单片机C51火灾报警器课程设计

郑州航空工业管理学院单片机原理及应用课程设计论文 2009 届 自动化 专业 * 班级题 目 火灾报警器设计 姓 名 * 学号 * 指导教师 * 二一二 年 六 月 二 日一、 火灾报警器设计的基本原理此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学三年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的声光报警系统。80C51单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。当周围的环境达到我们设定的数值时，声光传感器把被测的物理量作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。而我们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合A/D转换器的输入等级，这样就可以简化整个系统的设置。传感器将物理信号经过A/D转换器转化为可以利用识别的电信号给单片机，这里我们选择单片机的P1.0为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定会由P2.0作为单片机的输出直接启动报警电路。此时，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时二极管发光，这就达到了声光报警的效果。二、设计方案根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了声光报警系统的总体框图如下图所示：温度A/D转换器80C51声光报警传感器湿度烟雾浓度使用80C51单片机，选用声光传感器作为敏感元件，利用AD574A转换器和声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位火灾报警的声光报警器。整个设计由4大部分构成：声光传感器、A/D转换电路、80C51单片机、声光报警电路。其中，声光传感器是将现场温度、声光等非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将声光传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。综合考虑各因素，本文选择NIS-09声光传感器用作采集系统的敏感元件。它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。A/D转换器选用AD574A转换器。三、硬件设计主控电路设计硬件设计中最核心的器件是单片机80C51，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比较。整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机80C51实现其控制功能。单片机的选择单片机是本方案的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎，下面我们来拿8031和STC89C5RC做一下比较。 8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。 由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。我们统称这些与8051内核相同的单片机为51系列单片机。 在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的STC89C5RC更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL AT89Cx 做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。而且STC89C5RC目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。 单对STC89C5RC来说，在实际电路中可以直接互换8051和8751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地，单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；而8051/8751/89c51因内部有程序存储器，31脚接高电平，单片机启动后直接在内部读取指令。也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取，其他无须改动。另外，STC89C5RC替换8031后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和373芯片。由于内部RAM的存在，可以减少I/O扩展芯片、锁存器及片外RAM等等，使整个设计显得简单明了，所以我们选择STC89C5RC。 A/D转换器的选择 A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10位、12位、16位等。位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。而就其结构而言，有单一的A/D转换器，有内含多路开关的A/D转换器。根据本设计的需要，我选择的A/D转换器是ADC0809芯片。ADC0809是美国Analog Device公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，转换速率高，自带三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连而无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容，是目前我国应用最广泛，价格便宜的A/D转换器。加之内部含有三态输入缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口电路，内部设置的高精参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能完成A/D转换功能，应用非常方便。烟雾传感器的选择 烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾 种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。 