基于单片机的家用安保系统Ver9Word文档格式.docx
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第三阶段为智能型安保系统,由于采用了先进的计算机控制技术,传感器输出信号的调理具有智能性,其智能化程度大大提高。
探测电路的输出形采用模拟量,并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整,可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。
对探测电路的使用环境参数变化较大的所,灵敏度设定相对低一些,对环境较稳定或一些重要的场所,灵敏度设定相高一些,这一功能可提高系统的稳定性及可靠性,减少误报。
家用安保系统在国外的发展情况
国外一些较发达的国家,具有火灾及煤气泄漏预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的消防体系。
政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及消防设施维护。
德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连,对火灾及煤气泄漏自动报警设备实时监控以及故障远程传输。
例如:
美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾及煤气泄漏自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。
他们将自动火灾及煤气泄漏报警作为公共报警手段接入监控系统,并有效运行多年,使消防指挥中心能够快速准确判断危害地点、类型,并调度消防部队迅速到达现场,自动报警监控系统在此起到了很大的作用。
此外,这些国家在监控系统管理方面比较规范,专门成立一个监控服务机构,该机构的责任是保证火灾及煤气泄漏报警数据通信畅通,为用户服务,对用户负责,同时向消防部队传送可靠的报警信息,而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。
这种管理运作方式已经取得了良好的效果。
家用安保系统在国内的发展情况
我国火灾及煤气泄漏报警系统起步较发达国家晚几十年,从上世纪70年代我国才开始研制生产火灾及煤气泄漏报警系统产品。
进入80年代后,国内主要厂家也多是模仿国外产品,或是引进国外技术进行生产,没有真正意义上的核心技术,并且市场也刚刚开始发育。
火灾及煤气泄漏报警产品真正发展是在90年代以后,随着政府逐渐开放国门,国外企业开始大量进入中国消防市场,带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。
这时期,我国生产火灾及煤气泄漏报警产品的企业也得到了快速发展,部分企业进行了合资生产、技术合作,取得了不菲的成绩,也造就了现今市场上许多有实力的商家,部分技术已接近或赶上了国际水平。
1.3课题研究内容及意义
课题研究内容
本文设计的家用安保系统是以AT89C51单片机作为控制中心,接受、处理火灾和煤气泄露探测电路输出的报警信号并进行声音报警,同时执行相应的辅助控制等任务。
本论文一共分为四部分介绍。
第一部分是绪论;
第二部分是系统简介;
第三部分是家用安保系统硬件设计,分别介绍传感器电路、A/D转换电路、单片机机控制电路、声音报警控制电路、排气控制电路,温度显示电路以及小区联动等;
第四部分是家用安保系统软件设计,介绍各部分软件流程及整体软件设计;
第五部分是结论与展望。
课题研究意义
家用安保系统是将探测与报警并加以控制处理的系统。
为了及时发现火灾及煤气泄漏隐患并报警,家庭住宅已采用家用安保报警系统。
随着我国经济建设的发展,住宅对火灾报警和煤气泄漏报警系统提出了更高的要求。
家用安保系统己成为家庭住宅中必不可少的保安装置。
因此,设计简单实用的家用安保系统有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义。
第二章系统方案论证
本次设计的内容是基于单片机的家用安保系统,就是利用传感器对所需要的模拟信号(温度、气体信号)进行采集,并用A/D转换器将其转变成对应的数字信号,再由单片机对其进行处理,并向控制电路发出相应的控制信号(显示与报警等),同时可用数字键盘设置温度报警和煤气泄露报警等级等。
系统方案论证如下:
概述
使用家用安保系统的目的就是及早报告火灾及煤气泄漏的发生,从而迅速有效的控制火灾及煤气泄漏,把损失降到最低。
而通常设计的安保系统存在以下问题:
1.安保系统的维护保养和持续性的技术支持是目前最严重的问题,比例分别为31%和27%。
