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1、单片机课程设计 火灾自动报警系统任务书 本文采用气体传感器、温度传感、AT89S52单片机以及LED显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。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。 本系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为处理器，主要完成以下工作： 1. 基于AT89S52的火灾报警检测设计方案。 2. 温度传感器AD590、烟雾传感器TGS202、A/D转换芯片ADC0809的选择以及与单片机的接口电路设计。 3. LED数码管驱动芯片ICM7218与单片
2、机的接口电路及其与数码管的硬件连接。 4. 设计主要软件程序模块，完成软件设计。 目录 第1章 绪 论 .1 1.1 选题背景及意义.1 第2章 火灾自动报警系统的工作原理 .1 2.1 系统总体功能概述.1 2.2 火灾探测器的原理.2 第3章 系统硬件设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1 单片机外围接口电路 .3 1 3.2 信号处理电路 .4 3.3 A/D转换模块 .4 3.4 声音报警电路 .5 3.5 数码管显示电路.6 3.6 报警器故障自诊断.8 第4章 系统软件设计 .9 4.1 主程序流程图 .9 4.2 主程序初始化流程图 .10 4.3 滤波子程序 .
3、 11 4.4 线性化子程序 . 11 4.5 报警子程序 .13 4.6 键盘处理子程序.15 结论 .16 致谢 . 错误！未定义书签。 参考文献 .17 2 第1章 绪 论 1.1 选题背景及意义 严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，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上网，为社会减少不必要的损失。 第2章 火灾自动报警系统的工作原理 2.1 系统总体功能概述 火灾报警系
4、统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象气、烟、热、光的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出声光报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，利用本机专用电话还可迅速发出指示和向消防队报警。此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。整体电路的框图如图2-1所示： 第1页 传感器 放大电路 A/D转换 单片机 状态指示灯 声音报警 浓度显示 串口通信 按键 2.2
5、 火灾探测器的原理 火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类： 感烟探测器。一种是离子感烟探测器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。感温探测器。一种是运用金属热胀冷缩的特性。正常的情况下，探测器的电路断开，当温度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。光辐射探测器。一种是红外光辐射探测器。物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。图2-1 系统原理及组成框图 第2页 第三章 系统硬件设计 3.1 单片机外
6、围接口电路 AT89S52单片机外围接口电路如图3-5所示，主要包括： 1.晶振电路：内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHZ12MHZ之间，外接两个谐振电容。该电容的典型值为30pF,该设计选用33pF。 2.复位电路：单片机复位采用按键高电平复位，而单片机在平时则复位端为低电平0. 3.直流电源 图3-5 单片机外围接口电第3页 123.2 信号处理电路 VCCDViR20KD1C0.1uF312LM324AVoRR20K100K图3-6 信号处理电路 C对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性的要求。在本报警器电路中，同样要
7、对两类传感器的输出信号进行放大调理。电路图如上图3-6所示，运算放大器接成电压放大电路。从传感器采集过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信号。采样时，把相应的模拟电压信号从Vi端送进LM324A进行放大处理后，从Vo端输出送入A/D转换电路。 3.4 A/D转换模块 经气敏传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行A/D装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。 B第4页 图3-7 A/D转换电路 3.3 声音报警电路 由AT89S52的21脚实现声音报警控制。当可燃性气体浓度或温度超过限定值时，将P2.0置为低电平，三极管
