1、本科毕业设计说明书 第 1 页 共 34 页 1 引言 1.1 火灾报警器的起源和发展 火灾作为危害 人类 生存的大敌，越来越受到人们的重视。随着高层建筑的不断增多，火灾隐患增加。一旦发生火灾，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。火灾报警器就是为了满足这一需要而研制出来的，已成为保护人身和财产安全必不可少的重要手段。 现代化建筑中设置火灾自动报警系统，尤为重要。近年来，各部门对火灾自动报警系统的要求，不仅表现在数量上日益增多，而且对其功能和可靠性等方面提出更高的要求，这给我国 消防工作带来新课题，并将进步促进我国火
2、灾自动报警系统的研制、生产、和应用的发展 1。 近年来，随着科学技术的飞跃发展，基于单片机有体积小、功耗小、成本低、价格廉以及控制功能强等，它的应用领域日益广泛。目前国内各种家用电器已普遍采用单片机控制取代传统的控制电路，做成单 片机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机等的控制器。在 办公自动化领域，现代办公室中使用的大量通信、信息产品多数都采用了单片机，如通用计算机系统中的键盘译码、磁盘驱动、打印机等。在商业营销领域，已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读机、仓储安全监测 系统等中已纷纷采用单片机构成专用系统。在工业自动化领域，如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，这些系
3、统除一些小型工控机外，许多都是以单片机为核心的单机或多机网络系统，在智能仪表与集成智能传感器传 统的控制电路及汽车电子与航空航天电子系统方面同样都用到了单片机 2。单片机的应用正在不断的走向 深入，这必将导致传统的单片机技术的日益革新。在实时监测和自动控制的单片机系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，现代火灾报警器就是采用单片机作为核心部件完成的。 1.2 开发智能火灾报警系统的意 义 由于开关量火灾报警系统受到开关量探测器工作原理的限制。尽管开发人员常常通过多种确认的方法来消除误报警，但也无法从根本上动态的反映出火灾变化的全过程，更不能实现对监视现场的环境进行自动学习，积累“经验”，从
4、而准确的本科毕业设计说明书 第 2 页 共 34 页 分析、判断现场的各种非火灾因素和真实的火灾 信号，以及对各种非火灾因素造成的探测器灵敏度的漂移进行补偿。 于是，国内开始了对智能火灾报警控制系统的研究和开发。开发智能火灾报警系统的重大意义就是要在实现准确可靠的早期报警的同时，方便用户对系统的安装、调试，并且提供强有力的系统维护手段，降低系统的维护费用。 1.3 本文设计的内容 (1) 本系统是具有高可靠性的 16 路火灾报警器。 (2)以单片机为核心，设计硬件主控制器电路总体框图。 (3)对每个分框图分别设计具体电路。对火灾以声，光形式报警 , 显示，控制电路功耗不大于 10瓦 .使用 2
5、20 伏交流电源、或 12 伏直流电源工作、两套电源互为备用。 (4)设计相应的软件流程图。 (5)依据流程图设计控制程序。 (6)画出整体电路图。 1.4 本论文的设计安排 第一章是引言部分。 第二章是整体设计方案，根据设计要求做了整体设计的规划，对设计的主要部件做了初步选用并画出设计总框图以便以后 设计按此进行。 第三章是各部分硬件的设计 ，这部分要进行具体的设计并且要对所设计的器件有一定的讲解 。 第四章是软件的设计部分，这部分要有程序流程图和主要的程序部分。 第五章是结论部分，这部分要对火灾报警器的设计过程中得到的知识做一总结。 本科毕业设计说明书 第 3 页 共 34 页 2 总体设
6、计 方案 火灾报警器的设计可采用多种方法，如简单的模拟电路设计也可以完成报警功能，也可采用火灾报警专用集成电路 c14467 来完成报警功能， 这些火灾报警器不能对多处火灾集中监控，在发生报警时不能准确的判断这是线路故障还是火灾发生且不能在短时间内判断是哪处发生 故障或发生火灾 3。 我们要设计的是对 16 处进行的火灾监控，只需在值班室就可以监控。要在值班室对 16 路进行监控，就需要把报警器安装在 值班室，为了在短时间内就能发现报警我们采用声光报警。虽报警系统发生报警，但我们还得判断这是线路故障造成的报警还是火灾发生造成的报警，而且要在短时间内知道这发生在哪一处房间，使损失降到最低。完成这
