基于stc单片机的火灾报警系统设计

基于stc单片机的火灾报警系统设计内容摘要：

行探测，就可以火灾损失控制在最小限度。 火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境 6 数据采集模块 温度升高，如果能将这时能够探测到有效地温度值，就可以比较及时地控制火灾。 起火过程曲线如图 所示。 图 起火过程曲线 系统总体方案设计 系统硬件总体构架 报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块组成。 图 为火灾报警系统的结构框图。 图 系统结构框图 温度曲线 烟雾曲线 起初 阴燃 火焰燃烧 时间 t 阴燃 气化 熄灭 全燃阶段 烟雾、温度传感器 信号调理电路 A/D 转换电路 单片机 声光报警 7 系统总体功能概述 火灾报警系统一般由火灾探测器、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（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）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。 报警器将接收到火警信号后经分析处理发出报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的位置 [1]。 整体电路的框图如图 所示 ： 图 系统原理及组成框图 单片机是整个报警系统的核心，系统的工作原理是：先通过传感器 (包括温感和烟感 )将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，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 A /D 转换的要求 ,最后由 A /D 转换电路 ,完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。 如果发生火灾，系统以声光的形式报警。 本火灾自动报警系统具有以下功能： (1) 能对室内烟雾 (CO2, CO) 及温度突变进行报警 ,具有 声、光双重报警功 能。 (2) 异常报警功能。 当环境出现异常 (如烟雾浓度过大或是温度较高 )时，能发出异常报警信号，引起人们注意，尽可能避免火灾的发生。 单片机 A/D转换电路 放大电路 烟雾传感器 温度传感器 串口通信 状态指示 LED 声音报警电路 浓度 /温度显示 按键功能电路 8 (3) 火灾报警功能。 一旦真出现火灾 (烟雾和温度同时出现异常 )时，能立即发出语音、光火灾警报。 据类似本系统的报警器现场模拟实验表明 , 本系统安全可靠 , 误报率低。 且由于其体积小、操作维护方便、成本低廉等 , 具有广阔的应用前景。 装置效果图 图 装置效果图 系统软件总体构架 为了便于系统维护和功能扩充，采用了模块化程序 设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。 本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等，系统程序流程图如图 所示。 9 ① ：温度超标或烟雾浓度超标 ②：两者都超标 ③：两者都不超标 图 程序流程图 为了降低误报率，系统采用多次采集、多次判断的方法。 每次数据采集后根据得到的数据对现场情况进行判断，然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。 主程序是一个无限循环体，其流程是：首先在上电之后系统的各部分包括单片机各 个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据存储电路等完成初始化，其次是对芯片内的程序进行初始化，接下来执行火灾报警系统中的数据采集任务，数据通信任务和查询判断任务。 火灾报警系统的类型 根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为以下四 种 [6]： (1) 感温型火灾报警系统 由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。 感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为③ ① ② 初始化 温度 /烟雾采集 信号判断 异常报警 正常 手动复位 火灾报警 报警判断 开始 10 电信号以达到判断报警的目的。 根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型 火灾报警系统分为定温式、温差式等几种。 (2) 感烟型火灾报警系统 烟雾是早期火灾的重要特征之一。 在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。 感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。 感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。 (3) 感光型火灾报警系统 物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。 感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统 的。 根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。 (4) 复合型火灾报警系统 如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。 目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。 火灾探测器的原理 火灾发生时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光，探测器对这些都很敏感。 当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位 移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。 火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类： (1) 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。 一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号。 还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱， 11 于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。 还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，他的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，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，不同的是光源改用激光束。 这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。 (2) 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。 一种是利用某些金属易熔的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它的熔点（ 70～ 90℃ ）时，金属熔化，借助弹簧的作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。 这两种探测器都属定温型，即当外界温度超过某一限值时就会报警；还有一类是差温型，升温的速度超过特定值时，便会感应报警。 如将两者结合起来，便成为差定温组合式。 (3) 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。 另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路报警。 火灾报警器是重要的安全设备，一切重要的场所，如大型物资仓库、隧道、大型船舶、高层建筑都应该安装。 它还可以与自动灭火设备一起组成自动报警、自动灭火的“自动消防队”。 12 3 火灾报警系统硬件设计 系统核心芯片选择 与电路原理图 传感器介绍 要准确地进行火灾报警 ， 选择合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提。 综合考虑各因素 ， 本文 选择集成温度传感器 DS18B20 和气体传感器 MQ2 用作采集系统的敏感元件。 DS18B20 温度传感器 DS18B20 数字式温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同的是，使用集成芯片，采用单总线技术，其能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化。 部分功能电路的集成，使总体硬件设计更简洁，能有效地降低成本，搭建电路和焊接电路时更快，调试也更方便简单化，这也就缩短了开发的周期 DS18B20 温度传感器实物图与电路图如 图 ： 图 DS18B20 数字式温度传感器 实物连接时，要注意正负极不要接反了，具体做法是：面对着扁平的一面，三个引脚顺序分别为 GND（负极）、 DQ（输出）、 VCC（正极）。 DS18B20 单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点： (1) 采用单总线的接口方式，与微处理器连接时，仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶 13 劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。 (2) 测量温度范围宽，测量精度高 DS18B20 的测量范围为 55 ℃ ~+ 125 ℃ ；在10~+85176。 C 范围内，精度为 177。 176。 C。 (3) 在使用中不需要任何外围元件。 (4) 持多点组网功能多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。 (5) 供电方式灵活 DS18B20 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。 因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。 (6) 测量参数可配置 DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定 9~12 位。 (7) 负压特性电源极性接反时，温度计不会因发热 而烧毁，但不能正常工作。 (8) 掉电保护功能 DS18B20 内部含有 EEPROM，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。 MQ2 气体传感器 MQ2 气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。 当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。 使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ2 气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。 这种传感器可检测多种可燃性气体，是一 款适合多种应用的低成本传感器。 MQ2 气体传感器特点 ： 1. 具有信号输出指示。 2. 双路信号输出（模拟量输出及 TTL 电平输出） 3. TTL 输出有效信号为低电平。 （当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机） 4. 模拟量输出 0~5V 电压，浓度越高电压越高。 5. 对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。 6. 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 7. 快速的响应恢复特性 MQ2 气体传感器 实物图和电路原理图如图 ： 14 图 MQ2 气体传感器 液晶模块 LCD1602 1602LCD 主要技术参数 [2]： 1. 显示容量 ： 162 个字符 2. 芯片工作电压 ： — 3. 工作电流 ： () 4. 模块最佳工作电压 ： 5. 字符尺寸 ： (WH)mm 1602 字符型液晶显示器实物图与电路原理图如图 15 图 1602 字符型液晶显示器 引脚功能说明 [3] 1602LCD 采用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表 所示： 表 引脚接口说明表 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据 2 VDD 电源正极 10 D3 数据 3 VL 液晶显示偏压 11 D4 数据 4 RS 数据 /命令选择 12 D5 数据 5 R/W 读 /写选择 13 D6 数据 6 E 使能信号 14 D7 数据 7 D0 数据 15 BLA 背光源正极 8 D1 数据 16 BLK 背光源负极 第 1 脚： VSS 为地电源。 16 第 2 脚： VDD 接 5V 正电源。 第 3 脚： VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度。