基于单片机的火灾自动报警系统毕业论文.doc

武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文）
武汉工程大学邮电与信息工程学院
毕业设计（ 论 文）说明书

论文题目 基于单片机的火灾自动报警系统
学 号 6202040228
学生姓名 吴涛
专业班级 测控技术与仪器02班
指导教师 王 欣
总评成绩

年 月 日

目 录
摘要 Ⅱ
Abstract Ⅲ
第1章 绪论 1
1.1课题的研究其意义 1
1.2火灾报警的发展趋势 2
1.3报警系统的特点 2
1.4系统的研究范围 3
第2章 自动火灾报警系统整体方案设计 4
2.1火灾发生的条件 4
2.2自动火灾报警系统的组成 5
2.3系统的总体方案设计 6
第3章 系统硬件模块的选择 7
3.1 主要芯片的选择 7
3.2 传感器的选择 8
第4章 系统硬件模块设计 13
4.1 单片机外围接口电路 13
4.2 AD转换电路 14
4.3 光报警电路 15
4.4 报警器故障自诊 16
4.5 显示部分 17
第5章 火灾报警系统的软件设计 19
5.1 软件开发环境 19
5.2 火灾报警系统程序设计 20
第6章 功能仿真验证分析 31
6.1关于仿真与编程软件 27
6.2 Protues仿真原理图 27
第7章 总结 30
致 谢 31
参考文献 32
附录 33

摘 要
近年来，火灾是造成人们财产和人生安全损失的罪魁祸首之一。在世界上发生频率最高的灾难就是火灾，全世界几乎每天都有火灾发生。随着社会主义现代化的发展，城里的高层建筑，地下商场以及大型的建筑群日益增多。火灾的隐患也伴随着社会的发展而逐年升高。火灾出现的次数及其造成的生命财产损失在逐年上升，火灾一旦发生，对人的生命财产是极大的危害【1】。
本次设计通过AT89C51单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器从而实现报警、故障自诊断、浓度级别显示、报警设置、温度显示及与温度报警值设定等功能。是一种结构简单、性能 、稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器。能够有效的预防火灾，减少火灾造成的财产损失【13】。

关键词：报警器；AT89C51；传感器；火灾预防

Abstract
Fire almost every day all over the world. With the development of socialist modernization，the city of high-rise buildings，underground shopping malls and large buildings is increasing. The hidden danger of the fire also increased year by year along with the development of the society. Cruel calamity，it is the people understood that with the increasing of social wealth，the development of social economy，the dangers of fire brings us constantly expanding. He destroyed not only material wealth. But also caused the social anxiety and confusion. Also directly threaten the safety of life，to the soul of people caused great trauma，reduce unnecessary loss for the people. Automatic fire alarm system is to protect people's life and property safety and invention，and with the continuous improvement of modern technology. In a way,the function，and structure.
AT89C51 and MQ - 2 type semiconductor resistance type smoke sensor as the core design of the smoke alarm can realize alarm,fault self-diagnosis，concentration level display，alarm limit setting，temperature and the temperature alarm value set. Is a kind of simple structure， stable performance，easy to use，low cost， intelligent smoke alarm. Has a certain practical value.

