火灾报警器毕业设计.doc

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1、目录第一章 绪 论 1.1 选题背景及意义 1.2 本文所做的工作第二章 火灾的探测与报警技术 2.1 产生的现象 2.2 火灾的探测方法 2.3 火灾探测传感器 2.4 火灾报警技术第三章 火灾探测器的分类与原理 3. 1 感温火灾探测器 3. 2 感烟火灾探测器 3. 3 感光火灾探测器 3.4 可燃气体火灾探测器 3.5 复合式火灾探测器第四章 报警器的选择及其硬件的介绍 4.1 报警器的选择 4.2-1 核心芯片的选择及其简介 4.2-2 单片机外围接口电路 4.3 A/D转换芯片的选择与简介 4.4 集成温度传感器AD590 4.5 气体传感器TGS202 第五章 系统硬件设计 5.

2、1 前段信号调理电路 5.2 复位电路与晶振电路 5.3 数据采集电路第六章 系统软件设计 6.1 软件开发环境 6.2 火灾报警系统程序设计 6.3 数据采集程序 6.4 火灾判断与报警程序第七章 总结与展望 7.1 总结 7.2 展望附录1附录2致谢参考文献第一章 绪 论1.1 选题背景及意义 火灾时可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所照成的灾害，是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。据统计，自1993年以来，火灾照成的直接损失接近十几亿元，年均死亡2000多人。随着经济和城市的快速发展，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

3、趋势。一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成极大的危害。 严峻的事实证明，随着社会的经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然照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，练好的监控系统和即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。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。 随着电子产品在人类生活中的适合用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周

4、到处潜伏着火灾隐患。智能化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。1.2 本文所做的工作 本文采用气体传感器、温度传感器、AT89C51单片机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AT89C51单片机作为处理器，主要完成以下工作： 1. 基于AT89C51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

5、换芯片ADC0809的选择以及与单片机的接口电路设计。 3. 设计主要的软件程序模块，完成软件设计。第二章 火灾的探测与报警技术2.1 产生的现象 物质的燃烧是一种伴有光和热的化学反应，因此物质在燃烧过程中一般有下列现象产生。产生热量 物质在燃烧过程中会释放出大量的热量，从而会使周围环境温度升高。而在燃烧速度非常缓慢时，周围环境温度发生的微小变化是不容西被鉴别出来的，也往往是人们所忽视。产生烟雾 一般把人肉眼能见到的燃烧气体，即粒子直径大于0.01微米的称之为烟雾，烟雾有很大的流动性，它能潜入建筑物的任何空间，烟雾也是有毒的气体，它对人的生命有特别大的威胁，据统计，在火灾中有70%的死亡时由于

6、烟雾及有害气体造成。产生燃烧气体 物质在燃烧时会释放出燃烧气体，其中有单分子的一氧化碳和二氧化碳气体等。产生火焰 火焰石物质着火产生的热气体而发出的光，它是一种辐射能量，物质从燃烧到产生火焰，是物质的全燃烧阶段，在这个阶段中，火焰可辐射出可见光、红外光及紫外线。2.2 火灾的探测方法 火灾的探测是以物质在燃烧过程中产生的各种想象为依据的，并应早期发现火灾为前提。因为火灾的早期发现，是从分发挥灭火措施、减少火灾损失、保护生命财产的重要条件。 火灾探测方法从原理上主要可分为：温度探测方法、空气离化法、火焰检测法及可燃气体检测法。目前使用的较多的火灾探测器有感烟式、感光式、感温式、可燃性气体探测式及

7、多鉴式等类型，而在每种类型中可分为不同的形式。在十几使用时，课根据不同的防火场所去选择合适的方法，以发挥火灾探测器的效能，有效地探测火灾，从而实现早期发现火灾、早期报警的目的。 火灾报警器是重要的安全设备，一切重要的场所都应该安装。它还可以与自动灭火设备仪器组成自动报警、自动灭火的“自动消防队”。2.3 火灾探测传感器 火灾报警的关键是火灾探测传感器，并要求这些传感器能早期探测到火灾的发生。常见的火灾探测传感器见表 1-1。类别传感器形式类别传感器形式感温式传感器双金属定温传感器感光式传感器光敏电阻易溶金属定温传感器紫外线传感器水银接点定温传感器红外线传感器半导体差温传感器可燃性体传感器半导体

8、气敏元件金属膜盒式差传感器接触燃烧式气体传感器感烟式传感器离子感烟火灾报警器光电式可燃性气体传感器遮光定温传感器固体电介质可燃性气体传感器散光式感烟传感器复合式传感器感温感烟火灾传感器激光式感烟传感器感温感光火灾传感器红外感烟传感器感光感温感烟火灾传感器双金属板感烟传感器感温感光感烟火灾传感器2.4 火灾报警技术 火灾报警技术是有火灾传感技术和电子技术两大部分组成的。有这两部分组成的火灾报警器的主要功能是： 将传感器输入的火警信号经由电路处理后转换为声光报警信号，提醒人们注意。 显示出具体发生火灾的部分。 为火灾探测传感器和电子电路提供可靠的直流稳压电源。 对报警器进行模拟信号检查。第三章 火

