河北师范大学 电子信息工程技术 专科毕业设计（论文）
专科毕业论文(设计)
题 目 基于单片机的火灾报警系统 学生姓名 王静 学 号 2007030482 系 别 电子系 年 级 2007 级 专 业 电子信息工程技术 指导教师 完成日期 2010年5月11日
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基于单片机的火灾报警系统
电子信息工程 王静 学号：2007030482
摘 要：火灾自动报警系统是一种自动消防设施，他的作用在于人们为了早期发现火灾，并及时采取有效措施，控制和扑灭火灾，而设置在建筑物中或其它场所的，是现代消防不可缺少的安全技术设施之一。一旦火灾发生，由于燃烧产生的烟雾、热量和光辐射等物理量，可以通过感温、感烟和感光等，通过火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器。
本系统设计以Intel公司的MCS-51系列单片机AT89S52为核心，采用烟雾传感器和温度传感器对异常状况进行多角度监测，当某室内温度超过温度限值，或有其中一路烟雾信号到达时，单片机发出控制信号使异常灯点亮；若温度越限和烟雾信号同时存在的时候，发出声光报警。当该系统扩展功能后能够与自动喷水灭火系统、室内消火栓系统、防排烟系统、空调系统、防火卷帘等相关设备联动，自动或手动发出指令，启动相应的防火灭火装置。本系统硬件结构简单，软件改动方便，可以通过扩展功能，使系统更加趋于完善。
关键词：火灾报警；单片机；温度检测；自动控制
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目 录
第一章 系统的功能和设计方案 ............................................... 1
1.1系统的功能与设计要求 .................................................................................................................. 1
1.2设计方案 .......................................................................................................................................... 1
1.2.1测温电路方案设计 ................................................................................................................ 1 1.2.2显示电路方案设计 .............................................................................. 错误！未定义书签。 1.3关键技术及解决方法 .................................................................................... 错误！未定义书签。
1.3.1 DS18B20简介 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 1.3.2.烟雾传感器 ............................................................................................................................ 2
第二章 硬件系统设计 ....................................................... 4
2.1系统设计框图 .................................................................................................................................. 4
2.2系统各功能模块 .............................................................................................................................. 4
2.2.1测温电路 ................................................................................................................................ 4 2.2.2显示电路 ................................................................................................................................ 5 2.2.3按键电路 ................................................................................................................................ 6 2.2.4报警电路 ................................................................................................................................ 7 2.2.5电源、时钟、复位电路 ........................................................................................................ 7 2.2.6烟雾报警电路 ........................................................................................................................ 8
第三章 软件系统设计 ...................................................... 10
3.1程序设计思想 ................................................................................................................................ 10
3.2程序功能分析 ................................................................................................................................ 10
3.2.1主程序 .................................................................................................................................. 10 3.2.2温度检测程序 ...................................................................................................................... 10 3.2.3 多路监测温度处理程序 ..................................................................................................... 11 3.2.4温度显示程序 ...................................................................................................................... 12 3.2.5比较处理程序 ...................................................................................................................... 13 3.2.6按键扫描程序 ...................................................................................................................... 14 3.2.7按键处理程序 ...................................................................................................................... 14 3.2.8烟雾报警处理程序 .............................................................................................................. 15
第四章 系统的组装与调试 .................................................. 16
4.1引言 ................................................................................................................................................ 16
4.2 硬件系统调试 ............................................................................................................................... 16 4.3 软件系统调试 ............................................................................................................................... 17
第五章 系统结果 .......................................................... 18
5.1课题完成情况 ................................................................................................................................ 18
5.2系统仿真结果图 ............................................................................................................................ 18
系统设计结论与展望 ....................................................... 19 第七章 致谢 .............................................................. 21 附录 ..................................................................... 22
