基于单片机的室内防火报警系统的设计.docx
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基于单片机的室内防火报警系统的设计
本科毕业论文(设计)
题目:
基于单片机的室内防火报警系统的设计
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本科毕业论文(设计)独创承诺书
本人按照毕业论文(设计)进度计划积极开展实验(调查)研究活动,实事求是地做好实验(调查)记录,所呈交的毕业论文(设计)是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知,除文中特别加以标注引用参考文献资料外,论文(设计)中所有数据均为自己研究成果,不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
与我一同工作的同志对本研究所做的工作已在论文中作了明确说明并表示谢意。
毕业论文(设计)作者签名:
日期:
基于单片机的室内防火报警系统的设计
摘要
随着社会和经济的发展,防火及火灾工作越来越重要,但是现阶段国内的许多研发都侧重于大型场所的火灾报警。
因此,我们就非常有必要研制一种结构简单、经济实用的普通室内火灾报警器以适应人们生活安全的需求。
基于供普通室内使用的火灾报警器应该具备的基本要求和功能,文章设计了一种比较适合普通室内的火灾报警器。
本设计以传感器和单片机作为火灾报警器设计的核心器件,配合其它器件即可实现声光报警、消防灭火等功能。
设计中单片机选用STC89C52作为控制器件,传感器选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现对烟雾的检测。
烟雾报警器主要由烟雾信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、显示电路、声光报警电路和安全保护电路组成,设计简单、合理易懂、价格便宜,使单片机在火灾报警系统的控制中得到充分应用,具有相当可观的实用价值。
论文主要针对火灾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明,并对其主控电路和外围设备电路之间的接口连接方式,以及系统软件设计进行了重点的分析和讲解。
关键字:
烟雾报警器;单片机;传感器
TheInteriorDesignOfMicrocontrollerBasedFireAlarmSystem
Abstract
Withthesocialandeconomicdevelopment,firepreventionandfireworkmoreandmoreimportant,atthisstage,butmanyhavefocusedonthedevelopmentofdomesticfirealarmlargeestablishments.Therefore,itisnecessarythatwedevelopasimple,economicalandpracticalcommonindoorfirealarmtoaccommodatetheneedsofpeoplelivingsafe.Forgeneralindoorusebasedfirealarmshouldhavethebasicrequirementsandfunctions,thearticledesignsamoresuitablecommonroomfirealarm.
Thedesignofthesensorandmicrocontrollerasthecoredesignoffirealarmdevices,otherdevicescanberealizedwithsoundandlightalarm,firefightingandotherfunctions.STC89C52microcontrollerdesignchosenasthecontroldevice,thesensorselectionMQ-2-typesemiconductorcombustiblegassensorstoachievethedetectionofsmokesensorsmoke.Smokealarmmainlybysmokesignalacquisitionandpreamplifiercircuit,analog-digitalconversioncircuits,MCUcontrolcircuit,displaycircuit,soundandlightalarmcircuitandsafetyprotectioncircuit,designedtobesimple,understandableandreasonable,cheaperprice,sothemicrocontrollerinthefirecontrolalarmsystemtobefullyapplied,hasconsiderablepracticalvalue.Themainpartofthepaperforthevariouscomponentsandfunctionsofthefirealarmsystem,adetaileddescriptionandexplanation,andthefocusoftheanalysisandexplanationofitsinterfacetothemaincontrolcircuitconnectionsbetweencircuitsandperipheraldevices,andsystemsoftwaredesign.
