基于单片机的火灾自动报警系统的设计论文

基于单片机的火灾自动报警系统的设计论文内容摘要：

图 22 火灾报警系统硬件结构图 ~ ~ 报警电路 8243 CS PROG P2 74LS48 8243 CS PROG P2 BS212 4 4 7 16 16 AT89S51 10 3 系统硬件设计 宾馆火灾自动报警系统硬件的设计在 中已经作了初步的探讨，本章将继续讲述该系统硬件的设计并予以深化。 硬件组成 通过对火灾情况的分析，本设计采用如图 31所示的硬件组成，报警器硬件由烟雾信号采集模块，声光报警模块以及联动消防模块组成。 图中 1， 2， 3组成数据采集模块， 4， 5组成声光报警模块， 5， 6 组成联动消防装置。 其中，1为传感器，将现场烟雾浓度这一非电信号转化为 电信号； 2为信号调理电路，将传感器输出的电信号进行调理（放大、滤波等），使之满足比较转换电路的要求； 3 为比较转换电路，完成将烟雾传感器输出的模拟信号转换为数字信号。 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（异常报警、故障报警、火灾报警）功能。 下面对上述的各模块进行详细的介绍。 图 31 火灾 自动报警系统硬件框图 烟雾信号采集模块 图 31 中 1， 2， 3 组成烟雾数据采集模块，将现场烟雾浓度这一非电信号转化为电信号，并以数字量的形式送给单片机。 1 烟 雾 传 感 器 3 比 较 转 换 2 信 号 处 理 4 声 光 报 警 系 统 5 单片机系统 AT89S51 6 联 动 消 防 装 置 11 离子感烟传感器工作原理 离子感烟传感器是应用放射性同位素组成的火灾报警专用传感器，其传感灵敏度高，可靠性好，目前已经得到广泛应用。 离子感烟传感器由两个电离室组成，外电离室有空与外界相通，烟雾可进入电离室，而内电离室是密封的，烟雾不能进入。 由于烟雾进入外电离室，使内外两电离室离子电流不同，传感器就输出与烟雾成正比的传感信号。 离子感烟传感器的工作原理如图 32 所示 ： 图 32 离子感烟探测器工作原理图 在正常工作状态下，放射源发出的射线电离了电离室的空气，便有电流从 A经 B 流向 C，这时电离室是一个典型 的电阻元件。 初始条件下，在 B 点的电位Vb 是相对稳定的，烟雾进入 AB 之间的检测室时，电离状态发生变化，导致 AB之间的电阻阻值变化，而 BC 间组成的参照室因不感觉烟的存在，基本保持阻值初始状态不变，根据欧姆定律，在 B 点上分压值发生相应的变化，这一变化经过电路放大，做为火警信号输出，从而实现烟信号到电信号的转变。 在电极之间放有 α 放射源 241 镅，由于它持续不断地放射出 α 射线， α 粒子以高速运动，撞击空气分子，从而使极板间空气分子电离为正离子和负离子 (电子 )，这样电极之间原来不导电的空气具有了导电性，实现这个过程的装置我 们称它为电离室。 如果在极板 P1 和 P2 间加上一个电压 E，极板间原来做杂乱无章运动的正负离子，此时在电场的作用下，正负离子做有规则的运动。 正离子向负极运动， 12 负离子向正极运动，从而形成了电离电流 I。 施加的电压 E 愈高，则电离电流愈大。 当电离电流增加到一定值时，外加电压再增高，电离电流也会增加，此电流称之为饱和电流 Is，如图 33所示。 电离室又可分为双极性和单极性两种 .整个电离室全部 α 射线所照射，电离室内的空气都被电离，我们把这种电离室称为双极性电离室。 所谓单极性电离室，是指电离室局部被 α 射线所照射，使 一部分形成电离区，而未被 a 射线所照射的部分则为非电离区。 这样在同一个电离室内分为两个性质不同区域。 如图 34 所示。 我们把这个非电离区称为主探测区。 图 33 电离电流和电压的关系 电离电流 饱和电流 外加电压 E I 13 图 34 单极性电离室工作原理 一般离子感烟探测器的电离室均设计成单极性的，因为当发生火灾时烟雾进入电离室后，单极性电离室要比双极性电离室的电离电流变化大，也就是说可以得到较大的电压变化量，从而可以提高离子感烟探测器的灵敏度 .