7、一系统的功能采用简单电路是难以完成的，这是总体方案设计中比较难的部分，从各方面考虑，计划采用单片机来完成这些功能。 2.1 整体设计思想 基于上面的介绍，我们对整体设计思路做一叙述， 假设我们的控制核心就采用单片机。 第一步必须有传感器及火灾探测器去感受信号，当火灾发生，火灾探测器需要把感受到的信号以高低电平的形式输出，传到接口电路，转换成单片机所能接受的电平。 第二步当信号输入到单片机后，通过程序进行自检和故障检查。若探测器与火灾报警器之间的连线中断或探测器失效时，面板上显示相应的房间号，并发出单调的音响信号 并 通过火灾巡回检测程序判断输入信号有无火灾信号还是干扰信号，若是火灾信号，则显示
8、器显示发生火灾的房间号码，报警灯闪烁和发出变调的音响信号。 2.2 部分设计的初定 2.2.1 火灾探测器的选用 火灾探测器有感烟的和感温的。在许多情况下，火灾往往是先有烟而后起火的，因此使用感烟型传感器更能早发现火情，减少火灾损失。离子感烟型传感器的灵敏度高而且价格低，因此我们在此采用离子感烟传感器。 2.2.2 单片机的选用 本科毕业设计说明书 第 4 页 共 34 页 单片机的应用，首先是它的控制功能，即在于实现计算机控制。而在线控制应用方面，由于计算机身处系统之中，因此对计算机有体积小、功耗小、成本低、价格廉以及控制功能强等要求，对这些要求真可谓是非单片机莫属了。 80C51 是 IN
9、TEL 公司 MCS-51 系列单片机中最基本的产品，它采用 INTEL 公司可靠的 CHMOS 工艺技术制造的高性能 8 位单片机，属于标准的 MCS-51 的 HCMOS 产品。它结合了 HMOS 的高速和高密度技术及 CHMOS 的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48 单片机的体系结构和指令系统。 80C51 内置中央处理单元、 128 字节内部 数据存储器 RAM、 32 个双向输入 /输出 (I/O)口、 2 个 16 位定时 /计数器和 5 个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。 此外， 80C51 还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲
10、模式下冻结 CPU 而 RAM 定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存 RAM 数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。 80C51 有 PDIP(40pin)和 PLCC(44pin)两种封装形式 2。 在单片机的应用中， 80C51 是比较通用的， P0 口， P1 口， P2 口共 24 个口用来做 输入、输 出口，足够本系统用。因此初步决定使用 80C51 作 为此系统的核心部件。 2.2.3 输入接口电路 由于要求设计 16路火灾报警器，所以我们要用 16 路的探测器来探测。在探测器探测到的信号要传入控制器单片机时，要把信号转化为单片机能接收的电平，且需对 16 路
11、信号巡回检测，采用单片机控制 16 选 1的电开关来巡回检测，因此输入接口电路是非常重要的一部分设计。 2.2.4 显示器与键盘的选用 显示器可采用 LED，由于只有 16路，所以只用两个 LED 显示器即可。 键盘有独立式键盘和行列式键盘。独立式键盘的缺点是需要占用较多的 I/O 口线。当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或 I/O 口线比较富余时，采用此类键盘。行列式键盘的键盘结构，能够有效地提高单片机系统中 I/O 的利用率 4。 因此初步设计采用行列式的 4 4 或 4 3的键盘。 2.3 构造整体电路设计框图 本系统是基于单片机控制的具有可靠性的 16 路火灾报警器。它以单片机为电
12、本科毕业设计说明书 第 5 页 共 34 页 路的主控制芯片。电路主要包括，火灾探测器、单片机及其扩充电路、输入、输出接口电路还有电源。电路框图如 2.3 所示。 图 2.3 整体框图 本科毕业设计说明书 第 6 页 共 34 页 3 硬件电路各部分的设计 3.1 核 心部分的设计 3.1.1 80C51 的引脚图及功能 如左图 3.1.1 所示 是 40 引脚双列直插的 80C51 管脚图。其中电源和晶振 ， 大家都是比较了解的就不用在详细介绍 。 下面主要介绍 80C51 中比较重要的引脚的功能： (1)I/O 口 有 4 个， 32 根。 P0 8 位、漏极开路的双向口 I/O。当使用片