使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。 阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将 使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环 境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。 因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。 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，它具有灵敏度高， 响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳 定性(使用寿命)。 经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，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。 温度传感器的选择 温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段： 1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。传统的分立式温度传感器如热电偶传感器。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600进行连续测量,特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到-269，钨铼最高可达2800。 2.模拟集成温度传感器/控制器。它的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。 3.智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。 温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。 非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。综合以上，我选择数字温度传感器DS18B20。该产品采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，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数字测温和控制领域。DS18B20一线总线数字式传感器，独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯，用户可定义的非易失性温度报警设置 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 外围接口电路设计NIS-09声光传感器简介在设计中我们之所以选用NIS-09声光传感器，是因为它的输出模拟量与我们所用的A/D转换器输入等级相符合。（NIS-09声光传感输出电压是5.6+0.4v，A/D转换器的输入量程是0+10V）声光传感器主要有以下两种：(1)散射式 在发光管和光敏电阻之间设置遮光屏，无声光时光敏元件接收不到信号，有声光时使光敏元件发出信号。(2)离子式用放射性同位素镅Am241放射出微量的a射线，使附近空气电离，当平行平板电极间有直流电压时，产生离子电流Ik。有声光时，微粒将离子吸附，而且离子本身也吸收a射线，其结果是离子Ik减小。若有一个密封装有纯净空气的离子室作为参比元件，将两者的离子电流比较，就可以排除外界干扰，得到可靠的检测结果。 在本次设计中，我们选用NIS-09声光传感器。它是离子式烟雾传感器，是日本NEMOTO公司专为检测延误而精心设计的新型传感器。A/D转换器的选择AD574A系列的所有型号和功能因脚和排列都相同，因而它们与单片机借口也相同。AD574A所有型号都有内部始终电路，不需要任何外接器件和连线。图3-9为AD574A与80C51单片机的接口电路。该电路采用双极性输入方式。根据声光传感器输出电压是5.6+0.4v，在设计时我们选用单极性输入方式。 当AD574A与80C51单片机配置时，由于AD574A输出12位数据，所以当单片机读取转换结果时，应分两次进行：当A0=0时，读取高8位；当A0=1时，读取低4位。图中AD574A的STS与80C51的P1.0线相连，故采用查询方式读取转换结果。声光报警电路声光报警电路由单片机P2.0口控制，输出报警信号(高低电平间隔1 s的脉冲信号)，驱动声光报警电路，直至按复位键RESET和开关键。声光报警电路由555定时器、扬声器和普通发光二极管组成，电路图如图3-10所示。其中555定时器接成了一个低频多谐振荡器，其控制电压出入端5脚与单片机80C51的P2.0端相连，受P2.0脚输出的脉冲信号控制。由电容C4的充冲放电作用，当P2.01时，555输出脉冲的振荡频率较低，当P2.00时，555输出脉冲的振荡频率较高。该脉冲信号经隔置电容C2加到扬声器上，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时P2.0脚输出的高低电平间隔1 s的脉冲信号经电阻R1加到发光二极管LED上，LED将闪烁发光，达到声光同时报警的效果总电路设计根据要求，设计中我们选用80C51单片机。80C51单片机的主控电路包括时钟电路、复位电路。而传感器是将非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量。当今信息时代，随着电子计算机技术的非速发展，自动检测，自动控制技术显露非凡的能力，而大多数设备只能处理电信号，也就需要把被测，被控非电量的信息通过传感器转换成电信号。可见，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕捉和转换，就没有现代自动检测和自动控制系统。没有传感器就没有现代科学技术的迅速发展。设计中，传感器我们选择的是NIS-09声光传感器。必须利用微粒的特点检测。而NIS-09声光传感器它的性能参数是我们选择它理由。声光传感器连接在A/D转换器的输入接口。