基于单片机的自动火灾报警系统设计

广州大学松田学院 毕业论文（设计）题 目 基于单片机的自动火灾报警系统设计 火灾自动报警器摘要：随着经济的发展，人们对防盗、防劫、防火保安设备的需求量大大增加。针对偷盗、抢劫、火灾、煤气泄漏等事故进行检测和报警的系统，其需求也越来越高。本论文以MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器和STC89C52RC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烟雾报警器。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，具有灵敏度高、结构简单、响应快、抗干扰能力强、性能稳定、智能化、实用价值高等优点，而且价格低廉，使用寿命长。单片机现在也已越来越广泛地应用于智能仪表、工业控制、日常生活等很多领域，可以说单片机的应用已渗透到人类的生活、工作的每一个角落，这说明它和我们每个人的工作、生活密切相关，也说明我们每个人都有可能和有机会利用单片机去改造你身边的仪器、产品、工作与生活环境。关键字：单片机；传感器；信号处理；火灾报警器Automatic fire alarmAbstract: With economic development, peoples demand for anti-theft, anti-robbery, fire security equipment has greatly increased. For accidents such as theft, robbery, fire, gas leak detection and alarm system, and its demand is increasing. AT89C51 microcontroller, optional integrated temperature sensor the AD590 and gas sensor TGS202 as the sensing element, the use of multi-sensor information fusion technology, developed for small flats fire alarm voice digital networked alarm. SCM now has been more and more widely used in many fields of smart instrumentation, industrial control, daily life, it can be said that the application of SCM has penetrated into human life, in every corner of the work, which shows that it is work, and each of us life is closely related to, and also shows that each of us may have and the opportunity to use a microcontroller to transform you around the instruments, products, work and living environment.Keyword: Microcontroller; sensor; signal processing; fire alarm目 录摘要1第一章、自动报警器的简介和产生 5 2.1 自动报警器的简介5 2.2 自动报警器的产生5第二章、火灾探测器的分类、基本原理6 2.1 探测器的种类6 2.2 常用的火灾探测器基本原理7 2.3设计系统的总体架构8第三章、烟雾检测报警器硬件设计9 3.1烟雾检测报警器的硬件组成9 3.2烟雾检测报警器的硬件设计9 3.3信号采集及前置放大电路设计9 3.4声音报警电路10 3.5数码管显示电路10 3.6状态指示灯及控制电路11第四章、烟雾检测报警器软件设计12 4.1烟雾检测报警器软件流程 12 4.2主程序设计及流程图 12 4.3报警子程序设计及流程图13结束语14参考文献15致谢15第一章、自动报警器简介和产生1.1 自动报警器简介现代化的建筑规模大、标准高、人员密集、设备众多，对防火要求极为严格。为此，除对建筑物平面布置、建筑和装修材料的选用、机电设备的选型与配置有许多限制条件外，还需要设置现代化的消防设施。随着我国经济建设的发展，各种高层建筑、大中型商业建筑、厂房不断涌现，对自动消防报警系统提出了更高更严的要求。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，保卫社会主义现代化建设，在现代化的工业民用建筑、宾馆、图书馆、科研和商业部门，火灾自动报警系统已成为必不可少的设施。电气工程设计、安装和使用是否正确不仅直接影响到建筑的消防安全而且也直接关系到各种消防设施能否真正发挥作用。因此，自动报警及消防联动的设计及设备选型显得尤为重要。1.2 自动报警器的产生火灾报警控制器是一种能为火灾探测器供电、接收、显示和传递火灾报警等信号，并能对自动消防等装置发出控制信号的报警装置。它是火灾自动报警系统的重要组成部分。在一个火灾自动报警系统中，火灾探测器是系统的“感觉器官”，随时监视着周围环境的情况；而火灾报警控制器，则是该系统的“躯体”和“大脑”，是系统的核心。它的主要作用是供给火灾探测器高稳定的直流电源；监视连接各火灾探测器的传输导线有无断线故障；保证火灾探测器长期、稳定、有效地工作。当火灾探测器探测到火灾后，能接受火灾探测器发来的报警信号，迅速、正确地进行转换和处理，并以声光报警形式，指示火灾发生的具体部位，以便及时采取有效的处理措施。第二章、火灾探测器的分类、基本原理及系统的总体架构（一）.自动报警器分类与基本原理2.1 探测器的种类火灾探测器的种类很多，大致有如下几种：（1）离子感烟探测器。（2）光电感烟探测器。（3）感温探测器（包括定温式和差温式）。（4）气体式探测器。