Keywords: smoke alarm；AT89C51；sensor；

III

第1章 绪论
1.1课题的研究及其意义
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人至75000人。欧洲和北美发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平高以及消防设施完善有关；亚洲居住人数最多，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[11]。火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。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[2]。
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。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[3]。
1.2火灾报警的发展趋势
最初始的火灾报警就是通过人工来实现的，例如通过人工的方式，当有人发现出现了火灾时，就通过呼叫通知其他的人来灭火。伴随着社会的进步，人们渐渐的研制出了高科技来防范火灾的发生，省去了很多的人力物力。当发生火灾的时候报警设备发出报警信号，人们就可以以最快的速度抵达火灾现场进行扑救，来达到减轻损失，这就是火灾报警的前身【4】。
自动火灾报警系统，从发展历程来看，可分为三个阶段：
1，自动火灾报警系统为多线型。每个传感器有三根线，除了两根电源线还有一根报警线。报警模块必须向传感器提供电源，报警显示装置和信号线相连，当某个传感器发现火灾，系统会相应的点亮相关的灯来提示人们，有火灾发生。在国外，如日本“日探”公司最早生产的（CPF）自动火灾报警系统。它的主要作用是报警，或者在联合一些简单的联动装置，例如蜂鸣器，显示器等。这个系统对其外围传感器设备不能进行故障排查功能，只有当电源线断电的时候才能作出反应。这个系统的缺点是校验工作量特别大，安装也是十分的繁琐，和容易出现错误。
2，自动火灾报警系统为总线型。这种自动火灾报警系统使用了功能比较全面的微型处理器。如单芯片微型计算机（单片机）。各个模块和传感器用地址编码形式。通过控制器和总线的方式进行信号的传送。传感器的报警形式是数字量，硬件的条件决定了它的灵敏度。灵敏度是不能调节的。这种系统能进行现场编程，是各个模块能较为灵活的控制联动装置，这个系统能对自身的故障进行自动检测，对外围的装置的故障也能进行排查，它的最大的缺点就是很难区分故障的类型。现在，国内大多数的自动火灾报警系统是此类产品。这是因为这种系统有很好的自动控制和自动检测功能，再加上施工简单，价格便宜。所以很多的单位使用这种报警系统。
3，自动火灾报警系统为智能型。因为先进的计算机技术已经应用到了自动火灾报警系统之中，这样就使自动火灾报警系统有了飞跃的发展。传感器的报警由过去的开关量变成了数字量。智能系统给人民带来了很多的优点。人们可以根据不同的保护环境设置不同的火灾报警灵敏度。如果是环境变化较大的地方，传感器的灵敏度就要求要低一些。对于环境变化不大的地方或者比较重要的地方对于火灾要求比较严格的场所，要求传感器的灵敏度就比较高。
1.3报警系统的特点
自动火灾报警系统对于保护人民的生命财产安全是十分重要的，目前，在自动火灾报警系统在家庭中的使用率是很低的，与欧美发达国家相比我们国家市场的发展才刚刚起步，尤其是家庭自动火灾报警系统认可度普遍更低，随着人们火灾防范意识的提高，会有更多的人意识到火灾防范的重要性。可以推测自动火灾报警系统即将会有很广阔的发展空间。
目前，国内的一些企业也开始重视智能报警系统的市场，开始研制一些早期的智能火灾报警系统。比如，有我国南京消防公司生产的超早期火灾自动报警系统。（SH97300）是高灵敏度激光吸气式感烟火灾探测报警系统。它的灵敏度可以达到0.0042dB/m。比最早期的烟雾传感器的灵敏度高一百倍以上。并且也具有安装方便，价格便宜，智能报警等诸多特点。这个系统被大量的应用于重要的场合，如图书馆、计算机房，资料室等等。但是在国内的很多的重要地方的火灾报警系统是从外国进口的设备或引进的技术，系统的灵敏度和环境的匹配能力有限，探测的烟雾浓度范围，和节能设计方面还需要很大的提高。在推广之前还有很多的技术瓶颈需要解决，毋庸置疑的是未来的最先进的自动火灾报警系统在随着科学技术的发展，市场推广的应用和人类防火意识的不断增强，会被越来越多的用户所信赖。应用的范围也会越来越广泛，火灾自动报警技术的更新也会不断的发展【5】。
1.4系统的研究范围
在任何场合都有可能发生火灾，但是在不同场合发生火灾的预兆也不尽相同。例如，居民小区，各种超市百货商店都有很多易燃的物品，有较高人员密集的火车站、商场、加油站、网吧、电影院、仓库等其他易燃易爆的场合，还有一些现代化手段场合如汽车上，飞机，船舶运输等，其中有些地方发生火灾是很缓慢的，渐渐的温度升高，这样使燃点很低的材料达到了燃点发生燃烧，如果不能得到及时的控制，火势逐渐的变大，最后无法控制，发生火灾造成人员和财产的损失。自动火灾报警系统能够根据温度，和烟雾的浓度发现火灾，及时报警，如果这种类型的火灾警报，随着时间的推移，将能够有效地控制火灾。对于一些火灾发生得更快，通常只有几秒钟十秒钟的时间大火将达到无法控制的状态。
本文研究了预警和响应火灾一般场合，这样的火灾是温度较慢，温度会逐渐的升高，可燃物没有产生火灾之前会产生烟雾和其它有害气体。系统涉及的现场检测比较温度、烟密度测试，信号，声音报警，不同的报警显示的不同的危险。在基于AT89C51作为控制芯片，接受和处理火灾探测器输出信号，温度信号，烟雾浓度及声光报警器的火灾报警系统【6】。
这个设计单片机火灾报警系统为家用系统，有以下几个特点:
1、能够室内烟雾等有害气体和温度的突然变化报警含有声、光双重报警。
2、系统故障报警，单发生硬件故障，可以发出故障报警信号。
3、异常报警。环境异常时(如烟尘浓度太大或高温)，它可以发送一个警报信
号异常，注意尽量避免火灾。
4、火灾报警。火灾一旦发生(烟雾和温度异常同时发生)，声音报警可以即时发出信号。它类似于现场报警系统的仿真，系统安全可靠，较低的误警率。由于其体积小，易操作和维护，成本低，具有广阔的应用前景。