Keyword:
Smokealarm;SCM;Sensor
1绪论
1.1课题背景和相关概述
随着科技的发展和人类生活节奏的加快,越来越多的巨大隐患由于工业的生产和人类的日常生活而产生。
为了早早发现和预警火灾,防止和减少火灾造成的危害,保护人类的人身和财产安全。
防止火灾引起燃烧、爆炸等事故,造成严重的经济损失,甚至危及生命安全。
因此,研究烟雾和温度的检测方法与研制火灾报警器就成为传感器技术[1]发展领域的一个重要课题。
单片机和烟雾传感器是火灾报警器系统的两大核心,单片机就好像是一个桥梁,联系着传感器和报警电路设备。
近几年来的发展,单片机已慢慢走进工农业生产及人们生活的各个方面。
单片机是器件级计算机系统,实际上它就是一个微控制器或微处理器。
但是由于它功能齐全,体积小,成本低廉,因此可以应用到各种电子系统中。
所以,根据火灾报警器功能和要求,选用合适、精准、经济的烟雾传感器和单片机芯片是至关重要的。
在本论文中的最主要的设计是选STC89C52单片机和MQ-2半导体气体烟雾传感器为核心器件。
1.2火灾报警器的国内外现状和发展趋势
国外于20世纪30年代就开始研究及研发烟雾传感器,一方面是因为人类安全意识逐渐增强,对环境安全性和生活舒适性的要求逐步提高;另一方面是由于传感器的市场增长受到各国政府安全法规的推动。
据相关统计数据,美国1996年~2002年烟雾传感器平均年增长率为27%~30%。
随着传感器生产技术水平的逐步提高[2],使传感器日益小型化、集成度不断增大,使得火灾烟雾检测仪器的体积也逐渐变小,提高了火灾烟雾检测仪器的便携性,更加方便于生产、运输及市场的推广。
世界上第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器于1963年5月,日本研发完成,次年12月其改良产品问世。
我国烟雾报警器在70年代初期也开始研制,生产型号多种多样、品种比较齐全,应用范围也由单一的炼油系统扩展到各类危险作业环境的各种类型报警器,产品数量也在逐年不断增加。
但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺的基础上,进行研究与开发形成自己的特色。
近年来,在烟雾选择性和产品稳定性上都取得了很大进步。
我们正面临人类社会经济与技术急速发展的时代,伴随着电子、计算机、通讯和现代控制等技术的迅速发展,现代火灾自动报警应用技术发展方向正在向着全总线制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、蓝牙技术无线化、高灵敏化、综合化等全方面的发展。
便于更好的预防和遏制建筑火灾提供了强有力的保障,从而更好的保护国家和人民的生命和财产的安全。
1.3系统设计任务分析
本篇论文是基于烟雾报警器的研制:
(1)对本系统进行整体的规划和结构设计概念。
(2)以STC89C52单片机为中央处理器大脑,对硬件电路部分进行设计和改进,以使各部分功能更加完善。
本系统硬件电路部分主要分为:
数码管显示电路、声音报警电路、数据收集、状态指示灯电路。
(3)系统的软件编制部分。
按照软件需要实现的功能,主要分为:
系统主程序、初始化子程序、浓度显示子程序、报警子程序、报警限值设置子程序。
在程序的编写过程中,备注了详细的文字注释,以便于后期的修改与维护。
(4)对硬件电路和软件的综合调试。
2总体方案设计和分析
火灾报警器是能够检测环境中的烟雾浓度和室内温度,并具有报警功能的预警仪器。
该报警系统的主要组成部分应包括:
信号采集模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成。
为了适应普通室内场所对可燃性易爆烟雾安全性的要求,设计的火灾报警器应该具有显示报警状态。
报警器的工作方式采用延时的方式,火灾报警器以STC89C52单片机为控制核心组成部分,选用MQ-2半导体气体烟雾传感器对烟雾浓度信息进行采集,配合外围电路部分构成火灾报警系统。
本设计由硬件和软件设计两部分组成。
从设计的要求来分析该设计须包含如下图结构:
STC89C52单片机主控部分、报警部分、烟雾检测部分、AD采集四大部分[3],电路总框架图如图2.1所示。
图2.1总体设计框架图
整个系统工作是在系统软件的控制下,会使在监测点上的烟雾检测探头将检测到的烟雾浓度信息变换成电信号,送出模拟信号,给AD采集电路采集处理。
在单片机内,经软件查询、识别判决等环节实时发出烟雾报警状态的控制信号,用于驱动蜂鸣器及报警指示灯报警。
2.1烟雾浓度检测传感器选择
烟雾传感器是测量装置和控制系统重要的首要环节,而火灾报警器的信号采集是由烟雾传感器负责的。
烟雾传感器能够将采集到的气体的种类及其浓度的有关信息转换为电信号,再根据这些电信号的强弱就会获得与待测气体在特殊环境中存在的情况有关的信息,就可以达到检测、监控、报警的功能。