在实际的离子感烟探测器设计中，是将两个单极性电离室串 联起来，一个作为检测电离室 (也叫外电离室 )，结构上做成烟雾容易进入的型式。 另一个作为补偿电离室(也叫内电离室 )，做成烟粒子很难进入，而空气又能缓慢进入的结构型式 .电离室采用这种串联的方式，主要是为了减少环境温度、湿度、气压等自然条件的变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境使用能力和稳定性。 如图 35 所示： 图 35 检测电离室和补偿电离室示意图 开关电路 回路电压 U U1 U2 补偿电离室 检测电离室 14 当外电离室进入燃烧生成物或者烟雾时，部分正离子和负离子被吸附到燃烧生成物和烟雾颗粒上，（燃烧生成物或者烟雾要比离子大 1000 倍左右），所 以它们在电场中的速度就比原来要慢的多，并且在移动中还有部分正负离子中和，这样到达正负极板的离子数量想对减少，即离子电流变小。 烟雾数量越多，离子电流就越小。 而内电离室是封闭的，无烟尘 离子进入，离子电流是恒定的。 内电离室与外电离室是串连的，如图 36 所示。 无烟雾时， A点电位约为 1/2E。 若有烟雾，外电离室的离子电流减小，等效电阻增加， A点电位下降，其下降程度与烟雾数量成正比。 有烟雾和无烟雾时其电位差可达 1V 以上。 图 36 离子感烟传感器等效电路图 UD— 02 型离子感 烟传感器 UD— 02 型离子感烟传感器具有灵敏度高、可靠性好，性能符合标准等特点。 它有两个电子室及一个放射源（ AM241） ,对外有三个引出脚： A电极（接电源正端 +9V）、 B电极（接地）、 C 电极（收集电极即输出端），外形如图 37所示。 外电离室 内 电离室 等效电阻 R1 R +E +E A A U 15 图 37 UD02 型传感器 UD— 02 型离子感烟传感器主要电参数： 在 20177。 5℃近海平面清洁空气条件下，收集电极（即 C 电极）的平衡电位为～ ；有烟雾时，收集电极的电位变化可达 ～。 极间电 容为 4PF，AM241 放射源为 ～ ；器件重量为 12g,主要结构材料为不锈钢和塑料。 用电加热器加热到 440～ 480℃时，对不同材料所产生的烟雾，其传感器收集电极电位变化 时的灵敏度见表 31所示： 表 31 UD— 02 型离子感烟传感器对烟雾灵敏度（收集电极电位变化△ V＝ ） 燃烧材料 烟雾含量（ mg/ 3m ） 阴暗度 (%) 硅橡胶 26 乙烯基材料 29 纸烟 115 3 过滤纸 40 棉花 56 C B A A A B C 外离子室 内离子室 16 离子感烟传感器专用集成电路 DQ295 由于离子感烟传感器的广泛应用，与之配套的专用集成电路得到了迅速发展， DQ295 是与 UD— 02 型离子感烟传感器相配套的专用集成电路。 DQ295 的管脚排列如图 38所示，其内部功能框图见图 39所示。 图 38 DQ295 管脚图 DQ295 各引脚功能如下： 第 15 脚接离子感烟传感器的收集电极； 12 脚为内部振荡器的外接电容脚；7脚接定时电阻； 1 15 脚为输入保护用； 5 脚为发光管 LED； 1 与 4 脚为检测脚； 3 与 15脚为电压与灵敏度设置脚； 10 与 11 脚为报警输出脚。 17 +锁 存+V D D锁 存振 荡 器定 时 器1 11 04V D DV D D8 0 K31 31 0 4 5 K1 1 2 5 K1 51 4V D D1 6V D D69A 2A 11 2785 V D D 注： A1 电池低电压比较器 A2 信号电压比较器 图 39 DQ295 内部结构框图 DQ295 集成块内部设有检测信号阀值设置（超过阀值即输出报警声）以及电池（或电源）低压设置（电压低于某值时发出报警声）。 由图 39 可以看出 ， A1 是检测电池电压的比较器，电池的分压与内部稳压管相比较，若电池电压较高，比较器 A1端输出高电平；若电池电压不足（内部设置的阀值电压为 ～ ），则 A1 输出低电平，并给出电池电压不足的报警声（每 24 各时钟脉冲检测一次）。 