基于单片机的火灾预警系统设计.docx
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基于单片机的火灾预警系统设计
基于单片机的火灾预警系统设计
摘要
随着经济的发展,很多场合都需要预防火灾,安装不同精确度的火灾预警系统,因为一旦发生火灾,会造成严重的经济损失,还可能造成人员伤亡,后果十分严重。
火灾是一种在时间和空间上失去人为控制并造成一定损害的燃烧过程,是严重危害人类生命财产安全、直接影响经济发展与社会稳定的一种最常见的灾害。
随着经济的高速发展,城市建筑、物资仓库的日益增多火灾的隐患也大大增加,火灾已成为我国常发性和破坏性最强的灾害之一。
本文研究的是基于单片机的多传感器火灾探测系统,本系统具有采集现场信息,并将信息分析预测,结果传递给相关人员和显示火灾信息的功能,并且能够在现场对火灾进行声光报警的功能。
本文针对火灾自动预警系统结合国内外现状进行了深入的研究。
全面阐述了火灾自动预警系统的硬件电路和软件设计方案。
以下是本文做的主要工作:
1.火灾自动预警系统的控制器主芯片采用美国ATMEL公司51系列的AT89C51单片机,该芯片具有价格低廉、高速度、低功耗等特点。
主芯片对传感器送来的数据进行分析处理,随后送液晶显示;所设计的预警系统具有较高的性价比,还具有操作人员管理、探测器管理、预报警、火警处理等功能。
2.火灾信息的检测采用的是烟雾传感器MQ-2和温度传感器DS18B20的配合使用,通过非线性和线性时间序列分析算法对现场火灾信息进行预测是否达到预警值。
本文的目的是开发一套价格低廉、结构简单、使用方便而且能及时的发现火情并能有效的避免漏报、误报的火灾自动预警系统。
关键词:
火灾探测器;AT89C51;温度传感器
Abstract
Withthedevelopmentofeconomic,manyoccasionsneedtopreventfiresandinstalldifferentaccuracyoffirealarmsystems,becausetheeventoffire,willcauseseriouseconomiclosses,mayalsoresultincasualtieswithveryseriousconsequences.Fireisacombustionprocessoflosscontrolofhumanandcausingsomedamageintimeandspace.Fireisthemostcommondisasterthatisharmtohumanlifeandpropertyandcancauseabigeffectoneconomicdevelopmentandsocialstability.Fire’shiddendangergreatlyincreasedalongwithrapideconomicdevelopment,buildingandwarehouseincreasing.It’soneofthedisasterthathappenedallthetimeanddestructivenessinourcountry.
Thispaperisbasedonthesinglechip’smultisensoryfiredetectionsystem,thissystemhasthecollectionsiteinformation,andinformationanalysisandforecasting,theresultspassedtotherelevantpersonnelanddisplayfireinformationfunction,andcanbecarriedoutinthefieldoffirealarmsoundandlightfeatures.Thispapertoin-depthresearchforwarningsystemfortheautomaticfiresituationat
homeandabroadconducted.It’scomprehensiveexpositionoftheautomaticfirewarningsystemhardwareandsoftwarecomponentsofthespecificprograms.Followingisamajorworktodothis:
1.ThemainchipofthecontrollerofautomaticfirewarningsystemisusedintheUnitedStatesATMELCorporationAT89C51microcontrollerseries,thechiphasalowcost,highspeed,lowpowerconsumption.Themainchipanalyzethedataofthesensor’sdata,andthensenttotheLCD.Earlywarningsystemdesignedwithahighercostperformanceandhasoperationspersonnelmanagement,probemanagement,pre-alarm,fireprocessingandotherfunctions.
2.FireinformationdetectedbythesmokesensorMQ-2andusedinconjunctionwithtemperaturesensorDS18B20,bynonlinearandlineartimeseriesanalysisalgorithmstopredicttheon-sitefireinformationwhetherthealarmvalue.
Thepurposeofthispaperistodevelopalowcost,simplestructure,easytouseandcanfindtimelyandeffectivefirepreventionomission,falseautomaticfirewarningsystem.