可以说,一个精确可靠的传感器,是为了能完成精确可靠的自动检测、控制和报警系统的根本。
烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心组成器件,它决定了采集到的烟雾浓度信号信息的准确性和可靠性[4]。
烟雾传感器内部结构如图2.2所示。
图2.2烟雾传感器及其结构图
2.1.1烟雾传感器的介绍
(1)烟雾传感器的分类
①半导体烟雾传感器
半导体烟雾传感器是用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器,以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。
半导体烟雾传感器是利用火灾环境下的气体在半导体表面发生的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化规律而制成的。
按照敏感度的机理进行分类,半导体烟雾传感器可分为电阻式和非电阻式传感器。
当半导体接触到火灾环境中的气体时,半导体的电阻值将会逐渐发生变化,利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的相关参数,这种类型的传感器被称作为电阻式半导体气敏传感器;当MOS场效应管在接触到火灾现场的气体时,场效应管的电压就会随周围气体状态的不同而发生变化,由这种原理制成的传感器被称作为非电阻式半导体气敏传感器。
②离子式烟雾传感器
这种烟雾报警器的内部采用离子式烟雾传感,离子式烟雾传感器是一种工作性能稳定可靠,技术先进的传感器,被人类广泛运用到各类消防报警预警系统中,性能比于气敏电阻类的火灾报警器效果要好。
③光电式烟雾传感器
该种光电烟雾报警器内有一个光学迷宫,安装的有红外对管,当无烟雾时红外接收管接收不到红外发射管发出的红外光线,当有烟雾尘埃进入光学迷宫时,会在光学迷宫内通过折射、反射,让红外接收管接收到红外发射管发出的红外光,智能报警电路判断是否超过警戒阈值,如果超过则发出警报信号。
④气敏式烟雾传感器
因为气敏传感器是一种检测特定气体的传感器,所以它主要包括电化学气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器等,其中用的最多的是半导体气敏传感器。
根据火灾报警器检测烟雾种类的要求的不同,在社会大多数场合都会选择使用半导体烟雾传感器。
经过比较众多烟雾传感器的适应性特点,相互比较发现半导体烟雾传感器的优点更加适合本系统的要求。
半导体烟雾传感器具有体积小、结构简单、灵敏度高、响应快、使用方便、价格便宜等很多的优点,而且不会发生探头被阻缓的现象,维护成本比较低,因而在生产实践中得到广泛的应用。
因此,在本设计中的烟雾传感器就选用MQ-2半导体气体烟雾传感器[5]。
2.1.2MQ-2半导体气体烟雾传感器
MQ-2半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡(SnO2)为主体的N型半导体气敏元件。
二氧化锡(SnO2)半导体气敏元件[6]方便使用还具有以下特点:
(a)SnO2材料的物理和化学反应稳定性较高,工作温度低(工作温度300℃以下)。
(b)SnO2气敏元件的电阻率变化范围大,适应性强,输出信号强度大。
(c)SnO2气敏元件对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高,长寿命、低成本。
简单的驱动电路即可达到其工作所需要求。
MQ-2气敏元件的结构如图2所示,完整封装好的气敏元件如图有6只针状管脚,其中4个用于信号取出,2个用于提供加热电流。
因为该烟雾传感器适用于天然气、乙炔、烟雾、烷类气体、煤气、煤油、氢气、汽油等气体的检测使用。
由于这种烟雾传感器能够检测出多种可燃性气体的烟雾浓度,所以十分的适合应用在普通家庭的气体泄漏报警器中。
设计的时候应该注意,气敏元件开机通电的时候,其内阻值较小,但经过通电一段时间后,才能恢复到原本状态。
因此,MQ-2气体传感器开机需要预热几分钟,才可以投入使用,才能防止误报情况发生,其技术指标如表2-1。
加热电压(Vh)
AC或DC5±0.2V
回路电压(Vc)
负载电阴(Rl)
清洁空气中电阻(Ra)
灵敏度(S=Ra/Rdg)
响应时间(Trec)
恢复时间(Trec)
元件功耗
检测范围
使用寿命
最大DC24V
2KΩ
≤2000KΩ
≥4(在1000ppmC4H10中)
≤10S
≤30S
≤0.7W
50—10000ppm
2年
2.2单片机的选择和简单介绍
现阶段单片机技术在社会的各个领域都得到了广泛的应用,在单片机各类生产厂家中,MCS系列单片机凭借其优越的性能、成熟的技术、高可靠性和高性能价格比的优点,迅速占领了国内外市场的需求,成为国内外单片机应用领域中的主流产品。