而造成上述问题的罪魁祸首就是由于缺乏规范、统一的通讯标准。
2.安保系统误报、漏报现象也是目前主要存在的问题,环境中各种因素,如:
静电、灰尘颗粒、气流、杀虫剂、磁场、气温剧烈变化、水蒸气等都会与火灾及煤气泄漏发生时的状况接近,从而使安保设备发生误判而报警。
针对以上这些问题,能够对灾情做出快速、精确探测和有效控制是目前急需解决的问题,所以本课题的目标是:
设计一套简单实用、抗干扰能力强、性价比高的家用安保系统。
系统方案分析
根据设计要求,设计的家用安保系统包括探测电路、A/D转换电路、单片机控制电路、显示电路、声音报警电路、键盘电路、排气电路等,下面将对各部分电路进行简单分析。
一、探测电路
探测电路用于对住宅空间内各区域的火灾信号及煤气泄漏信号进行探测,传感器就是能感知环境中此类信号参数的器件,也是构成探测电路的核心器件。
探测火灾信号的传感器目前主要有气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类。
由于建筑结构和功能的多元化,为了准确、及时地探测火灾,并进行报警,对火灾探测元件提出了更高的要求。
选择火灾探元件器时必须充分考虑火灾探测元件的性能、建筑空间形状、火灾特点和可能发生的危险。
对于普通可燃烧物质的表现形式,首先是产生燃烧气体,然后是烟雾,在氧气供应充分的条件下,才能达到全部燃烧,产生火焰,并散发出大量的热,使环境温度升高(起火过程曲线如图2-1所示)。
图2-1起火过程曲线
如图2-1所示,起火过程中,总是前两个阶段所占有的时间比较长,这是燃烧的开始阶段。
如果要把火灾损失控制在最小限度,保证人身不受伤亡,那么火灾的探测元件就应该从此阶段开始进行探测为宜。
因此,结合设计的实际需要,选择感温传感器。
本系统中,对各类感温传感器进行比较后,根据设计本系统的实际情况出发,在设计系统时选择了由NS公司生产的集成电路温度传感器LM35。
目前,用于检测气体成分的方法很多,常见的检测气体的方法有电化法、光学法、电气法。
气敏传感器主要是利用物理效应、化学反应等机理制作而成。
主要分类有半导体式、固体电解质式、电化学式和接触燃烧式。
半导体电阻式气敏传感器是目前广泛应用的气敏传感器之一。
它是利用金属氧化物半导体与气体接触时,材料的电导率发生变化的原理来制作的。
固体电解质气敏传感器则是利用被测气体在敏感电极上发生化学反应,所生成的离子通过固体电解质传递到参比电极,使电极间产生的电位随气体分压而变化的原理来对气体进行检测的。
电化学式气敏传感器是利用电极和电解质组成的电池中,气体与电极进行氧化还原反应,从而使两极间输出的电流或电压随气体浓度而变化的原理制作的。
燃烧式气敏传感器是基于强催化剂使气体在其表面燃烧时产生热量,而使贵金属电极电导随气体浓度发生变化来对气体进行检测的。
比较上述四类气敏传感器,半导体传感器以其易于实现集成化、微型化灵敏度高等诸多优点,一直引起世界各国科学家的重视和兴趣。
由于电子技术的飞速发展,以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世。
这类传感器主要是以半导体为敏感材料,在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化,通过检测这些物理特性的变化,即可反应被测参数值。
它与各种结构型传感器相比,具有如下特点:
·
由于传感器是基于物理变化的,因而没有相对运动部件,可以做到结构简单、微型化;
灵敏度高,动态性能好,输出为电量;
采用半导体为敏感材料易于实现传感器集成化、智能化;
功耗低,安全可靠。
本系统结合实际应用需要选择国产的QM-N5型气敏传感器来探测气体的浓度。
二、A/D转换电路
采集的温度信号是模拟信号,需转换成数字信号才能输入单片机以识别。
A/D转换器是通过一定的电路,将模拟量转换成数字量的装置,它是数据采集通道中的一个重要环节,是信号转换的一种主要方式。
A/D转换器种类很多,目前应用广泛的主要有3种,逐次逼进式、双积分式和V/F变换式。
其转换原理各不相同,本系统选择逐次逼近式A/D转换器,其是使用最多的一种A/D转换方法。
逐次逼近式A/D转换器主要包含D/A转换器、比较器、输出锁存器、移位寄存器和控制逻辑等部分。
其主要原理是,将输入的待转换的模拟信号Uin与一个推测信号Ui相比较,根据推测信号大于还是小于输入信号来决定需要增大还是减小该推测信号,以便逐步向输入模拟信号逼近。
推测信号由D/A转换器的输出获得,当推测信号与模拟信号相等时,向D/A转换器输入的数字量就是对应的模拟信号的数字量。
