基于AT89S52单片机的火灾自动报警器设计.doc
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1、 毕业论文(设计)题 目 基于AT89S52单片机的火灾自动报警器设计 院 系 自动控制系 专 业 电气工程与自动化 学生姓名 学 号 指导教师 职 称 教 授 二一三 年 六 月 一 日目 录摘要11绪论11.1火灾报警器的意义11.2火灾报警器的发展历史21.3中国的火灾报警器22火灾报警器的整体设计22.1本设计的目标22.2火灾报警器的类型23主要硬件设计43.1主要组成部分43.2单片机53.2.1单片机最小系统电路63.3 A/D转换器73.4烟雾传感器83.6 LED数码管103.6报警器124软件设计134.1主程序流程图134.2 KEIL145实物制作展示155.1实物制作
2、注意事项155.2实物效果图156总结16参考文献17ABSTRACT18谢辞19附录20附录一 proteus仿真20附录二 源程序21基于AT89S52单片机的火灾自动报警器设计摘要:为了尽早的发现火灾,减少火灾中的财产和生命损失。本文设计了一种火灾自动报警器。在温度传感器DS18B20感应到温度异常升高或者烟雾传感器MQ-2感应到烟雾的变化时,将采集的数据交予单片机AT89S52处理,单片机会对数据进行判断,如果认为发生了火灾,报警器便发出警报,并显示温度和烟雾浓度。相比只有单一传感器的火灾报警器该系统最大的优点便是可靠性高,大大降低了火灾错报和漏报的几率。而且MQ-2烟雾传感器不仅可以
3、探测到火灾发生时的烟雾,还能探测到一氧化碳、氢气、液化气、甲烷、丙烷等易燃易爆气体,在火灾还未发生时就及时报警,防患于未然。该系统具有结构简单、灵敏度高、抗干扰能力强、性能稳定和价格低廉等优点。关键词:火灾报警;单片机;烟雾传感器;温度传感器1绪论1.1火灾报警器的意义自从人类懂得使用火以来,火便成了人们生活中不可缺少的一部分,它带给了人们温暖和光明,但它也给人们带来了无数的灾难。据公安部公布的全国火灾情况分析介绍:仅在2011一年间,全国火灾造成的直接财产损失高达20.6亿元,财产损失还是次要,更让人伤心的是因火灾逝去的1108条生命。表1 全国火灾24小时分布情况时间年份2010年2011
4、年000216316502041841930406143126060886960810736910127050121445531416103681618664318205451202284452224134149通过表1我们可以发现每天的22时至6时是火灾死亡人数最多的,在2010年该时段共发生火灾32549起,造成624人死亡,虽然起数只占总火灾起数的24.6%,但死亡人数占到全年火灾死亡总人数的51.8%。同样2011年间该时段共发生火灾30128起,只占了全年火灾总数的24%,但是这些火灾却造成633人死亡,占全年因火灾死亡人数总数的57.1%;全年87起较大规模以上火灾中,有60起发生
5、在这一时间段,占全部大规模火灾总数的69%。产生这种情况的原因是在夜间人们生活活动的减少,所以火灾起数不高,但夜间人们防范措施不到位,火灾容易发展成大火灾,造成重大人员损失。火灾报警器正是为了弥补人力的缺失,为了尽早发现火灾才诞生的。1.2火灾报警器的发展历史在中国古代城市建有很多很高的望楼,除了防范战争,还起着防范火灾的作用。人们站在望楼里观察整个城市,观察到火灾便发出警报,这就是最早的火灾报警系统。随着现代科技发展,这种人工原始的方法被各种高科技消防报警装置取代,高科技消防报警装置的诞生大大解放了人力。1852年世界第一台火灾报警系统出现在美国;1874年英国安装了世界第一台用于城镇火灾报
