基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计_本科毕业设计论文(编辑修改稿)

基于光电感烟探测器的火灾报警系统设计_本科毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

决定，不可调整，此类系统可进行现场编程，并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区分，目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品，由于此类产品具有报警和控制功能，它的施工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用。 第三阶段：智能型火灾自动报警系统。 这是当今世界的主要发展趋势。 由于采用了先进的计算机控制技术，智能化程度大大提高，探测器的报警形式采用数字量，并可通 过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。 对探测器的使用环境参数变第 1 章 绪论 7 化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报。 本文主要研究内容 本系统采用 ATMEL公司的 AT89C51 单片机 [1,16]作为处理器设计了一种智能火灾报警器，主要包括：信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、声光报警电路等部分组成可以实现声光报警、故障自诊断、报警限设置、延时报警等功能 [4,17]。 是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。 首先 选择合理传感器、控制芯片 AT89C5 AD 转换器、 LED 等主要器件。 设计电源模块为系统提供电源。 完成信号采集、信号处理、数据分析、声光报警模块。 学习使用 Protel DXP 2020 完成硬件电路。 完成系统软件算法流程设计。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 第 2 章 火灾报警系统整体方案设计 引言 火灾报警系统，一般由火灾检测传感器、显示器、报警器和控制器等组成。 其中火灾检测传感器是检测火灾是否发生的专门仪器，可根据建筑物或实地 场所的要求，安装不同类型的火灾检测传感器。 火灾检测传感器 [5,11]主要分为感烟探测器、感温探测器、光辐射探测器和复合型探测器四大类，其中光电感烟探测器稳定性能较好，误报率低，寿命长等优点，在火灾报警系统中被广泛使用。 使用火灾报警产品的目的就是及早报告火灾的发生，从而迅速有效的控制火灾，把损失降到最低。 而目前使用的火灾报警产品存在以下主要问题[10,17]： (1) 报警系统的维护保养和持续性的技术支持是目前最严重的问题，比例分别为 31％和 27％ [18]。 而造成上述问题的罪魁祸首就是由于缺乏规范、统一的通 讯标准。 (2) 报警系统误报、漏报现象也是目前火灾报警行业主要存在的问题，自从火灾探测器问世以来，长期困扰产业界的就是上述两种现象。 环境中各种因素，如：静电、灰尘颗粒、气流、杀虫剂、磁场、气温剧烈变化、水蒸气等都会与火灾发生时的状况接近，从而使报警设备发生误判而报警。 针对以上这些问题，能够对火情做出快速、精确探测和有效控制是目前急需解决的问题，所以本课题的目标是：设计一套简单实用、抗干扰能力强、性价比高的火灾报警系统。 总体方案设计 由以上的分析，本系统的硬件设计框图如图 21 所示，该系统工作中 传感器的探头将探测的物理信号转换为电压信号，经信号放大电路处理后送入单片机，单片机对该信号进行判断，如果该值超出安全范转，单片机就会立即输出报警信号。 显示电路能够准确的显示出火灾险情的具体地点，报警电路对工作人员起到警示的作用，从而及时的警示工作人员做出相应的处理。 第 2 章 火灾报警系统整体方案设计 9 图 21 系统原理及组成框图 器件选 型 控制芯片的选型 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 [5,15]。 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。 AT89C51 的引脚图如图 22 示，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 [1,16]。 单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。 在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，这一过程的软件实现，需要单片机有较 快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到传感器 放大电路 A/D转换 单片机 状态指示灯 声光报警 按键 串口通信 燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 实时的烟雾浓度，并进行相应处理。 同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价 格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。 如今市面上比较普遍的单片机有 51 系列与 STC 系列。 STC系列虽然功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，但是存在溢出隐患问题，而且更适用于工业用途； AT89C51 单片机应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，且适合民用、商用。 用途更广泛。 综合以上观点，本论文选定 AT89C51 作为本系统的核心。 