基于单片机的智能火灾报警系统优质毕业设计.doc

基于单片机智能火灾报警系统
序言
现在，伴随电子产品在人类生活中使用越来越广泛，由此引发火灾也越来越多，在我们生活得四面四处潜伏着火灾隐患。为了避免火灾和降低火灾造成损失，我们必需根据“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消亡在萌芽状态，最大程度地降低社会财富损失。
本系统可安装在各防火单位，它负责不停地向所监视现场发车巡检信号，监视现场温度、浓度等，并不停反馈给报警控制器，控制器将接到信号和内存正常整定值比较、判定确定火灾。当发生火灾时，可实现声光报警、故障自诊疗、浓度显示、报警限设置、延时报警及和上位机串口通信等，是一个结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化烟雾传感器，含有一定实用价值。

1 基于单片机智能火灾报警系统介绍
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燃烧所造成灾难，是威胁公众安全和社会发展关键灾难之一。火，在给人类带来文明进步、光明和温暖同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大灾难。据统计，中国70年代火灾平均损失不到2.5亿元，80年代火灾平均损失靠近3.2亿元。进入90年代，尤其是1993年以来，火灾造成直接损失上升到年均十几亿元，年均死亡多人。
严峻事实证实，伴随社会和经济发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成危害范围不停扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序混乱，还直接威胁生命安全，给大家心灵造成极大伤害。残酷现实让大家逐步认识到监控预警和消防工作关键性，良好监控系统和立即报警机制能够大大降低人员上网，为社会降低无须要损失。
伴随电子产品在人类生活中使用越来越广泛，由此引发火灾也越来越多，在我们生活四面四处潜伏着火灾隐患。智能化火灾报警系统已并非传统意义上简单报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器应用等各领域知识。伴伴随科学技术不停进步，火灾报警系统必将得到愈加快发展。
1.2 设计要求
本文采取气体传感器、温度传感器、AT89S52单片机和LED显示灯模块设计了一个智能火灾报警器，能够实现声光报警、故障自诊疗、浓度显示、报警限设置、延时报警及和上位机串口通信等功效。是一个结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化火灾报警器，含有一定实用价值。
本系统采取ATMEL企业AT89S52单片机作为处理器，关键完成以下工作：
★ 基于AT89S52火灾报警检测设计方案。
★ 温度传感器AD590、烟雾传感器TGS202、A/D转换芯片ADC0809选择和和单片机接口电路设计。
★ LED数码管驱动芯片ICM7218和单片机接口电路及其和数码管硬件连接。
★ 设计关键软件程序模块，完成软件设计。

2 火灾自动报警系统工作原理
2.1 系统总体功效概述
传感器
放大电路
A/D转换

单片机
状态指示灯
声音报警
浓度显示
按键
串口通信
火灾报警系统通常由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。火灾探测器经过对火灾发出物理、化学现象——气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）探测，将探测到火情信号转化成火警电信号传输给火灾报警控制器。区域报警器将接收到火警信号后经分析处剪发出声光报警信号，警示消防控制中心值班人员，并在屏幕上显示出火灾房间号。集中报警是将接收到信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火楼层和房间号，利用本机专用电话还可快速发出指示和向消防队报警。整体电路框图图2.1-1所表示：