9、灾探测器的分类与选择3.1 感温火灾探测器 感温火灾探测器种类较多,根据其感热效果和结构型式可分为定温式,差温式及差定温式三种。电子差定温探测器在设计中一般取两个性能相同的热敏电阻进行搭配，一个放置在金属屏蔽罩内,另一个放在外部,外部的热敏电阻感应速度快,内部的由于隔热作用感应速度慢。利用它们的变化差异来达到差温报警,同时外部热敏电阻设置在某一固定温度(62为一级灵敏度,70为二级灵敏度,78为三级灵敏度)，达到定温报警的目的。除信号拾取放大整形外,其它的电路组成基本和离子感烟探测器相同。根据温感探测器工作原理，温感探测器可以分为3类：(1)定温式探测器。定温式探测器是在规定时间内，火灾引起的

10、温度上升超过某个定值时启动报警的火灾探测器。它有线型和点型两种结构。其中线型是当局部环境温度上升达到 规定值时，可熔绝缘物熔化使两导线短路，从而产生火灾报警信号。点型定温式探测器利用双金属片、易熔金属、热电偶热敏半导体电阻等元件，在规定的温度值上产生火灾报警信号 。(2)差温式探测器。差温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。它也有线型和点型两种结构。线型差温式探测器是根据广 泛的热效应而动作的，点型差温式探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温器件是空气膜盒、热敏半导体电阻元件等。(3)差定温式探测器。差定温式探测器结合了定温和差温两种作用原理

11、并将两种探测器结构组合在一起。差定温式探测器一般多是膜盒式或热敏半导体电阻式等点型组合式探测器 。3. 2 感烟火灾探测器 一种是离子感烟探测器，其电离室内的放射源镅241所电离产生的正、负离子，在电场的作用下，各向正负电极移动。一旦有烟雾窜进外电离室，干扰了带电粒子的正常运行，使电流、电压有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，探测器就会对此产生感应，发出报警信号；另一种是光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常由发光元件发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就会显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化转换成电流的变化，通过放大电路发出报警

12、信号；还有一种是管道抽吸式感烟探测器，它的工作原理与散射式光电感应探测器相似，通过烟雾的反射或散射作用产生光感电流，主要用在船舶上。近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改为激光束。这种探测器采用半导体元件，体积小、价格低、耐震强、寿命长，很有发展前景。3. 3感光火灾探测器 感光火灾探测器，它是用于相应火灾的光特性，即扩散火焰燃烧的光照强度和火焰闪烁频率的一种火灾探测器。根据火焰的光特性，目前使用的火焰探测器有两种：一种是对波长大于4000A的光辐射敏感紫外光探测器；另一种是对波长大于7000A以上光辐射敏感的红外光探测器。 紫外光探测器的光敏元件为紫外光敏管，其

13、敏感波长选在低于4000A以下的紫外波段，因为既能有效地探测火焰光中的紫外辐射，同时又能避开日光中紫外成分，使之在室内外均可使用。紫外光探测器的相应速度较感烟、感温探测器快得多，特别适用于火灾初期不产生烟雾的场合。因烟对紫外光吸收大，所以在火灾初期产生大量烟雾的场合，紫外光探测器不宜装在可能产生烟雾的正上方，否则着火时可能会因烟雾集中在火焰正上方影响探测器相应，甚至产生漏报。 用于紫外光探测器的敏感元件有充气管。这种元件能排除太阳光的干扰，可有效地相应火焰发出的紫外辐射光。其他敏感元件有碳化硅二极管、钼晶体等。 红外光探测器是应用红外光敏元件（如硅光敏元件）的光电效应来探测火灾初起低温产生的红

14、外光辐射的，相应波长大于7000A。由于燃烧火焰辐射光谱主要是红外波段，红外光辐射进入探测中，经凸透镜聚集在红外光敏元件上，将光信号变为电信号，选频放大器根据火焰闪烁频率鉴别出火焰信号并进行放大处理后即可触发报警。 为排除其他红外源的偶然变化对探测器的干扰，红外探测器通常有3S，5S,10S和30S各档的延时时间响应，这是设计者根据火场特性和要求，通过一个延时电路来实现的。当连续鉴别所在的信号的时间超过给定要求后，便触发报警装置，发出报警信号。 用于红外探测器的敏感元件有：硫化铅，硫化镉和硅光电元件。 雾对红外光的吸收和衰减较紫外光小，因此红外光探测器适用于较大面积的监控，也可在灭火时用于从浓

