智能火灾报警器设计Word文件下载.docx

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火灾是发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有发生。

据各种相关的资料和数据显示，全球每年大约发生火灾六千万至七千万次，每年全球死于火灾的人数约为七千人。

其中，由于欧美类的发达国家的生活水平及消防措施和技术比较发达先进，虽然欧美地区发生的火灾较多，但是死亡人数却比较少；

相比而言，由于亚洲地区的发展中国家经济发展程度不高和消防设施不完善，虽然火灾发生频率较低，但人员伤亡较多。

据统计，七十年代，我国因火灾导致的年平均损失不超过2.5亿元；

八十年代，火灾年平均损失将近3.2亿元。

进入九十年代，尤其从1993年开始，火灾造成的年均死亡人数是两千多，由此导致的直接年均财产损失升至十几亿元，。

随着城市建设和经济的快速发展，城市各式各样的建筑日益增多，这很大程度地增加了火灾隐患，火灾发生的频率及其造成的损失呈逐年上升趋势。

一旦出现火灾，这会严重威胁到人们的生命和财产[1]。

随着社会的进步和经济的发展，火灾给人们造成的危害范围不断扩大。

人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，火灾自动报警系统应运而生，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高。

火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体CO，人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了CO中毒，从而无力逃生，火灾自动报警系统可监测到CO浓度的变化，为人们提供CO浓度超标报警信息，通知人们及时疏散[2]。

迅速监测火情是火灾自动报警系统的重要功能，能最大限度地降低火灾带来的生命财产损失。

火灾自动报警系统能对火灾进行实时监测和准确报警，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，有着很大的经济效益和社会效益[2]。

1.2智能火灾报警研究现况

近年来，世界各国都逐渐开始重视起采用无线通信方式的火灾自动报警系统。

这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制。

起初，这种无线模式因价格昂贵，只会用在一些比较难布线的场所。

随着科技不断的发展，元器件的价格不断降低，无线火灾报警器的成本也随之减低，而且其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，因此，现在起广泛地用于各类建筑和场所，如如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等[3]。

无线火灾报警系统主要分为以下几种方式：

分散式、集中式和分布式。

分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断;

集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；

分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向[4]。

1.3本设计的主要特点

本设计旨在开发一个能够对监测点进行实时监控、报警的智能火灾报警系统。

智能火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理、报警于一体的系统，另外本设计主要特点是采用无线信号传输的方式将火灾报警信号传输的终端报警装置上面，该智能火灾报警系统是以两块AT89C52单片机作为控制中心，接收、处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号，并进行声光报警。

2基于单片机的无线防盗报警系统总体方案设计

2.1系统总体架构

报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、无线发送接收模块、声光报警模块组成。

图2-1为火灾报警系统的结构框图。

发送部分

接收部分

图2-1系统结构框图

系统的工作原理是：

通过烟雾传感器将烟雾信号采集出来，将信号进行二阶滤波处理，然后经由模数转换芯片，将模拟信号转换为数字信号，将此信号输给单片机，由单片机控制发射模块将烟雾信号发射出去，接收模块接到信号后，将信息传给单片机，由单片机控制报警。

2.2系统主要器件的选择

2.2.1烟雾传感器的选择

烟雾传感器的功能：

当火灾发生时，它能把火灾产生的各种非电量参数（如烟雾，温度）变成电量参数传送给控制器；

其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数的变化而变化，火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：

气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类[5]。

（l）感温探测器

感温火灾探测器是对火灾现场温度参数响应的火灾探测器。

按照它对环境温度或温度变化的响应，可分为：

定温、差温、差定温三种形式。

单一的感温探测器灵敏度低、探测范围小，对阴燃情况不响应，因此不适用于火灾早期的探测[6].

（2）感烟探测器

感烟探测器主要响应燃烧或热解产生的固体液体微粒即烟雾粒子的探测器，主要用来探测可见或不可见的燃烧产物及起火速度缓慢的初期火灾。

感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在不太好的环境条件场所也会有比较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中。

感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热[7]。

（3）气体探测器

气体检测仪器是一种检测气体浓度的仪器，该仪器适用于存在可燃或有毒气体的危险场所，能长期连续检测空气中被测气体爆炸下限以内的含量。

可广泛应用于燃气，石油化工，冶金，钢铁，炼焦，电力等存在可燃或有毒气体的各个行业，是保证财产和人身安全的理想监测仪器[8]。

（4）图像探测器

图像火灾探测器是针对室外、隧道和室内高大空间的特殊需求而开发的工业等级的火灾探测器。

该产品实现了“眼睛和大脑”的完美统一，能在各种复杂环境下对火情做出准确的判断，同时提供视频、网络、开关量三种报警方式，可灵活接入各类火灾报警体系[9]。

（5）红、紫外火焰探测器

探测器可探测碳氢化合物燃烧火焰，如氢气、羟基化合物以及金属和无机物燃烧火焰火警。

探测器对紫外和红外传感器接收信号的频率、亮度和持续时间进行分析，任何一个传感器在接收到火焰发射频谱后都能够引发报警。

探测器能够在高/低温，高湿，震动等最苛刻的环境下工作[10]。

烟雾浓度是早期火灾发生的重要特性参数之一，在较大范围的监视场所，烟雾探测一直被广泛使用的火灾探测方法。

烟雾报警器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟感器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器[11]。

