1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于单片机的消防报警系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 随着现代社会的不断发展，人们的生活水平日益提高，越来越多的家用电器进入人们的生活中。但这样一来也造成了家庭用火、用电量的增 加，导致火灾发生的的频率也开始增高，于是火灾报警器也随之被广泛的应用于各种场合。 本设计是利用单片机结合传感器技术而开发设计的智能火灾报警系统，以AT89S51 单片机作为硬件核心。系统选用 MQ-2 型传感器实现烟雾的检测；选用DS18B20 数字温度传感器实现温度的检测；使用 TLC5
2、49 对 MQ-2 采集的模拟信号进行 A/D 转换，以便单片机处理。单片机处理数据后，与设定的上限值进行比较，超过上限值时，发出指令，实现声光报警，达到预期的效果。 关键词 ：智能火灾报警系统；单片机；传感器； TLC549； - 3 - Abstract With the continuous development of modern society, peoples living standards are improving. But in that case it also causes the increased fire and electricity consumption,
3、 resulting in the increased frequency of fires, so the fire alarm also will be widely used in various occasions. The design is an intelligent fire alarm system based on MCU and sensor technology, and its hardware core is MCU AT89S51. It uses sensor MQ-2 to detect smoke; uses digital temperature sens
4、or DS18B20 for temperature detection; and uses A/D converter TLC549 to convert analog signal form MQ-2 into digital signal for MCU processing. MCU processes data, and compares with the upper limit, and when more than the limit, it issues instructions to achieve the light and sound alarm to achieve t
5、he desired results. Key words : Intelligent Fire Alarm System； MCU； Sensor； TLC549； - 4 - 目 录 1 引言 . 1 2 总体设计 . 2 2.1方案论证及比较 . 2 2.1.1 主控模块的选择 . 2 2.1.2 A/D转换模块的选择 . 2 2.1.3 烟雾检测模块的选择 . 3 2.1.4 温度检测模块的选择 . 3 2.2系统的总体设计方案 . 4 3 硬件设 计 . 6 3.1 单片机主控模块 . 6 3.1.1时钟振荡电路 . 6 3.1.2复位电路 . 7 3.2 A/D转换模块 . 8 3
6、.2.1 TLC549简介 . 8 3.2.2 TLC549的引脚 . 9 3.2.3 TLC549与单片机的连接 . 9 3.3 烟雾检测模块 . 9 3.3.1 MQ-2型烟雾传感器的特性 . 9 3.3.2 MQ-2型烟雾传感器的使用规格 . 11 3.3.3 MQ-2型烟雾传感器的外形结构 . 12 3.4 温度检测模块 . 12 3.4.1 DS18B20功能和特点 . 12 3.4.2 DS18B20片内存储单元 . 13 3.4.3 DS18B20与单片机的连接 . 15 3.5 声 光报警模块 . 15 3.5.1 LED显示报警 . 16 3.5.2 蜂鸣器报警 . 16 4
7、 软件设计 . 17 4.1 主程序设计 . 17 4.2 AD转换程序设计 . 17 4.3 温度检测程序设计 . 18 5 制作和调试 . 20 5.1 测试仪器 . 20 5.2 硬件调试 . 20 5.3 软件调试 . 20 5.4 测试结果分析 . 20 6 结论 . 22 致 谢 . 错误 !未定义书签。 - 5 - 参考文献 . 23 附录 1 软件主要程序 . 24 附录 2 实验原理图 . 27 1 引言 随着社会的进步， 社会财富不断积累，人民生命价值不断提高 ， 如何防止火灾对社会财富和人 民生命安全造成危害，已经成为 当代社会一大课题。因此在很多建筑中，如楼宇、地下室、