第2章 自动火灾报警系统整体方案设计
2.1火灾发生的条件
火灾产生需要一定的条件，包括燃烧物、助燃剂和达到一定的燃点。发生火灾是指燃烧过程中失去了控制造成的灾害。可燃物有三种形态，即固态，气态和液态。一般来讲空气中的氧气被看作为助燃剂。可燃物燃烧一般是在外界获得了内能是温度升高达到了燃点，这时液体或者固体也会分解成可燃气体(如CO、H2等)，这些物质颗粒悬浮在空中，被成为气溶胶。在生成气溶胶的时候，会生成一些比较大颗粒物质，被叫做烟雾。当可燃物燃烧以后使其表面继续产生可燃气体或者烟雾，而且燃烧的面积将增大，同时会产生明火，火焰会发出红外线和紫外线并且产生大量的热能。产生的这些气溶胶，明火，烟雾和热能都称之为火灾参量，通过这些物质能提前的发现火灾是否存在，由于火灾发生时有很多不同的现象，可将火灾分为无明火，明火和快速火焰等。根据大量的火灾事实证明，无明火的燃烧是形成火灾的重要原因【8】。
一般来说，一般可燃物在燃烧时候会有一些现象，一开始会出现可燃性的气体，后来会出现烟雾，在空气流通性比较好的情况下也就是氧气比较多的时候才会完全的燃烧产生明火。发出红外线，紫外线，并且发出大量的热量。使周围的环境温度迅速上升。在刚开始燃烧过程无明火所占的时间比较长，这时会产生大量的烟雾，但是由于燃烧的不够剧烈，所以温度也不是很高，如果产生烟雾报警器就能发现火灾，就能及时的扑灭火灾，减小损失。当产生明火时，很快的蔓延开来，使周围的环境温度和快的升高。这时温度传感器能探测到温度异常发出报警，就能很快的控制火势，火灾的过程如下图2.1所示。