图2.1-1 系统原理及组成框图
2.2 火灾报警系统类型
依据火灾报警系统中所使用探测器种类不一样，火灾报警系统能够分为以下四种：
★感温型火灾报警系统
因为火灾发生时燃烧物会产生大量热量，使得周围温度快速改变。感温型火灾报警系统就是经过判定周围温度改变而产生响应火灾报警系统，再把温度改变转换为电信号以达成判定报警目标。依据探测温度参数不一样，通常能够将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等多个。
★感烟型火灾报警系统
烟雾是早期火灾关键特征之一。在火灾发生早期，因为温度比较低，很多物质全部处于阴燃阶段，产生大量烟雾。感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度改变转换为电信号来触发报警。感烟型火灾报警系统关键有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。
★感光型火灾报警系统
物质燃烧不仅会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见光辐射。感光型火灾报警系统就是经过响应火灾中产生光特征，即扩散火焰光强度和闪烁频率，来触发报警系统。依据感应敏感波长，能够将感光型火灾报警系统分为对波长较短光辐射敏感紫外报警系统和对波长较长光辐射敏感红外报警系统。
★复合型火灾报警系统
假如报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中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。现在复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多个形式。
2.3 火灾探测器原理
火灾发生时，肯定会伴伴随产生烟雾、高温和火光，探测器对这些全部很敏感。当有烟雾、高温、火光产生时候，它就改变平时正常状态，引发电流、电压或机械部分发生改变或位移，再经过放大、传输等过程发出警报声，有还能同时发出灯光信号并显示发生火灾部位、地点。
火灾探测器关键分感烟、感温、光辐射三大类：
★感烟探测器。一个是离子感烟探测器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生正负离子，在电场作用下各向正负电极移动。在正常情况下，内外电离室电流、电压全部是稳定。一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了带电粒子正常运动，
电流、电压就有所改变，破坏了内外电离室之间平衡，于是就发出了信号。还有一个叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，日常光源发出光，经过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，假如有烟雾从中阻隔，抵达光敏元件上光就显著减弱，于是光敏元件就把光强改变变成电改变，经过放大电路向大家报警。还有一个叫管道抽吸式感烟探测器，她工作原理和光电感应探测器中另一个散射型相同，经过烟雾反射或散射产生光敏电流，关键用在船舶上。多年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不一样是光源改用激光束。这种探测器采取半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。
★感温探测器。一个是利用金属热胀冷缩特征。正常情况下，探测器电路断开，当温度升到一定值时，因为金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。一个是利用一些金属易熔特征，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它熔点（70～90℃）时，金属熔化，借助弹簧作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。这两种探测器全部属定温型，即当外界温度超出某一限值时就会报警；还有一类是差温型，升温速度超出特定值时，便会感应报警。如将二者结合起来，便成为差定温组合式。
★光辐射探测器。一个是红外光辐射探测器。物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁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，就能向大家报警。另一个是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中紫外光，使紫外光敏管电极激发出离子，经过继电器等，就能打开开关电路报警。
火灾报警器是关键安全设备，一切关键场所，如大型物资仓库、隧道、大型船舶、高层建筑全部应该安装。它还能够和自动灭火设备一起组成自动报警、自动灭火“自动消防队”。

3 系统硬件设计
3.1 关键芯片选择
★ 芯片AT89S52
在火灾报警器设计中，单片机是其关键部件。它首先要接收来自传感器送来温度、烟雾对应模拟信号和故障检测信号，其次要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行对应动作；和此同时查询是否有键按下请求。在单片机完成这些工作过程中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示软件实现比较复杂，要求单片机含有较快运算速度，使检测人员能够较正确地观察到烟雾浓度，并依据情况进行对应处理。而且也要考虑选择低价实用机型，并为研制同一系列低功耗产品做准备。依据多方面比单片机作为控制器。
AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes(In-system programmable)可反复擦写1000次Flash 只读程序存放器，器件采取ATMEL企业高密度、非易失性存放技术制造兼容标准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ISP Flash存放单元，功效强大计算机AT89S52可为很多嵌入式控制应用系统提供高性价比处理方案。
AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存放空间，支持最大64K外部存放扩展。依据不一样运行速度和功耗要求，时钟频率能够设置在0-33M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中止、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。能够在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不停发展半导体工艺也让该单片机功耗不停降低。依据此次设计具体情况，采取双列直插DIP-40封装。AT89S52引脚图图3.1-1所表示：

