基于单片机的火灾报警系统的设计与实现毕业论文

摘 要随着现代信息技术的飞速发展和工业自动化技术的逐步实现，人们对建筑物内的安全性和灾害预警系统更加重视，为预防楼房内的火灾，人们已采取许多方法来防范火灾的发生。其中就包括通过信息化和自动化的方法来检测楼房内的烟雾和温度，达到检测火灾的目的。本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计出一种技术水平较好的火灾报警器。其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，以AT89S52单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的火灾报警器可实现报警、故障自诊断、浓度级别显示、报警限设置、温度显示及与温度报警值设定等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。关键词：火灾报警；单片机；烟雾传感器；温度传感器；AbstractWiththerapiddevelopmentofmoderninformationtechnologyandindustrialautomationtechnologygraduallyrealize,peopleonthestructureswithinthesafetyanddisasterwarningsystemmoreattention,topreventthefireinthebuilding,peoplehavetakenmanymethodstopreventfire.Includingthroughinformatizationandautomatedmethodtodetectthesmokeinthebuildingandtemperature,achievethepurposeoffire detection.In this paper, resistance type smoke sensor and single-chip microcomputer as the core technology and electronic technology, designs a technology better fire alarm. The selection of MQ-2 type semiconductor gas sensitive element smoke sensor smoke detection. The selection of AT89S52 chip, the integration of the A/D conversion, hardware multiplier, hardware pulse width modulator and other resources. With AT89S52 MCU and MQ-2 type semiconductor resistor type smoke sensor as the core design of the fire alarm can alarm, fault diagnosis, concentration level display, alarm limit settings, temperature display and temperature alarm value setting and other functions. Is a kind of simple structure, stable performance, convenient operation, low price, intelligent fire alarm, has a certain practical value.Key words: Fire alarm; Single chip microcomputer; The smoke sensor; The temperature sensor目 录第1章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 火灾报警器的发展历程和发展现状11.3 论文主要内容及结构安排3第2章 总体方案论证与设计42.1 设计要求42.2 总体设计方案42.3 各功能模块方案选择52.4 本章小结6第3章 系统硬件设计83.1 单片机最小系统电路设计83.2 DS18B20测温电路103.3四位数码管显示电路的结构和工作原理123.4 MQ-2烟雾传感器转换电路153.5报警温度设定按键电路173.6 电源电路173.7 本章小结18第4章 系统软件设计194.1 主程序流程图194.2中位值平均滤波法数字滤波流程图214.3插值法线性化处理子流程图224.4报警子程序流程图254.5控制按键设计子程序流程图264.6 本章小结26第5章 系统调试275.1 Proteus软件介绍275.2 Keil C软件介绍285.3 软件调试285.4 调试结果295.5 本章小结31结 论32参考文献33致 谢35附录1 程序清单36附录2 电路原理图4243第1章 绪论1.1 课题研究背景及意义在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。它威胁着人们的健康、生命和财产安全，一旦引发火灾，就能使成千上万的财产瞬间变为灰烬，其所造成的损失约为地震的五倍，仅次于干旱和洪涝灾害。火灾是可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。火，在给人类带来文明进步、光明和温暖的同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大的灾难。据统计，我国70年代火灾平均损失接近2.5亿元，80年代火灾平均损失接近3.2亿元。进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升1。