13、外存储器时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（这时需要外加上拉电路）。 P0 作为总线时能驱动 8个 LSTTL 负载。在本设计中此 I/O 口用做输 图 3.1.1 80C51 引脚图 出来给 数码管提供输入信号 。 P1 8 位、准双向 I/O 口。在编程 /校验期间，用做输入低位字节地址。 P1口能驱动 4 个 LSTTL 负载。在此我们用它作为键盘的输入口。 P2 8位、准双向 I/O 口。当使用片外存储器时，输出高 8位地址。在编程 /校验期间，接收高位字节地址。 P2口可以驱动 4个 LSTTL 负载。在此我们设计的采集信号输入口和报警输出口都是用的 P2口。 P
14、3 8位、准双向 I/O 口，具有内部上拉电路。 P3提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置 1。 P3口可以输入 /输出 4个 LSTTL 负 载。 P3.0 RXD 串行输入口的输入。 P3.1 TXD（串行输出口），输出。 P3.2 INT0 ，在外部中断 0 的输入。 P3.3 INT1，外部中断 1 的输入。 P3.4 T0，定时器 /计数器 0的外部输入。 P3.5 T1，定时器 /计数器 1的外部。 P3.6 WR，低电平有效，输出，片外数据存储器写选通。 P3.7 RD，低电平有效，输出，片外数据存储器读选通。 （ 2）控制线：共 4 根。 RST 复位输入
15、信号，高电平有效，在振荡器工作时，在 RST 上作用两个机器周期以上的高电平， 期间复位。 EA/VPP 片外程序存储器 访问允许信号，低电平有效。再编程时，其上施加 21V本科毕业设计说明书 第 7 页 共 34 页 的编程电压。 ALE/PROG 地址锁存允许信号，输出。用作 片外存储器访问时，低字节地址锁存。 ALE 一 1/6 的振荡频率稳定速率输出，可用作 对外输出的时钟或用于定时。在EPROM 编程期间，作输入。输入编程脉冲（ PROG）。 ALE 可以驱动 8个 LSTTL 负载。 PSEN 片外程序存储器选通信号，低电平有效 4。 在从片外 程序 存储器取指 令期间，在每个机器
16、周期中，在 PSEN 有效时， 程序 存储器的内容被送上 P0口 PSEN可以驱动 8 个 LSTTL 负载。 3.1.2 80C51 单片机的复位方式 复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把 PC 初始化为 0000H，使单片机从0000H 单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。主要的复位方式有三种：上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位 5。此次设计是用按键电平复位。 按键电平复位是通过复位端经电阻与 VCC电源接通而实现的，电路如图 3.1.2 所示。按键电平复位电路中的电阻、电容参数设置
17、都适合与设计的振荡电路，能保证复位信号 高电平持续时间大于 2 个机器周期。 图 3.1.2 按键电平复位 3.1.3 80C51 的时钟电路 时序电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路， 为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。 在 80C51 单片机内带有时钟电路，因此只需要在片外通过 XTAL1 和 XTAL2 引脚接入定时控制元件 （ 晶体振荡器和电容 ） ，即可构成一个稳定的自激振荡器。在 80C51芯 片内部有一个高增益反相放大器，而在
18、芯片的外部， XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容。 80C51 单片机的时钟电路如图 3.1.3所示。 本科毕业设计说明书 第 8 页 共 34 页 图 3.1.3 80C51 单片机的时钟电路 由图可见，时钟电路由下列几部分组成：振荡器及定时控制元件、时钟发生器、地址锁存允许信号 ALE。 (1)振荡器 及定时控制元件 在 80C51 芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚 XTAL1，其输出端为引脚 XTAL2。只需要在片外通 过 XATL1 和 XATL2 引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，振荡器即可工作。 振荡器的工作可以由 （ PD） 位