图3.1-1 DIP-40封装AT89S52引脚图

★ 集成温度传感器AD590

图3.1-2 AD590应用电路

图3.1-3 AD590应用电路

AD590是美国某企业生产一个电流型二端传感器，电路图所表示。因为AD590是电流型温度传感器，它输出同绝对温度成正比，及1A∕K，，而数模转换芯片ADC0809输入要求是电压量，所以在AD590负极接出一个10千欧电阻R1和一个100欧可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC080。经过调整可调电阻便可在输出端V取得和绝对温度成正比电压量，即10mV∕K,温度0℃时输出为0，温度25℃时输出为2.982V。这么便于A/D转换器采集数据。AD590应用电路图图3.1-3所表示。

★ 气体传感器TGS-202
火灾中气体烟雾关键是CO和CO，TGS202气体传感器能探测CO，CO，甲烷，煤气等多个气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体探测。如上图所表示，当TGS202探测到CO或CO时，传感器内阻变小，V快速上升。选择合适电阻阻值，使适当气体浓度达成一定程度（如CO浓度达成0.06﹪）时，V端取得合适电压（设为3V）。电路图图3.1-4所表示。

图3.1-4 TGS202检测电路

★ 数码管驱动芯片ICM7218
ICM7218 是INTERSIL企业生产一个性能价格比较高通用8 位L ED 数码管驱动电路, 28 脚双列封装,是一个多功效L ED 数码管驱动芯片,可和多个单片机接口使用。ICM7218 输出可直接驱动L ED显示器,不需外接驱动电路,工作电压为+5V,其组成显示电路结构简单,使用方便。一样由单片机向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以约定方法接收显示数据并将数据写入静态显示RAM中。数据接收结束，ICM7218在扫描控制电路控制下，按设定译码模式，以动态扫描显示方法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图3.1-5所表示。

图3.1-5 ICM7218引脚图及内部框图

3.2单片机外围接口电路
AT89S52单片机外围接口电路图3.2-1所表示，关键包含：
★ 晶振电路：内部时钟电路晶振频率通常选择在4MHZ~12MHZ之间（该设计选择6MHZ），外接两个谐振电容。该电容经典值为30pF,该设计选择33pF。
★ 复位电路：单片机复位采取按键高电平复位，而单片机在平时则复位端为低电平0。
★ 直流电源

图3.2-1 单片机外围接口电路
3.3 信号处理电路
图3.3-1 信号处理电路

对于传感器输出模拟信号，通常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要求。在本报警器电路中，一样要对两类传感器输出信号进行放大调理。电路图如上图3.3-1所表示，运算放大器接成电压放大电路。从传感器采集过来微弱电压信号，经过电压放大器放大，得到较强模拟电压信号。
采样时，把对应模拟电压信号从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。
3.4 A/D转换模块
经气敏传感器所检测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转换电路采取了常见8位8通道数模转换常见芯片ADC0809，烟雾、温度传感器输出端分别接到ADC0809IN0和IN1。 ADC0809通道选择地址由AT89S52P0.0～P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。当P2.7=0时，和写信号WR共同选通ADC0809。其中ALE信号和ST信号连在一起，在WR信号前沿写入地址信号，在其后沿开启转换。图中ADC0809转换结束状态信号EOC接到AT89S52INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中止。在中止服务程序中，将转换好数据送到指定存放单元。因为ADC0809片内无时钟，故利用8051提供地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后取得时钟。因为ALE信号频率是单片机时钟频率1/6，假如时钟频率为6MHZ，则ALE信号频率为1MHZ，经二分频后为500KHZ，和ADC0809经典值吻合。电路图图3.4-1所表示。

图3.4-1 A/D转换电路

3.5声音报警电路
由AT89S5221脚实现声音报警控制。当可燃性气体浓度或温度超出限定值时，将P2.0置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。其电路原理图图3.5-1所
示。

图3.5-1 声音报警电路图

3.6 数码管显示电路
数据采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，就被传送到系统显示模块，让大家更直接地观察到相关数据。在本系统中，对LED进行是动态扫描，除了给显示器提供段输入之外，还要对显示器进行位控制。显示器第一位显示所选择通道号，以后三位则显示该通道传送进来对应数字量。
本系统显示用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a、b、c、d、e、f、g，15、16、23、20脚为位选，分别控制4位数码管亮灭，ID0~7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。其电路图图3.6-1所表示。