严峻的事实证明，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失2。智能火灾自动报警系统就是为了满足这一需求而研制出的，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。设置功能完善的控制系统及消防设施，对保障人民生命财产的安全，无疑是极为重要的。随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势，市场上迫切需要一种容量大、可靠性高、使用简单的火灾报警控制系统。1.2 火灾报警器的发展历程和发展现状1.2.1 火灾报警系统发展历程火灾报警系统的发展也是经历了由单一品种发展成现在样式多样化的过程，由以前误报率较高、安装复杂和监测范围较窄变成现在测量较精准、安装简单、监测范围广等从发展过程来看，大体上可分为以下几个阶段：第一阶段，从19世纪40年代至20世纪40年代，火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用的探测器主要是感温式的探测器，它通过采集温度信号，然后判定是否超出设定的阈值，从而判断是否有火灾发生。这一阶段，火灾报警系统简单，仅靠单一的温度参量进行火灾判断。但是它易受环境中其他干扰源的影响，灵敏度低，响应速度慢，无法判断引燃火灾，也无法满足智能化火灾报警系统的要求。第二阶段，20世纪40年代末，瑞士物理学家 Emst Meili研究的离子感烟探测器推出以后，引起了人们对离子感烟探测器的重视，随后感烟探测器得到广泛应用，并逐渐占据了绝大部分市场，迫使感温式探测器退居其次；到70年代末，光电式感烟探测器在光电技术的基础上发展起来，并很快得到大力发展，它的使用寿命长，抗干扰能力强，没有离子感烟探测器的放射性问题。在这一阶段，火灾报警系统普遍采用多线制布局方式，布线、调试、系统可靠性是系统发展的瓶颈。第三阶段，20世纪80年代初期，总线型火灾报警系统开始兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。它使得布线工作量显著减少，安装调试更加容易，更能精确报警定位。但是这一时期的火灾报警系统的智能化水平不高，采用有线连接对工程要求高。第四阶段，从20世纪80年代中后期开始，随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代，智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾自动报警系统相继出现。模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义3。1.2.2 国内外火灾报警系统的发展现状国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国19962002年烟雾传感器年均增长率为27%30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测 仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广4。我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但是由于国内的火灾报警系统较多的是进口产品或是靠引进技术，其系统的灵敏度、对环境变化的自适应能力、探测浓度范围、以及节电设计方面还有待进一步研究提高，在应用到市场之前还有很多问题需要解决5。毫无质疑的是未来先进的火灾早期智能报警系统在随着科技水平的发展、市场推广的深入和全民火灾防范意识的不断加强，会被越来越多的用户所推崇，应用领域也会延伸至多种行业，火灾系统也会应技术的创新而不断发展更新。1.3 论文主要内容及结构安排本次的火灾报警器设计中由单片机AT89S52芯片、DS18B20芯片和烟雾传感器为核心，辅以必要的电路，如上下限设置按键、紧急报警等。实现了对各个单元的有效控制，本文分五章对系统设计进行了详细介绍，各章节安排如下：第1章 简要介绍了火灾报警器的发展现状，提出了研究课题，介绍了论文的章节安排。第2章 本章给出了总体方案的论证与设计，其中提出了设计要求。第3章 本章主要是对火灾报警器各个功能模块进行设计。并且分别阐述了各个功能模块的工作原理、具体工作过程以及硬件连接。第4章 本章主要研究了在电路的基础上设计相应的软件程序，说明程序运行过程，给出各个功能模块应用程序的流程图。第5章 本章主要介绍系统的调试，包括使用的软件、调试环境和软件调试过程，给出了调试软件的成功运行结果。第2章 总体方案论证与设计2.1 设计要求本系统以AT89S52单片机为中央处理器，利用单片机采集温度，用4位数码管显示温度值，设置三个按键调整报警温度值，当温度超出所设定的上下限范围时，开始报警。系统硬件电路主要分为温度电路、键盘电路、烟雾A/D转换电路、声音报警电路、显示电路五个部分。当烟雾传感器检测到火灾释放的烟雾时，将信号传送的ADC0832进行处理模数转化再到单片机进行处理，当检测到浓度超标时，进行报警，同时，此系统还可以检测温度，火灾发生往往环境温度会升高。到检测到温度超过设定的报警温度的时候，进行报警。设置三个按键，紧急报警按键，可人为报警和取消报警即手动报警。左面第一个是报警温度的设置，按一次进入报警温度上限设置此时，进行上限温度设置，并闪烁显示。按两次进入报警温度下限设置，进行下限温度设置，闪烁显示。按三次进入报警烟雾浓度级别设置此时出现1，进行浓度级别设置，闪烁显示。第二个按键是减小键，按一下减小1。第三个按键是增加键，按一下增加1。2.2 总体设计方案综合上述，本设计的火灾报警器由火灾探测部分（温度和烟雾传感器）、报警控制器（单片机）、报警和显示部分（数码管）组成，也就是一个系统的输入部分、处理部分、输出部分。火灾探测部分通过对火灾发出的气体烟雾和温度的探测，将探测到的信号转化成数字信号传递给控制器也就是单片机。单片机将接收到信号后经分析处理后判断是否发出报警信号，并在屏幕上显示当前温度和烟雾浓度。