为了将人们的生命财产安全损失降至最低，为此本设计主要采用了能比较早检测到火情的烟雾传感器进行设计。

2.2.2单片机及A/D转换芯片的选择

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合[12]。

AT89C52主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0至P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32至39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能[13]。

图2-2AT89C52芯片的引脚图

常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0804是本设计所采用的A/D转换芯片，ADC0804是属于连续渐进式（SuccessiveApproximationMethod）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。

ADC0804只有数据总线，没有地址总线，也不需要地址锁存器[14]。

当AT89C52向其发送读写信号时，只要虚拟一个系统不占用的数据存储器的地址即可。

芯片引脚图如图2-3所示。

图2-3ADC0804芯片的引脚图

ADC0804的主要性能指标为:

1．工作电压：

+5V，即VCC=+5V　　

2．模拟输入电压范围：

0～+5V，即0≤Vin≤+5V　　

3．分辨率：

8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0～255之间　　

4．转换时间：

100us　　

5．转换误差：

±

1LSB　　

6．参考电压：

2.5V，即Vref=2.5V

2.2.3无线发射接收模块的选择

NRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz～2.5GHz频段。

内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;

接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便；

nRF24L01还可以兼容nRF2401A、nRF24L01+、nRF24LE1、nRF24LU1等无线模块，并且它们在一定条件下可以互相通信[15]。

本设计经过所使用的NRF24L01最大的传输距离大约为5m～6m。

此无线发射模块可以运用在以下方面：

无线鼠标，键盘，游戏机操纵杆；

无线门禁，无线数据通讯，安防系统，遥控装置，智能运动设备等。

（1）工作原理

发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：

接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;

若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。

如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TXFIFO中清除;

若未收到应答，则自动重新发射该数据（自动重发已开启），若重发次数（ARC）达到上限，MAX_RT置高，TXFIFO中数据保留以便再次重发;

MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。

最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;

若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;

若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。

接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。

当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RXFIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。

若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。

最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。

（2）参考数据

表1nRF24L01参考数据

参数

数值

单位

最低供电电压

最大发射功率

最大数据传输率

发射模式，电流消耗

接收模式，电流消耗

温度范围

掉电模式，电流消耗

数据传输为1000Kbps时的灵敏度

1.9

2000

11.3

12.3

-40～+85

900

-85

V

dBm

kbps

mA

℃

nA

（3）nRF24L01封装及引脚排列和功能

图2-4NRF24L01芯片引脚

nRF24L01各引脚功能如下：

1．CE：

使能发射或接收　　

2．CSN，SCK，MOSI，MISO：

SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01

3．IRQ：

中断标志位　　

4．VDD：

电源输入端　　

5．VSS：

电源地　

6．XC2，XC1：

晶体振荡器引脚

7．VDD_PA：

为功率放大器供电，输出为1.8V　

8．ANT1,ANT2：

天线接口　　

9．IREF：

参考电流输入

（4）工作模式

通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式：

待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的;

待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；

待机模式下，所有配置字仍然保留。

在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留[16]。

表2工作模式

模式

PWR-UP

PRIM-RX

CE

FIFO寄存器模式

接收模式

发射模式

待机模式2

待机模式1

掉电

1

—

1～0

数据在TXFIFO寄存器中

停留在发送模式，直至数据发送完

TXFIFO为空

无数据传输

nrf24l01在不同模式下的引脚功能

表3nrf24l01引脚功能

引脚名称

方向

发送模式

待机模式

掉电模式

CN

SCK

MOSI

MISO

IRQ

输入

三态输出

输出

高电平

低电平

SPI片选使能，低电平使能

SPI时钟

SPI串行输入

SPI串行输出

中断，低电平使能

3智能火灾报警系统硬件电路设计

3.1电压转换电路

由于本设计采用的是无线火灾信号传输，所用的无线发送传输模块式NRF24L01,该模块所需要的标准电压值为3.3V，由于其他部分的电压值是5V，所以，需要将5V的电压值转换成3.3V的电压值。

