基于51单片机的火灾自动探测报警系统设计

基于51单片机的火灾自动探测报警系统设计内容摘要：

GS=00 时， 25℃ 时的输出电压为 1168 mV， 50℃ 时的输出电压为 1299 mV，则其平均灵敏度为 mV /℃ ； 50℃ 时的输出电压为 760 mV， 75℃ 时的输出电压为 619 mV，则其平均灵敏度为 mV /℃。 表 2 中 GS==00 时，灵敏度为 mV /℃。 第 8 页 共 25 页 单片机及 A/D转换芯片的选择 本设计的控制芯片使用的是 ATMEL 公司生产的 AT89C51， AT89C51 是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储 器 （ FPEROM） 和 128 字节的随机存取数据存储器（ RAM） 的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机， 片内置通用 8 位中央处理器（ CPU）和 Flash 存储单元，可灵活应用于各种控制领域。 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2 个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口。 芯片可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程， 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 A/D转换电路采用了常用的 8位 8通道数模转换专用芯片 ADC0808， ADC0808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，芯片引脚图如图。 图 ADC0808 芯片 的 引脚 图 ADC0808的 主要性能指标为 : （ 1） 分辨率为 8位。 （ 2） 最大不可调误差 ： ADC0808为  1LSB。 （ 3） 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 0— 5V。 （ 4） 具有锁存控制的 8路模拟选通开关。 （ 5） 可锁存三态输出，输出电平与 TTL电平兼容。 （ 6） 转换速度取 于 决 芯片的时钟频率。 当 时钟频率 500KHz时，转换时间为 128μ s。 第 9 页 共 25 页 4 火灾自动报警系统硬件设计 前端 信号调理电路 由于传感器输出的模拟信号比较微弱，且含有干扰信号，所以系统需要将信号进行放大和滤波。 温度传感器使用的是高精度模拟输出 CMOS 温度传感器 LM94022，该传感器的末级为推挽输出，输出电压与感测的温度成反比，即温度越高输出电压越低；可提供 4 个不同增益让用户自行选择，其中包括 ℃ 、 mV /℃ 、 /℃及 /℃。 本设计温度传 感器灵敏度选择 ℃ ，所以 LM94022 的 GS0 和 GS1端口都接地。 烟雾传感器输出电压较大，能达到几伏，不需要放大烟雾信号，只需要将信号滤波处理 ，烟雾信号调理电路如图 所示。 由于温度、烟雾信号调理电路运放LM324 接直流电源，电路中有直流，所以在电路中设计了起隔直通交的电容 C CC7。 系统采用 固定门限检测法 判断火灾是否发生，温度阈值设定为 57℃ ，烟雾浓度阈值设定为 %每 英尺。 电路设计中要求高输入低输出，故放大电路、滤波电路的前置电阻 R R8 的阻值设为 10K。 由于运放 LM324 的输 入级是差动放大电路，要求两端输入回路参数对称，即NPRR ， 1 //NFR R R ，故 5 4 6//R R R ， 5 。 依据运算放大器“虚短”、“虚断”特性，有 uu。 电压放大倍数为 ： 644Fuf RRA RR   ， 5ufA  （ 31） 滤波电路能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分，滤除或衰减无用频率信号到足够小。 一阶滤波电路过渡带较宽，幅频特性的最大衰减频率仅为 20dB/十倍频。 为使滤波器的滤波特性接近理想特性，即在通频带内特性曲线更平缓在同频带外特性曲线衰减更陡峭，只有增加网络的级数，系统使用二阶滤波器电路 [9]。 由于 在 火灾 发生早期，温度烟雾 信号是一种缓变信号， 故系统使用二阶有源低通滤波器电路（ Low Pass Filter， LPF）。 将串联的两节 RC 低通网络直接与反向电压跟随器电路相连，可构 成烟雾、温度调理电路中的简单二阶 低通滤波器电路。 二阶低通滤波电路中 89 1R R R K   ，89 0 .1C C C F  。 LPF 电路电压放大倍数为 ： 第 10 页 共 25 页   u 2113As sR C sR C  （ 32） 用 j 取代 s，且令0 12f RC， 0 KHz ，得出电压放大倍数为 ： 200113uA ffj  （ 33） 由于为信号频率二次幂的函数式，故为二阶 LPF。 设带通截止频率为 Hf ，则当Hff 时，上式的分母的模应等于 2 ，可解出二阶 LPF 的上限截止频率为 ：  ， KHz （ 34） 二阶低通滤波电路的衰减斜率可达 40dB/十倍频，但是有由于 Hf 远离 0f ，即在0ff 处，信号的放大倍数已急剧下降，所以该滤波电路以降低滤波器通频带为代价来获得滤波器衰 减斜率 ， 温度信号调理电路以及 烟雾信号调理电路 如图 所示 图 温度信号调理电路 以及烟雾信号调理电路 晶振 电路与 复位 电路 及 声光报警电路 单片机最小系统由晶振电路和复位电路组成，如图 所示 第 11 页 共 25 页 图 晶振电路与复位电路 声光报警电路在 AT89C51 的控制下，可以根据不同的情况（火灾、异常、正常 )，发出不同的声光信号报警。 声音报警电路如图 所示。 由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的 I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动， 一般使用三极管 来放大电流就可以了。 声报警电路由单片机的 P21 引脚进行控制，当 P21 输出 的电平为 高电平时，三极管导通，蜂鸣器的电流形成回路，发出声音报警。 图 蜂鸣器报警 光报警 电路路如图 ，其中 单片机的 P2 口进行控制， P2口的 ～ 分别控制 3 个发光二极管，予以光报警，如图所示。 ～ 控制的灯依次为红色 (火灾信号灯 ) 、黄色 (异常 信号灯 )和绿色 (正常信号灯 )。 当 ～ ，对应的信号灯便会发光报警。 第 12 页 共 25 页 图 光报警 数据采集电路 本设计中的 A/D 使 用的是通用 8位芯片 ADC0808，芯片的几个重要管脚功能如下：ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。 当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将A， B， C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 A， B 和 C 为地址输入线，用于选通 IN0IN7 上的一路模拟量输入 ，通道选择如表所示。 START 为转换启动信号 ， 当 START 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行 A/D 转换；在转换期间， START 应保持低电平。 EOC 为转换结束信号。 当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明 正在进行 A/D 转换。 OE 为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 OE＝ 1，输出转换得到的数据；OE＝ 0，输出数据线呈高阻状态。 由于本设计中数模转换芯片使用的是 ADC0808，其工作的时钟信号为 500KHz， 因 其内部没有时钟电路 ，时钟信号由外部 AT89C51 的 ALE 端口提供。 系统 AT89C51与 ADC0808接口电路如图 所示。 第 13 页 共 25 页 图 AT89C5。