1、1基于单片机的火灾报警控制系统的设计摘 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，可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等，是
2、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：单片机 ；火灾报警；传感器；Design Of Fire Alarm Control System Based On Single Chip MicrocomputerAbstract：Now, with electronic products used in human life more and more widely, the resulting fire, more and more, we live in fire hazards lurking around everywhere. To a
3、void fires and reduce fire losses, we must follow the “hidden dangers fire in prevention is better than disaster relief, the responsibility is extremely heavy,“ the concept design and improvement of automatic fire alarm system, fire nipped in the bud, the maximum reduce the loss of social wealth.The
4、 system can be installed in all fire units, which is responsible for continuously monitoring the site to start the inspection signal, monitor the site of temperature, concentration, and continuous feedback to the alarm controller, the controller willreceive the signal and the normal memory setting v
5、alue was determined by comparing to determine the fire. When fire occurs, can achievesound and light alarm, fault diagnosis, concentration display, alarm limit settings, delay alarm and serial communication with the host computer is a simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive, i
6、ntelligent smoke sensor, has some practical value Keywords : scm; fire alarm; sensor21 绪论1.1 选题背景及意义火灾是可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火，在给人类带来文明进步、光明和温暖的同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大的灾难。据统计，我国 70 年代火灾平均损失不到 2.5亿元，80 年代火灾平均损失接近 3.2 亿元。进入 90 年代，特别是 1993 年以来，火灾造成的直接损失上升到年均十几亿元，年均死亡 2000 多人。严峻的事实证明，随
7、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，还直接威胁生命安全，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。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，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。智能化火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展。1.2 国
8、内外研究状况虽然 WSN(Wireless Sensor Networks)正处于完善的迅速发展时期，但并没有妨碍它在各领域的应用。德国、日本、美国等发达国家对无线火灾自动报警系统的研究投入大量人力、财力。无线火灾自动报警系统是典型的多传感器的事件驱动型无线传感器网络 WSN，但又具有其特殊要求：1 系统的可靠性、可信度、必须考虑室内多路径散射、回波、干扰、中断、碰撞探测等处理；2 系统的最小工作生命周期为 5 年；3总机和探测器间必须双向通信；4 报警信号的传输时间必须在 10 秒内；5 系统干扰、故障探测反映时间要小于 100 秒。无线传感器网络(WSN)综合了微电子技术、嵌入式计算技术、
9、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳(Self Organizing Hop)的网络方式传送给数据处理中心。WSN 的应用前景十分广阔，在军事、工农业、环境监测，医疗护3理、危险区域远程控制等领域都有潜在的应用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视。2 火灾自动报警系统的工作原理2.1 系统总体功能概述火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。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）
10、、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。区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出声光报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，利用本机专用电话还可迅速发出指示和向消防队报警。此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。整体电路的框图如图 1 所示：传感器放大电路A/D转换单片机状态指示器声音报警浓度显示按键串口通信图 1 系统原理及组成框图Fig,1 System principle and composition block diag
11、ram2.2 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：2.2.1 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4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。2.2.2 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
12、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。2.2.3 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。2.2.4 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
13、种形式。2.3 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：2.3.1 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
14、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5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。2.3.2 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
15、，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（7090）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。2.3.3 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
