基于单片机的火灾自动报警系统 毕业设计.doc

目录摘 要1第1章 绪 论11.1 选题背景及意义11.2 本文所做的工作1第2章 火灾自动报警系统的工作原理22.1 系统总体功能概述22.2 火灾报警系统的类型22.3 火灾探测器的原理32.4火灾产生原理及过程4第3章 系统硬件设计63.1 核心芯片选择63.2电源模块的设计93.2.1复位电路113.2.2 晶振电路113.2.3光电感烟传感器123.2.4光电感烟原理123.2.5温度传感器153.3传感器控制电路163.4 信号处理电路193.5 A/D转换模块193.6声音报警电路213.7 状态指示灯及控制键电路223.8数据采集与分析电路233.9 报警器故障自诊断26第4章 系统软件设计274.1 主程序流程图274.2 主程序初始化流程图284.3 滤波子程序284.4 线性化子程序294.5 报警子程序314.6 键盘处理子程序34结论35参考文献36致 谢37附 录38程 序39摘 要目前，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活得四周到处潜伏着火灾隐患。为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。本系统可安装在各防火单位，它负责不断地向所监视的现场发车巡检信号，监视现场的温度、浓度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较、判断确定火灾。当发生火灾时，可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾传感器，具有一定的实用价值。关键词 火灾 报警器 单片机 传感器 烟雾 AT89C51 传感器第1章 绪 论1.1 选题背景及意义火灾是可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火，在给人类带来文明进步、光明和温暖的同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大的灾难。据统计，我国70年代火灾平均损失不到2.5亿元，80年代火灾平均损失接近3.2亿元。进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的上网，为社会减少不必要的损失。随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。智能化火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展。1.2 本文所做的工作本文采用气体传感器、温度传感器、AT89S51单片机以及LED显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。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。本系统采用ATMEL公司的AT89S51单片机作为处理器，主要完成以下工作：1. 基于AT89S51的火灾报警检测设计方案。2. 温度传感器AD590、烟雾传感器TGS202、A/D转换芯片ADC0809的选择以及与单片机的接口电路设计。3. LED数码管驱动芯片ICM7218与单片机的接口电路及其与数码管的硬件连接。4. 设计主要软件程序模块，完成软件设计。第2章 火灾自动报警系统的工作原理2.1 系统总体功能概述火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。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。区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出声光报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，利用本机专用电话还可迅速发出指示和向消防队报警。此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。整体电路的框图如图2-1所示：图2-1 系统原理及组成框图传感器放大电路A/D转换单片机状态指示灯声光报警按键串口通信 2.2 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：（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。2.3 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，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（7090）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”。2.4火灾产生原理及过程火灾是一种失去人为控制的由燃烧造成的灾害，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和点火源。可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常是空气中的氧气。根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式，如果在燃烧前，可燃气就与空气均匀混和，则称之为预混燃烧；如果可燃气体和空气分别进入燃烧区边混合边燃烧，则称之为扩散燃烧。液体和固体是凝聚态物质，难与空气均匀混合，它们燃烧的基本过程是当从外部获取一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体(如CO、H2等)的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之为气溶胶。一般气溶胶的分子较小(直径0.01m)。在产生气溶胶的同时，产生分子较大(直径0.01一10m)的液体或固体微粒，称为烟雾。可燃气体与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。着火后，燃烧产生的热量使液体或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量11。这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，导致了火势的扩大，形成火灾。其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。根据火灾发生时产生现象的不同，可以将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发展火焰等。阴燃就是在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，它能长时间自行维持并传播，当条件发生变化时，或者自行熄灭，或者转化为明火。明火则是火灾发生时燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红、紫外线的火焰。快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾一般为空气中混有大量可燃气体。通过大量的研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因12。总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足的条件下才能达到全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高。起火过程中，起初和阴燃两个阶段所占的时间比较长，虽然产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器就应该从此阶段开始进行探测，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2.1所示13。