图3.6-1 数码管显示电路图

3.7 状态指示灯及控制键电路

图3.7-1 状态指示灯电路

图3.7-2制按键连接示意图

状态指示灯及控制键电路图3.7-1所表示，单片机AT89S52P2.2、P2.3、 P2.4控制输出状态指示灯。绿灯亮表示正常状态，环境中没有火灾危险。黄灯亮表示传感器加热丝发生断线或接触不良。红灯亮表示环境中烟雾浓度、温度超出报警限值，提醒用户立即采取对应方法。
控制键电路采取独立式按键设计。4个按键分别接到片。P1.0、P1.1、 P1.2和RST，对于这种键各程序能够采取中止查询方法，功效就是：检测是否有键闭合，如有键闭合，则去除键抖动，判定键号并转入对应键处理。4个键定义以下：
P2.1：S1功效转换键，按此键则开始键盘控制。
P2.5：S2加，按此键则温度设定值加一度或烟雾浓度增加0.01％。
P2.6：S3减，按此键则温度设定降低一度或烟雾浓度降低0.01％。
RST： S4复位键，使系统复位。
3.8报警器故障自诊疗
判定传感器电源连接情况。在传感器地端串联一个电阻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电压，单片机能够经过P2.1口检测到：假如假如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0。

4 系统软件设计
4.1 主程序步骤图
主程序步骤图图4.1-1所表示：

Y
开始
初始化
传感器预热、故障检测
键盘处理
报警限设置
报警子程序
平均值法滤波
线性化处理
设置指示灯状态
Y
N
是否按下模式切换
A/D转换
N
是否超出报警限
浓度显示

图4.1-1 主程序步骤图

首先要给传感器预热三分钟，因为传感器需要预热一段时间才能正常采集烟雾和温度信息。预热同时，对传感器加热丝故障检测，采取软件方法检测传感器加热丝或电缆线是否断线或接触不良。程序初始化结束后，系统进入监控状态。AT89S52单片机对传感器检测到烟雾浓度和温度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将检测值和报警限设定值相比较，判定是否报警。同时送入显示器显示通道及对应数字量。主程序还包含状态指示灯及按键功效，中止子程序等，使报警器功效 愈加完善，给用户带来便利。
4.2 主程序初始化步骤图
主程序初始化步骤图图4.2-1所表示。这部分实现功效包含多种I/O输入输出状态设定、寄存器初始化、中止使能等。首先设定定时器工作方法，然后开系统中止，方便响应中止定时，立即对气体浓度和温度进行采样。然后关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。
开始
定时器初始化
开中止
关闭蜂鸣器，打开绿灯
设定初值
Y
N
是否保持报警初值
返回

图4.2-1 主程序初始化步骤图

4.3 滤波子程序
在对气体浓度采样时，可能会碰到尖脉冲干扰现象。干扰通常只影响部分采样点数据，此数据和其它采样点数据相差比较大。假如采取通常平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消除因为脉冲干扰而引发烟雾浓度采样值偏差。 为此，可采取去极值平均滤波法，先对N个采样数据进行比较，去掉其中最大值和最小值，然后计算余下N–2个数据算术平均值。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小随机 干扰。确保报警器检测烟雾浓度正确性，减小误报、错报可能。

开始
设定采样次数
调用A/D采样
求第二个到第九个采样值累加和
将累加和求平均值
送入寄存器
N
Y
已达成设定次数
将采样值排序

图4.3-1 滤波子程序步骤图

4.4 线性化子程序
本毕业设计报警器使用TGS-202型传感器电阻是伴随可燃气体浓度值升高而降低，所以输入单片机电压也是随之降低。电压值和气体浓度之间是非线性关系，为了实时显示烟雾浓度需要对其进行线性化处理。在误差许可范围内，依据标定曲线形状，和单片机处理能力，把曲线分成若干小段，对每小段分别线性化依据分段线性插值法求输入单片机某一电压值对应烟雾浓度，分段插值法线性化程序步骤图图4.4-1所表示：

