本科毕业论文-基于at89c51单片机的自动火灾报警系统设计

本科毕业论文-基于at89c51单片机的自动火灾报警系统设计内容摘要：

这些过程是通过软件实现的。 这对单片机的要求是计算速度较快。 这样仪表检测人员才能够正确的观察到事实的烟雾浓度。 并作出相应的处理。 但是在满足系统的计算速度的同时还要考虑到他的价格和体积。 在保证系统能够可靠的性能和精确性能的同时不提高成本，缩小体积。 在实际应用之中 AT89C51 单片机应用的很广泛，开发的工具和多，容易学习，价格低，这样是最适合民用，商用，用途是十分的广泛的，根据以上优点，本篇论文用 AT89C51 作为报警器的核心部件。 （ 2）关于 AT89C51 本论文的控制芯片是 AT89C51，它是由 ATMEL 公 司生产的， AT89C51 是一种含有 4K 字节的可擦除可编程的只读存储器，还有 128 字节的随机存储数据的存储器的高性能、低电压 CMOS8 位的微处理器的单芯片微型计算机，简称单片机。 这款单片机是一种高性能低功耗的芯片。 片内有八位的中央处理器，和 Flash 存储单元，可以在各个系统之中灵活的运用。 它本身有四十个引脚，三十二个外部 I/O端口，有两个外部中断，两个十六位的可编程的定时 /计数器。 两个全双工串行通信端口。 AT89C51 的引脚图如图 31 所示。 芯片能用常规方法进行编程，同样也可以在线编写。 尤其是反复擦写的存储器 能够有效的降低成本。 10 图 31 单片机 模数转换芯片的选择 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。 本次论文选用的是 ADC0832 芯片。 图 32 ADC0832 芯片的引脚图 ADC0832 具有以下特点： 芯片的分辨率是八位的； 有两个输入模拟量的通道； 芯片的输入输出的电平和 TTL、 COMS 是通用的； 电源的供电范围也比较广泛，五伏电源供电，输入的 电压在零到五伏之间； 工作频率是 250KHZ，转换的时间是 32us； 芯片的功耗很小，大约是 15mw； 封装类型比较多如双列直插、 PICC 等多种封装； 商用的芯片温度范围是比较宽泛的在零到七十摄氏度之间，工业用芯片的温度是零下 40 摄氏度到 85 摄氏度。 11 ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。 其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 0~5V 之间。 芯片转换时间仅为 32μ S，芯片有两个数据的输出能够对数据进行校验，这样能把转换的数据误差率降低。 芯片的转换速度也比较快而且稳定。 独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。 通过 DI 数据输入端， 能够很方便的选择通道。 传感器的选择 烟雾传感器的选择 （ 1） 烟雾传感器的比较 ①．离子式烟雾传感器 这种烟雾传感器是用一种技术比较良好，工作性能比较稳定的的传感器它的用途也比较广泛，现在已经被应用到各种消防报警系统中，性能十分的优越，比气敏电阻类的传感器要好很多。 ②．光电式烟雾传感器 这种传感器内部结构有一套比较复杂的光通道，有红外对管，当没有烟雾的时候接受设备是接受不到红外发射 器发出来的红外线，但是当有烟雾进入光学通道的时候，由于各种折射和反射，此时接收器就能接受到红外线，这时控制系统通过和记忆值的比较来判断是否发生火灾，如果超过了记忆的数值就发出报警信号。 离子式与光电式的比较 离子式的烟雾传感器对于比较微小的烟雾粒子会更加敏感，另外对于各种烟雾均有响应；而向前式光电烟雾传感器对于颗粒相对较大的烟雾粒子是最敏感的，但是对于黑烟和灰色的烟尘响应能力相对较差。 当火灾很大，而且烟雾浓度也比较大的时候，空气中的烟雾的微小颗粒比较多，而且当无明火的燃烧会有更多的含有大颗粒的烟雾。 当火灾发 生的时候，就会产生大量的比较小的颗粒，这时候离子式传感器会产生较大的电压的变化，此时离子烟雾传感器会先报警。 