图2.1 火灾发生过程
2.2自动火灾报警系统的组成
火灾报警系统的组成是报警装置，传感器模块，还有其他的辅助功能，如喷水装置，通风装置等，在火灾报警系统中，触发器件就是产生的报警信号的装置（有自动的和手动的两种）。最主要的元件是传感器和报警装置。
传感器通过火灾现场发出的化学或物理变化（如发出的红外线，温度上升还有产生的烟雾，和一些可燃性气体）把这些信号转换成电信号，发送到火灾报警系统，使火灾报警系统发出相应的报警消息。区域报警器将接收到消息发出报警信号。提醒值班人员火灾发生的地点，请及时的灭火。
由火灾探测器、联动单元和控制器组成了自动火灾报警系统，先由传感器探测到烟雾，或者是温度的异常，然后传递给单片机，由单片机判断是否报警，这个系统除了有自动火灾报警功能以外还能对系统进行自检，检测设备是否能正常工作。而且能够现场编程，实现各个模块的灵活运用。由于自动火灾报警系统传感器的不同，可以将自动火灾报警系统分为下面四种：
(1)温度传感器型火灾报警系统
这种报警系统是根据火灾发生的时候形成的火焰，把周围的温度升高，使温度传感器产生电信号，来触发报警系统。
(2)烟雾传感器型火灾报警系统
目前国内主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等烟雾传感器型。
(3)感光型火灾报警系统
感光型报警系统是根据火灾发生时火焰产生的光，还有光闪烁的频率来使光感传感器产生电信号。触发报警系统进行报警。由于敏感光的波长的不同，这种系统可以对紫外线的辐射进行探测，因为紫外线的波长比较短。也可以对红外线进行探测，红外线的波长相对较长。
(4)综合性火灾报警系统
如果对上述三种报警系统任意结合两种或两种以上的报警系统就称之为综合性的火灾报警系统，这种系统的可靠性运行比较好，可以综合的探测火灾，确保及时发出警报【10】。
2.3系统的总体方案设计
2.3.1系统方案设计选择
1、方案一
采用单片机为主控芯片。烟雾采集芯片采集信号，经过A/D转换，传递给单片机，经过显示，报警。
显示部分
单片机系统
A/D转换芯片
烟雾传感器

报警模块

图2.2 方案一
2、方案二
采用单片机为主控芯片，同样经过烟雾传感器，再经信号处理模块，然后A/D转换，最后传递给单片机。同样温度模块把温度传递给单片机，送至显示部分和报警部分。
显示部分
单片机系统
信号处理模块
A/D转换芯片
烟雾传感器

温度传感器

报警模块

图2.3 方案二
为了使系统能够可靠的运行，温度传感器将温度传递给单片机，更准确的把现场的信息传递给单片机，信号处理模块能有效的提高报警的灵敏度。所以本系统选择方案二。
3、系统整体设计方案
一个完整的火灾报警系统，必须包含以下部分：传感器、控制器、数据处理器和报警模块。这个系统是以单片机为核心的控制系统结合传感器的温度测量设备，实现火灾报警系统的设计。可以对室内和室外实时采集温度和烟雾浓度，如果发现测量温度或烟尘浓度高于临界值报警。温度传感器把温度信号（数字形式）发送给单片机，烟雾浓度信号是模拟信号，用模数转换器将其变成数字信号给单片机。单片机数字信号滤波处理和数据分析之后判断是否大于或等于预设值，即临界温度报警或烟尘浓度。如果烟雾浓度大则触发报警电路，开始发出报警声音则显示非正常状态，否则这是一个正常的状态。这个系统的整体方案如图2.4所示。
控制装置
声音报警
状态指示灯
烟雾浓度显示
烟雾传感器
A/D转换
信号处理
温度传感器
AT89C51