8、办公场所、娱乐场所等，都不乏火灾报警器的影子。火灾报警器，作为人们的安全卫士，时刻担负着保卫人身财产安全的重任，为预防及减少火灾带来的损失起了重大作用 1。 传统的火灾报警系统通常为总线型火灾自动报警系统 1，该系统 采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块通过总线与控制器实现信号传送。此类产品具有先进的报警和控制功能，施工、安装较为方便，且价格较低，己被大量使用。虽然该系统具有自检以及对外围器件的故 障检验等功能，但对故障类型不能区分。由于其探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整，因而容易发生误报或者晚报等现象。所以从传统型走向智能型，
9、是国内外火灾自动报警系统技术发展的必然趋势。 所谓智能火灾自动报警系统即：使用探测器件将火灾发生期间所产生的烟、温等信号以模拟量形式，连同外界相关的环境参数一起传送给报警器，报警器再根据获取的数据及内部存储的大量数据，利用火灾模型判据来判断火灾是否存在，这样的系统称为智能火灾自动报警系统，其主要核心是智能火灾报警控制器2。 在智能火灾报警系 统中，火灾探测器随时监视着周围环境的情况，是系统的“ 感觉器官 ” 。火灾报警控制器则是该系统的 “ 大脑 ” ，是系统的核心。火灾报警控制器担负着为火灾探测器提供稳定的工作电源、监视探测器及系统自身的工作状态 ： 接受、转换、处理火灾探测器输出的报警信号
10、，进行声光报警，同时执行相应辅助控制等任务。 其中传感器技术经过十几年的发展，已经具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，正全面向各个领域渗透。于此同时单片机的应用正在随着计算机的发展，在社会各个领域不断地走向深入。将单片机与传感器技术有机的结合起来，既方便了人们的日常生 活，又推动了科学的发展。如今，将单片机技术恰当的应用在传感器技术中，这是技术进步的必然结果，也是智能火灾报警系统出现的首要前提。 2 总体设计 按照系统的设计功能要求，本次系统的设计决定通过烟雾传感器和温度传感器，进行对温度和气体信号的数据采集，通过 A/D 转换模块传送到单片机内进行判断及处理，最终通过声光报警模块进行火
11、灾报警，并且还可以通过按键实现手动报警功能。 2.1 方案论证及比较 2.1.1 主控模块的选择 主控模块作为整个系统的控制核心，其性能的好坏对系统工作的影响是非常重要的，经过资料翻阅，初步设定 以下几种方案供参考。 方案一：采用 8031 单片机作为温度气体信号检测系统的控制核心。该单片机片内不带程序存储器，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路 373，外接的程序存储器多为 EPROM。用户若想对写入到 EPROM 中的程序进行修改，必须将芯片从电路板上拔下，放到紫外光灯光下数分钟，使存储的数据消失，之后才可写入，这样实行起来就比较麻烦。而且写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可
12、言，不利于本次设计的系统。 方案二：采用 AT89S51单片机作为温度气体信号检测系统的控制核心。 该单片机中集成了 4K的只 读存储器，采用 CMOS工艺制造，且与 MCS-51产品兼容。通过把通用的 8位 CPU与 Flash RAM集成在一个芯片上 3。它 具有功能强大，价格低廉，应用范围广的特点，完全适合于本次设计系统的控制。尤其是其内存为温度、气体信号检测数据存储提供了极大的空间。 方案三：采用 CPLD 作为主控制器 ,外接电路进行对烟雾检测模块、温度检测模块、键盘、通讯模块和声光报警模块的控制。此方案逻辑电路复杂，且灵活性较低，不利于各种功能的扩展。 基于上述的分析，选择方案二。
13、 2.1.2 A/D 转换模块的选择 A/D 转换器的种类有 很多，按位数来分，有 8 位、 10 位、 12 位、 16 位等。位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。 如果 按照 与微处理器接口的方式来分， A/D 转换器有并行接口和串行接口两种。 方案一：采用并行 AD 转换器。例如， ADC0804 是美国 Analog Device 公司生产的 8 位逐次逼近式模数转换器，转换速率高，自带三态输出缓冲电路，可直接与 8 位的微处理器 采用并行总线 相连 ， 而无需附加逻辑接口电路是目前我国应用 较 广泛，价格 较 便宜的 A/D 转换器。 方案二：采用串行 AD 转换器。例如， TL
