学士学位论文—利用单片机结合传感器技术而开发设计的智能火灾报警系统论文(编辑修改稿)

学士学位论文—利用单片机结合传感器技术而开发设计的智能火灾报警系统论文(编辑修改稿)内容摘要：

防火灾的哈尔滨远东理工学院学士学位论文 2 一项基础工作，应用范围广泛。 报警早，损失少，不仅对发生火灾的单位和个人具有重要作用，而且对公安消防监督机构及时扑灭火灾、减少人员伤亡和财产损失同样具有十分重要的现实意义。 火灾自动报警系统由触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置及具有其他辅助功能的装置组成。 随着电子技术和计算机技术的迅速发展，火灾自动报警系统的结构、形式越来越灵活多样，很难精确划分为几种固定的模式。 火灾自动报警技术趋向于智能化系统，这种系统可组合成任何形式的火灾自动报警网络形式，既可以是区域报警系统，又可以是集中报警系统或控 制中心报警系统形式。 所谓智能火灾自动报警系统，应当是：使用探测器件 [9]将火灾发生期间所产生的烟、温等信号以模拟量形式，连同外界相关的环境参数一起传送给报警器，报警器再根据获取的数据及内部存储的大量数据，利用火灾模型判据来判断火灾是否存在，这样的系统称为智能火灾自动报警系统。 从传统型走向智能型，是国内外火灾自动报警系统技术发展的必然趋势。 智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理和控制于一体的控制系统，代表了当前火灾报警系统的发展方向。 随着科学技术的迅猛发展以及国内外经济的迅速增长，市场上迫切需要一种 容量大、性能优越、可靠性高、便于安装、使用和维护的智能型火灾报警控制系统。 在本次设计中采用了感烟效果好、灵敏度高的 MQ2 烟雾传感器和DS18B20 数字温度传感器来完成设计要求。 智能火灾自动报警控制系统具有如下特点： ，智能系统采用了设有专用芯片的模拟量探测器，对烟雾和灰尘等影响实施自动补偿，同时有数字量的探测器，直接将采集的信号信息送入控制器进行自动处理，从而为实现各种智能特性、解决无灾误报和准确报警奠定了技术基础； ，解决了对不同工 程的适应性，又提高了运行的可靠性； ，既完成了总线报警，又实现了总线联动控制，彻底避免了控制输出与执行机构之间的长距离穿线布管，大大方便了系统布线设计和现场施工。 ，可对整个系统进行扩展，实现更多的功能。 课题研究的意义 随着生产和生活的迅猛发展，消防安全显得越来越重要。 本文就智能火灾报警系统中探测器的选型及单片机联动设计方案的合理选择等问题，结合在实际工程中的应用，作初步探讨，供参考。 伴随着科学技术的不断进步，智能火灾报警系统必将得到更快的发展。 智 能火灾报警控制器是一种能向火灾探测器供电、接收、显示和传递火灾报警等信号的报警装置，它是智能火灾报警系统的重要组成部分。 在智能火灾报警系统中，火灾探测器随时监视着周围环境的情况，是系统的“感觉器官”。 火灾报警控制器则是该系统的“躯体”，“大脑”，是系统的核心。 火灾报警控制器担负着为火灾探测器提供稳定的工作电源。 监视探测器及系统自身的工作状态 :接受、转换、处理火灾探测器输出的报警信号 :进行声光报警；同时执行相应辅助控制等任务。 本 章小结 传感器技术经过十几年的发展，因其具有体积小、功耗低、功能强、成本低 等特点正在向各个领域渗透，而单片机的应用正在随着计算机在社会各个领域的渗透不断地走向深入，将单片机与传感器技术有机的结合起来，既方便了人们的日常生活，又推动了科学的哈尔滨远东理工学院学士学位论文 3 发展。 如今，将单片机技术恰当的应用在传感器技术中，是技术进步的必然结果。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 4 第 2 章 方案设计 系统的主要功能及原理 目的和要求 本次设计是设计和实现一种分布式智能火灾报警控制系统，实现系统软硬件的组成和实现。 实时、准确报警和可靠的联动控制，使系统可靠性高、灵活性强、人机界面友好。 设计成果能对室内烟雾 (CO2， CO[10]，甲 烷等 )及温度突变进行报警，烟雾和温度同时出现异常，则说明有火灾，发出火灾警报。 通过设计熟悉 51 单片机的使用方法、 ADC0809和 DS18B MQ2 传感器 [11]等芯片的工作原理及其使用，并通过 Keil[12]编程往单片机上下载程序，进而实现对外接在单片机上的电路控制报警系统，驱动扬声器，达到预期效果。 在智能火灾报警系统设计过程中，根据设计要求编写程序，绘制 Protel[13]原理图来达到设计的最优化和理想化、实用化。 系统的工作原理 本文的智能火灾报警系统 [14]的工作，首先，通过数 据采集模块的 MQ2 烟雾传感器采集周围环境的烟雾浓度，经 A/D 转换送到单片机控制中心进行处理；同时由 DS18B20 数字温度传感器采集周围环境中的温度，经过信息处理，转化为 C51[15]单片机能够处理的数字量。 在 STC89C5RC 单片机中，采集并经过处理的数据要与系统所规定的相关上限值进行比较（上限值是保证系统正常工作同时周围环境处于良好状态时的上限），如果超过了上限值，则说明周围环境异常，要报警，以便人们的正常生活和工作。 把信息综合处理，根据实际的需要以及现场的环境，来发现和识别警报，构成智能化的监控系统， 提高了系统工作的可靠性。 图 模块框图 系统芯片的选择 单片机的选择 单片机是本方案的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎，下面我们来拿 8031 和STC89C5RC 做一下比较。 8031 片内不带程序存储器 ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路 373，外接的程序存储器多为 EPROM 的 2764 系列。 用户若想对写入到 EPROM 中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。 写入到外接程序存储器数据采集模块 A/D 转换模块 单片机主控 处理模块 报警电路模块 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 5 的程序代码没有什么保密性可言。 由于上述类型的单片机应用 的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。 后来很多芯片厂商以各种方式与 Intel 公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。 我们统称这些与 8051 内核相同的单片机为 51 系列单片机。 在众多的 51 系列单片机中，要算 ATMEL 公司的 STC89C5RC 更实用，因他不但和8051 指令、管脚完全兼容，而且其片内的 4K 程序存储器是 FLASH 工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的 方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL AT89Cx 做的编程器均带有这些功能。 显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。 写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。 而且 STC89C5RC 目前的售价比 8031 还低，市场供应也很充足。 