1、西南科技大学本科生毕业论文 IV基于单片机的火灾报警系统设计摘要：火灾已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。在工业和民用建筑、宾馆、酒店、图书馆、科研和商业部门，火灾报警系统已成为必要的装置，火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用。火灾报警控制器是火灾报警系统的核心，本文对火灾报警控制器和传感器做了深入的研究，并全面阐述了火灾报警控制器和传感器的硬件与软件设计及调试过程。本文设计的火灾报警系统能有效地防止和减少火灾危害, 对保护人身安全和
2、财产安全具有现实意义。关键词：火灾报警系统；单片机；传感器；声光报警Design of Fire-alarm System Based on Microcontroller UnitAbstract: In our country, as a disaster, the fire has many characteristics, such as: mediocrity, breakage and influence. In recent years, the economy and the construction develop quickly, increasing of modern
3、building, underground architecture and large-scale construction, the occasion of fire is increasing, and the quantity of fire and the losing it leads to raise gradually, the intention of fireproofing is avoiding loss. In the instruction of industry and civil, hotel, grogshop, library, the department
4、 of scientific research and trade, the fire alarm system has become the necessary installation. The fire alarm system has important functions to the modern buildings. The fire alarm system controller is its core. We introduce the research of fire alarm controller and narrate its hardware and softwar
5、e. The fire alarm system can avoid and reduce the fire harm. It settles the problem that the wire fire alarm system cannot fulfill.Key words: fire alarm system, MCU, sensors, sound-light alarm目 录第1章 绪 论11.1 概述11.2 国内外火灾报警系统的发展现状及趋势21.2.1 国内火灾报警系统的发展现状21.2.2 国外火灾报警系统的发展现状31.3 火灾报警系统的发展趋势31.4 研究目的和意义6
6、1.5 设计要求及完成的工作6第2章 方案设计82.1 引言82.2 器件选择82.2.1 控制芯片的选型82.2.2 火灾检测传感器的选择92.2.3 温度传感器的选择112.2.4 显示器件的选择132.3 总体方案设计14第3章 火灾报警系统的硬件设计183.1 电源模块的设计183.2 单片机小系统电路193.3 传感器控制电路223.3.1 烟雾传感器控制电路223.3.2 温度传感器控制电路233.4 系统总体电路设计23第4章 火灾报警系统的软件设计264.1 MCS-51系列单片机调试及开发工具264.2 主控程序设计274.3 传感器控制程序设计284.3.1 温度传感器程序
7、设计284.3.2 烟雾传感器程序设计294.4 系统调试294.4.1 电源部分调试294.4.2 单片机小系统部分调试304.4.3 系统整体调试31结论34致谢35参考文献36西南科技大学本科生毕业论文附录137附录249第1章 绪 论1.1 概述1.1.1 研究背景火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生，据联合国“世界火灾统计中心（WFSC）2000统计资料”，全球每年约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000人至75000人。欧洲和北美发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平高以及消防设施完善有关；亚洲居住人数最多，发
8、生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。我国2000年中国火灾统计年鉴记载，从1950年至1999年，全国共发生火灾3258105起，死亡人数165499人，伤313766人，直接经济损失1828亿元1。我国每年的起火次数较少，但死亡人数较高，这说明我国的消防保护体系对保护生命安全还有一定的差距，因此现阶段有必要提高全民的防火安全观念，提高我国消防设施水平。
9、火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。随着我国现代化建设的发展,各种现代化楼宇对火灾报警和自动灭火系统提出了更高的要求。大宾馆、酒店、商场、图书馆、博物馆、档案馆和办公楼等，自动灭火系统已成为必不可少的安保装置2。一旦发生火灾，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。火灾报警系统就是为了满足这一需求而研制出来的，并越来越被人们所接受，其自身技术水平也随着人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。1.1.2 火灾报警系统的发展历程火灾报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段。第一阶段：多线型
10、火灾自动报警系统。每个探测器除需提供两根电源线外，还需提供一根报警信号线，探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯，如日本“日探”公司生产的CPF火灾报警系统，此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能（也为多线制），如驱动警铃等，其报警器对外围探测器无故障检测功能，只会对电源线的断线做出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是布线工作量较大3。第二阶段：总线型火灾自动报警系统。这种自动报警系统已采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制和单线制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，其探测器的报警形式为开关量