6、警的装置;1890年英国人研制出了感温式火灾报警器;20世纪20年代,人们掌握了升温速率原理,借此发明了差温型火灾报警器;20世纪5070年代,随着离子烟雾传感器的发明,出现了感烟火灾报警器。1.3中国的火灾报警器中国的消防报警产品是接近90年代才起步,落后外国好多年。当时中国市场上都是国外的大品牌,但是中国企业没有放弃,抓住了机遇,在技术上不断改革创新,技术上达到了世界领先,现在国内市场上大部分产品都是中国制造,并且走出国门,进军海外。根调查显示,美国93%的家庭装有火灾报警器,而我国只有在一些新建的,人口密集的公共场所才安装了火灾报警器,家庭安装的更是少有。根据我国庞大的人口基数,可以预见
7、我国在火灾报警器上有着多么大的市场,这充分说明了我国市场前景的广阔。2火灾报警器的整体设计2.1本设计的目标本设计的目标是当检测到的环境温度超过设定的报警温度时,蜂鸣器会发声报警。火灾发生时除了周围环境温度会升高,还会产生烟雾,本设计中的烟雾传感器检测到燃烧释放的烟雾时,将信号传送进A/D转换器进行处理模数转化再把转换好的信号送到单片机进行处理。当检测到烟雾浓度超标时,蜂鸣器也会进行报警,烟雾和温度的报警值都是可以设置的。此外,本设计还设计了手动报警按键,可以在因各种原因无法自动报警时可以手动报警。2.2火灾报警器的类型根据报警器所使用的传感器种类不同,火灾报警器可以分为以下四种类型:(1)感
8、温型火灾报警器由于火灾发生时燃烧会产生大量的热量,使得周围温度快速的变高。温度传感器将周围环境温度的变化转换成电信号,处理器通过判断电信号的大小来判断是否发生了火灾,如果发生了火灾就会报警。一般分为定温型(温度达到一定值报警)和温差型(升温幅度达到一定值报警)。一般来说定温型容易受到外界其他因素的干扰,温差型相对抗干扰能力比较强。(2) 感烟型火灾报警器火灾早期,物质燃烧刚刚开始,这个时期被称为阴燃阶段。一般来说这个阶段还没有明火或者火焰很小,燃烧物质接触的空气不足,氧气不足的燃烧会导致燃烧不完全,未燃尽的物质会产生大量烟雾。烟雾式火灾报警器可以将空气中的烟雾转换成可用的电信号,判断电信号就能
9、判断是否着火,并发出报警。根据烟雾传感器的不同一般可分为光电感烟型、离子感烟型和激光感烟型等。(3) 感光型火灾报警器火灾发生时火焰燃烧除了产生热量和烟雾以外还会产生光,感光型火灾报警器将环境中光的模拟量转换成电信号,进而判断是否发生火灾,根据传感器的不同分为紫外线报警器(对短波敏感)和红外线报警器(对长波敏感)。但是因为光传感器容易受到外界光源的影响,一般来说可靠性比较差。(4) 复合型火灾报警器单一传感器火灾报警器容易受到各种影响产生误报,可靠性差。为了提高可靠性,人们将多种传感器集中到一个火灾报警器上,这就是复合型火灾报警器。复合型火灾报警器有很多种,将前面的三种报警器中的任意两种组合甚
10、至全部组合一起便是复合型火灾报警器,大大提高了可靠性。可见,复合型火灾报警器要优于单一的火灾报警器,因此本文设计了一种复合型火灾报警器。根据火灾时现象的不同,可以将火灾分为起初、阴燃、全燃、熄灭等。普通可燃物在燃烧时的过程首先是产生燃烧气体,然后放出烟雾,进入阴燃,在氧气充足的条件下才能全燃,产生火焰,火焰发出可见光和不可见光,并向周围散发大量的热,环境温度随之升高。在起火过程中,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,但危害和造成的损失也相对较小,因为没有大的明火,所以环境温度较低,温度传感器无法感应,但是产生的大量的烟雾却会向上飘,堆积在天花板上,这时若是使用安装在天花板上
11、的烟雾传感器,就可以及时发现火灾,将火灾损失控制在最小。而一些情况下的燃烧并不会产生烟雾或很少有烟雾,比如氢气燃烧,这时就需要温度传感器来进行探测。所以本文设计了一种烟雾温度复合型火灾报警器。起火过程曲线如图2-1所示。图2-1火灾过程中温度和烟雾曲线3主要硬件设计硬件设计使用的工具是proteus,proteus是目前使用最多的最好的单片机仿真软件。本设计作为一个典型的单片机设计,首先也是必要的就是做出仿真,仿真做好才能调试软件,并且制作实物。图3-1 Proteus界面图3.1主要组成部分本设计的火灾报警器由火灾探测部分(温度和烟雾传感器)、报警控制器(单片机)、报警和显示部分(数码管、蜂
