。

但是它易受环境中其他干扰源的影响，灵敏度低，响应速度慢，无法判断阴燃火灾，也无法满足智能化火灾报警系统的要求。

第二阶段，20世纪40年代末，瑞士物理学家EmstMeili研究的离子感烟探测器推出以后，引起了人们对离子感烟探测器的重视，随后感烟探测器得到广泛应用，并逐渐占据了绝大部分市场，迫使感温式探测器退居其次；到70年代末，光电式感烟探测器在光电技术的基础上发展起来，并很快得到大力发展，它的使用寿命长，抗干扰能力强，没有离子感烟探测器的放射性问题。

在这一阶段，火灾报警系统普遍采用多线制布局方式，布线、调试、系统可靠性是系统发展的瓶颈。

第三阶段，20世纪80年代初期，总线型火灾报警系统开始兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。

它使得布线工作量显著减少，安装调试更加容易，更能精确报警定位。

但是这一时期的火灾报警系统的智能化水平不高，采用有线连接对工程要求高。

第四阶段，从20世纪80年代中后期开始，随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代，智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾自动报警系统相继出现。

模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义[3]。

近年来，采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。

这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制，适用于各类建筑和场所。

无线火灾自动报警系统起初仅用于特殊场合，如博物馆、名胜古迹等不宜布线的场合，而且其价格也比较高[4]。

随着科技进步和元器件成本的降低，无线火灾自动报警系统的研发和生成成本也随之降低，它在性能和价格上都具有很强的竞争力，其市场潜力已经崭露头角[5]。

在我国，采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。

由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。

火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面，一般分为分散式、集中式和分布式，分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断;集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向[6]。

1.３课题研究的背景和意义

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。

火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生。

据联合国“世界火灾统计中心（WFSC）2000统计资料”，全球每年大约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000至75000人。

其中，欧美地区发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平以及消防技术和设施有关;相比较而言，亚洲地区发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。

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接近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。

随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。

一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成极大的危害[7]。

严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接危胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。

残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失[8]。

火灾自动报警系统（FAS）就是为了满足这一需求而研制出的，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。

火灾自动报警系统能迅速监测火情，可发现人们不易发觉的火灾早期特征，可将火灾带来的生命财产损失降到最低限度。

火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体CO，人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了CO中毒，从而无力逃生，火灾自动报警系统可监测到CO浓度的变化，为人们提供CO浓度超标报警信息，通知人们及时疏散[9]。

火灾自动报警系统可作为城市消防系统的单元，通过城市消防专用网与城市消防报警中心联网，及时将报警信息传递到消防报警中心，城市消防报警中心会自动查找到火灾发生的位置，并为消防队员制定消防路线图，以便消防队员可以迅速抵达火灾地点[10]。

火灾自动报警系统能对火灾进行实时监测和准确报警，有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义，有着很大的经济效益和社会效益。

第２章火灾报警系统整体方案设计

2.1火灾产生原理及过程

火灾是一种失去人为控制的由燃烧造成的灾害，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和点火源。

可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常是空气中的氧气。

根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式，如果在燃烧前，可燃气就与空气均匀混和，则称之为预混燃烧；如果可燃气体和空气分别进入燃烧区边混合边燃烧，则称之为扩散燃烧。

液体和固体是凝聚态物质，难与空气均匀混合，它们燃烧的基本过程是当从外部获取一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体（如CO、H2等）的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之为气溶胶。

一般气溶胶的分子较小（直径0.01μm）。

在产生气溶胶的同时，产生分子较大（直径0.01一10μm）的液体或固体微粒，称为烟雾。

可燃气体与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。

着火后，燃烧产生的热量使液体或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。

同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量[11]。

这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，导致了火势的扩大，形成火灾。

其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。

根据火灾发生时产生现象的不同，可以将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发展火焰等。

阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，它能长时间自行维持并传播，当条件发生变化时，或者自行熄灭，或者转化为明火。

明火则是火灾发生时燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红、紫外线的火焰。

快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾一般为空气中混有大量可燃气体。

通过大量的研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因[12]。

总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：

首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足的条件下才能达到全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高。

起火过程中，起初和阴燃两个阶段所占的时间比较长，虽然产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器就应该从此阶段开始进行探测，就可以火灾损失控制在最小限度。