11、，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，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4。第三阶段：智能型火灾自动报警系统。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化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳
12、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5 6。1.2 国内外火灾报警系统的发展现状及趋势1.2.1 国内火灾报警系统的发展现状我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪70年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。进入80年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始发育。火灾报警产品真正发展是在90年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技
13、术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平7。经过几年的发展， 随着国家对减灾、防灾得更加重视，和消防市场利润的吸引，火灾自动报警系统和消防广播、消防电源、及相关配套产品的生产厂家开始增多。其中以秦皇岛海湾、北京利达、北京国泰怡安为代表的国产品牌逐步发展壮大起来。国产火灾自动报警控制器已出现大屏幕彩色液晶汉字显示，汉字CRT显示系统。用户界面多采用VB或C语言等高级语言进行编制，使用方便、直观。两总线、RS232、RS485、CAN等现场总线已经普及，可与计算机进行联网实现现场编程。同时根据场地不同，不同工作方式的系统也已使用，如无线火灾自动报
14、警系统，空气取样火灾自动报警系统等，设备容量也有小系统如500点、中型系统如500至2000点、大型系统如3000点以上的多种型号。设备普遍具有体积小、容量大、传输速度快、误报率低、可联动设备多等特点。1.2.2 国外火灾报警系统的发展现状国外一些较发达的国家，具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的消防体系。政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及消防设施维护。德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。例如：美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统方面均有
15、可供借鉴的成功经验。他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确判断火灾地点、火灾类型，并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾报警数据通信畅通，为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。这种管理运作方式已经取得了良好的效果。1.3 火灾报警系统的发展趋势面对高新技术的发展机遇和国内市场国际化的竞争挑战，消防产品向高可靠、自动化、网络化的火灾探测报警技术发
16、展。传统火灾自动报警与现代自动报警系统的区别主要在于探测器本身的性能，其中现代自动报警系统使系统确定火灾的数据处理能力和自动化程度大为增加，减少了误报警的概率, 增加了系统可靠性，这是现代火灾探测报警技术的发展方向8。（1）智能化 火灾自动报警系统智能化是使探测系统能模仿人的思维，主动采集环境温度、湿度、灰尘、光波等数据模拟量并充分采用模糊逻辑和人工神经网络技术等进行计算处理，对各项环境数据进行对比判断，从而准确地预报和探测火灾，避免误报和漏报现象。发生火灾时，能依据探测到的各种信息对火场的范围、火势的大小、烟的浓度以及火的蔓延方向等给出详细的描述，甚至可配合电子地图进行形象显示、对出动力量和
17、扑救方法等给出合理化建议，以实现各方面快速准确反应联动，最大限度地降低人员伤亡和财产损失，而且火灾中探测到的各种数据可作为准确判定起火原因、调查火灾事故责任的科学依据。此外，规模庞大的建筑使用全智能型火灾自动报警系统，即探测器和控制器均为智能型，分别承担不同的职能，可提高系统巡检速度、稳定性和可靠性。（2）多样化 火灾探测技术的多样化。我国目前应用的火灾探测器按其响应和工作原理基本可分为感烟、感温、火焰、可燃气体探测器以及两种或几种探测器的组合等，其中，感烟探测器一枝独秀，但光纤线性感温探测技术、火焰自动探测技术、气体探测技术、静电探测技术、燃烧声波探测技术、复合式探测技术代表了火灾探测技术发
18、展和开发应用研究的方向。此外，利用纳米粒子化学活性强、化学反应选择性好的特性，将纳米材料制成气体探测器或离子感烟探测器，用来探测有毒气体、易燃易爆气体、蒸气及烟雾的浓度并进行预警，具有反映快、准确性高的特点，目前已列为我国消防科研工作者的重点研究开发课题。以火灾自动报警系统为代表的消防安全系统与防盗安全系统联动，以实现对生命财产的安全保护，是国外火灾自动报警系统的最新发展趋势，目前最现实的技术是体型探测技术，它能很好地兼容防火与防盗两个方面，很有发展前景。设备连接方式的多样化。随着无线通信技术的成熟、完善和新型有线通信材料的研制，设备间、系统间可根据具体的环境、场所的不同而选择方便可靠的通信方
19、式和技术，设备间可以用无线技术进行连接，形成有线、无线互补，同时新型通信材料的研制开发可弥补目前系统大多采用铜线连接存在的缺陷，而且各探测器之间也可进行数据信息传递和交流，使探测器的设置从枝状变成网状，探测器不再是各自独立的，使系统间、设备间的信息传递更方便、更可靠。（3）小型化 火灾自动报警系统的小型化是指探测部分或者说网络中的“子系统”小型化。如果火灾自动报警系统实现网络化，那么系统中的中心控制器等设备就会变得很小，甚至对较小的报警设备安装单位就可以不再独立设置，而依靠网络中的设备、服务资源进行判断、控制、报警，这样火灾自动报警系统安装、使用、管理就变得简单、省钱、方便。（4）社区化目前我
20、国火灾自动报警系统只被安装在重要建筑上，而在美国、日本等发达国家，包括许多居民家庭都安装了火灾自动报警系统。随着我国经济的不断发展、人们安全意识的增强、火灾自动报警系统的进一步完善以及智能化程度的提高，在社区家庭特别是高级住宅积极推广应用防盗、防火联动报警装置或独立式感烟探测器，对于预防居民家庭火灾是非常必要和行之有效的措施。（5）高灵敏性以早期火灾智能预警系统为代表。该系统除采用先进的激光探测技术和独特的主动式空气采样技术以外，还采用了 “人工神经网络”算法，具有很强的适应能力、学习能力、容错能力和并行处理能力，近乎于人类的神经思维。此外，该系统的子机与主机可以进行双向智能信息交流，使整个系