图4.4-1分段插值法线性化程序步骤图

4.5 报警子程序
当烟雾浓度或温度值超出报警限设定值时，蜂鸣器发声，对应通道红灯闪亮，以提醒操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全，避免火灾和爆炸事故发生。为预防误报，在程序设计上，对烟雾浓度和温度进行快速反复检测和延时报警，以区分出时管道中烟雾泄露，还是因为临时打开阀门产生可燃烟雾微量散失，预防误报。报警子程序步骤图图4.5-1所表示。

图4.5-1 报警子程序步骤图
N
Y
N
Y
Y
开始
读取处理后气体浓度值或温度值
延迟20秒后采集一组数据
Y
N
是否烟雾浓度≥0.06％或温度≥100℃

传感器故障自诊疗
传感器有问题
返回
开启故障报警
复位键是否按下
烟雾浓度≥0.06％或温度≥100℃
温度≥100℃
N
开启火灾报警

4.6键盘处理子程序
按键处理子程序步骤图图4.6-1所表示。

开始
扫描键值
是否有键按下
延时10ms消抖
是否有键按下
提取键值
调用键盘
处理子程序
结束
N
N
Y
Y
Y

图4.6-1 键盘处理子程序步骤图

5 结束语
火灾报警器可保障生产和生活安全，避免火灾和爆炸事故和煤气中毒发生，它是防火、防爆和安全生产所必备仪器，含有宽广市场空间和发展前景。
本毕业设计是在对烟雾、温度传感器和报警技术进行深入研究基础上，全方面比较中国外同类产品技术特点，合理地确定系统设计方案，并对仪器整体设计和各个组成部分进行了具体分析和设计。
此次毕业设计经过努力，整个系统实现了预期目标。本系统经过设计一个以AT89S52单片机为关键火灾报警器能够实现声光报警、故障自诊疗、浓度显示、报警限设置、延时报警等功效。是一个结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化火灾报警器，含有一定实用价值。本报警器电路结构简单、可维护性好。因为实现了对一般环境中烟雾浓度和温度实时监控，所以含有很普遍意义，能广泛应用于居民家庭、企机关等多方面安全防范。
不过也存在不少不足。因为电源波动，传感器电气特征等问题，使得A/D转换结果有时波动很大，这么就可能出现误报警。因为时间关系，系统中本应含有串行通信功效没有实现，而只是实现了烟雾浓度、温度显示及按键控制。因为上述缺点存在,此系统不是很完善，还有待深入改善。
经过这次设计，愈加深入了解和掌握了这方面知识，对本专业认识也愈加深入，使自己对本专业愈加热爱，对本科阶段四年学习做了深入总结，愈加明确了自己学习目标和方向。在设计过程中，自己也学到了很多新知识，有很多感悟和体验心得。而且，对工程设计步骤和步骤有了清楚认识，为自己以后学习和研究打下了坚实基础。
本毕业设计是在我指导老师XX老师亲切关心和细心指导下完成。从课题选择到最终完成，XX老师一直全部给了细心指导和不懈支持，而且在耐心指导论文之余，XX老师仍不忘拓展我们文化视野。值得一提是，XX老师宅心仁厚，闲静少言，不慕荣利，对学生认真负责，在她身上，我们能够感受到一个学者严谨和务实，这些全部让我们获益菲浅，而且将终生受用无穷。毕竟“经师易得，人师难求”，期望借此机会向XX老师表示最衷心感谢！
另外，本毕业设计最终得以顺利完成，也是和学院其它老师帮助分不开，即使她们没有直接参与我毕业设计指导，但在开题时也给我提供了不少意见，提出了一系列可行性提议，她们是老师，老师，老师等，在此向她们表示深深感谢！
最终要感谢是我父母，她们不仅养育了我，还悉心培养我，在未来日子里，我会愈加努力学习和工作，不辜负父母对我殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答她们！

附录：数码管显示电路图

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