14、C549 与通用微处理器通过 I/O CLOCK、 CS、 DATA OUT 三条线进行串行接口 ， 具有控制口线少，时序简单，转换速度快，功耗低，价格便宜等特点，适用于单路 A/D 采样。 由于串行 AD 占用单片机的 I/O 口少， 我选择方案二。 2.1.3 烟雾检测模块的选择 烟雾检测模块是用来采集气体信号，其灵敏度，经济实用性成为选择该类产品的必要条件，以此查找了几种方案。 方案一：采用接触燃烧式烟雾传感器，接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝 (也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层 )，使用时将铂丝通电，保持300 400 的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金 属催化层上
15、燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升，通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道烟雾的浓度。但是这种传感器 可能在无焰燃烧的时候，由于某些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。为了保证它的正常工作，必须定期维护，无形中提高了维护成本，这不适合我的选择。 方案二：采用半导体烟雾传感器，该传感器灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，而且不会发生探头阻塞现象，维护成本较低，非常实用。 基于上述分析，我选择方案二，并确定使用 MQ-2 型半导体烟雾传 感器。 2.1.4 温度检测模块的选择 温度传感器作为本设计中的另一种探测模块，在该系统中
16、也是必不可少的。此类传感器使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致有3 个阶段：一、传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。二、 模拟集成温度传感器 /控制器，只能测量温度。三、智能温度传感器，目前发展的趋势。 温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，另一类是非接触式温度传感器 5。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触， 通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，
17、这种方法将会产生很大的误差。 非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。因此得出以下两种方案。 方案一：采用 R46WP 系列温度传感器，进口铂电阻 Pt100 元件组装，这是一种接触式温度测量传感器，具 有测量范围宽、高精度、超稳定、快速响应等特点。 方案二：采用 DS18B20（非接触式） 温度传感器，该产品采用美国 DALLAS公司生产的 DS18B20 可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭
18、小空间设备数字测温和控制领域。而且该传感器结构简单，不需要外接电路，数据传输采用 “ 一线总线 ” ，可用一根 I/O 数据线既供电又传输数据，大大提高了系统的抗干扰性。在 -10 +85范围内精度为 0.5 ，完全满足本设计中灵敏度高的要求，而且体积小，方便灵活，重复性和可靠性也 比较好 4。 根据本设计中的需要，要选用非接触式的智能温度传感器，方案二还是比较适合的。 2.2 系统的总体设计方案 课题要求的主要内容是以 AT89S51 为控制中心设计智能火灾报警系统，单片机 AT89S51 是整个系统的核心。 通过 MQ-2 烟雾传感器采集周围环境的烟雾浓度，经 ADC0804 转换送到单片
19、机控制中心进行处理；同时由 DS18B20 数字温度传感器采集周围环境中的温度，经过信息处理，转化为 AT89S51 单片机能够处理的数字量。在 AT89S51 单片机中，采集并经过处理的数据与系统所规定的上限值进行比较（上限 值是根据环境等因素制定的保证系统正常工作同时周围环境处于良好状态时的上限），如果超过了上限值，则说明周围环境产生异常，立即发出声光报警信号，以便人们迅速撤离火灾现场，减少不必要的损失。也可以直接通过手动按钮装置方式直接报警。 图 2-1 就是该系统基本的组成，从图中可以看出该系统分为单片机主控模块AT89S51、 A/D 转换模块、温度检测模块、烟雾检测模块及声光报警模块（蜂鸣器和 LED 显示）五大模块。 图 2-1 系统方框图 AT89S51 蜂鸣器 AD 转换 模块 按键 烟雾传感器 MQ-2 温度传感器 DS18B20 LED 显示