19、（ 特殊功能寄存器 PCON 中的一位 ） 控制。当 （ PD）置 1 时，振荡器停止工作，系统进入低 功 耗工作状态。 振荡器的工作频率一般在 1.2 12MHz 之间，现在由于制造工艺的改进，频率正向两端延伸，高端可达 40MHz，低端可达 0Hz。 一般用晶体作定时控制器件；在不需要高精度参考时钟时，也可以用电感代替晶振；有时也可以由外部引入时钟脉冲信号。 用晶振和电容构成谐振电路。 C1 和 C2 虽没有严格要求，但电容的 大小影响振荡器的稳定性和起振的快速性，通常选用 10 30pF左右。在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。 当用电
20、感或陶瓷谐振器作定时控制元件时，也是用电感或陶瓷谐振器构成谐振电路。此时的电容 C1、 C2 在 40pF10pF 。 在由多片单片机组成的系统中，为了单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。 当外部输入时钟信号时，外部信号接入 XTAL1 和 XTAL2 端悬空不用。对外部信号的占空比没有要求，高低电平持续时间不小于 20ms。 (2)内部时钟发生器 内部时钟发生器实质是一个 2 分频的触发器。其输入由振荡器引入的，输出本科毕业设计说明书 第 9 页 共 34 页 为两个节拍的时钟信号。输出的前半周期，节拍 1（ P1）信号有效；后半周期，节拍 2（
21、P2）信号有效。每个输出周期为一个计算机 CPU 状态周期，即时钟发生器的输出为状态时钟。每个状态周期内包括一个 P1 节拍和一个 P2 节拍，形成 CPU 内的基本定时时钟。 (3)ALE 信号 一般地说，状态时钟经过 3 分频之后，产生 ALE 引脚上的信号输出 。 3.2 输入电路的设计 3.2.1 火灾 探测器的设计 对于火灾的探测有多种传感器，常用的有 感温传感器和感烟传感器。其中感温传感器是在火灾发生后，室内温度将升高，当感温探测器周围的环境温度到达设定温度以上时，传感器才动作。而在许多情况下，火灾往往是先有烟而后起火，因此使用感烟型传感器更能提早发现火情，减少火灾损失 1。离子感
22、烟型传感器的灵敏度高而价格低，很适宜制作火烟型火灾报警器。 离子感烟传感器的工作原理 : 离子感烟传感器由内、外两个电离室组成。电离室内有 P1、 P2 一对电极。外电离有孔与外界相通，烟雾可以进入；而内电离室是密封的，烟雾不能进入。 离子感烟传感器的原理如图 3.2.1（ a） 所示。 再电极 P1、 P2 之间 放有放射性的同位素 241 的放射源。这个放射源能连续发出 a射线，使极间的空气电离而产生正电离子和负电离子，这样两极间便具有导电性。在这对电极上电压 E时，正负离子便向极性相反的方向移动。离子的移动称为离子电流 Ip.离子电流的大小与外加电压 E的大小有关，电压 E 越高，离子电
23、流越大；电压 E 高到一定值时，离子电流呈饱和状态。这一饱和离子电流为 Is 如图 3.2.1（ b）所 示。 图 3.2.1(a) 图 3.2.1(b) 本科毕业设计说明书 第 10 页 共 34 页 当外电离室有烟雾进入时，部分正离子和负离子被吸附在烟雾中燃烧生成物的微粒上 （ 燃烧生成物微粒比离子大 1000 倍左右 ） ，因此它们在电场中运动的速度大大降低，并在运动中不断有正负离子中和，使离子数减少。烟雾浓度愈高，离子数量愈少，离子电流便愈小，相当于等效电阻的增大。而内电离室是密封着的，无烟雾进入，两极板间的离子电流是恒定不变的，其等效电阻也是恒定不变的。由于内、外电离室的电极是串联的
24、。如图 3.2.1（ c） 在无烟雾时， A 点的电位等于 E/2;有烟雾时，外电 离室极间等效电阻增大，使 A点电位降低， A点电位的降低与烟雾浓度成比例，有烟雾与无烟雾时，其电位差可达 1V 以上。 图 3.2.1(c) 等效电路 UD 02 型离子感烟传感器 : UD 02 型离子感烟传感器灵敏度高、可靠性好，其性能符合 UL 217 标准。它具有两个离子室及一个放射源 （ 镅 241， 0.9Ci ） ,它 有三个电极等效电路如图 3.2.1(d)， A电极 （ 接 +9V 电源 ） 、 B电极 （ 接地 ） 、 C电极 （ 收集电极 ） 。在 205 时，在清洁空气条件下收集电极的平衡电位为 5 5.6V； 有烟雾时，收集电极的电位变为 1.1 1.2V（阴 暗度为 4%/英尺 ,按UL271 标准 23.1 规定；极间电容为 4pF；镅 241 放射源为0.81 0.99C ；重量为 12 克；主要材料为不锈钢及塑料 ） 。 图 3.2.1(d) 探测器数值的确定 : 当指定的火灾探测区域比较大时，首先要了解每个火灾探测器的范围，然 后按照下式进行计算： NS/ （ KA ）