单对 STC89C5RC 来说，在实际电路中可以直接互换 8051 和 8751，替换 8031 只是第31 脚有区别， 8031 因内部没有 ROM， 31 脚需接地，单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；而 8051/8751/89c51 因内部有程序存储器 ， 31 脚接高电平，单片机启动后直接在内部读取指令。 也就是 51 芯片的 31 脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31 脚接电源，程序从内部读取， 31 脚接地，程序从外部读取，其他无须改动。 另外，STC89C5RC 替换 8031 后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和 373 芯片。 由于内部 RAM 的存在，可以减少 I/O 扩展芯片、锁存器及片外 RAM 等等，使整个设计显得简单明了，所以我们选择 STC89C5RC。 A/D 转换器的选择 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。 根据本设计的需要，我选择的 A/D 转换器是 ADC0809 芯片。 ADC0809 是美国 Analog Device 公司生产的 8 位逐次逼近式模数转换器，转换速率高，自带三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的 8 位或 16 位的微处理器相连而无需附加逻辑接口电路，且能与 CMOS 及 TTL 兼容，是目前我国应用最广泛，价格便宜的 A/D 转换器。 加之内部含有三态输入缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口电路，内部 设置的高精参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能完成 A/D 转换功能，应用非常方便。 烟雾传感器的选择 烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾 种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。 使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。 阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从 而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。 虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。 中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将 使催化元件产生不可逆转的哈尔滨远东理工学院学士学位论文 6 中毒，以致灵敏度很快就丧失。 当怀疑检测环 境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。 因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。 一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作 人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。 半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高， 响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。 半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性 (抗干扰性 )和稳 定性 (使用寿命 )。 经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。 因此，本设计采用半导 体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。 而在众多半导体气体传感器中，本设计选用 MQ2 型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。 温度传感器的选择 温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。 温度传感器的发展大致经历了以下 3 个阶段： （含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。 传统的分立式温度传感器如热电偶传感器。 热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接 触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从 50~1600℃进行连续测量 ,特殊的热电偶如金铁 —— 镍铬，最低可测到 269℃，钨—— 铼最高可达 2800℃。 /控制器。 它的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。 目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。 温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一 类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。 接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。 这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。 但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。 非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。 常用的是辐射热交换原理。 此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。 综合以上，我选择数 字温度传感器 DS18B20。 该产品采用美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 DS18B20 一线总线数字式传感器，独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯，用户可定义的非易失性温度报警设置。 现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。 适合于恶劣环境的现场温度测量，与前一代产品不同，新的产品支持 3V~ 的电压范围，使系统设计更灵活、方便。 而且新一代产品更便宜 ，体积更小。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 7 本章小结 本章主要介绍了系统传感器和控制芯片的选择。 本设计首要的一个关键任务就是掌握传感器的工作方法及编码和解码，才能完成对火灾信号的接收，即在了解传感器的是使用方法后，将传感器技术应用到单片机中，发出控制指令，然后实现报警。 系统的结构原理框图 图 智能火灾报警系统结构原理框图 光报警 蜂鸣器报警 4分频电路 MQ2烟雾传感器 DS18B20 温度传感器 ADC0809 STC8。