12、鸣器等)组成,也就是一个系统的输入部分、处理部分、输出部分。火灾探测部分通过对火灾发出的气体烟雾和温度的探测,将探测到的信号转化成数字信号传递给控制器也就是单片机。单片机将接收到信号后经分析处理后判断是否发出报警信号,并在屏幕上显示当前温度和烟雾浓度。如果判断有火灾,蜂鸣器将在单片机的指挥下发出警报声警示火灾的发生。图3-2主要结构图3.2单片机 本设计使用的是AT89S52单片机,AT89系列单片机是ATMEL公司以Intel的8051为核心加以改进,结合自身优势构造而成的。对于8051来说,AT89系列单片机具有以下几个优点:和8051系列指令、管脚完全兼容,因为它们采用的是一样的内核;含
13、有Flash存储器,这种存储器可以使用户很方便的用电的方式瞬间擦写程序,这使开发设备的要求降低,开发时间缩短。并且可以随意进行程序的擦写,AT89S52单片机含有8KB的Flash,擦写次数不小于1000次;采用静态时钟方式,这种方式可以节省电能;综上所述AT89系列单片机具有其独特的优点,这也是广大用户选择它的主要原因。引脚图如3-3所示。图3-3 AT89S52引脚图(1)Vcc和GND电源端和接地端。(2)P0口有两种功能,第一种功能用作通用/口,用做通用/口时,因为P0口是开漏级,这时必须外接上拉电阻;当用做输入时每个端口首先要置1,作为输出时不用置1。第二种功能P0口用作访问片外数据
14、或程序存储器时的低8位地址/数据总线的复用口,因为P0口内含上拉电阻,所以无需外接上拉电阻。P0口每个引脚可驱动8个TTL负载(晶体管-晶体管逻辑电路),其他引脚只能驱动4个TTL负载。(3)P1口只有一种功能那就是用做通用/口,没有第二种功能。因为其内部已经接有上拉电阻,所以P1口不需要外接上拉电阻。当用做输入时,每个端口首先要置1。P1.0和P1.1引脚也可以用做定时器2的触发器输入(P1.1/T2EX)和外部计数输入(P1.0/T2)。(4)P2口也有两种功能。第一种就是P2口作为通用/口使用,不需要外接上拉电阻;第二种就是作为地址线使用,这种情况只有当系统有外部扩展存储器或者/接口时才
15、会发生,这种时候P2口用作地址高8位信号线。(5)P3口比较特殊,除了同样用来做通用/口使用外,每个引脚都具有自己的第二功能(复用功能)。当这些引脚使用第二功能时,就不能再把它当作通用/口使用,而其他的引脚不会受到影响,仍然可以作为通用/口使用。P3口作为通用/口使用时,与P1口相类似,无需外接上拉电阻。P3引脚的复用功能具体如表2所示。表2 P3端口引脚与复用功能表(6)RST是复位输入端。当系统处于运行状态时我们有时候会需要系统回到开始的时候,这个时候向RST引脚输入一段时间的高电平,则CPU就会将系统复位。复位包括上电复位和手动复位,需要上电复位是因为单片机刚刚上电时系统不太稳定,上电复
16、位推迟了CPU的启动,是系统不会发生错误。手动复位一般是在系统错误或者希望系统中断重修开始时使用的,就本设计来说复位键就起着停止报警重修开始的作用。(7)EA/Vpp是外部存取允许信号。需要单片机只执行外部程序存储器的指令的时候,EA接地要。当需要单片机执行片内程序存储器的指令的时候,EA要接Vcc,如果需要可以自动转到执行片外存储器的指令。本设计是执行内部存储器的程序,EA接VCC,如果不接很大可能会出现系统错误,单片机不知道该执行哪的程序。(8)XTAL1和XTAL2是接外部振荡器的两个引脚,外部振荡器是单片机运行最重要的部分之一,所以这两个引脚必须要接。其中XTAL1接地,XTAL2接外
17、部振荡器。具体接法如图3-4.3.2.1单片机最小系统电路(1)单片机RST脚接复位电路,可按复位按钮给单片机复位。(2)仿真中晶振一般采用12MHZ的晶振,实际电路中采用的多为11.0592MHz。(3)因为单片机只执行内部程序存储器中的指令,所以单片机的EA脚要接高电平VCC。图3-4 单片机最小系统结构图3.3 A/D转换器本设计使用的A/D转换是ADC0832。ADC0832是一种8位分辨率双通道A/D转换芯片。图3-5 ADC0832引脚图如图3-5所示,ADC0832一共有8个接口,各个引脚的功能如表3所示。其中和单片机相连的接口有4条,分别是CLK、CS、DI和DO。但DI端与D