目前,中外厂家已生产出位数(如8位、10位、12位、14位、16位,直到24位不同的各种型号的A/D转换器,本系统中选用了由美国模拟器件公司生产的低功耗8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809作为模数转换器件。
三、控制芯片的确定:
在智能系统中,控制芯片起到核心的作用,它就像人的大脑一样,控制身体的各个器官的工作。
在智能系统中,模数转换、数据显示、键盘设定和报警等都要受到它的控制,目前,市场上的单片机种类很多,有8位、16位、32位的;
有PHILEPS公司生产的,有ATMEL公司生产的,也有INTEL公司生产的等等。
不同的产品具有不同的优缺点,从价格、性能、实际情况等诸多方面考虑,本次设计选择了由ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为控制系统的核心。
四、显示电路
显示电路的功能是将采集到的温度数据以数据的形式直观低显示出来,同时在键盘设定状态下,显示当前设定的数值。
本次设计采用8段LED显示器构成显示电路。
五、键盘电路
键盘是智能系统的输入设备,它是向人们提供通道来控制智能系统的工作。
在本系统中用于设置温度上限报警和室内煤气浓度报警等级。
实际应用中,有单按键组成的键盘和矩阵按键组成的键盘,它们各有优缺点,单按键电路简单,但不便于人们使用,而矩阵按键比较直观易懂,特别适合民用。
因此,本系统设计的键盘采用3×
4矩阵键盘。
六、声音报警电路
声音报警电路的功能是当室内发生灾情时,系统就会启动扬声器发出声音来提醒人们采取相应措施来解决灾情。
七、排气电路
拍气电路通过启动排气扇来排出当室内发生灾情时室内泄露的煤气,以及降低火灾释放出的温度和烟雾浓度。
系统方案确定
方案选择的好坏,影响系统的性能、成本、可靠性等多方面因素。
根据上述方案的分析,添加小区联动,以AT89C51为控制核心实现所要求功能的小型智能家用安保系统的硬件总体设计框图如图2-2所示:
图2-2系统硬件总体设计框图
第三章家用安保系统硬件设计
家用安保系统的硬件由探测电路模块、A/D转换电路模块、单片机控制模块和系统监视模块组成。
探测模块用于对住宅空间内各区域的火灾信号及煤气泄漏信号进行探测,A/D转换电路模块将探测的电压信号进行模数转换,得到数字信号输入单片机。
单片机控制模块完成火灾及煤气泄漏信号查询、处理。
监视模块完成对危险的报警、现场处理、通讯等功能。
下面对这些电路的设计分别进行介绍。
探测电路模块设计
在一个基本的报警系统中,作为探测报警信号的探测电路必不可少的部分,其性能的可靠性直接关系到整个系统的技术指标、可靠性及能否安全工作,对系统设计的成败起关键作用。
因此,设计一个高效、可靠、稳定的探测电路是一项重要的设计工作。
本系统的探测电路包括两部分,一是对火灾探测电路,这部分主要是通过探测温度信号来完成对火灾信号的探测;
二是对煤气泄漏探侧电路,则是通过探测气体信号来实现其探测。
火灾探测电路设计
系统采用的由NS公司生产的集成电路温度传感器LM35,它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围,该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。
因而,从使用角度来说,LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处,LM35无需外部校准或微调,可以提供±
1/4°
C的常用的室温精度。
主要工作参数如下:
工作电压:
直流4~30V;
工作电流:
小于133µ
A;
输出电压:
+6V~-1V;
输出阻抗:
1mA负载时;
精度:
°
C精度(在+25°
C时);
漏泄电流:
小于60µ
比例因数:
线性°
C;
非线性值:
±
C;
校准方式:
直接用摄氏温度校准;
封装:
密封TO-46晶体管封装或塑料TO-92晶体管封装;
使用温度范围:
-55~+150°
C额定范围。
火灾探测电路采用核心部件是LM35AH,供电电压为直流15V时,工作电流为120mA,功耗极低,在全温度范围工作时,电流变化很小。
LM35的输出电压与摄氏温度的线性关系可用公式(3-1)表示,0°
C时输出为0V,每升高1°
C,输出电压增加10mV。
其电源供应模式有单电源与正负双电源两种,其接法如图3-1(a)与图3-1(b)所示。
正负双电源的供电模式可提供负温度的测量,单电源模式在25°
C下电流约为50mA,非常省电。
本系统采用的是单电源模式,设计的火灾探测电路如图3-2所示。
Vout(T)=10mV/°
C×
T°
C(3-1)
图3-1(a)单电源模式图3-1(b)双电源模式
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