如果判断有火灾，报警器在单片机的指挥下进行报警警示火灾的发生。系统硬件组成框图如图2-1所示。单片机复位电路报警电路时钟振荡温度传感器LED显示报警器报警图2-1总体硬件组成框图2.3 各功能模块方案选择2.3.1单片机控制模块方案一：采用AT89C51芯片作为硬件核心，采用Flash ROM，内部具有4KB ROM 存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术, 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二：采用AT89S52芯片，片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超低压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM 存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏6。比较以上两种方案，方案二有明显的优点，因此选择方案二。2.3.2 七段LED数码管显示模块方案一：采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字和图形，显示多样，清晰可见，但是价格昂贵，需要的接口线多，所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以也不用此种作为显示7。方案三：采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格适中，对于显示数字最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机接口线少。比较以上两种方案，方案三有明显的优点，因此选择方案三。2.3.3 DS18B20温度测量模块方案一：采用热敏电阻，可满足40至90测量范围，虽然热敏电阻精度高、重复性较好，但可靠性差，对于检测误差在1摄氏度范围内的信号是不适用的。 方案二：采用DS18B20温度传感器，输出信号全数字化，可直接与单片机连接，便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路，且该传感器的物理化学性很稳定，它能用作工业测温传感器。在0100时，最大线形差小于1，同时DS18B20传感器的最大特点之一就是采用了单总线的数据传输，提高了信号的稳定性和精度8。比较以上两种方案，我们选用可靠性比较高、便于控制的DS18B20传感器芯片实现温度测量。因此选择方案二。2.3.4 烟雾传感器模块方案一：采用MP135型半导体空气污染敏感元件，由加热器以及微型A1203陶瓷基片上形成的金属氧化物半导体材料构成。当有被检测气体存在时，空气中该气体的浓度越高，传感器的电导率就越高，使用简单的电路即可将这种电导率的变化转换为与气体浓度对应的输出信号。但是这种传感器价格高，驱动电路复杂，对烟雾固体小颗粒灵敏度低。方案二：采用MQ-2烟雾传感器，在可燃气体或烟雾中MQ-2烟雾传感器的电阻会有相应的变化，这种传感器灵敏度高，性能稳定，对烟雾固体小颗粒灵敏度高，价格低，而且驱动电路简单9。比较以上两种方案，我们选用价格便宜、驱动电路简单的MQ-2烟雾传感器实现烟雾浓度测量。因此选择方案二。2.3.5 报警模块方案一：语音报警，电路复杂。方案二：采用蜂鸣器实现用声音报警。价格便宜，电路简单，易于实现。比较以上两种方案，我们选用价格便宜的蜂鸣器实现用声音报警。因此选择方案二。2.4 本章小结本章给出了各个模块的方案论证，比较与选择。经过多方比较，我们最终确定出各个模块的最佳方案。控制模块采用单片机AT89S52芯片，显示模块采用七段LED数码管来实现，温度测量模块采用DS18B20传感器来实现，烟雾浓度测量模块采用MQ-2型烟雾传感器，报警模块采用蜂鸣器报警。第3章 系统硬件设计为了使本设计具有更加方便和灵活性，我们对系统的硬件做了精心设计。电路系统硬件电路主要分为温度电路、键盘电路、烟雾A/D转换电路、声音报警电路、显示电路五个部分。3.1 单片机最小系统电路设计3.1.1 单片机简介AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52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。 具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM， 32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外AT89S52可降至0赫兹静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU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内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低10。3.1.2 单片机管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，此时可用作输入口。P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。P3口还用于一些复用功能，在对Flash编程和程序校验期间，P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。在SFR AUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。 ALE/PROG：地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”， 从而屏蔽ALE的工作；此时，ALE只有在执行MOVX、MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：程序存储器允许信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。