图3-1电压转换电路

为实现此目的，本系统主要采用了AMS1117作为转换芯片，AMS1117是三端可调或固定电压3.3V输出电流为1A线路调整率：

0.2%（最大）负载调整率：

0.4%（最大）封装类型：

SOT-223。

工作温度范围：

-40～125°

C输入电压：

15V焊接温度（25秒）：

265°

C存储温度：

-65～150°

C5V，电压从Vin输入，输出的3.3V电压接到NRF24L01的Vcc引脚。

3.2信号调理电路

由于从传感器中输出的模拟信号是比较微弱，且含有干扰信号，所以系统需要将信号进行放大和滤波，由于烟雾信号调理电路运放LM324接直流电源，电路中有直流，所以在电路中设计了起隔直通交的电容C3。

由于本设计只采用烟雾信号进行检测火灾，且烟雾传感器输出电压较大，能达到几伏，所以不需要放大烟雾信号，只需要将信号滤波处理，烟雾信号调理电路如图3-1所示。

图3-2烟雾信号调理电路

滤波电路能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分，滤除或衰减无用频率信号到足够小。

一阶滤波电路过渡带较宽，幅频特性的最大衰减频率仅为-20dB/十倍频。

为使滤波器的滤波特性接近理想特性，即在通频带内特性曲线更平缓在同频带外特性曲线衰减更陡峭，只有增加网络的级数，系统使用二阶滤波器电路。

由于在火灾发生早期，温度烟雾信号是一种缓变信号，故系统使用二阶有源低通滤波器电路（LowPassFilter，LPF）。

将串联的两节RC低通网络直接与反向电压跟随器电路相连，可构成烟雾调理电路中的简单二阶低通滤波器电路[19]。

二阶低通滤波电路中R1=R2=1K,C4=C5=0.1uF。

LPF电路电压放大倍数为：

（3-2）

用

取代s，且令

，

，得出电压放大倍数为：

（3-3）

由于为信号频率二次幂的函数式，故为二阶LPF。

设带通截止频率为

，则当

时，上式的分母的模应等于

，可解出二阶LPF的上限截止频率为：

，

（3-4）

二阶低通滤波电路的衰减斜率可达-40dB/十倍频，但是有由于

远离

，即在

处，信号的放大倍数已急剧下降，所以该滤波电路以降低滤波器通频带为代价来获得滤波器衰减斜率[20]。

3.3复位与晶振电路

3.3.1复位电路

复位是单片机的初始化操作，单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作,外部复位电路通常用一个电阻和一个电容实现。

AT89C52的复位信号是从REST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果REST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。

单片机系统的复位方式有：

手动按钮复位和上电复位，本设计采用的是手动按钮复位。

上电自动复位是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，此信号随着Vcc对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容的充电时间。

因此为保证系统能可靠地复位，RST引脚上的高电平必须维持足够长的时间。

手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平,采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端，系统复位。

由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，设计完全能够满足复位的时间要求。

复位电路中SW-PB为手动复位开关，电容Ch1可避免高频谐波对电路的干扰。

如图3-3所示。

3.3.2晶振电路

晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，晶振电路为单片机工作提供时钟信号，这个信号就是单片机的工作速度，芯片中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振荡器一起构成自激振荡器。

电路中的外接石英晶体及两个电容接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，系统的晶振电路如图3-3所示。

由于外接电容的容量大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容的容量大小范围为30PF～10PF；

如果使用陶瓷谐振，则电容容量大小范围40PF～10PF。

本设计中使用石英晶体，电容的容值设定为30pF。

晶体振荡频率的范围通常是在1.2至12MHZ，晶体的频率越高，单片机的运行速度也就越快。

但反过来，运行速度越快对存储器的速度要求就越高，对PCB的工艺要求也高。

晶体和电容应尽可能安装得与单片机靠近，减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作。

图3-3复位与晶振电路

3.3.3声光报警电路

声光报警是一种通过声音和各种光来向人们发出示警信号的方式。

如果出现火情，声光报警电路就会在单片机的控制下，发出声光警示信息。

在声报警电路中，由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。

声音报警电路由单片机的P1.0引脚进行控制，当P1.0输出的电平为低电平时，三极管导通，蜂鸣器的电流形成回路，发出声音报警；

否则，三极管截止，蜂鸣器不发出声音。

由单片机的P2口进行光报警控制，当有火警信号出现时，P2.0口会处于低电平，发光二极管出现闪烁，形成光报警。

图3-4声光报警电路

4智能火灾报警系统软件设计

4.1软件开发环境

本系统采用C语言进行程序设计。

C语言是美国国家标准协会（ANSI）制定的编程语言标准，1987年ANSI公