21、统的响应速度及运行能力空前提高，误报率几乎接近零，灵敏度比传统探测器高1000倍以上，能探测到物质高热分解出的微粒子，并在火灾发生前的30min 到120min预警，确保了系统的高灵敏性和高可靠性。（6）兼容性 将火灾自动报警系统与自动喷水灭火系统合二为一，增强预警和扑救功能的兼容性，降低消防工程投资，从而可以进一步扩大火灾自动报警和自动喷水灭火系统的应用范围。另外，火灾报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段：第一阶段：多线型火灾自动报警系统。每个探测器除需提供两根电源线外，还需提供一根报警信号线，探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯，如日本
22、“日探”公司生产的CPF 火灾报警系统，此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能（也为多线制），如驱动警铃等，其报警器对外围探测器无故障检测功能，只会对电源线的断线做出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是校线工作量较大。第二阶段：总线型火灾自动报警系统。这种自动报警系统已采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，其探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，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
23、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。1.4 研究目的和意义火灾报警控制器是一种能接收、显示和传
24、递火灾报警等信号的报警装置，它是火灾报警系统的主要组成部分。火灾报警探测器是监视周围环境状况的“感觉器官”，而火灾报警控制器则是系统的“神经”、“大脑”，是整个系统的核心。火灾报警控制器担负着监视探测器及系统自身的工作状况、处理火灾探测器输出的报警信号、进行声光报警、指示报警的具体部位、时间及执行相应的辅助控制等任务。研制火灾报警控制器的目的是为了立足于掌握核心开发技术，降低系统成本。尽管通过最近几年的消防治理整顿，取得了不少成绩，但与其他国家相比，千次火灾死亡人数较多，我国的火灾形势不容乐观，加之我国经济在高速发展，生活水准大幅度提高，各种生产、办公以及居住场所火灾大增，塑料制品和双层玻璃的
25、大量应用，使火场的外部求援困难重重9。因此，设计简单实用的火灾报警控制系统有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义。1.5 设计要求及完成的工作（1）任务设计要求1.熟悉、理解课题所涉及的内容，并熟练使用各种开发工具。2.查阅相关资料，完成整个系统的硬件电路设计。3.熟悉Keil/ICC的软件开发平台，并完成该系统的软件设计。4.在软硬件设计的基础上，熟练运用Proteus系统仿真平台，并完成该系统各模块软件仿真。5.完成硬件实物与软件的联合调试。（2）设计相关指标1要求设计制作多种感器信息采集系统；2设计的系统能完成火灾报警。3.实现以下技术指标：技术指标：1多种数据采集确保
26、准确报警；2烟雾检测：05%/英尺，误差10；3温度检测：0200，误差4；4一氧化碳：0500ppm，误差5ppm。（3）设计完成的工作1.完成硬件电路的设计与焊制;2. 完成软件的设计与调试;3完成多种数据采集确保准确报警；4完成烟雾检测：05%/英尺，误差10；5完成温度检测：完成-55125，误差4；6未完成一氧化碳：0500ppm，误差5ppm。第2章 方案设计2.1 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。火灾检测传感器主要分为感烟探测器、感温探
27、测器和光辐射探测器三大类，其中离子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：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。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
28、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。2.2 器件选择2.2.1 控制芯片的选型单片机是本系统的核心部件，一方面它要接收来自传感器的各种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，然后送显示，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实时的烟雾浓度，并进行相应处理。同时，在能
29、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。根据系统的复杂程度分析，系统最终实现的是对六路信号的处理的分析，因此所使用的单片机也不会需要很多的引脚，再从经济价格上分析，纵观所有的单片机控制芯片，51单片机是比较便宜的一类，另一方面，51单片机也有40个引脚，完全能够满足系统的需要，所以在控制芯片的选择上采用AT89S51作为系统的主控芯片。MCS-51系列单片机有以下的主要功能：8位的CPU、片内带振荡器、128字节的片内数据存储器、4KB的片内程序存储器，外部的数据存
30、储器和程序存储器的寻址范围为64KB、21个专用寄存器、4个8位并行I/O接口、一个全双工的串行口、2个16位的定时器/计数器、5个中断源、2个中断优先级、111条指令、具有位寻址功能、片内采用单总线结构。2.2.2 火灾检测传感器的选择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，系统采用离子感烟传感器和温度传感器。离子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10。在火灾发生初期，当进入离子感烟探头中采样室的烟浓度超过由参考室的门限值时，离子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，离子感烟探测器内的接口
31、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11。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，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MQ-2型普通气敏烟雾传感器。MQ-2在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，对液化气、丙烷、氢气 的灵敏度较高，长寿命、低成本，简单的驱动电路即可。可用于家庭用气体泄漏报警器，工业用可燃气体报警器，便携式气体检测器。表2-1 MQ-2的标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压24VDCVH加热电压5.0V0.2VACorDCRL负载电阻可调RH加热电阻313室温PH加热功耗900mW
