基于单片机的火灾报警器设计.doc

1、课程设计设计题目：基于单片机的火灾报警器设计课程设计任务书专业：电子信息工程 学号:4091426 学生姓名（签名）： 设计题目：基于单片机的火灾报警器设计一、设计实验条件微机实验室二、设计任务及要求1. 根据题目要求进行资料收集及监测方案设计；2. 主要功能要求：（1）实时检测至多 8 个监测点的环境温度、烟雾浓度等因素变化，以判断是否出现火警；（2）判定某监控点出现火警时进行声光报警，并显示此监控点编号；（3）能手动报警和取消报警；（4）能手动进行系统检测；（5）监控点数目可以通过键盘设置。3. 撰写课程设计说明书；三、设计报告的内容1. 设计题目与设计任务（设计任务书）2. 前言（绪论）

2、(设计的目的、意义等)3. 设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）4. 结束语（设计的收获、体会等）5. 参考资料四、设计时间与安排1、设计时间： 2 周2、设计时间安排： 熟悉实验设备、收集资料： 2 天设计图纸、实验、计算、程序编写调试： 9 天编写课程设计报告： 2 天答辩： 1 天目 录1 绪论 .11.1 课题研究的背景和意义 .11.2 国内外的研究现状 .21.3 本文内容的结构安排 .32 火灾报警系统整体方案设计 .42.1 火灾产生原理及过程 .42.2 系统总体方案设计 .62.2.1 系统硬件总体构架 .62.2.2 系统软件总体构架 .62.3 系统主要器件的选择

3、.82.3.1 火灾探测器的选择 .82.3.2 单片机的选择 .153 火灾自动报警系统硬件设计 .163.1 复位电路与晶振电路 .163.1.1 晶振电路 .163.1.2 复位电路 .163.2 传感器信息采集电路 .173.3 声光报警显示电路 .183.4 系统控制电路 .194 火灾报警系统程序设计 .204.1 软件开发环境 .204.2 火灾报警系统程序设计 .214.2.1 数据采集子程序 .224.2.2 火灾判断/报警子程序 .234.2.3 控制系统子程序 .255 总结 .265.1 总结 .265.2 展望 .27附录 1 系统程序 .29附录 2 系统原理图 .

4、38参考文献 .39致谢 .40东北大学 2012 届毕业设计说明书第 1 页 共 37 页1 绪论1.1 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

5、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 1。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

6、，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 2。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

7、 浓度超标报警信息，通知人们及时疏散 3。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，并为消防东北大学 2012 届毕业设计说明书第 2 页 共 37 页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 4。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。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

8、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 5。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 6。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

9、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 Emst Meili 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

10、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东北大学 2012 届毕业设计说明书第 3 页 共 37 页水平不高，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

11、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 7。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 8。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 9。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

12、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 10。1.3 本文内容的结构安排基于社会和经济方面的需求，本课题旨在开发一个能够对监测点实时监

13、控、报警的智能火灾报警系统。智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理、报警于一体的系统。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势，市场上迫切需要一种容量大、可靠性高、使用简单的智能型火灾东北大学 2012 届毕业设计说明书第 4 页 共 37 页报警控制系统。该火灾报警系统是以 AT89C52 单片机作为控制中心，接受、处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号、温度信号，并进行声光报警。本文的结构安排如下：第 1 章：绪论。主要介绍课题的研究背景和意义，介绍了火灾报警系统的发展状况。此外，介绍了论文的主

14、要内容及章节安排。第 2 章：介绍了火灾探测原理，给出火灾自动报警系统的总体设计构架，分别给出硬件和软件的整体构架，并给出系统设计中的主要器件的选型。第 3 章：火灾自动报警系统硬件设计，详细介绍了单片机系统基本电路、传感器信息采集电路、声光报警显示电路及系统控制电路，并给出相应的设计原理图。第 4 章：火灾自动报警系统监控程序设计，介绍数据采集子程序、火灾判断/报警子程序和系统控制子程序等。第 5 章：对本文工作进行总结，并对火灾报警器的发展前景进行展望。2 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

15、。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、H 2 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 0.01m)。在产生气溶胶的同时，产生分子较大(直径 0.01 一 10m)的液体或固体微粒，称为烟雾。可燃气体与空气混合，在较强

16、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、东北大学 2012 届毕业设计说明书第 5 页 共 37 页热辐射和热对流，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

17、，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

18、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 起火过程曲线东北大学 2012 届毕业设计说明书第 6 页 共 37 页2.2 系统总体方案设计2.2.1 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、声光报警显示模块、系统控制模块组成。图 2.2 为火灾报警系统的结构框图。图 2.2 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，再通过外接电路或者芯片内置电路将所获取的电信号转化为单

19、片机可读取的信号，传入单片机。单片机通过程序的控制，对获取的信号做出判断，并据此控制声、光报警器显示电路工作。如果发生火灾，系统以声光的形式报警，并显示着火点位置信息。本火灾自动报警系统具有以下功能：(1)声、光双重报警及显示编号的功能。(2)手动报警及取消报警的功能。(3)设置并显示监测点个数功能。(4)指定检测点功能。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、报警子程序与系统控制子程序等，系统程序流程图如图 2.3 所示。烟雾、温度传感器电路单片机系统电路声、光报警器显示电路手动控制电路