它用于读外部程序存储器。在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。EA/VPP：外部存取允许信号。当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：振荡器的反相放大器输出11。3.1.3 单片机的最小系统AT89S52单片机为40引脚双列直插芯片。MCS-51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地作输出或输入12。单片机的最小系统如下图3-1所示,18引脚和19引脚接时钟电路，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出。第9引脚为复位输入端，接上电容，电阻及开关后够上电复位电路，20引脚为接地端，40引脚为电源端。晶振采用12MHZ。由于单片机只访问片内Flash ROM并执行内部程序存储器中的指令，因此单片机的31脚接高电平VCC。单片机最小系统如图3-1所示。图3-1 单片机最小系统3.2 DS18B20测温电路3.2.1 DS18B20传感器简介本设计采用DS18B20温度传感器，该传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。3.2.2 DS18B20管脚及寄存器说明(1) DS18B20的引脚排列 GND：地信号DQ：数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。VDD：可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。(2) DS18B20的性能特点 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.05.5；零待机功耗；温度以或位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。64位ROM的结构开始位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入户报警上下限。(3) DS18B20的寄存器说明DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EPRAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率13。 3.2.3 DS18B20传感器与单片机的连接DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式。DS1302与单片机的连接仅需3条线：时钟线SCLK、数据线I/O和复位线RST。时钟线SCLK与P1.4相连，数据线I/O与P1.3相连，复位线RST与P1.2相连。由于DS1302是靠细电流充电来实现串行输入输出的，因此，在SCLK、I/O、RST线上要加上拉电阻，其中，它们的电流应该在500u1mA之间，若电源为5V，则R约为5K，因此，电阻R=4.7K。在单电源与电池供电系统中，Vcc1提供低电源并提供低功率的备用电源。Vcc2提供高电源作为芯片供电的主电源。因此，这里Vcc1用3V纽扣电池，Vcc2用5V的系统电源。晶振为32.768KHz接入X1、X2引脚。DS1302测温电路如图3-2所示： 图3-2 DS18B20测温电路3.3四位数码管显示电路的结构和工作原理3.3.1 七段数码管简介七段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。数码管使用条件：段及小数点上加限流电阻，使用电压：段：根据发光颜色决定；小数点：根据发光颜色决定，使用电流：静态：总电流 80mA（每段 10mA）；动态：平均电流4-5mA，峰值电流100mA。4位数码管引脚图数码管使用注意事项说明：数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；焊接温度：260度；焊接时间：5s；表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来14。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管，如图3-3所示。共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），图中的8个LED分别与上面那个图中的ADP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字15。对于单个数码管来说，从它的正面看进去，左下角那个脚为1脚，以逆时针方向依次为110脚，左上角那个脚便是10脚了，上面两个图中的数字分别与这10个管脚一一对应。注意，3脚和8脚是连通的，这两个都是公共脚。七段数码管结构图如图3-3所示。b） a） c） 图3-3 七段数码管结构图a） 七段数码管字段和引脚分布b） 共阴极 c） 共阳极还有一种比较常用的是四位数码管，内部的4个数码管共用adp这8根数据线，为人们的使用提供了方便，因为里面有4个数码管，所以它有4个公共端，加上adp，共有12个引脚，下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图（共阳的与之相反）。引脚排列依然是从左下角的那个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为112脚。3.3.2 七段数码管驱动方法发光二极管（LED）是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一一电流通过时，它就会发光。