15、密烟雾中探测火源的位置。3.4 可燃气体火灾探测器 可燃气体探测器是相应周围坏境空气中单一或多种可燃气体、易燃液体气体的装置。它是利用气体浓度的变化对气敏元件（如铂丝催化元件、金属氧化物气敏半导体元件等）欧姆特性的影响这一原理制成的。当周围坏境空气中可燃气体的浓度达到危险值（一般取爆炸浓度下限的1/41/6处）时，即发出报警。这种探测器可用于对煤气、天然气、一氧化碳、液化石油气等可燃气体的泄漏进行检测，常用的可燃气体探测器有催化燃烧型和气敏半导体型。 可燃气体探测器的安装位置应视可能泄漏的气体的性质来决定。例如，液化石油气比空气重，其探测器应安装在地处（距地面50CM左右），而天然气、煤气比空

16、气轻，则其探测器应安装在高出（靠近天棚附近）。可燃气体探测器一般是防爆型的。3.5 复合式火灾探测器 复合式火灾探测器是由两种或两种以上工作原理不同的传感器按一定方式组合而成的探测器。例如：复合式感温感烟型、复合式感温感光型、复合式感烟感光型、复合式感温感烟感光型等。采用复合货品在探测器主要解决漏报警的问题。由于是采用“或”的组合方式，当探测器中某一传感器功能失效或不起作用时，另一传感器仍能及时报警，从而有效地减少漏报现象。待添加的隐藏文字内容1第四章 报警器的选择及其硬件的介绍4.1 报警器的选择 随着传感器技术。微处理器技术和型号处理技术的额飞速发展，复合火灾探测已经成为火灾自动探测技术的

17、发展方向。目前复合火灾探测器主要有光电感和感温复合、离子感烟和感温复合以及光电感烟、离子感烟和感温三复合等形式，采用复合探测方法的主要目的是使探测器能够均衡探测各种类型的火灾，特别是散射光烟雾探测器通过温度补偿，克服了其对带温升的黑烟不敏感的缺点，有力地推动了光电烟雾探测器的应用。但是光电感烟传感器和温度传感器复合探测器对低温升的黑色烟雾响应较差，离子感烟由于其存在放射性污染可能性而越来越难以被市场接受，而且不论是光电还是离子感烟，本质上还是离子探测，各种灰尘、水汽和油雾等粒子干扰同样对它们产生影响。尽管可以采用信号处理的方法抑制这些干扰，但很难做到完全消除，因此需要寻找更加有效探测火灾和减少

18、误报的新的火灾探测方法。为此我们选用了温度烟雾信号采集模块、声光报警模块组合而成的智能火灾报警器，大大降低了误报率和漏报率，为早期报警提供有力的条件。4.2-1 核心芯片的选择及其简介 在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作。在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度值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的观测到烟雾浓度，并根据情况进行相应的处理。并且也要考虑选择低价使用的机型，并为研制一系列的低功耗产品做准备。

19、根据多方面的比较，本设计选用AT89C51单片机作为控制器。、 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能的CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦出1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89

20、C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。4.2-2 单片机外围接口电路主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0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

21、可以被定义为数据/地址的低八位。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外部必须接上拉电阻。 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口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，

22、将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 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。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3

23、.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） 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。 ALE/PROG：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地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频

24、率为振荡器频率的1/6。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。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。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：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：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

25、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：来自反向振荡器的输出。振荡特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 AT89C51的引脚图如图4.2-1所示：图4.2-1 AT8

26、9C51的引脚图4.3 A/D转换芯片的选择与简介 经气敏传感器过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转换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。 A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换常用芯片ADC0809，ADC0809由8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成，芯片引脚图如下图4.3-1所示：图4.3-1 AD0809引脚图ADC0809的主要性能指标为：分辨率为8位。最大不可调误差：ADC0809为1LSB。单电源+5V供电，基准电压由外部提供，典型值为+5V，此时允许输入模拟电压为05V。具有锁存控

27、制的8路模拟选通开关。课锁存三态输出，输出电平与TTL电平兼容。转换速度取决于芯片的时钟频率。当时钟频率500KHz时，转换时间为128微秒。4.4 集成温度传感器AD590 AD590是美国Analog Device公司利用PN结正向电流与温度的关系生产的一种电流输出型两端温度传感器。实际上，中国也开发出了同类型的产品SG590.这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在515V之间变化，其电流只是在1A以下作微小变化。 AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分档，AD590

28、的后缀以I、J、K、L、M表示。AD590的应用电路如图4.4-1所示：图4.4-1 AD590应用电路AD590的主要参数如下：工作电压：430V；工作温度：-55+150；保存温度：-65+175；正向电压：+44V；反向电压：-20V；焊接温度（10秒）：300；灵敏度：1A/K。4.5 气体传感器TGS202 图4.5-1 火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。TGS202气体传感器能探测CO2，CO，甲烷、煤气等多种气体，他灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。如图4.5-1所示，当TGS202探测到CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度(如CO浓度达到006)时，VA端获得适当的电压(设为3 V)。 第五章 系统硬件设计5.1 前段信号调理电路