（5）红外线式探测器。（6）紫外线式探测器。2.2 常用的火灾探测器基本原理感烟探测器:顾名思义就是对环境的烟气浓度按一定频率进行收集并分析其成分,一般火灾发生之后空气中的CO2,有毒气体浓度明显上升,当浓度达到一定值时,探测器认为已经发生火灾便会报警.当然有时候吸烟引起的浓度上升也会被当作火灾处理,所以有感烟探测器的地方一般禁止吸烟.（1）感烟火灾探测器火灾发展过程大致可以分为初期阶段、发展阶段和衰减熄灭阶段。感烟火灾探测器的功能在于：在初燃生烟阶段，能自动发出火灾报警信号，以期将火扑灭在未成灾害之前。根据结构不同，感烟探测器可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器。1.离子感烟探测器离子式感烟探测器是由两个内含Am241放射源的串联室、场效应管及开关电路组成的。内电离室即补偿室，是密封的，烟不易进入；外电离室即检测室，是开孔的，烟能够顺利进入。在串联两个电离室的两端直接接入24V直流电源。当火灾发生时，烟雾进入检测电离室，Am241产生的射线被阻挡，使其电离能力降低，因而电离电流减少，检测电离室空气的等效阻抗增加，而补偿电离室因无烟进入，电离室的阻抗保持不变，因此，引起施加在两个电离室两端分压比的变化，在检测电离室两端的电压增加量达到一定值时，开关电路动作、发出报警信号。2.光电感烟探测器感光探测器:光是热源辐射的结果,所以感光也就是感应辐射,人体也在不断的辐射波,但是由于本体温度较低,辐射波的波长一般较大,而火灾的热源发出的光较强能被探测出来,据某些科学家分析,火灾发生的时候还会发出一种独特的声波,根据这种波做出感声探测器能有效克服其他探测器的普遍失误的情况.光电式感烟探测器由光源、光电元件和电子开关组成。利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。a、一般光电式感烟探测器根据其结构特点可分为遮光型和散射型两种。遮光型光电感烟探测器由一个光源（灯泡或发光二极管）和一个光电元件对应装在小暗室内构成。在无烟情况下，光源发出的光通过透镜聚成光束，照射到光电元件上，并将其转换成电信号，使整个电路维持在正常状态，不发出报警。当火灾发生有烟雾进入探测器，使光的传播特性改变，光强明显减弱，电路正常状态被破坏，则发出报警信号。散射光电式感烟探测器的发光二极管和光电元件设置的位置不是对应的。光电元件设置在多孔的小暗室里。无烟雾时，光不能射到光电元件上，电路维持正常状态。而发生火灾时，有烟雾进入探测器，光通过烟雾粒子的反射或散射到达光电元件上，则光信号转换成电信号，经放大电路放大后，驱动自动报警装置发出报警信号。b、激光式感烟探测器。由激光发射机（包括脉冲电源和激光发生器）和激光接收器（包括光电接收器、脉冲放大及报警）组成。它利用激光方向性强、亮度高及单色性和相干性好的特点。在无烟情况下，脉冲激光束射到光电接收器上，转换成电信号，报警器不发出报警。一旦激光束在发射过程中有烟雾遮挡而减弱到一定程度，使光电接收器信号显著减弱，探测器发出报警信号。在种类繁多的激光光源中，半导体激光器由于具有所需激发电压低、效率高、脉冲功率大、器件体积小、耐震、寿命长和价格低廉等优点而受到重视。c、紫外光和红外光感烟探测器。它们具有灵敏度高、性能稳定、可靠、探测方位准确等优点，因而得到普遍重视，并成为目前火灾探测器的重要设备和发展方向。光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。（2）感温火灾探测器感温探测器:对环境温度进行实时探测,一旦发现温度较高的能量源,便会对其进行分析,如果和火灾本身温度变化趋势相似则被当作火灾处理. 感温探测器按结构原理不同有双金属片型、膜盒型、热敏电子元件型等三种。1.双金属片型是应用两种不同膨胀系数的金属片作为敏感元件的，一般制成差温和定温两种形式，定温式是当环境温度上升达到设定温度时，定温部件立即动作，发出报警信号；差温式是当环境温度急剧上升，其温升速率（/min）达到或超过探测器规定的动作温升速率时，差温部件立即动作，发出报警信号。2.膜盒型探测器由波纹板组成一个气室，室内空气只能通过气塞螺钉的小孔与大气相通。一般情况下（指环境温升速率不大于1/min），气室受热，室内膨胀的气体可以通过气塞螺钉小孔泄漏到大气中去。当发生火灾时，温升速率急剧增加，气室内的气压增大，波纹板向上鼓起，推动弹性接触片，接通电接点，发出报警信号。3.电子感温探测器由两个阻值和温度特性相同的热敏电阻和电子开关线路组成，两个热敏电阻中一个可直接感受环境温度的变化，而另一个则封闭在一定热容量的小球内。当外界温度变化缓慢时，两个热敏电阻的阻值随温度变化基本相接近，开关电路不动作。火灾发生时，环境温度剧烈上升，两个热敏电阻阻值变化不一，原来的稳定状态破坏，开关电路打开，发出报警信号。 （二）、设计系统的总体架构火灾自动报警与消防联动控制系统是建筑物防火综合监控系统，由火灾报警系统和消防联动控制系统组成。在实际工程应用中，系统的组成是多种多样的，设备量的多少、设备种类都会有很大的不同。本论文的火灾报警器主要由以下几项组成1烟雾检测报警器2信号采集及前置放大电路3 声音报警电路4 数码管显示电路5 状态指示灯及控制键电路报警器系统结构框图如1所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入等功能。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本5。第三章、烟雾检测报警器整体设计3.1 硬件组成本论文中的烟雾检测报警器以STC12C5410AD单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。 首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入STC12C5410AD单片机；然后，在STC12C5410AD单片机内A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝 或电缆线和传感器断线或接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。 