七段数码管的显示方法可分为静态显示与动态显示，下面分别介绍。(1) 静态显示所谓静态显示，就是当显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地寻能可截止。这种显示方法为每一们都需要有一个8位输出口控制。对于51单片机，可以在并行口上扩展多片锁存74LS573作为静态显示器接口。静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电注一定的情况下显示器的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，CPU才执行一次显示更新子程序，这样大大节省了CPU的时间，提高了CPU的工作效率；缺点是位数较多时，所需I/O口太多，硬件开销太大，因此常采用另外一种显示方式动态显示。(2) 动态显示所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮），但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应，看到的却是多个字符“同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参烽，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位I/O口（称为扫描口或字位口），控制各位LED显示器所显示的字形也需要一个8位口（称为数据口或字形口）16。动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低，但在控制系统运行过程中，要保证显示器正常显示，CPU必须每隔一段时间执行一次显示子程序，这占用了CPU的大量时间，降低了CPU工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。综合以上考虑，由于温度显示为精确到小数点后两位，故只需4个数码管，又考虑到CPU工作效率与电源效率，本毕业设计采用静态显示。为共阳极显示。3.3.3 硬件编码74LS47是一款BCD码转换为7段输出的集成电路芯片，利用它可以直接驱动共阳极的七段数码管。它的引脚分布如图3-4所示。 图3-4 74LS47管脚图3.3.4显示电路如图3-5所示，4位数码管为共阳管，由于单片机输出电流比较小，故用4个PNP型的三极管9015来驱动数码管。单片机输出低电平时三极管导通，使数码管的4各公共端1、4、5和12脚为高电平，此时数码管的数据端输入低电平后数码管被点亮，120电阻R12到R19为三极管的限流电阻,数码显示电路如图3-5所示。当温度达到37时显示报警，或者烟雾浓度达到4时显示报警。图3-5 数码显示电路图3.4 MQ-2烟雾传感器转换电路3.4.1MQ-2烟雾传感器工作原理本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。半导体烟雾传感器包括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。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200300温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受 到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以 获得这种烟雾存在的信息。遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理17。3.4.2 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标MQ-2型传感器的一般特点：MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。 MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定， 响应时间短，长时间工作性能好。 MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压50.2V。 MQ-2型传感器的特性参数：回路电压：(Vc) 524V；取样电阻：(RL) 0.120K；加热电压：(VH)50.2V；加热功率：(P)约750mW；响应时间：Tres10秒；恢复时间：Trec30秒。3.4.3烟雾传感器转换电路烟雾传感器MQ-2经过ADC0832转换后接单片机端口，7引脚接P3.5引脚，5、6引脚接P3.6引脚，烟雾传感器转换电路如图3-6所示。图3-6 烟雾传感器转换电路3.5报警温度设定按键电路报警温度用按键S2，S3，S4来设置，S2为调整键，按一次可调整报警上限温度值，按两次可调整报警下限温度值，按三次数码管恢复到正常温度显示。S5是紧急呼叫按键。用单片机的3个I/O口接收控制信号，3个按键的一端与地相连，另一端分别与P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相连。这时当按键按下就输入低电平。键盘控制电路如图3-7所示。图3-7 键盘控制电路3.6 电源电路电源是仪器设备正常工作不可或缺的一个重要部分。由220V交流电压转换为5V直流电压的电路图如图3-8所示。图3-8 电源电路3.7 本章小结本章通过对设计思想的介绍,分别对单片机最小系统、DS18B20测温电路、四位数码管显示电路、报警温度设定按键电路、烟雾传感器转换电路、电源电路模块的设计原理进行分析和阐述。对各模块所需的芯片、元器件进行介绍。第4章 系统软件设计本次设计用Keil编程软件进行软件设计。Keil软件是目前最流行的开发系列单片机软件，近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil。它提供了包括C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和仿真调试器在内的完整开发方案，通过集成开发环境将这些部分组合在一起。Keil支持汇编语言和C语言的程序设计，易学易用。4.1 主程序流程图系统主程序首先要给传感器预热三分钟，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟， 预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。 AT89S52单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入段式液晶显示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯及按键功能设置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主程序流程图4.2中位值平均滤波法数字滤波流程图在烟雾传感器对烟雾浓度采样时，可能会遇到尖脉冲干扰的现象。干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。 如果采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的烟雾浓度采样值的偏差。 为此，可采取中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)，先对N个采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N2个数据的算术平均值。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机 干扰。保证报警器检测烟雾浓度的准确性，减小误报、错报的可能。 在实际应用中，N可取任何值，但为了加快测量计算速度，本论文数字滤波的设计中N取10。即调用A/D连续进行10次采样，去掉其中的最大值和最小值，计算其余8个值的平均值，将这个平均值送入寄存器。 中位值平均滤波法的程序流程图如图4-2所示。图4-2中位值平均滤波法程序流程图4.3插值法线性化处理子流程图在单片机测控系统中，使用之前必须进行静态标定，以得到输出信号与被测信号的关系输出曲线，用来作为使用过程中的计量依据。但是标定时输出曲线往往不是一条理想的直线，所以要对标定曲线进行线性化处理，用一条拟合直线近似代替输出曲线，线性化是智能仪表的典型功能之一。该报警器主要针对甲烷烟雾检测，在软件线性化处理时，以传感器对甲烷的响应曲线为依据。 本论文报警器使用的MQ-2型传感器的电阻是随着烟雾浓度的升高而降低的，因此输入单片机的电压也是随之降低的。从单片机采集电压值与烟雾浓度百分比的对应曲线可以看出，电压值与烟雾浓度之间是非线性的关系，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，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线分 成若干小段，对每小段分别线性化。根据分段线性插值法求输入单片机的某一电压值对应的烟雾浓度的公式如下： (4-1)式中 i=1,2,3N;N-所分区间个数; -实际烟雾检测浓度;-实际气体检测浓度对应的电压值;-区间的下限浓度对应电压值;-区间的上限浓度对应电压值;-区间下限烟雾浓度值; -为区间上限烟雾浓度值。根据公式4-1设计分段插值法线性化程序流程图如图4-3所示。图4-3 插值法线性化处理子程序设计及流程图4.4报警子程序流程图当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应通道的红灯闪亮，以提示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的发生。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。报警子程序流程图如图4-4所示。延时20秒后采集一组浓度数据返回监控状态Y是否大于20？N返回上电状态Y消音键是否按下？N启动燃气泄漏报警N传感器故障自诊断传感器有问题？N开始读取处理后的气体浓度值是否大于20？N启动故障报警Y图4-4 报警子程序流程图4.5控制按键设计子程序流程图本报警器设计附加一个按键，功能分别为：确定(消音)。按键处理子程序流程图如图4-5所示。 图4-5 键盘处理子程序流程图4.6 本章小结本章主要介绍软件程序的设计，包括主程序的设计、中位值平均滤波法程序、插值法线性化处理子程序设计、报警子程序、键盘处理子程序几个部分。并且给出了各个部分的程序流程图。第5章 系统调试5.1 Proteus软件介绍本设计硬件仿真环境Proteus，将所有电路图在Proteus中绘制完成，在单片机中加载程序，就可以实现仿真模拟，来观察电路实现的效果，便于修改与改进。Proteus软件的特点是：集原理图设计、仿真和PCB设计于一体，真正实现从概念到产品的完整电子设计工具；具有模拟电路、数字电路、单片机应用系统、嵌入式系统设计与仿真功能；具有全速、单步、设置断点等多种形式的调试功能；具有强大的原理图到PCB板设计功能。Proteus由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS原理图编辑于仿真软件，ARES是布线编辑软件。ISIS软件主要特性有：丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用18， Proteus ISIS的工作界面如图5-1所示。图5-1 Proteus ISIS的工作界面5.2 Keil C软件介绍本次设计软件程序调试所使用的工具是Keil C软件，在软件中通过对程序进行修改和编译，最终使之与电路图结合使用，实现电路功能。Keil C51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。Keil C51编译器的功能不断增强,使你可以更加贴近CPU本身,及其它的衍生产品。