图2.4 起火过程曲线第3章 系统硬件设计3.1 核心芯片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2-2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2-2 AT89C51芯片的引脚图AT89C51管脚作用1,9P0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，P0-P3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R0-R7）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（0000H-FFFFH），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。3.2电源模块的设计电源模块部分主要由整流电路、滤波电路、集成稳压电路等组成。集成电路型稳压电源具有性能稳定、带负载能力强、使用方便等特点，因此得到了广泛的应用22。电源部分原理图如图3-1所示。220V的交流电通过变压器T1转变为12V的交流电，经D1D4（1N4007）整流以后将12V的交流电压变成脉动的直流电压，再经滤波电容C11（470F）和C12（0.1F）滤除纹波，输出+12V的直流电压。+12V的直流电压经IC4（7805）稳压后得到的+5V的电压，为接收主机整机电路供电16。电容C13（0.1F）能改善负载的瞬态影响，从而为接收主机提供稳定的工作电压。图3-1 电源部分原理图整流滤波基本电路图如图3-2所示。220V的交流电通过变压器T1转变为交流电，经D1D4整流以后将交流电压变成脉动的直流电压，再经滤波电容C11滤除纹波，输出直流电压VO，VO与交流电压Vi的关系为VO=（1.11.2）Vi。电容滤波电路工作原理：电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。图3-2 整流滤波基本电路图电容量越大，负载电阻愈大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压也越高。但是，电容量达到一定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。所以通常应根据负载电用和输出电压的大小选择最佳电容量。常见集成稳压器有固定式三端压器与可调式三端稳压器，固定式三端稳压器的常见产品有输出固定正电压的LM78××系列和输出固定负电压的LM79××系列，如LM7805输出电压为+5V，LM7905输出电压为5V。可调式三端稳压器能输出连续可调的直流电压，其中LM317系列稳压器输出连续可调的正电压，LM337系列稳压器输出连续可调的负电压。稳压器内部含有过流、过热保护电路。3.2.1复位电路复位电路的基本功能是9：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。AT89C51的复位信号是从REST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果REST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位，本设计采用的是手动按钮复位。手动按钮复位需要人为在复位输入端REST上加入高电平,采用的办法是在REST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到REST端，系统复位。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，设计完全能够满足复位的时间要求。复位电路中SW-PB为手动复位开关，电容C10可避免高频谐波对电路的干扰。AT89C51的复位电路如图3-3所示。3.2.2 晶振电路晶振电路为单片机AT89C51工作提供时钟信号，芯片中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振荡器一起构成自激振荡器6,15。电路中的外接石英晶体及电容C5、C6接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，系统的晶振电路如图3-3所示。由于外接电容C5、C6的容量大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容的容量大小范围为；如果使用陶瓷谐振，则电容容量大小为。本设计中使用石英晶体，电容的容值设定为30pF。AT89C51的复位电路如图3-3所示。图3-3 晶振电路与复位电路 3.2.3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。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。3.2.4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。散射光型光电感烟探测器基本光路示意图如图2-4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。根据瑞利散射理论，空气中的烟雾颗粒可以近似看成一个微小的圆球，这时的瑞利比( 散射能力) 为12,17： (2-1)式中： 为散射函数；为圆球半径；为散射角；为圆球的体积；K为散射测量中的物理常数；为反差因子。由上式可以看到散射能力与圆球体积平方成正比，因此从这方面来说，烟雾较大的颗粒比较小的颗粒散射能力要大得多。然而必须注意散射能力也依赖散射函数。同时上式还与和有关，因而当球（烟雾颗粒） 较大而较大时，随着散射角的增大，函数下降较大；球小时，情况就相反。这就说明太大的颗粒散射能力也不强。我们将烟雾颗粒使光产生散射的性质制成优良的烟雾传感器。对火灾初期形成的烟雾进行可靠的探测，可以用红外光作为散射光源。如图2-4所示在一个不受外界光线影响，但烟雾可以进出的光敏室中装有红外发光元件（光源）和红外受光元件（光敏器件）。在两者之间加上遮光部件，且之间形成角度以避免受光元件直接接收发光元件发出的光线。用砷化镓（GaAs）红外二极管作为发光元件。选择光谱范围在0. 540. 95µm之间。光敏管采用硅（Si）光电池。接受光谱取在0. 51. 2µm 之间。根据瑞利散射学说当烟雾颗粒直径小于光源波长时。散射光强同波长的四次方成反比。当光敏室无烟雾颗粒时散光极微弱。当火灾阴燃阶段，烟雾颗粒进入光敏室，红外光源（发光元件）发射的在烟雾颗粒上产生散射。光敏二极管（受光元件）发生阻抗变化产生光电流。当无烟雾颗粒进入光敏室时，受光元件不产生光电流，这就实现了将烟雾信号转变为电信号的物理基础12。 图2-4 散射光式光电式烟雾传感器原理示意图如图2-5示光电感烟传感器电路原理图图2-5 光电传感器电路原理图通过大量的实验4,17，得出了发光元件与受光元件的夹角等于136°时，受光元件状态最佳。图2-6为光电烟雾传感器对不同直径烟粒子的响应曲线。当烟雾颗粒直径在0. 50. 9µm 时，光电感烟传感器响应最好。综上所述，光电感烟探测器在正常运行中对烟雾的识别能力较强，稳定性较好。因此本系统所采用的火灾报警探测器是光电感烟探测器，由它把物质初期燃烧所产生的烟雾信号转换成支流电压信号，通过导线传输给报警器，发出声光报警信号。 灵敏度 颗粒直径/µm图2-6 光电烟雾传感器对不同直径烟粒子的响应曲线3.2.5温度传感器温度探测器是利用热敏方式来检测环境温度进行报警的探测器，用于检测被测物体和环境的温度，当超出或低于标准值时发出报警。火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。温度探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器，它是将温度的变化转换为电信号以达到报警目的2,13。根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用建筑中的温度探测器有4,14,17：1定温式探测器：定温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时启动报警的火灾探测器。