光电式的传感器会相对慢一些，但是两者的间隔时间不大，但是这种火灾发展的速度极快，发生后会迅速变大，这种场合适合安装响应快的传感器，建议安装离子传感 12 器。 还有一种就是没有明火的火灾现场 ,会产生这时粒子较大颗粒的烟雾，这种场合适合用光电传感器。 ③．气敏式烟雾传感器 这种传感器是用于识别气体的传感器。 他们主要是包括接触燃烧式、半导体气敏式和电化学式传感器等，在这些传感器中用的最广泛的就是半导体气敏传感器。 它 的应用主要有：瓦斯气体的探测、氟利昂的探测、一氧化碳气体的探测、还有酒精的探测等等。 它能将气体的种类和气体的浓度相关的信息转换成为电信号，根据这些电信号的大小就能得到和待测气体在空气中的浓度大小，从而可以进行检测、监控、报警；还可通过一些接口电路和计算机相连接形成一个系统，能够自动的检测、控制和报警。 气敏式烟雾传感器的最经典的型号是 MQ2 气体传感器。 这种传感器常用与家庭和工厂的气体泄漏装置，适用于很多种气体，包括液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的检测。 火灾中的烟雾是有固体颗粒，还有可燃性 气体混合而成的，有很多的物理特性比如体积、质量、温度、电荷等物理特性。 离子型烟雾传感器改变电压的变化是通过烟敏电阻的电离室引起的。 通过电压的变化来表述火灾现场烟雾离子的微电流变化装置。 当电离室中有烟雾时，就会改变电离室空气的电离状态，这是就相当于电离室的等效电阻增大，电阻增大就会引起电离室两端电压的改变，从而确定空气中的烟雾状态情况。 而气体传感器是探测空气中可燃性气体的含量，在家庭中能对于煤气，一氧化碳等有害性气体进行探测。 通过比较分析，本设计的感烟探测器采用的是 MQ2 传感器，因为离子式传感器 NIS90 内部有微量的放射性物质，有可能泄漏，对人体和环境都有一定的危害。 本次设计是家庭火灾报警系统。 通过研究选择 MQ2 烟雾传感器。 MQ2 型号传感器功耗比较低，用途比较广泛，适用于高灵敏度烟雾传感器火灾报警系统。 （ 2）关于烟雾传感器 本论文用的是二氧化锡半导体气敏材料的传感器，型号为 MQ2，这种传感器是 N 型半导体表面离子式。 给传感器一个预热电源（五伏直流电源），但温度加热到 200~300℃温度时候，空气中的氧气被二氧化锡所吸附，氧气变成负离子吸附在表面，这样半导体中的电子就会减少，从而导电能力减弱，使电阻值增加。 当空 13 气中有烟雾的时候， 晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会使电阻值发生变化。 就是利用这一点把烟雾的浓度的信息转化成电信号，当烟雾的浓度越大，电阻率就会变小电阻就减小。 图 33 烟雾传感器实物图 传感器的特性及主要技术指标 ： (1)MQ2型传感器的一般特点 (a)MQ2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。 (b)MQ2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。 (c)MQ2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。 (d)电路设计电压范围宽， 24V 以下均可；加热电压 5177。 (2)MQ2型传感器的特性参数。 (a)回路电压： (Vc) 5~24V。 (b)取样电阻： (RL) ~20K。 (c)加热电压： (VH)5177。 (d)加热功率： (P)约 750mW。 (e)灵敏 度：以甲烷为例 R0(air)/RS (%CH4)＞ 5。 (f)响应时间： Tres＜ 10秒。 (g)恢复时间： Trec＜ 30秒。 引脚说明： A1或 A2为输出的一端。 14 H为 加热接线段。 B1或 B2为输出另一端。 温度探测器的选定 （ 1） 本次论文温度传感器的选择要求 由于温度检测的参数的不同，一般情况用于民用建筑和工业上的温度传感器有差温式、定温式、差定温式等等。 