16、，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”3 系统硬件设计3.1 核心芯片选择3.1.1 芯片 AT89S52在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比
17、较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况进行相应的处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用 ATMEL 公司的 AT89S52 单片机作为控制器。AT89S52 是一个低功耗、高性能的 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes(In-system 6programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构。芯片内集成了通用 8 位中央处理器和
18、 ISP Flash 存储单元，功能强大的计算机 AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52 片内集成 256 字节程序运行空间、8K 字节 Flash 存储空间，支持最大64K 外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在 0-33M之间。片内资源有 4 组 I/O 控制端口、3 个定时器、8 个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在 4V 到 5.5V 宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。根据本次设计的具体情况，采用双列直插 DIP-40封装。AT89S52 的引脚图如图 2 所示：图 2
19、 DIP-40 封装 AT89S52 引脚图Fig,2 DIP - 40 encapsulation AT89S52 pin drawing3.1.2 集成温度传感器 AD590 AD590 是美国 Analog Devices 公司生产的一种电流型二端传感器，电路如图所示。由于 AD590 是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，及 1 AK， ，而数模转换芯片 ADC0809 的输入要求是电压量，所以在 AD590 的负极接出一个 10 千欧的电阻 R1 和一个 100 欧的可调电阻 W，将电流量变为电压量送入 ADC080。通过调节可调电阻便可在输出端 V 获得与绝对温度成正比的电
20、压量，即 10mVK,温度 0时T输出为 0，温度 25时输出为 2.982V。这样便于 A/D 转换器采集数据。3.1.3 气体传感器 Header 3x2火灾中气体烟雾主要是 CO2 和 CO，Header 3x2 气体传感器能探测 CO2，CO ，甲烷，煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。当Head 3x2 探测到 CO2 或 CO 时，传感器的内阻变小，V 迅速上升。选择适当的电阻AP.57RS9/XDINLEGCUKHeadr7阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如 CO 浓度达到 0.06）时，V 端获得适当的A电压（设为 3V）。电路图如图 3 所示。图3
21、 Header 3X2 检测电路Fig,3 Header 3X2 detection circuit3.1.4 数码管驱动芯片 ICM7218ICM7218 是 INTERSIL 公司生产的一种性能价格比较高的通用 8 位 LED 数码管驱动电路, 28 脚双列封装 ,是一种多功能 LED 数码管驱动芯片,可与多种单片机接口使用。ICM7218 的输出可直接驱动 LED 显示器,不需外接驱动电路,工作电压为+5V,其构成的显示电路结构简单,使用方便。同样由单片机向 ICM7218 写控制字及数据，编程部分像给外部 RAM 写数据一样简单。当单片机写入模式控制字后，ICM7218 以约定的方式接
22、收显示数据并将数据写入静态显示 RAM 中。数据接收结束，ICM7218 在扫描控制电路的控制下，按设定的译码模式，以动态扫描显示方式向段显示驱动器和位控驱动器发出控制信号，直到下一个控制字写入前，不停地进行动态显示工作。其引脚图和内部框图如图 4 所示。DIGT1ROUN2650ME9WPcSgfedaC8图 4 ICM7218 引脚图Fig,4 ICM7218 pin figure3.2 单片机外围接口电路AT89S52 单片机外围接口电路如图 5 所示，主要包括：(1)晶振电路：内部时钟电路的晶振频率一般选择在 4MHZ12MHZ 之间（该设计选用 6MHZ），外接两个谐振电容。该电容的
23、典型值为 30pF,该设计选用 33pF。(2)复位电路：单片机复位采用按键高电平复位，而单片机在平时则复位端为低电。图 5 单片机外围接口电路Fig,5 Microcontroller peripheral interface3.3 信号处理电路对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D 转换器对输入模拟量幅值及极性的要求。在本报警器电路中，同样要对两类传感器的输出信号进行放大调理。电路图如上图 6 所示，运算放大器接成电压放大电路。从传感器采集过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信P1.0237RST9/XDINWALEGVCU-B
24、KFYMp9号。采样时，把相应的模拟电压信号从 Vi 端送进 LM324A 进行放大处理后，从 Vo端输出送入 A/D 转换电路。图 6 信号处理电路Fig,6 The signal processing circuit3.4 A/D 转换模块经气敏传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行 A/D 装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。A/D 转换电路采用了常用的 8 位 8 通道数模转换常用芯片 ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端分别接到 ADC0809 的 IN0 和 IN1。 ADC0809 的通道选择地址由AT89S52 的 P
25、0.0P0.2 经地址锁存器 74LS373 输出提供。当 P2.7=0 时，与写信号WR 共同选通 ADC0809。其中 ALE 信号与 ST 信号连在一起，在 WR 信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。图中 ADC0809 转换结束状态信号 EOC 接到AT89S52 的 INT1 引脚，当 A/D 转换完成后，EOC 变为高电平，表示转换结束，产生中断。在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。由于 ADC0809 片内无时钟，故利用 8051 提供的地址锁存使能信号 ALE 经 D 触发器二分频后获得时钟。因为 ALE 信号的频率是单片机时钟频率的 1/6，如果时钟频率
26、为 6MHZ，则 ALE 信号的频率为 1MHZ，经二分频后为 500KHZ，与 ADC0809 的典型值吻合。电路图如图 7 所示。 IN-02msb1345lEOCABLref()STR+KUQFGP.Vo10图 7 A/D 转换电路Fig,7 A/D conversion circuit3.5 声音报警电路由 AT89S52 的 21 脚实现声音报警控制。当可燃性气体浓度或温度超过限定值时，将 P2.0 置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。其电路原理图如图 8 所示。图 8 声音报警电路图Fig,8 Sound alarm circuit diagram3.6 数码管显示电路数据
27、采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，就被传送到系统的显示模块，让人们更直接地观察到相关数据。在本系统中，对 LED 进行的是动态扫描，除了给显示器提供段的输入之外，还要对显示器进行位控制。显示器的第一位显示所选择的通道号，而后三位则显示该通道传送进来的相应的数字量。本系统显示用的 4 位七段数码管由数码管专用驱动芯片 ICM7218A 驱动，27、3、1、25、2、24、26 脚分别接数码管的 a、 b、c 、d、e、f、g，15、16、23、20脚为位选，分别控制 4 位数码管的亮灭，ID07 为数据线，接单片机 P0 口，WRITE、MODE 是写控制位和模式控制位，分别接单片机 P3.6、P2.6 。其电路图如图9 所示。R5K+VQPNLSEA.0DYn6kBG位