图 22 AT89C51 芯片的引脚图 AT89C51 管脚作用 [1,9] P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接第 2 章 火灾报警系统整体方案设计 11 收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “ 1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “ 1” 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4个 TTL 门电流。 当 P3 口写入 “ 1” 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 RST：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时当 8051 通电，时钟电路开始工作，在 RESET 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。 初始化后，程序计数器 PC 指向0000H， P0P3 输出口全部为高电平，堆栈指钟写入 07H，其它专用寄存器被清 “ 0”。 RESET 由高电平下降为低电平后，系统即从 0000H 地址开始执行程序。 然而，初始复位不改变 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的状态。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置 0。 此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。 另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号将不出现。 EA/VPP ：当 EA 保 持低 电平时 ，则在 此期 间外部 程序存 储器燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 （ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， EA 将内部锁定为 RESET；当 EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH编程期间，此引脚也用于施 加 12V 编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除：整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。 在芯片擦操作中，代码阵列全被写 “ 1” 且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。 在闲置模式下， CPU 停止工作。 但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。 在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 火灾检测传感器的选择及原理 光电感烟传感器 对各类火灾检测传感器进行比较后，根据设计 本系统的实际情况出发，系统采用光电感烟传感器。 光电感烟传感器是一种室内安装的探测器，可以探测可见和不可见的烟雾，具有对火灾进行早期预报功能 [3]。 在火灾发生初期，当进入光电感烟探头中采样室的烟浓度超过由参考室的门限值时，光电感烟探头底座上的指示灯将点亮，同时送出报警电压信号。 在输入回路中，光电感烟探测器内的接口电路十分关键。 通过探测器接口电路可以将探头报警电压信号转变为不同频率的电信号传送到控制器，由控制器判别处理，确定火灾位置报警 [19]。 第 2 章 火灾报警系统整体方案设计 13 烟雾传感器属于气敏传感器，是气 电变换器，它将可燃性气体在 空气中 的含量 （ 即浓度 ） 转化成电压或者电流信号 [2,5,11]，通过 A/D 转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、 浓度处理及报警控制等工作。 传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是检测电路的核心组成部分之一。 由此可见，传感器的选型是非常重要的。 在火灾发生前往往伴随着烟雾的产生，因此，我们就需要选择一种能够及时检测空气中烟雾含量的传感器来进行火灾发生的预警。 根据设计要求和查阅相关资料，烟雾传感器选择为光电感烟传感器，如图 23 常用光电传感器的示例。 图 23 常用光电传感器 光电感烟原理 光电感烟探测器也是点型探测器，点型光电感烟探测器是利用烟粒子散射和吸收光原理工作的，主要有两种形式：散射光型光电感烟探测器和减光型光电感烟探测器的 [5,13]。 气溶胶粒子与光相互作用时，能发生两种不同的衰减过程：吸收和散射。 散射是粒子以同样的波长再辐射已接收的光能，再辐射可在所有的方向上发生，但在不同方向上其强度通常不同。 吸收是粒子将接收的光能转变其他形式的能，如化学能、热能。 散射光型光电感烟探测器基本光路示意图如图 24示光源光轴 和光电接收器成特定角度，在无烟粒子时光电接受器件接受不到光源发出的光；烟粒子进入探测室（光学暗室、迷宫）后，探测器光源发出的光线接受到烟的散射，在一定角度内 光电接收器件才能接收散射光，产生有用电信号。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 14 物质燃烧会产生烟雾和有害气体。 在阴燃阶段会产生大量的烟雾颗粒和一氧化碳等大量有害气体。 烟雾颗粒的大小 （ 以直径计 ） 一般在 ～ 9181。 m 之间。 这些烟雾颗粒分布界面极大，性质也不稳定，容易使光产生散射。 当烟尘颗粒直径在 0. 5～ 1181。 m 之间时 ， 散射符合汤姆森散射 [4,5]。 根据瑞利散。