我们将主控电路和外围接口电路（80C51与A/D转换器的接口电路、80C51与声光报警电路）连接起来，就得到了基于80C51的声光报警总电路图。当外部环境达到一定值时，声光传感器就会产生模拟电压，将它作为输出的模拟信号经AD574A转换器转换为80C51单片机所能识别的数字电压量。通过P1.0检测信号。当有信号输入时，经程序设定就会驱动80C51单片机的P2.0。而P2.0是与声光报警电路相连接的。综上所述，得出总电路图如下图所示：四、软件设计Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。51的编程语言常用的有二种：一种是汇编语言，一种是C语言。汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性却并不强，复杂一点的程序就更是难读懂，而C语言在大程序流程在整个程序流程中，经常要控制一部分指令重复执行若干次，以便简短的程序完成大量的处理任务。这种按某种控制规律重复执行的程序称为循环程序。循环程序有先执行后判断何先判断后执行两种基本结构。而我们要选用的是先判断后执行。因为声光传感器的输出电压量为5.66.0v之间。根据单极性输入的转换关系D=4096VIN/VFS，计算出它的数字量最小值:D1=40965.6/10=2294;最大值D2=40966/10=2458.然后把它们的数字量转化为二进制数。D1、D2转换为二进制数分别是100111110110、100110011010。由于AD574A输出12位数据，所以当单片机读取转换结果时，应分两次进行：当A0=0时，读取高8位；当A0=1时，读取低4位。AD574A的STS与80C51的P1.0线相连，故采用查询方式读取转换结果。我们将A/D转换器读取结果存入17H、18H、19H、20H单元中。其中17H存入的是较小数D1的高八位10011111，18H存入的是较小数D1的低四位0110；19H存入的是较大数的高八位10011001，20H存入的是较大值的低四位1010。将数值存入单元以后，接下来就是比较。当被测的数值经计算机的转换在比较范围内，经程序设定80C51单片机的P2.0就会输出脉冲启动报警电路程序。程序流程图如下图所示:开始初始化信号采集调用A/D转换程序Y变量是否在安全范围N声光报警结束主程序:ORG 0000HSTART: MOV DPTR, # 0FFF8H ；送端口地址入DPTR MOVX DPTR, A ；启动AD574A SET P1.0 ；置P1.0为输入方式LOOP: JB P1.0, LOOP ；检测P1.0口 INC DPTR ；使R/C为1MOVX A, DPTR ；读取高8位数据MOV 41H, A ；高8位内容存入41H单元INC DPTR ；使R/C、A0均为1INC DPTR MOVX A, DPTR ；读取低4位MOV 40H, A ；将低4位内容存入40H单元MOV 17H, #10001111B ；将比较的数值存入单元中MOV 18H, #0110BMOV 19H, #10011011BMOV 20H, #1010BMOV AL, 40H ；将40H的内容存入AL单元中MOV AH, 41H ；将41H的内容存入AH单元中 01: CMP AH, 17H ；比较最小数值的高八位 JA LP1 JBE LP2 LP1: JMP 03 LP2: JMP 01 02: CMP AL,18H ；比较最小值的低四位 JA LP3 JBE LP4 LP3: JMP 01 LP4: JMP 04 03: CMP AH,19H ；比较最大值的高八位 JA LP5 JBE LP6 LP6: JMP 03 LP5: JMP 01 04 : CMP AH ,20H ；比较最大值的低四位 JA LP7 JBE LP8 LP8: JMP 01 LP7: JMP 04 05: SET P2.0 ；报警 DEL: MOV R7,#200 ；延时50msDEL1: MOV R6,#123 NOPDEL2: DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1 RET ；返回 END ；结束五、结论本次设计以STC89C5RC1单片机作为智能系统的主控制单元，辅之以适当的软、硬件模块设计完成以单片机为核心的智能火灾报警系统设计，实现火灾报警。本文的主要功能是基于单片机的硬件应用研究型设计，设计和实现一种分布式智能火灾报警控制系统。通过多个传感器感知火灾发生时周围环境的变化，及时采得数据，通过处理给予正确的报警信号，及时发现火灾，挽救生命财产损失。在本次设计中，主要掌握了C51单片机C语言的软件编程方法、MQ-2烟雾传感器及DS18B20数字温度传感器的参数和使用方法。硬件单元设计主要由单片机主控处理模块、A/D转换模块、数据采集模块、报警电路模块四个模块组成。了解了四个模块的使用方法和连接方法，能够从整体上把握智能火灾报警系统设计。在这两个多月的学习中，我学到了很多。首先对单片机的了解和应用得到了加深。其次，对MQ-2烟雾传感器及DS18B20数字温度传感器等很多芯片的使用及特性有了一定的了解。最后，通过绘制原理图，对Protel 2004 软件的操作得到更经一部的掌握，也对KEIL编程环境有了一些了解。本设计的主要优点是利用单片机做主控单元实现对火灾信号的报警，硬件电路相对比较简单，从多方面考察了硬件设计的相关知识。整个设计是一种结构简单、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。参考文献：1、程 琤，单片机与应用系统开发2、康华光，电子技术基础模拟部分4、康华光，电子技术基础数字部分5、宋文绪，传感器与检测技术设计总结：经过几天的努力，终于完成了对火灾报警器的设计，心里十分是高兴，这是我在自己的努力以及老师和同学的帮助和通过网上查找大量资料而完成的。这次设计我们得到了很多，我确实学到了不少平时在课堂上所学不到的知识，这样的课程设计不论是对我们的理论知识还是实践能力都有很大的帮助，可以使我们能更快更准确的掌握专业方面的理论知识。对办任何事情我们都要先经过认真细致的观察和分析，才能确定我们到底该如何去最快最好的完成它。我觉得这个方面的经验是最宝贵的，也是我们在毕业后，进入社会所必须的能力。我们也只有具备了这个基本的能力后，才不至于在以后的生活、学习和工作中走弯路，使自己能够更快更好地融入社会，更好地服务于社会。在这次课程设计中，我收获了很多，也深切体会到了把知识转换为实践的快乐。在这里真心对老师表示由衷的感谢，感谢老师这一个学期以来对我的谆谆教诲，让我从中收获了宝贵的知识。指导教师评语：课程设计成绩： 指导教师签名： 年 月 日