8、导通，扬声器发出鸣叫报警。其电路原理图如图3-8所示。 第5页 图3-8 声音报警电路图 3.5 数码管显示电路 数据采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，就被传送到系统的显示模块，让人们更直接地观察到相关数据。在本系统中，对LED进行的是动态扫描，除了给显示器提供段的输入之外，还要对显示器进行位控制。显示器的第一位显示所选择的通道号，而后三位则显示该通道传送进来的相应的数字量。 第6页 23图3-9 数码管显示电路图 35 状态指示灯及控制键电路 VCC R5 470R4470D1红D2p2.2黄D3p2.3 R3470绿p2.4图3-10 状态指示灯电路 第7页 图3-11 控制按键连
9、接示意图 P2.1：S1功能转换键，按此键则开始键盘控制。 P2.5：S2加，按此键则温度设定值加一度或烟雾浓度增加0.01。 P2.6：S3减，按此键则温度设定减少一度或烟雾浓度减少0.01。 RST： S4复位键，使系统复位。 3.6 报警器故障自诊断 判断传感器电源连接情况。在传感器的地端串联一个电阻R，当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P2.1口检测到：如果如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。 第8页 第4章 系统软件设计 4.1 主程序流程图 主程序流程图如图4-1所示： 开始 初始化 传感器预热、故障检测 键盘
10、处理 是否按下模式切换 N A/D转换 Y 报警限设置 平均值法滤波 线性化处理 Y 是否超过报警限 N 浓度显示 报警子程序 设置指示灯状态 图4-1 主程序流程图 第9页 4.2 主程序初始化流程图 主程序初始化流程图如图3-2所示。这部分实现的功能包括各种I/O输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等。首先设定定时器工作方式，然后开系统中断，以便响应中断定时，及时对气体浓度和温度进行采样。然后关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。 开始 定时器初始化 开中断 关闭蜂鸣器，打开绿灯 N 是否保持报警初值 Y 返回 设定初值 图4-2 主程序初始化流程图 第10页 4.3 滤波子程序 开
11、始 设定采样次数 调用A/D采样 N 已达到设定次数 Y 将采样值排序 求第二个到第九个采样值的累加和 将累加和求平均值 送入寄存器 图4-4 滤波子程序流程图 4.4 线性化子程序 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： 式中，N为所分区间个数，f(x)为实际烟雾检测浓度，x为实际气体检测浓度对应的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi+1是区间的上限浓度对应电 第11页 压值，f(xi)为区间下限烟雾浓度值，f(xi+1)为区间上限烟雾浓度值。分段插值法线性化程序流程图如图4-5所示： 开始读取滤波电压X查表并确定X所在电压区间求电压值X与所在区间下限
12、差Xm=X-Xi求X所在区间的上下限浓度值的差Z=f(Xi+1)-f(Xi)求上下限电压值的差Xd=Xi+1-Xi求Z与Xd的比K=Z/Xd求出K与X的和S=K*Xm求出f(X)=f(Xi)+S保存浓度值返回图4-5 线性化子程序 第12页 4.5 报警子程序 当烟雾浓度或温度值超过报警限设定值时，蜂鸣器发声，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，对烟雾浓度和温度进行快速重复检测和延时报警，以区别出时管道中烟雾的泄露，还是由于暂时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
13、4-6所示。 第13页 开始 读取处理后的气体浓度值或温度值 Y 烟雾浓度0.06或温度100 延迟20秒后采集一组数据 N N 是否烟雾浓度0.06或温度100 Y 传感器故障自诊断 Y 传感器有问题 启动故障报警 N 启动火灾报警 N 复位键是否按下 Y 返回 图4-6 报警子程序流程图 第14页 4.6 键盘处理子程序 按键处理子程序流程图如图4-7所示。 开始 扫描键值 N 是否有键按下 Y Y 延时10ms消抖 N 是否有键按下 Y 提取键值 调用键盘 处理子程序 结束 图4-7 键盘处理子程序流程图 第15页 结论 火灾报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的
14、发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。 通过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识也更加深入，使自己对本专业更加的热爱，对本科阶段四年的学习做了进一步的总结，更加明确了自己学习的目标和方向。在设计过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验心得。而且，对工程设计的流程和步骤有了清晰的认识，为自己日后的学习和研究打下了坚实的基础。 第16页 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，2006 2 王庆，Protel 99 SE&DXP电路设计教程，电子工业出版社，2008 3 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，2006 5 赖寿宏，微型计算机控制技术，机械工业出版社，2009 6 李中望，一种智能火灾报警系统的设计方案，安防科技，2008 7 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 8 Atmel Corporation 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash AT89S52 第17页 附 录 第18页