Keywords:
FireDetector;AT89C51;Temperaturesensor
第一章前言
1.1火灾报警系统的应用价值
我们国家的火灾报警器经历了一个复杂的发展过程,从无到有,简单至复杂。
随着信息化发展程度的加深,火灾预警系统的智能化也普遍受到重视,并开发出了相应的各种各样的产品。
应用到了各个行业,起到了非常主要的作用。
比如大型的仓库,写字楼,商场,酒店等,都需要火灾预警系统来对周围的环境状况起到实时监控,将可能的隐患拒之门外。
从而保障员工的生命财产安全,支撑一个安全,放心的工作环境。
为此,火灾预警系统在日常生活中的地位就显得特别的重要,特别是在一些重要的国家政府机关,军火库房等等。
在我们国家,经济发展和生活水平不断提高,很多集团公司的仓库都朝着大型化,多样化,现代化发展,这就使得仓库的物品繁多,如果一旦发生火灾,特别是对于易燃物品,不容易及时控制住火势,给抢灾人员的作业带来很大的困难,同时也容易造成重大的财产损失和人员伤亡,这显然是不满足人民日益增长的物质文化需要的。
所以我们要在这些重要的场合合理的应用火灾预警器。
当然不同的场合会根据需要对火灾预警的灵敏度,智能化程度,精确度提出不同的要求。
防止火灾可以从两个方面去着手:
一.尽量避免外部因素导致火灾的发生;二.如果火灾发生,应当在第一时间发出警报,通知相关的系统单元,再由控制中心启动相应的防火,灭火装置,控制住火势的蔓延,扩大,并及时灭火。
正是因为火灾预警系统可以智能有效的保证人生安全,最大限度的降低财富的损失,所以在现代很多建筑智能化系统中都包含了防火装置.
1.2火灾报警系统概述
1.2.1火灾探测要素
物质燃烧所伴随的现象:
①产生热量
这是因为物质在燃烧过程中伴随多种化学变化,释放大量的热,致使周围环境温度升高。
所以可以采取温度传感器来采集温度信息。
②产生烟雾
烟雾是烟和雾的混合物。
一般其粒子直径大于0.01um。
烟雾是对生命构成威胁的流动性较大的有毒气体,在火灾发生过程中很多人是因为大量的烟雾进入呼吸道,导致氧气浓度过低造成死亡。
对此我们可以采取烟雾传感器来进行监测。
③产生火焰及气体
火焰是一种现象,是可燃物和助燃物在一定条件下发生氧化反应时释放光和热的现象。
它会释放可见光,红外线及其紫外线等。
同时,由于各种燃烧化学反应会释放大量的气体包括含碳的CO及CO2,一些塑料材质的物质还会产生含硫的氧化物或有机物。
所以可以利用光传感器来采集火灾过程所辐射出的光信息。
1.2.2火灾探测器分类
①目前据火灾探测器探测火灾的参数不同主要有:
感温、感烟、感光、气体和复合式等探测器。
温度火灾探测器:
这是对异常温度,温差,温度上升速率做出响应检测的火灾探测器。
因为感温火灾探测器所采用的敏感元件不同,如热电偶,热敏电阻,双金属片,半导体等,所以还可形成各种感温火灾探测器。
感烟火灾探测器:
这是对燃烧过程中产生的微粒进行检测的火灾探测器。
它能探测物质燃烧初期的产生的烟雾粒子浓度。
感光火灾探测器:
这也被称作火焰探测器。
它能对燃烧过程火焰所辐射的红外线,可见光,紫外线进行探测的火灾探测器。
主要的类型有红外火焰型,紫外火焰型。
气体火灾探测器:
这对火灾发生过程中所产生的气体进行响应的火灾探测器。
在这种探测器中对气体或粉尘浓度进行探测的传感元件主要包括铂丝,金属氧化物半导体(包括尖晶石,钙钛晶体和金属氧化物等)和钻钯(黑白元件)几种。
复合式火灾探测器:
不同的场合对报警器的性能参数要求不同,为了使检测更准确,很多时候需要能对多种火灾参数进行监测。