图2.4 自动火灾报警框图

第3章 系统硬件模块的选择
3.1 主要芯片的选择
3.1.1 单片机的选择
单片机是本系统最重要的部分，它不但要接收烟雾传感器传来的模拟信号和温度传感器传来的数字信号还有故障检测信号，而且还有对两种信号和记忆值对比，然后控制相应的报警。同时，单片机查询是否有按键按下。在单片机实现的这些功能之中，对转换好的信号做数字滤波，再对信号进行数字化处理，这些过程是通过软件实现的。这对单片机的要求是计算速度较快。这样仪表检测人员才能够正确的观察到事实的烟雾浓度。并作出相应的处理。但是在满足系统的计算速度的同时还要考虑到他的价格和体积。在保证系统能够可靠的性能和精确性能的同时不提高成本，缩小体积。在实际应用之中AT89C51单片机应用的很广泛，开发的工具和多，容易学习，价格低，这样是最适合民用，商用，用途是十分的广泛的，根据以上优点，本篇论文用AT89C51作为报警器的核心部件。
本论文的控制芯片是AT89C51，它是由ATMEL公司生产的，AT89C51是一种含有4K字节的可擦除可编
图3.1 单片机 程的只读存储器，还有128字节的随机存储数据的存储器的高性能、低电压CMOS8位的微处理器的单芯片微型计算机，简称单片机。这款单片机是一种高性能低功耗的芯片。片内有八位的中央处理器，和Flash存储单元，可以在各个系统之中灵活的运用。它本身有四十个引脚，三十二个外部I/O端口，有两个外部中断，两个十六位的可编程的定时/计数器。两个全双工串行通信端口。AT89C51的引脚图如图3-1所示。芯片能用常规方法进行编程，同样也可以在线编写。尤其是反复擦写的存储器能够有效的降低成本。
3.1.2 模数转换芯片的选择
A/D转换器的种类很多，就位数来分，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。而就其结构而言，有单一的A/D转换器，有内含多路开关的A/D转换器。本次论文选用的是ADC0832芯片。

图3.2 ADC0832芯片的引脚图
ADC0832 具有以下特点：
1、 芯片的分辨率是八位的；
2、 有两个输入模拟量的通道；
3、 芯片的输入输出的电平和TTL、COMS是通用的；
4、 电源的供电范围也比较广泛，五伏电源供电，输入的电压在零到五伏之间；
5、 工作频率是250KHZ，转换的时间是32us；
6、 芯片的功耗很小，大约是15mw；
7、 封装类型比较多如双列直插、PICC等多种封装；
8、 商用的芯片温度范围是比较宽泛的在零到七十摄氏度之间，工业用芯片的温度是零下40摄氏度到85摄氏度。
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，芯片有两个数据的输出能够对数据进行校验，这样能把转换的数据误差率降低。芯片的转换速度也比较快而且稳定。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，能够很方便的选择通道。
3.2 传感器的选择
3.2.1烟雾传感器的选择
1、烟雾传感器的比较
（1）离子式烟雾传感器
这种烟雾传感器是用一种技术比较良好，工作性能比较稳定的的传感器它的用途也比较广泛，现在已经被应用到各种消防报警系统中，性能十分的优越，比气敏电阻类的传感器要好很多。
（2）光电式烟雾传感器
这种传感器内部结构有一套比较复杂的光通道，有红外对管，当没有烟雾的时候接受设备是接受不到红外发射器发出来的红外线，但是当有烟雾进入光学通道的时候，由于各种折射和反射，此时接收器就能接受到红外线，这时控制系统通过和记忆值的比较来判断是否发生火灾，如果超过了记忆的数值就发出报警信号。
离子式与光电式的比较：
离子式的烟雾传感器对于比较微小的烟雾粒子会更加敏感，另外对于各种烟雾均有响应；而向前式光电烟雾传感器对于颗粒相对较大的烟雾粒子是最敏感的，但是对于黑烟和灰色的烟尘响应能力相对较差。当火灾很大，而且烟雾浓度也比较大的时候，空气中的烟雾的微小颗粒比较多，而且当无明火的燃烧会有更多的含有大颗粒的烟雾。当火灾发生的时候，就会产生大量的比较小的颗粒，这时候离子式传感器会产生较大的电压的变化，此时离子烟雾传感器会先报警。光电式的传感器会相对慢一些，但是两者的间隔时间不大，但是这种火灾发展的速度极快，发生后会迅速变大，这种场合适合安装响应快的传感器，建议安装离子传感器。还有一种就是没有明火的火灾现场,会产生这时粒子较大颗粒的烟雾，这种场合适合用光电传感器。
（3）气敏式烟雾传感器
这种传感器是用于识别气体的传感器。他们主要是包括接触燃烧式、半导体气敏式和电化学式传感器等，在这些传感器中用的最广泛的就是半导体气敏传感器。它的应用主要有：瓦斯气体的探测、氟利昂的探测、一氧化碳气体的探测、还有酒精的探测等等。
它能将气体的种类和气体的浓度相关的信息转换成为电信号，根据这些电信号的大小就能得到和待测气体在空气中的浓度大小，从而可以进行检测、监控、报警；还可通过一些接口电路和计算机相连接形成一个系统，能够自动的检测、控制和报警。
气敏式烟雾传感器的最经典的型号是MQ-2气体传感器。这种传感器常用与家庭和工厂的气体泄漏装置，适用于很多种气体，包括液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的检测。
火灾中的烟雾是有固体颗粒，还有可燃性气体混合而成的，有很多的物理特性比如体积、质量、温度、电荷等物理特性。离子型烟雾传感器改变电压的变化是通过烟敏电阻的电离室引起的。通过电压的变化来表述火灾现场烟雾离子的微电流变化装置。当电离室中有烟雾时，就会改变电离室空气的电离状态，这是就相当于电离室的等效电阻增大，电阻增大就会引起电离室两端电压的改变，从而确定空气中的烟雾状态情况。而气体传感器是探测空气中可燃性气体的含量，在家庭中能对于煤气，一氧化碳等有害性气体进行探测。
通过比较分析，本设计的感烟探测器采用的是MQ2传感器，因为离子式传感器NIS-90内部有微量的放射性物质，有可能泄漏，对人体和环境都有一定的危害。本次设计是家庭火灾报警系统。通过研究选择MQ2烟雾传感器。MQ2型号传感器功耗比较低，用途比较广泛，适用于高灵敏度烟雾传感器火灾报警系统。
2、关于烟雾传感器
本论文用的是二氧化锡半导体气敏材料的传感器，型号为MQ-2，这种传感器是N型半导体表面离子式。给传感器一个预热电源（五伏直流电源），但温度加热到200~300℃温度时候，空气中的氧气被二氧化锡所吸附，氧气变成负离子吸附在表面，这样半导体中的电子就会减少，从而导电能力减弱，使电阻值增加。当空气中有烟雾的时候，晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会使电阻值发生变化。就是利用这一点把烟雾的浓度的信息转化成电信号，当烟雾的浓度越大，电阻率就会变小电阻就减小。