18、O端在和单片机进行数据传输时不会一起进行,DI是通道选择接口,在开始进行转换时对通道CH1和CH0进行选择,然后就没用了,接着D0开始工作,所以在设计电路时一般可以将DI和DO连在一根线上连接单片机,这样可以节省一个单片机的引脚。表3 ADC0832引脚功能表ADC0832的工作步骤主要分为四步:一、 CS端相当于芯片的开关,低电平时芯片工作,高电平时停止工作。当要进行A/D转换时,先要将CS端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。芯片开始转换工作时芯片时钟输入端CLK会同时由单片机输入时钟脉冲。二、 ADC0832有两个模拟量输入端口CH0和CH1,优点是可以一个A/D转换模块就可以转换
19、两个数据,节省了部件。缺点就是必须进行通道的选择,DI口就是就是用来选择通道的。在第二个和第三个脉冲时通过输入到DI口的电平不同来选择通道,选择完毕后DI端口就失去作用。三、 DO端开始输出转换后的数据。第4个脉冲输出D7,随后每一个脉冲输出下一位数据。直到第11个脉冲时输出D0,这样第一个字节的数据就已经输入到了单片机。然后从此开始反着输出下一个字节的数据,即从第11个下沉输出D0,第12个下沉输出D1,以此类推到第19个脉冲时全部数据输出完成。四、 最后将CS置高电平芯片停止工作,一次转换完成。3.4烟雾传感器烟雾传感器通过检测空气中的烟雾浓度来确定是否发生火灾,根据传感感烟方式不同分为离
20、子式、光电式和气敏式烟雾传感器。离子式烟雾传感器的优点是性能全面,对各种烟雾都可以很好的探测,所以工作起来比较可靠:光电式烟雾传感器优点是速度快,擅长对大火中产生的较大颗粒的烟雾进行探测,但是对小颗粒的烟雾的探测却存在不足;气敏式传感器除了对烟雾敏感外还对可燃气体敏感,可以对很多特定的可燃气体进行探测,因为其很容易和单片机等计算机进行连接,所以在单片机系统中经常使用。本设计使用了气敏式传感器,在单纯对烟雾的探测方面,气敏式传感器性能并不如离子式传感器,但它却可以探测空气中可燃气体。可以有效地探测一氧化碳、氢气、液化气、甲烷、丙烷等易燃易爆气体等多种可燃性气体的微量泄漏,所以还是有着大量的应用。
21、在本设计中使用了MQ-2烟雾传感器。MQ-2型烟雾传感器由二氧化锡半导体气敏材料做成,烟雾传感器中有个加热丝,通电后烟雾传感器会加热,当加热到200300摄氏度时时候,空气中的氧会被烟雾传感器中的二氧化锡(SnO)吸附,氧中的负离子会导致半导体中的电子密度减少,电阻值增加。当传感器与烟雾接触时,吸附的氧减少,电子密度增加,从而导致电阻值的改变,利用这一点就可以很方便的检测烟雾的存在。封装好的MQ-2有6个引脚,其中2个是加热用的,其他4个是数据流出引脚。烟雾传感器MQ-2是电阻类元件,当检测到烟雾的时候,MQ-2内部的电阻值变化,从而导致6脚输出电压变化,电压大小为0-5V,通过ADC0832
22、的转换,将电压模拟量转化成数字量送给单片机处理。图3-6烟雾传感器和A/D模块3.5温度传感器本设计使用的温度探测器是DS18B20数字温度传感器。它的为测温范围55+125,特别值得注意的是其有0.5的固有测温误差,测量误差还是很大的,但作为火灾报警器来说并不要求太高的精度。这种传感器具有价格低廉,体积小,结实耐用等优点,特别是DS18B20在与单片机连接时不需要任何外围部件,只要要一条线即可实现单片机与DS18B20的连接,使用十分简单,因此在单片机系统中的使用十分广泛。DS18B20有三只引脚,GND,DQ,和VDD。封装后的结构图如图3-7所示。图3-7 DS18B20数字温度传感器D
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