主要有感温感烟火灾探测器,感光感烟火灾探测器,感温感光火灾探测器等等。
②按使用环境可分为:
陆用型,船用型,耐寒性。
按探测到火灾后动作可分为延时型,非延时型等。
③按发展过程分类
火灾报警器的发展已有100多年的历史了。
这个过程可以大致的分为三个阶段:
从十九世纪四十年代到本世纪四十年代以简单分立元件构成的火灾报警系统是初始阶段,感温探测器占据主导地位。
1847年缅因大学教授Farmer和其同事研制出世界上第一台火灾报警器。
到19世纪末,多种定温火灾探测器成功开发并应用到了不同的场合。
到了20世纪20年代,人们利用升温速率原理发明了差定温火灾探测系统,这中探测器是主要是温度上升速率进行检测,如果超过额定的值时就会发出警报。
随后又相继开发出了热熔电阻差温探测器、膜盒差温火灾探测器、半导体差温火灾探测器以及差定温火灾探测器。
二十世纪五十年代到七十年代,主要发展了对火灾发生过程的烟雾进行检测的烟雾探测器。
这种系统为多线制,使得他的稳定性,可靠性差,布线复杂等。
到七十年代末,光电感烟探测器得到了较快的发展。
八十年代开始至今是火灾探测器发展的第三个阶段。
为了解决之前多线制火灾探测器布线复杂,安装调试困难等缺点,开发了总线制火灾自动报警系统。
该系统具有安装,维护,调试简单,利用分布式网络结构特点可以设置多个节点进行全方位探测,各个节点单独设置了地址编码,通过不同的节点采集信息来准确的预报与放置险情。
科技日新月异,将探测器应用到建筑物内可以与里面的其他系统组成智能化的楼宇。
在火灾报警器的性能上主要用误报率来判定其优劣。
误报率的高低直接反应该报警器性能的好坏。
④按应用类型分类
(1)多线型火灾报警器
这类报警器是早期的应用类型,主要以报警为主,外联一些简单的功能,探测器会通过信号线连接至显示屏,在报警时会点亮相应的指示灯,完成探测与报警功能。
(2)总线型火灾报警器
这种报警器内嵌有MCU(微处理器),探测器和其它的模块,采用地址编码形式,通过总线和控制器实现信号在探测模块和显示模块之间进行传输。
它能对部分故障进行诊断,但是不能明确故障的类型。
(3)智能复合型火灾报警器
这种智能型的探测器采用了具有单片机的模拟探测器,它可以通过对植入的软件进行改写,视不同场合具体调整灵敏度等参数,这可以提高系统的可靠性与稳定性。
如果周围环境的参数变化较大,不稳定,可以适当的调低探测器的灵敏度,而对一些比较重要,要求安全性高,稳定性好的场所可以适当的调高其灵敏度,减少误报率。
复合型智能火灾报警器是未来报警器的主要发展方向,他的灵活性好,精确度高,稳定性好,面对各种复杂多变的环境,这种报警器是可以大大降低误报率的理想选择。
1.3火灾报警系统的发展状况
1.3.1国外火灾报警器的发展情况
对于西方发达国家,他们具有比较完善的火灾预防,监测,报警,抢救及善后处理等体系。
这些国家会有专项的财政资金用于这样的体系,开发与维护监测、报警设备,培训相关的人员,从各个方面将火灾预警工作做到细致,避免由火灾而造成人员,财富损失。
他们普遍采用有计算机通过网络将各个节点的数据信息采集,统一到计算机来进行实时的分析处理,准确地发现火灾隐患点,同时判断出火灾的类型,特点,以启动不同的应急预案。
这些发达国家已经将火灾报警系统和公共监控系统连接在一起,及时准确的发现火灾,最大化的降低损失。
同时也成立了相关的机构,专门负责火灾探测的数据的流通性,实时性,提高预报的准确程度,同时也可将相关的信息发送至消防部门,这样可以节省人力,合理的安排与出动消防规模,做到资源利用的最大化。
这些措施通过实验都证明非常成功高效,值得我们学习!