图3.3 烟雾传感器实物图
传感器的特性及主要技术指标：
(1) MQ-2型传感器的一般特点
(a)MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对
烷类烟雾更为敏感。
(b)MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。
(c)MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。
(d)电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。
(2) MQ-2型传感器的特性参数。
(a)回路电压：(Vc) 5~24V。
(b)取样电阻：(RL) 0.1~20K。
(c)加热电压：(VH)5±0.2V。
(d)加热功率：(P)约750mW。
(e)灵敏度：以甲烷为例R0(air)/RS (0.1%CH4)＞5。
(f)响应时间：Tres＜10秒。
(g)恢复时间：Trec＜30秒。
引脚说明：
1、 A1或A2为输出的一端。
2、 H为加热接线段。
3、 B1或B2为输出另一端。
3.2.2 温度探测器的选定
1、本次论文温度传感器的选择要求
由于温度检测的参数的不同，一般情况用于民用建筑和工业上的温度传感器有差温式、定温式、差定温式等等。
对于选择那种温度传感器我们需要考虑的因素有：
A 所测量的温度是不是要求记录并且报警和自动控制，是不是要求远距离传送和远距离传输。
B 要求的测量的温度大小和精度要求。
C 传感器元件的封装是否合适。
D 所测量的温度随时间的变化速度，由于测量元件有滞后的世间，滞后的时间是否满足要求。
E 所测量的场合对测量的元件是不是有影响和危害。
F 经济性，元件的价格，和使用的方便性。
根据以上的这些因素，经过考虑，本次论文温度传感器使用的是DS18B20数字温度传感器。
DS18B20的特点
DS18B20数字温度传感器结构简单，接线相对方便，有不同型式的封装，不同的封装可以用于多种场合，封装如管道式、不锈钢、磁铁吸附式、螺纹式封装，型号多种可以根据所需的场合选择适合的传感器。