3脚为电池电压外部设置端，可以通过外接电阻网络来改变其低电压报警阀值。 A2 是检测信号阀值比较器，无烟雾信号时，传感器的输出平衡电压为 左右，大于内部设置的阀值电压（约为 ），比较器 A2 输出低电平；当有烟雾信号时，传感器输出电压下降 1V 左右，则其电压小于内部设置的阀值电 压，A2 翻转为输出高电平，并发出调制报警声。 与 A1 一样，也可以通过第 13 脚的外接电阻网络来改变阀值电平高低。 18 离子感烟火灾报警器应用电路 (1)电路原理： 离子感烟火灾报警器的应用电路见图 310 所示。 它由离子感烟传感器UD02 和与之配套的专用集成电路 DQ295 等组成。 注：打 *的元件可根据压电晶体的不同型号而改变 图 310 离子感烟火灾报警器 离子感烟传感器由内外两个电离室组成，当空气中无烟雾时，输出端 O输出电平约等于 1/2 电源电压即 ，这 时 集成块 A不工作，压电陶瓷 喇叭B无声。 当空气中有烟雾粉尘时，烟雾颗粒进入传感器的外电离室，使离子电流大幅下降，相当于等效电阻增大，所示 O 端电平下降。 此电平下降的信号加到集成块的第 15 脚，使集成块触发工作，第 11 脚就输出调制的报警信号，推动压电陶瓷报警喇叭发出响亮的报警声。 途中 S是试验按钮开关，离子传感器经 R3由 9V 电压供电；当按下 S 时，传感器由 R R4 分压供电，供电电压只有 ，所以传感器 O电输出电平下降，相当于有烟雾状态，则 B 发声报警。 (2)元器件选择与制作 19 R1～ R6均用 RTX— 1/8W 型炭膜电阻器； C1～ C3可用 CT1 型磁介电容器； LED 为普通红色二极管； B 为三端压电陶瓷扬声器； 为保证电路可靠正常工作，电源最好采用 9V 稳压电源供给； S 为小型按钮开关。 单片机控制中心 本设计是基于单片机的声光火灾报警器，单片机是其中的核心部件，它就像大脑一样，是设计中的枢纽。 AT89S51 是一种低功耗 /低电压、高性能的 8位单片机、片内带有 4K 字节的 FLASH 可编程，可擦除只读存储器（ EPROM）， 它采用了 COMS 工艺和 ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术。 而且其输出引脚和指令系统都与 MCS51兼容。 片内的 FLASH 存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。 因此 AT89S51 是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机、可方便应用在与本次设计相关的控制领域。 时钟电路和工作方式 (1)时钟电路 AT89S51 内部有一个由反向放大器所构成的振荡电路， XTAL1 和 XTAL2 分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。 内部方式时钟电路如图 311 所示。 在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。 定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并 联谐振电路。 晶体可以在 到 12MHZ 之间选择。 电容值在 530PF 之间选择。 电容的大小可起频率微调作用，外部方式的时钟电路如图所示， XTAL1 接地 XTAL2接外部振荡器。 对外部振荡器信号无特殊要求。 只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于 12MHZ 的方波信号。 20 图 311 内部方式和外部方式的时钟电路 (2)省电工作方式 AT89S51 有两种可用软件来选择的省电方式 —— 空闲工作方式和掉电工作方式。 这两种方式是由专用寄存器 PCON（电源调制寄存 器）中的 和 IDL（ ）位来控制。 PD 是掉电方式位，当 PD=1 时，激活掉电工作方式， ILD空闲方式位，当 ILD=1 时，激活空闲工作方式。 若 PD和 IDL 同时为 1，则。