1.3.2国内火灾报警器的发展情况
我们国家的火灾报警器的研发较国外比较晚。
在上个世纪70年代才开始自主研发火预警系统。
之后也是多模仿国外的产品及其技术,而核心的技术却没能掌握。
在90年代后期随着国家在经济政策开放的条件下,众多的国外公司开始进入中国市场,他们带来了新技术,促进了中国在火灾报警器技术方面的进步,同时社会经济的飞速发展也产生了对火灾报警器的需要,也就对其技术精度要求越来越高。
同时融入其他的新技术可以使得产品的性能越来越精良。
近年来火灾报警器的发展趋势大致分为以下几个方向:
①网络化
所谓火灾报警系统的网络化主要是指利用计算机网络技术将报警系统的探测器,控制器及其之间相连的其他各个模块,通过网络协议连接至城市报警中心,这样实现了将各个散落的模块统一连接到一起,形成一个大的网络,实现了远程监控,远程数据调用,各单位之间的信息资源共享,能在远程终端通过监测数据,及时准确的发送报警信号,包括了事发地点,灾情的规模,建议出动人力资源等。
这样远程统一管理大大的节省了人力资源,降低了管理难度,使得整个系统的操作变得简单、实时、高效。
②智能化
所谓的智能化主要是指报警系统能模仿人的思维,自己主动完成一系列的动作。
包括了各个节点设置的探测器主动采集温度,烟雾浓度,光信息等模拟量,在经过传输总线送至微处理器,经过MCU分析处理后接一个AD转换器将相应的模拟量数字化,再在液晶显示器上显示,整个过程系统自动完成。
对于分析的结果启动相应的设备。
同时给出合理化的建议,做到实时准确的预报险情,最大化降低人员伤亡和财产损失,也能为后期的事故原因提供一定的科学材料依据。
③多样化
所谓的多样化是指火灾探测器可以根据其工作原理分为:
感温探测器、感烟探测器、火焰探测器、气体探测器及其复合探测器等。
除此之外连接方式也变得多样化。
设备及系统之间可以视具体情况采取不同的连接方式。
④微型化
随着现代社会大规模集成电路的发展,微型化在设计产品时越来越受到高度重视。
因为这可以节约材料,提供方面,在需要完成复杂功能而需要大量器件时,高度的集成,使之微型化就显得非常有必要了。
1.3.3国内火灾预警系统存在的问题
①误报,漏报
首先国内的火灾报警器本身还存在一些不足,再者,环境中的灰尘,电磁场,静电等干扰因素的存在使得系统在工作过程中会经常出现误报,漏报的现象。
②智能化水平有待提高
智能化是本世纪设计产品的追求。
传统的火灾报警器主要是对单个传感器采集的信号与阀值比较,判断是否正常,这种方法应用到多传感器的报警器中就会出现漏报和误报的现象。
所以为了更精确的预报,满足市场需求,需要采用智能算法,对多个参变量的数据进行综合分析,提高预报的正确率。
③无线通信技术不成熟
传统的火灾报警器系统主要是采用有线连接的方式,但是这种系统在需要完成更多功能,结构布线复杂的情况下,是不容易完成,且影响美观。
所以无线通信就显示出优势了。
它不仅可以节约导线的使用,简化系统布局,还可以减少因为导线老化而引起火灾的发生。
1.4本课题主要研究内容及欲达到的目标
现在市场需求的是能提前报警,准确度高,实时性好,智能化的火灾预警系统,所以将多个传感器融入到火灾预警系统中。
本课题研究内容分为六章,各章内容大致如下:
第一章:
主要讲火灾报警器的发展历史,研究的意义,组成,分类和发展趋势等。
第二章:
主要介绍火灾预警系统所涉及的基础知识。
第三章:
系统的总体设计。
第四章:
介绍系统的实现。
第五章:
系统初步完成后的测试。
第六章:
对火灾预警系统的总结与展望。
本设计欲达到的目标:
设计一款结构简单、价格低廉、可靠性好、反应快、准确度高的火灾报警系统。
主要采用温度传感器和烟雾传感器分别采集环境温度和烟雾浓度信息,综合分析处理判定是否有险情的发生。
这避免了传统的单一传感器误报漏报,监测信息不全面,实时性不高的缺点。
第二章系统所涉及的基础知识
2.1AT89c51单片机的简介
AT89C51是带4k字节闪烁可编程可擦除的低电压高性能CMOS8位微处理器。
也就是我们通常所说的单片机。
它是ATMEL公司生产的一种高效微处理器,采用了ATMEL高密度非易失存储制造技术,和MCS-51指令集兼容。
同时ATMEL的AT89c51可以应用到很多的嵌入式系统中。
①主要特性:
寿命1000写/擦循环
4k字节可编程闪烁存储器
数据保留时间10年
128*8位内部RAM
5个中断源
可编程串行通道
全静态工作:
0HZ-24HZ
三级程序存储器锁定
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
低功耗的闲置及掉电模式
片内振荡器及时钟电路
②管脚原理图如图2-1所示
图2-1
①管脚说明
VCC:
接入电源。
VSS:
接地。
P0口:
P0口是8位漏极开路双向I/0口,每个脚可以吸收8TTL门电流。
它可以用于外部的程序数据存储器,为地址/数据分时复用口。
P1口:
p1口是内部已经提供了上拉电阻的8位双向I/O口,它的缓冲器能接受4TTL门电流。
P2口:
p2口也是内部上拉电阻的8位准双向I/O接口。
同样其缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P2口在FLASH编程和校验时接收控制信号和高八位地址信号。
P3口:
它是双功能口。
可以作为一般的准双向I/O口。
RST:
复位输入口。
ALE/PROG:
在访问外部存储器是,ALE(允许地址锁存信号)用于锁存出现在P0口的低8位地址。
当不访问外部存储器是,ALE仍以振荡器频率的1/6周期性的输出正脉冲信号,可用作对外输出的时钟脉冲或定时目的。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号,低电平有效。
当从外部程序存储器读取指令或常数时,每个机器周期/PSEN两次有效,而访问外部数据存储器是,/PSEN信号将不出现。
/EA/Vpp:
/EA位访问外部程序存储器控制信号。
当/EA低电平时,不管片内是否有程序存储器,都只是访问外部程序存储器。
而在高电平时访问片内程序存储器。
XTAL1:
方向放大器的输入和内部时钟电路的输入。
XTAL2:
片内振荡器的反相放大器的输出端。
2.2烟雾传感器的选择及介绍
本课题采用的是MQ-2半导体式烟雾传感器。
该传感器具有如下特点:
广泛的探测范围;高灵敏度;快速响应恢复;优异的稳定性;寿命长;简单的驱动电路。
这些特点让MQ-2电阻式烟雾传感器的性价比显得很高,应用到很多的场合。
比如用于家庭和工厂的气体泄漏检测装置,适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、氢气、酒精、烟雾等探测。
规格如下:
A.标准工作条件
表2-1
B.环境条件
表2-2
C.灵敏度特性
表2-3
.灵敏度调整
MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的阻值,所以在使用此元件时灵敏度的调整是很重要的。
可以使用1000ppm氢气或者1000ppm丁烷校准传感器。
另外需要精确测量的时候,报警点的设定应该考虑到温度的影响。
.注意事项
因为高浓度的甲烷气体对人体是有害的,所以在进行实验或测试的时候,保持环境通风良好是非常有必要的。
总之MQ-2半导体式烟雾传感器以其高灵敏度,检测范围广,性能好等众多的特点,
被广泛的应用到各个场合。
2.3温度传感器的选择及介绍
本设计采用Dallas公司设计研发的DS18B20温度传感器。
①特点:
采用单总线专用技术,MCU只用一个端口便可以与DS18B20双向通信;实际应用中不需要借助外部元件就可实现测温;温度范围在-55C至+125C,测温范围广;内部设置了上、下限温度报警;12位数字最多可在750ms内把温度转换为数字;能实现简单的多点分布式温度检测。
②引脚图如图2-2所示
图2-2
.引脚及其功能说明如表2-4所示:
表2-4
DS18B20数字温度传感器接线方便,封装后可以应用到多种场合,比如管道式、螺纹式、磁铁吸附式、不锈钢封装式、有多个型号,如LTM8877,LTM8874等等。
据不同场合可以改变其外观。
封装后的DS18B20可用于电缆沟测温,高炉水循环测温,锅炉测温,机房测温,农业大棚测温,洁净室测温,弹药库房测温等多种场合。
本温度传感器具有耐磨耐碰,
体积小,使用方便,封装形式多样,适用于各种狭小空间设备的数字测温和控制领域。
DS18B20有4个主要的数据部件:
(1)光刻ROM。
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看做是该DS18B20的地址序列码。
该光刻ROM的作用是使每一个DS18B20
都各不相同,这样可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
(2)DS18B20中的温度传感器可以完成对温度的测量。
(3)DS18B20温度传感器的存储器。
该内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL
和结构寄存器。
(4)配置寄存器。
2.4串口通信
串口是很多通用设备通信的协议。
串行接口是可以将来自MCU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去,同时可以将串行的数据流转换为并行的字符流传送给CPU。
串口按位发送和字节接收。
虽然比按字节的并行通信慢,但是它在一条线发送数据的同时可以用另外一条线接受数据,可以实现远距离通信。
串口通信最重要的是波特率、数据位、停止位和奇偶校验位等。
所以两个进行通信的端口这些参数是必须要匹配的。
串口通信时指数据在一根数据线上一次逐位的发送或者接收。
串行通信按同步方式可分为异步通信和同步通信。
同步通信:
同步通信是一种连续传送数据的通信方式,通常一次传送的字符数据以帧位单位。
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