在众多单片机中,51系列单片机的突出优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大的优点使其在实用中更广泛。
所以,本系统中使用51系列单片机是最理想的选择,因此采用STC89C52单片机做本系统的微处理器。
2.2.1STC89C52单片机功能简介
STC89C52是STC公司研发的一种高性能、低功耗CMOS8位微控制器,具有8K可编程Flash存储器在系统中。
使用高密度非易失性存储器技术制造,使得芯片具有比传统51单片机很多不具备的功能。
单片机片上Flash允许程序存储器在线的可编程性,比较适用于在常规编程器上。
在相对于51单片机芯片上,拥有相对灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,这些优点使STC89C52单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[7]。
STC89C52单片机具有以下一些标准功能:
8k字节Flash编辑,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,3个16位定时器/计数器,4个外部中断处理,全双工工作方式的串行口。
空闲的模式情况下,CPU会停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被瞬间保存,振荡器也会被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
最高的工作运作频率35MHz,6T/12T可选[8]。
2.2.2单片机的各引脚功能描述
下面对STC89C52各引脚的功能进行较为详细的介绍[9]:
1~8脚:
通用I/O接口p1.0~p1.7
9脚:
RST复位键
10,11脚:
RXD串口输入,TXD串口输出
12~19:
I/Op3接口(12,13脚INT0中断0,INT1中断1)
14,15:
计数脉冲T0,T1
16,17:
WR写控制,RD读控制输出端
18,19:
晶振谐振器
20:
接地线
21~28:
p2接口,高8位的地址总线
29:
PSEN片外ROM选通端(单片机对片外ROM操作时,29脚RSEN输出低电平)
30:
ALE/PROG地址锁存器
31:
EAROM控制器,电平片内取,电平片外取
32~39:
p0.7~p0.0(注意此接口的顺序与其他I/O接口不同,与引脚号的排列顺序相反)
40:
接电源+5V
下面是I/O(输入/输出端口,P0,P1,P2,P3)的详细介绍:
P0口:
P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。
P1口:
8位准双向I/O端口。
P2口:
即可以做地址总线输出地址高8位,也可以做普通I/O用,(此时为准双向口)。
P3口:
双功能口,即可以做普通I/O口用(此时为准向口,也可以按每位定义实现第二功能操作),如表2-2。
表2-2P3口的第二功能表
引脚
第二功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
INT0(外部中断0)
P3.3
INT1(外部中断1)
P3.4
T0(定时器0外部中断)
P3.5
T1(定时器1外部中断)
P3.6
WR(外部存储器写选通)
P3.7
RD(外部存储器读写通)
3火灾报警系统的硬件电路部分
3.1STC89C52单片机最小系统
能使单片机正常工作最基本的电路图结构为单片机的最小系统结构[10],如图3.1所示。
图3.1信号处理模块
单片机最小系统是由单片机、复位电路、时钟电路构成各个小部分组成。
STC89C52单片机的工作电压范围:
4V-5.5V,所以一般会给单片机外界加5V直流电源。
单片机中的40脚VCC接在正极5V,而20脚VSS接在电源地端。
3.2单片机时钟和复位电路介绍
本火灾报警系统使用STC系统列的52单片机,相对于其他系列单片机具有很多优点,而且具有很快的执行速度。
STC系列单片机对程序的烧写采用的是串口对单片机的烧写,下载程序入单片机比较方便;STC89C52单片机内部集成的有看门狗电路,所以具有很强的抗干扰能力,能出色的保护程序的完整。
本火灾报警系统采用的是内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路,如下图3.2(a),(b)所示。
(a)时钟电路(b)复位电路
图3.2
因为单片机的P0口的内部不含有上拉电阻,且为高电阻阻状态,所以工作的时候不能正常地输出高/低电平,因而必须让I/O口在使用的同时外加一个上拉电阻,保证正常使用。