图3.4 DS18B20数字温度传感器引脚图
这种温度传感器的主要特点：
A 这中传感器能实用很宽泛的电压，使用电压范围是：3.0~5.5V，一般不用独立的电源，可以在寄生电源上工作。
B 比较方便的数据接口方式，这种温度传感器和单片机相链接的时候只需要一条数据线就能实现单片机和传感器的双向通讯。
C 本传感器支持多点网络的功能，几个传感器可以并联在一个三条线上，能够实现多点测试功能。
D本传感器使用的时候不用任何的外围元件，所有的传感器和模拟数字转换电路都继承在一起。
E 本传感器可以测量的温度范围是 －55℃～+125℃，当温度在-10～+85℃的范围内它的精度为±0.5℃。
F 可编程的分辨率是9~12位，这样的分辨率分别是0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，这样就能适应需要高精度测量的场合。
G 九位的分辨率转换时间是93.75ms，当把分辨率设置为12为的时候需要的时间是750ms速度较快。
H 测量的结果能以数字的型式发出去。用一根线以串行的型式传递给CPU，同时也可以传送CRC校验码，这样传感器就有很强的抗干扰能力，和纠错的能力。
I 负压特性：当电源的极性不小心接反的时候芯片不能烧毁，然而芯片也不能正常工作。
2、DS18B20的外形和内部结构。
DS18B20的内部主要是由四部分构成的，包括ROM光刻（64为）、温度传感器、温度报警触发器TH和TL(非挥发)、和配置寄存器。
3、DS18B20引脚定义：
A，DQ是数字信号的输出/输入端；
B，GND是电源接地；
C，VDD是芯片电源供电的输入端。
当火灾发生的时候，烟雾传感器将烟雾的浓度转换成电压信号，然后经过放大器，把信号进行放大和滤波，把有效信号传递给A/D转换器，把模拟信号转化成为数字信号，再传递给控制系统，控制系统将这些数字信号进行和记忆的数值进行对比，分析是否发生火灾，然后把浓度转换为十进制送到显示部分进行显示，发出声光报警。但是烟雾传感器是在温度很高的情况才能正常的工作，所以在报警系统必须有预热的时间，才能发挥正常的作用。报警器需要向传感器提供一个五伏的直流电源，为了使系统运行可靠性增强，在提供电源的同时，进行故障检测。如果烟雾传感器的加热电阻丝或者电缆线和传感器的电源线接触不良，就会发出报警信号，但是这种报警信号是和火灾的报警信号是不同的。烟雾检测器的功能如下：
（1） 当系统自身发生故障的时候能够自己排查。
（2）单片机有看门狗进行自检单片机的状态。
使用单片机的看门狗的功能，看门狗定时的检测单片机的工作状态，如果单片机进入死循环的状态，马上给单片机一个复位信号，保证系统的正常工作。
第4章 系统硬件模块的设计
4.1单片机外围接口电路
1、晶振电路
晶振电路是给单片机工作提供时钟信号的，芯片内部有一个高增益的反相放大器用于形成内部的振荡器。引脚XTAL1是这个放大器的输入端子，XTAL2是这个放大器的输出端子。在片外的陶瓷谐振器或者是石英晶体作为反馈元件和放大器形成了一个自激振荡器。系统的晶振如图3-7所示，但是外接的两个电容的容量不同会对振荡频率的高低有一点影响，还有工作的稳定性，对于起振的难易程度和温度的稳定性能也是有影响的。例如使用的是石英晶体，电容的大小应该是三十皮法左右，但是用的是陶瓷振荡器电容的容量就应该是四十皮法左右。本论文使用的是石英晶体，电容选择的是三十皮法。
2、复位电路
复位电路的基本功能是：当系统得电的时候提供一个复位信号，当系统稳定的时候在撤销复位信号。为了使运行可靠，当电源稳定时候在经过一段延时后再撤销复位信号。作用是为了防止当电源开关的瞬间有抖动从而影响复位。复位是在单片机启动过程起作用的，这样使处理器和系统的每个部件都处在初始的状态，然后开始工作。单片机的复位信号是有复位引脚（REST）进入到芯片里面的触发器中的。在系统正常工作的时候，同时振荡器稳定后，如果复位引脚上有高电平信号并且持续了两个周期以上即二十四个振荡周期。单片机的处理器就会响应把系统给复位。单片的有两种复位方式，一种是手动按钮复位，另一种是上电复位，这个论文采用的是手动复位。
手动复位是在需要复位的时候按下按钮使复位端子加上高电平，采取的措施是在复位端和单片机的单元上接一个按钮，当想复位的时候，电源的电平就会接到复位端子上，则系统就会复位。人的动作相对于系统是很慢的，按钮的时间最快也是几十毫秒。所以，设计完全能够满足复位的时间要求。复位电路中S1为手动复位开关，电容C3可避免高频谐波对电路的干扰。AT89C51晶振电路与复位电路如图4.1，图4.2所示。