Keil C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中,这个集成开发环境包含：编译器,汇编器,实时操作系统,项目管理器,调试器。uVision2IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。KeilC51V7版本是目前最高效、灵活的8051开发平台19。它可以支持所有8051的衍生产品，也可以支持所有兼容的仿真器,同时支持其它第三方开发工具，Keil C的工作界面如图5-2所示。图5-2 Keil C的工作界面5.3 软件调试本设计的软件部分，全部采用C语言编写，软件模块较多，程序可分为主程序模块、显示温度模块、显示烟雾浓度模块、按键程序模块、报警程序模块等。因此采用分块调试的方法来调试程序。首先用Keil调试，调试结果如图5-3所示，产生HEX文件，无误后，再在Proteus中加载程序，进行仿真。 图5-3 Keil调试并生成HEX文件5.4 调试结果基本实现了设计的要求，当烟雾传感器检测到火灾释放的烟雾时，将信号传送的ADC0832进行处理模数转化再到单片机进行处理，当检测到浓度超标时，蜂鸣器进行报警，同时，此系统还可以检测温度，火灾发生往往环境温度会升高。到检测到温度超过设定的报警温度时候，蜂鸣器也将产生报警。报警烟雾级别可通过按钮调节。系统还设计一个紧急按键模拟紧急报警，当检测到烟雾时，可以自动检测报警或者按下紧急开关即可实现报警，总体仿真电路如图5-4所示。图5-4 总体仿真电路图报警条件：当温度达到38时显示报警，或者烟雾浓度达到4时显示报警。当在报警条件下，电路显示的结果如图5-5所示。图5-5 电路仿真结果5.5 本章小结本章介绍了系统调试的内容，包括调试环境、软件调试以及调试的结果。在软件调试中简要介绍Keil C软件以及Proteus软件，并介绍了Proteus调试和生成HEX文件的过程；当温度达到37时显示报警，或者烟雾浓度达到4时显示报警。结 论本论文在单一温度火灾报警器基础上设计了一种可以同时检测温度和烟雾浓度的火灾报警器，将报警器的监测准确度大大的提升了。论文采用DS18B20传感器采集室温，实现温度的采集。采用MQ-2烟雾传感器，实现对烟雾浓度值的测量。当烟雾传感器检测到火灾释放的烟雾时，将信号传送的ADC0832进行模数转化处理再到单片机进行处理. 采用四位七段数码管，实现对温度值以及烟雾浓度值的显示，使人们能观察到温度和烟雾浓度的变化。本设计还设置了多个按键，对报警器的功能进行完善。系统设计一个紧急按键模拟紧急报警，当检测到烟雾时，可以自动检测报警或者按下紧急开关即可实现报警。左面第一个是报警温度的设置；第二个按键是减小键，按一下减小1；第三个按键是增加键，按一下增加1。在本论文研制的报警器的基础上，可以再做适当的功能扩展，使火灾报警器的功能更加完善，使用更加方便。比如添加通信模块，这样就可以远距离将数据和报警传输到管理员处；添加继电器模块，连接洒水装置，可以实现自动灭火；为了能够进一步提高安全性，可以在自动声光报警的基础上，实现带动烟雾管道关断等功能。参考文献1 黄浩忠.火灾自动报警系统简明设计手册M.中国建材工业出版社.2001.156-178. 2 缪顺兵.熊光明.李永萍等.自动火灾报警系统设计与研究J东南大学出版社.2006.3-5.3 陈晓娟.卜乐平.李其修.基于图像处理的明火火灾探测研究J.大连海事大学出版社.2007.6.6-114 LuckHO.DedicateddetectionalgorithmsforautomaticfiredetectionC.InternationalSymposiumonFireSafetyScience:EdinburghUK Spring Berlin Heidelberg.2008.251-25.5 盛建.自动消防报警系统M.天津大学出版社.2005.37-47.6 魏锋.论火灾报警系统的应用及发展J.人民邮电出版社.2006.9.11-12.7 胡显华.火灾探测器误报警的原因及改进方法J.电子工业出版社.2007.11.41-45. 8 YoonDh,YuJh,ChoiGm.COGasSensingPropertiesofZn0-CuOCompositeZ.SensorsandActuators.2009.15-23.9 陈悦.刁若菲.刘志伟等.烟雾检测火灾报警系统的设计J.高等教育出版社.2007.23.32-3710 于智洋.浅析智能建筑中火灾自动报警系统的设计J.人民邮电出版社.2008.2.17-24.11 李萍.AT89S51单片机原理、开发与应用实例M.中国电力出版社.2008.81-92.12 DerekClements-Croome. Intelligentbuildings:design,managementandoperation.ThomasTelfordPublishing.2004.20-33.13 谢望.烟雾传感器技术的现状和发展趋势J.西安电子科技大学出版社.2006.13.1-7.14 Vaughan Bradshaw. The Building Environment: Active And Positive Control SystemM. 2006.145-151.15 李永生.杨莉玲.半导体气敏元件的选择性研究J.传感器技术,2002(3):13.16 张毅刚.彭喜源.谭晓昀.MSC-51单片机应用设计M.哈尔滨工业大学出版社.2004.165-178.17 林立.张俊亮.曹旭东.单片机原理及应用-基于Proteus和Keil C M. 电子工业出版社.2006.132-148.18 张齐.朱宁西.单片机应用系统设计技术-基于C51的Proteus仿真M.电子工业出版社.2009.248-258.19 胡显华.火灾探测器误报警的原因及改进方法J.化学工业出版社.2007.11.12-16. 致 谢经过几个月的忙碌的工作，去图书馆翻找资料，上网查找答案，向老师同学请教编程，本次毕业设计终于完成了，作为大学四年的学习总结