火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境温度升高，如果能将这时能够探测到有效地温度值，就可以比较及时地控制火灾。

起火过程曲线如图2.1所示[13]。

图2.1起火过程曲线

2.2系统总体方案设计

2.2.1系统总体功能概述

火灾报警系统一般由火灾探测器、报警器组成。

火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象——气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。

报警器将接收到火警信号后经分析处理发出报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的位置。

整体电路的框图如图2-２所示：

图2-２系统原理及组成框图

2.2.2系统硬件总体构架

报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块组成。

图2.3为火灾报警系统的结构框图[14]

图2.3系统结构框图

单片机是整个报警系统的核心，系统的工作原理是：

先通过传感器（包括温感和烟感）将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，调理电路将传感器输出的电信号进行调理（放大、滤波等），使之满足A/D转换的要求,最后由A/D转换电路,完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。

如果发生火灾，系统以声光的形式报警。

本文设计的用于小型防火单位的单片机火灾报警系统具有以下特点:

（1）能对室内烟雾（CO2,CO）及温度突变进行报警,具有声、光双重报警功能。

（2）系统故障报警功能。

当系统出现硬件故障时，能发出故障报警信号。

（3）异常报警功能。

当环境出现异常（如烟雾浓度过大或是温度较高）时，能发出异常报警信号，引起人们注意，尽可能避免火灾的发生。

（4）火灾报警功能。

一旦真出现火灾（烟雾和温度同时出现异常）时，能立即发出语音、光火灾警报[15]。

据类似本系统的报警器现场模拟实验表明,本系统安全可靠,误报率低。

且由于其体积小、操作维护方便、成本低廉等,具有广阔的应用前景。

2.2.2系统软件总体构架

为了便于系统维护和功能扩充，采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。

本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等，系统程序流程图如图2.4所示。

图2.4程序流程图

为了降低误报率，系统采用多次采集、多次判断的方法。

每次数据采集后根据得到的数据对现场情况进行判断，然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。

主程序是一个无限循环体，其流程是：

首先在上电之后系统的各部分包括单片机各个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据存储电路等完成初始化，其次是对芯片内的程序进行初始化，接下来执行火灾报警系统中的数据采集任务，数据通信任务和查询判断任务。

2.3火灾报警系统的类型

根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为以下四种：

（1）感温型火灾报警系统

由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。

感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判断报警的目的。

根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等几种。

（2）感烟型火灾报警系统

烟雾是早期火灾的重要特征之一。

在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。

感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。

感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。

（3）感光型火灾报警系统

物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。

感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。

根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。

（4）复合型火灾报警系统

如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。

目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。

2.4火灾探测器的原理

火灾发生时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光，探测器对这些都很敏感。

当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。

火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类：

（1）感烟探测器。

一种是离子感烟探测器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。

在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。

一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号。

还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。

还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，他的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。

近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。

这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。

（2）感温探测器。

一种是运用金属热胀冷缩的特性。

正常的情况下，探测器的电路断开，当温度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。

一种是利用某些金属易熔的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它的熔点（70～90℃）时，金属熔化，借助弹簧的作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。

这两种探测器都属定温型，即当外界温度超过某一限值时就会报警；还有一类是差温型，升温的速度超过特定值时，便会感应报警。

如将两者结合起来，便成为差定温组合式。

（3）光辐射探测器。

一种是红外光辐射探测器。

物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。

另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路报警。

火灾报警器是重要的安全设备，一切重要的场所，如大型物资仓库、隧道、大型船舶、高层建筑都应该安装。

它还可以与自动灭火设备一起组成自动报警、自动灭火的“自动消防队”。

第3章火灾报警系统硬件设计

3.1系统核心芯片选择

3.1.1传感器介绍

3.1.1.1AD590温度传感器

要准确地进行火灾报警，选择合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提。

综合考虑各因素，本文选择集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。

AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端温度传感器。

电路如图3-1所示。

由于AD590是电流型温度传感器，他的输出同绝对温度成正比，即1μA/k，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量[2]，所以在AD590的负极接出一个1kΩ的电阻R和一个100Ω的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC0809。

通过调节可调电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即