它有线型和点型两种结构。其中线型是当局部环境温度上升达到 规定值时，可熔绝缘物熔化使两导线短路，从而产生火灾报警信号。点型定温式探测器利用双金属片、易熔金属、热电偶热敏半导体电阻等元件，在规定的温度值上产生火灾报警信号。2差温式探测器：差温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。它也有线型和点型两种结构。线型差温式探测器是根据广 泛的热效应而动作的，点型差温式探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温器件是空气膜盒、热敏半导体电阻元件等。 温度探测器使用的是美国国家半导体公司生产的集成温度传感器LM94022，该传感器属于高精度模拟输出CMOS温度传感器，不仅工作电压低、静态电流小和输出功率极低，而且能与模数转换器(ADC)配合使用。其主要特性如18下：(1) 工作电压低，可在1.5V电压下工作；且工作电压范围宽，为1.55.5V；(2) 静态电流小，典型值为541A；(3) 末级为推挽输出，输出电压与感测的温度成反比，确保芯片即使在较高的温度范围内仍可保持极高的灵敏度；(4) 可提供4个不同增益让用户自行选择，其中包括-5.5mV/ 、-8.2 mV / 、-10.9mV /及-13.6mV /；(5) 温度范围宽，可以监控由-50至150范围内的温度；(6) 设计灵活、功率极低，采用极小巧的SC70封装，大小与美国国冢半导体的标准型号LM20温度传感完全相同。LM94022的管脚排列如图2-7示。图2-7 LM94022管脚排列3.3传感器控制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2,10。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-5.5mV/ 、-8.2 mV / 、-10.9mV /及-13.6mV /。本设计温度传感器灵敏度选择-5.5mV/，所以LM94022的GS0和GS1端口都接地，温度信号调理电路如图3-4所示。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3-5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C1、C2、C7。系统采用固定门限检测法12,14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3.2%每英尺。图3-4 温度信号调理电路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R4、R8的阻值设为10K和1K15。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，故，。依据运算放大器“虚短”、“虚断”特性，有。电压放大倍数为：， (3-1) 图3-5 烟雾信号调理电路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8。由于在火灾发生早期，温度烟雾信号是一种缓变信号3,18，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9,22。二阶低通滤波电路中，。LPF电路电压放大倍数为： (3-2)用取代s，且令，得出电压放大倍数为： (3-3)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，则当时，上式的分母的模应等于，可解出二阶LPF的上限截止频率为： ， (3-4)二阶低通滤波电路的衰减斜率可达-40dB/十倍频，但是又由于远离，即在处，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3,22。3.4 信号处理电路图3-6 信号处理电路对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性的要求。在本报警器电路中，同样要对两类传感器的输出信号进行放大调理。电路图如上图3-6所示，运算放大器接成电压放大电路。从传感器采集过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信号。采样时，把相应的模拟电压信号从Vi端送进LM324A进行放大处理后，从Vo端输出送入A/D转换电路。3.5 A/D转换模块在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换（A/D转换），才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。完成A/D转换的器件即为A/D转换器20。A/D转换器的主要性能参数有：(1) 分辨率：分辨率表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示；(2) 转换时间：转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远；(3) 转换误差：转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示；(4) 线性度：线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。目前有很多类型的A/D转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色，综合全部因素设计决定采用美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器ADC080921。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。图3-8 ADC0809引脚图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ADC0809，ADC0809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2-8所示20,21。ADC0809的引脚功能：D7-D0 ：8位数字量输出引脚IN0-IN7 ：8位模拟量输入引脚GND ：地REF（+） ：参考电压正端REF（-） ：参考电压负端START ：A/D转换启动信号输入端ALE ：地址锁存允许信号输入端ADC0809的主要性能指标为20,21：(1) 分辨率为8位。(2) 最大不可调误差：ADC0809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05V。(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128s。 3.6声光报警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、故障)，发出不同的声光信号报警。声音报警电路如图3-9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P10引脚进行控制，当P10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；否则，三极管截止，蜂鸣器不发出声音6,22。图自己画 图3-9 蜂鸣报警电路图 图3-9光报警电路3.7 状态指示灯及控制键电路 图3-10 状态指示灯电路 图3-11 控制按键连接示意图状态指示灯及控制键电路如图3-10、3-11所示，单片机AT89S52的P2.2、P2.3、 P2.4控制输出的状态指示灯。绿灯亮表示正常状态，环境中没有火灾危险。黄灯亮表示传感器加热丝发生断线或者接触不良。红灯亮表示环境中烟雾浓度、温度超过报警限值，提醒用户尽快采取相应措施。 控制键电路采用独立式按键设计。4个按键分别接到片。P1.0、P1.1、 P1.2和RST，对于这种键各程序可以采用中断查询