3.3烟雾浓度检测AD采集电路模块
烟雾检测采用MQ-2传感器。
经过ADC0832采集后就可以得到各种烟雾浓度下的电压值。
AD采样电路,是把电路中的电流用采样元件转换为电压信号,然后用ADC量化转换为相应的数字信号。
通常,使用一个电阻,串接到电路中,流过的电流会在电阻上形成相应的电压。
这个电压就方便用来测量了。
从而设定出理想的烟雾强度报警值,电路如图3.3所示。
图3.3烟雾浓度采集电路
3.4火灾报警数码显示模块
显示本系统的数据我选择采用数码管显示,显示电路图如图3.4所示。
图3.4数码管显示部分
3.5声音报警电路模块
电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P3.6端口连接从而决定控制的蜂鸣器是否报警。
三极管主要是做驱动用的。
因为单片机的I/O口驱动能力不够让蜂鸣器发出声音,所以我们通过三极管放大驱动电流,从而可以让蜂鸣器发出声音,你要是输出高电平,三极管导通,集电极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音,当输出低电平时,三极管截止,没有电流流过蜂鸣器,所以就不会发出声音[11],电路如3.5所示。
图3.5声音报警电路图
3.6按键控制电路模块
本火灾报警器电路一共设计了四个按键,一个设置键、一个加键、一个减键、一个紧急报警键,当遇到紧急突发情况时,可人为的按下紧急报警键,蜂鸣器进行报警。
可以有大量宝贵时间进行人们的遣散和财产的保护,如图3.6所示。
图3.6消音按键连接电路图
3.7火灾报警器供电模块
在考虑为本系统采用供电方式的时候,我从多方面考虑,方便、价格、安全等。
如下几种方案为系统供电。
方案1:
采用5V蓄电池做为本系统的供电电源。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。
但是蓄电池的体积过于庞大,在报警器上使用极为不方便。
因此我们放弃了此方案。
方案2:
采用4节1.5V干电池共4.5V做电源,通过实验的验证,单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求,而且电池更换更为方便。
综上所述采用方案2。
电源接口电路如图3.7,其中P1为电池接入口,SWA为电源开关,D1为电源指示灯。
图3.7电源接口电路
3.8温度传感器(DS18B20)电路模块
3.8.1DSl8B20的特性介绍
DSl8B20单线数字温度传感器是新一代温度传感器,它具有微型化、低功耗,与其他温度传感器相比,具有以下特性:
供电电源为3.0~5.5V;独特的单线接口方式,支持多点组网功能;温范围为-55~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃;可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃,0.25℃,0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温;转换速度快;具有极强的抗干扰纠错能力;电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
DSl8B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图[12],如3.8所示。
图3.8DSl8B20温度传感器的内部结构图
主要由4部分组成:
64 位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码,每个DS18B20的64位序列号均不相同。
64位ROM的排的循环冗余校验码(CRC=X^8+X^5+X^4+1)[13],DS18B20的管脚排列如图3.9所示。
图3.9DS18B20的管脚
DS18B20的引脚定义如下:
GND:
接地
DQ:
数据I/O口
VDD:
接电源
NC:
空脚
DSl8B20温度传感器的内部存储器包括两个部分:
一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除EEPRAM。
读入的数据先要写入RAM,再经过校验后再传给EEPRAM。
DSl8B20工作时会按照此寄存器中存储的分辨率将温度转换为相对应的精度数值,低5位一直都是1,TM是测试模式位,用于设置DSl8B20在工作模式还是在测试模式,如表3-1所示。
在DSl8B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动,R1和
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- 基于 单片机 室内 防火 报警 系统 设计