图4.1 AT89C51单片机的晶振电路

图4.2 AT89C51单片机的复位电路
4.2 AD转换电路
ADC0832是的5号和6号引脚由于不同时有效，为了节省单片机的接口所以连接在一起使用，当此引脚输入的串行数据是1、0的时候则是选择的通道0，当输入的是1、1的时候选择的是通道1，当输入的是0、0的时候通道零接模拟信号的正相输入端，通道一接输入信号的负相。当引脚的串行数据是0、1的时候零通道接入的是模拟信号的负相输入端，一通道接入的是正相。本次论文只是用单相一通道，所以单片机的P37口首先个给转换芯片一个低电平，激活芯片，然后在给芯片5、6号引脚一个1.0的信号，选中通道0。当第三个时钟脉冲下降的时候D0(6)开始进行读取数据工作，当时钟信号是第四个的下降沿时候D0开始输出数据的高位DATA7当像一个脉冲继续输出直到DATA0，然后开始反向输出即输DATA0~DATA7，此次转换结束。芯片和单片机的接口如图4.3所示。

图4.3 ADC0832
4.3 烟雾信号调理电路

图4.4 烟雾信号处理模块
烟雾传感器的处理信号图4.4所示，当烟雾浓度上升的时候，4(6)脚的电压上升，使比较器的U-电压升高，当电压大于U+的时候输出负电平，这使发光二极管发光，提醒监视员，有异常情况发生，同时三极管的基极变为低电平，三极管由饱和区变为截止区，输出的TTL电平是低电平。同时在4（6）脚上输出的信号经过放大器和电容的滤波，根据虚断可知
（3-1）
（3-2）
虚短可知 （3-3）所以这将传感器的输出信号进行了放大，可以增加报警系统的灵敏度。使用放大器可以是输入的电阻增大，提高传感器的灵敏度。
4.3.1 光报警电路
此类报警根据单片机所给电压，确定LED灯中的电流流向，以驱动灯发光。连接电路如图4.5所示。图中当单片机为低电平时，小灯是亮的；高电平时，小灯灭。

图4.5 光报警电路
4.3.2 声报警电路
当火灾发生时，烟雾传感器和温度传感器将接受到的信息传送给AT89C51单片机由单片机判断是否超过预警值，超过则让报警器报警，其中报警器中的声报警电路图如图4.6所示。

图4.6 声报警电路
4.4 报警器故障自诊断
判断传感器电源连接情况，在传感器的地端串联一个电阻R，当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P2.1口检测到：如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0V。
4.5显示部分
LED数码管是一种半导体的发光器件，它的组成是发光二极管，通过点亮不同的二极管来显示所需要的数字，可以显示0~9的数字。数码管按照发光二极管的数量可分为七段数码管和八段数码管。八段数码管比七段数码管多一个小数点，按照能显示八的个数可分为一位、两位、四位等。按照二极管的连接方式可分为共阴极和共阳极。其中共阴极指的是数码管之中的发光二极管所有的阴极都连接在一起，同理共阳极是指所有的阳极都连接在一起形成一个公共端。共阳极的数码管当控制端输入的是低电平相应的发光二极管就会发光，当输入端是