对于选择那种温度传感器我们需要考虑的因素有： A 所测量的温度是不是要求记录并且报警和自动控制，是不是要求远距离传送和远距离传输。 B 要求的测量的温度大小和精度要求。 C 传感器元件的封装是否合适。 D 所测量的温度随时间的变化速度，由于测量元件有滞后的世间，滞后的时间是否满足要求。 E 所测量的场合对测量 的元件是不是有影响和危害。 F 经济性，元件的价格，和使用的方便性。 根据以上的这些因素，经过考虑，本次论文温度传感器使用的是 DS18B20 数字温度传感器。 DS18B20 的特点 DS18B20 数字温度传感器结构简单，接线相对方便，有不同型式的封装，不同的封装可以用于多种场合，封装如管道式、不锈钢、磁铁吸附式、螺纹式封装，型号多种可以根据所需的场合选择适合的传感器。 VDD3I/O2GND1DS18B20 图 34 DS18B20 数字温度传感器引脚图 这种温度传感器的主要特点： 15 A 这中传感器能实用很宽泛的电压，使用电压范围是： ~，一般不用独立的电源，可以在寄生电源上工作。 B 比较方便的数据接口方式，这种温度传感器和单片机相链接的时候只需要一条数据线就能实现单片机和传感器的双向通讯。 C 本传感器支持多点网络的功能，几个传感器可以并联在一个三条线上，能够实现多点测试功能。 D 本传感器使用的时候不用任何的外围元件，所有的传感器和模拟数字转换电路都继承在一起。 E 本传感器可以测量的温度范围是 － 55℃ ～ +125℃ ，当温度在 10～ +85℃ 的范围内它的精度为 177。 ℃。 F 可编程的分辨率是 9~12 位，这样的分辨率分别是 ℃ 、 ℃ 、 ℃和 ℃ ， 这样就能适应需要高精度测量的场合。 G 九位的分辨率转换时间是 ，当把分辨率设置为 12 为的时候需要的时间是 750ms 速度较快。 H 测量的结果能以数字的型式发出去。 用一根线以串行的型式传递给 CPU，同时也可以传送 CRC 校验码，这样传感器就有很强的抗干扰能力，和纠错的能力。 I 负压特性：当电源的极性不小心接反的时候芯片不能烧毁，然而芯片也不能正常工作。 DS18B20 的外形和内部结构。 DS18B20 的内部主要是由四部分构成的，包括 ROM 光刻（ 64 为）、温度传感器、温度报警触发器 TH 和 TL(非挥发 )、和配置寄存器。 DS18B20 引脚定义： A， DQ 是数字信号的输出 /输入端； B， GND 是电源接地； C， VDD 是芯片电源供电的输入端。 当火灾发生的时候，烟雾传感器将烟雾的浓度转换成电压信号，然后经过放大器，把信号进行放大和滤波，把有效信号传递给 A/D 转换器，把模拟信号转化成为数字信号，再传递给控制系统，控制系统将这些数字信号进行和记忆的数值进行对比，分析是否发生火灾，然后把浓度转换为十进制送到显示部分进行显示，发出声光报警。 但是烟雾传感器是在温度 很高的情况才能正常的工作，所以在报 16 警系统必须有预热的时间，才能发挥正常的作用。 报警器需要向传感器提供一个五伏的直流电源，为了使系统运行可靠性增强，在提供电源的同时，进行故障检测。 如果烟雾传感器的加热电阻丝或者电缆线和传感器的电源线接触不良，就会发出报警信号，但是这种报警信号是和火灾的报警信号是不同的。 烟雾检测器的功能如下： 当系统自身发生故障的时候能够自己排查。 单片机有看门狗进行自检单片机的状态。 使用单片机的看门狗的功能，看门狗定时的检测单片机的工作状态，如果单片机进入死循环的状态，马上给单片机一个复位 信号，保证系统的正常工作。 各电路模块的设计 单片机外围接口电路 （ 1）晶振电路 晶振电路是给单片机工作提供时钟信号的，芯片内部有一个高增益的反相放大器用于形成内部的振荡器。 引脚 XTAL1 是这个放大器的输入端子， XTAL2 是这个放大器的输出端子。 在片外的陶瓷谐振器或者是石英晶体作为反馈元件和放大器形成了一个自激振荡器。 系统的晶振如图 37 所示，但是外接的两个电容的容量不同会对振荡频率的高低有一点影响，还有工作的稳定性，对于起振的难易程度。