当然几种状态的报警信号是各不相同的。 3.2烟雾检测报警器的硬件设计在报警仪的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的烟雾浓度对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求7。在单片机完成这些的工作中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况做进行相应处理。3.3信号采集及前置放大电路 传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销。所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。 LM324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。3.4声音报警电路 声音报警电路图如图3所示。报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮。当单片机STC12C5410AD的17脚(P3.7)置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器报警4。本报警器采用单片机STC12C5410AD的PWM功 能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P3.7(PWM)口输出占空比一定的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。3.5数码管显示电路 报警器浓度显示采用共阳数码管3。3.6状态指示灯及控制键电路 状态指示灯及控制键电路图如图5、图6所示。单片机STC12C5410AD的18脚(P1.0)、12脚(P2.4)、13脚(P2.5)，控制输出的状态指示灯。绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低。黄灯闪亮表示传感器加热丝或者电缆发生断线或者接触不良。红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。 当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下按键停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。第四章、 烟雾检测报警器的软件设计4.1烟雾检测报警器软件流程 本论文中，软件解决的主要问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行转换，数字滤波，段式液晶浓度显示，按键功能设置，以及报警器声光警报。 4.2主程序设计及流程图 主程序流程图如图7所示。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10。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。 STC12C5410AD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。4.3报警子程序设计及流程图 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8。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9。报警子程序流程图如图8所示。4.4控制按键设计子程序及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9所示。参考文献：1 孙育才，MCS-51系列单片微型计算机及其应用，第4版，东南大学出版社，20062 王庆，Protel 99 SE&DXP电路设计教程，电子工业出版社，20083 康华光，电子技术基础模拟部分，第4版，高等教育出版社,2006 4 刘军，单片机原理与接口技术，华东理工大学出版社，20065 赖寿宏，微型计算机控制技术，机械工业出版社，20096 李中望，一种智能火灾报警系统的设计方案，安防科技，20087 王忠民，基于单片机的语音数字联网火灾报警器设计，现代电子技术，2004，27（10）8 Atmel Corporation 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash AT89S52结束语火灾自动报警系统的设计，必须遵循国家有关方针、政策、规范和公安消防部门的有关法规，针对保护对象的特点，做到安全可靠、技术先进、经济合理、使用方便。火灾自动报警系统的保护对象是建筑物或建筑物的一部分。不同的建筑物，其使用性质、重要程度、火灾危险性、建筑结构形式、耐火等级、分布状况、环境条件以及管理形式等各不相同。在设计中应仔细研究这些情况，根据不同的情况选择不同的火灾自动报警系统：保护对象规模不大，重要程度不高，可选用区域报警系统，当区域报警控制器垂直方向警戒各楼层探测区域时，应在每个楼层的各楼梯口明显部位装设识别楼层的灯光显示装置，以便发生火警时（特别是夜间火灾），能及时找到火警区域，并迅速采取相应措施；保护对象规模大，重要程度高，人员集中，联动设备也多，可采用集中报警系统或控制中心报警系统。本文研制的用于小型防火单位的语音数字联网火灾报警器具有以下特点：(1)能对室内烟雾(CO2，CO)及温度突变进行报警(声光报警)。(2)如果出现硬件故障(如传感器遗落、内部元器件损坏等)，能发出故障报警。(3)如果只有一种参数出现异常(如烟雾浓度过大或是温度较高)，能发出异常报警信号，令值班 人员到现场处理。(4)如果烟雾和温度同时出现异常，则说明有火灾，发出火灾警报，并及时将火灾信息上报消防指挥中心。 现场模拟实验表明，本系统安全可靠，误报率低。且由于其体积小、操作维护方便、成本低廉等，具有广阔的应用前景。