附录A 系统总电路图 ......................................................................................................................... 22
附录B 系统源程序 ............................................................................................................................. 22
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第一章 系统的功能和设计方案
1.1系统的功能与设计要求
本设计以单片微型计算的监测与控制为目标，设计一个火灾自动报警系统。能够对室内多路烟雾和温度实现实时监控，循环显示各路测温点的温度值，并不断检测各路烟雾信号，能通过按键修改火灾报警温度限值。当某室内温度超过温度限值，或有其中一路烟雾信号到达时，单片机发出控制信号使异常灯点亮。若温度越限和烟雾信号同时存在的时候，发出声光报警。从而实现对火灾的及时报警。另外本系统还可作为温度计使用。 1.2设计方案
付费可见
图1-1 系统方框图
1.2.1测温电路方案设计
测温电路有两种方案。分述如下：
一.采用美国AD公司生产的利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器（AD590）。因为AD590输出的是电流，应该先将该电路经过摄氏温标转换电路输出一个与摄氏温度相对应的电压值，但该电压值是一个连续的模拟电压，应再经过AD0809通过A/D转换，把模拟信号转化为数字信号送入单片机。使用AD590温度传感器具有性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强等优点。但由它组成的测温电路硬软电路、软件设计都比较复杂。设计成本也大大增加。[1]
二.采用Dallas 半导体公司生产的的数字化温度传感器DS1820，它是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，它与单片机连接只需一根数据总钱即可，大大简化系统硬件电路。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。它支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便且体积小。
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DS18B20测量温度范围为 -55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内,精度为±0.5°C。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，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。[2]
通过综合考虑，为了节约成本，简化硬件电路设计。因此，本系统测温电路的设计采用方案二。
付费可见
图1-4 DS18B20引脚分布
1.3.2.烟雾传感器
气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。
烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。在这里选用MQ-2型半导体气敏元件传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。
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它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。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，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域[4]。
图1-8烟雾传感器实物图
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第二章 硬件系统设计
2.1系统设计框图
付费可见 122.2系统各功能模块 P10139P00P10P00P11238P01P11P01五个电路模块构成，下面将对各功能模块电路的详细说明。本设计系统主要功能是实时P12337P02P12P02P13436P03P13P03监控温度、烟雾，当火灾发生时，系统发出声，光报警。系统工作时，数字温度传感器P14535P04P14P04P15634P05P15P05P16733P06DS18B20工作，把当前温度值送入单片机89S52P1处理后，把当前温度值送七段LED显6P06P17832P07P17P07CPU1本系统主要由测温、显示电路、按键电路、报警电路以及电源、时钟、复位电路等VCCJP1123456789D示。系统工作过程中，单片机不断将温度传感器送来的当前温度值与用户预先设定好的P331321P20INT1INT0HEADER 9P20P321222P21P2123P22火灾报警温度限值相比较，当温度值高于设定的上限值时，若此时系统同时检测到有烟P22P351524P23T1P23P341425P24R1330雾信号，系统就输出控制信号到报警电路，发出声光报警。若有温度越限或者烟雾信号T0P2426P25R1430P253127P26R1930EA/VPP26其中之一时，发出光报警，点亮异常灯。另外，在系统运行过程中，用户可通过按键根28P27R2030P2719X118据不同需要对火灾报警温度限值进行设置。 X2RESET9CRESETRDWRRXDTXDALE/PPSEN101130292.2.1测温电路 P37P361716本设计中使用的温度传感器是DS18B20，关于该器件的使用和功能在其它章节已有89C51详细说明，本系统有2路测温，其构成电路如图2-2所示。与P2.0相连的是第1路测温点，与P2.1相连的是第2路测温点。DS18B20与单片机的连接只用一根数据总线即可，该总线需加一个4.7K上拉电阻，这样才保证总线上有足够的驱动电流对DS18B20进行读写操作。对DS18B20的每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。 DS18B20aDS18B20bDS18B20c123123BP21VCCVCC123VCCR224.7KP22R274.7KP23R284.7K 4 河北师范大学 电子信息工程技术 专科毕业设计（论文）
图2-2 测温电路
2.2.2显示电路
LED显示是由发光二极管显示字段的显示部件，通常使用的是七段LED。这种显示器成本低廉，配置灵活，与单片机接口方便。根据显示温度数值的范围，本系统设计采用四个独立的LED显示。七段LED有共阴极和共阳极两种形式，本设计选用共阴极LED显示器，并采用动态显示，段选码及位选线分别由P0口用作段选码控制端；P2.4～P2.7口组成各位LED显示的选择控制端口。当P0口输出不同的段选码且控制端口有高电平时，即可获得对应位的数字显示。小数点显示的段选码为80H，0～9数字显示段选码如表2-1。[5]
P2.4～P2.7四个端口分别与系统的七段LED相连，主要是用作显示温度值或温度限值。第一个七段LED由P2.4端控制，用作显示当前温度采集点对应的路数。如：显示A，则说明现在系统检测的是第1路的温度；显示B，则说明现在系统检测的是第2路的温度；显示C，则说明现在系统检测的是第3路的温度；第二、三、四个七段LED显示的是温度值，温度显示精度为1摄氏度，若有修改限值时，则显示的是当前设定的温度限值。具体电路如图2-3所示。
表2-1 LED显示器的段选码
显示字符
0 1 2 3 4
共阴极选码 3FH
06H 5BH 4FH 66H
显示字符
5 6 7 8 9
共阴极选码
6DH 7DH 07H 7FH 6FH
5
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2.2.4报警电路
付费可见
图2-5 声光报警电路 1 2VCC2.2.5电源、时钟、复位电路 KVCCCPU1P10P11P12P13P14P15P16P1712345678P10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P073938373635343332P00P01P02P03P04P05P06P071 时钟电路： C1DRESET89S52单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。RESETR110K本系统采用的是内部振荡方式，它的构成方式如图2-6，在引脚XTAL1和XTAL2外接P336MHz 1321P20晶体振荡器（简称晶振）。晶振有、12MHz 或24MHzINT1P20等……，本设计晶振选用P321210uFINT0T1T0P21P22P23P24P25P26P2722232425262728P21P22P23P24P25P26P2712MHz。电容器C1，C2起稳定振荡频率、快速起振作用，该电容值一般为5～30pF。P3515本设计中使用的是30pF。 P3414311918Y212MRESET9CC330PC430PP37P361716EA/VPX1X2RESETRDWR89C51RXDTXDALE/PPSEN10113029 图2-6 时钟电路 2 复位电路： 复位操作完成单片机片内电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。当89S52单片机的复位引脚RST出现5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。B如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序。因此要求单片机复位后能脱离复位状态。 复位操作通常有两种基本形式：上电复位、开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。开关复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关K使单片机复位。本设计中采用较常用的上电且开关复位电路，如图 7
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2-7所示。上电后，由于电容C1充电，使RST持续一段高电平时间。当单片机已在运行之中时，按下复位按键K也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。通常选择C1=10～30uF,R1=10K。本设计中使用C1=10uF。 VCCKDRESETC1RESET10uFR110KP10P11P12P13P14P15P16P17P33P32P35P34123456781312151431191812MRESET9CC330PC430PP37P361716CPU1P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRXDTXDALE/PPSEN10113029P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P273938373635343332212223242526272812 图2-7 复位电路 2.2.6烟雾报警电路
Y2RD烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟雾报警器内部采用离子WR式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。在这里选用MQ-2型半导体气敏元件传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。 感烟传感器电路原理图如下： VCC +5V B89C51脉冲输出 10u 1K 烟雾传感器 图1-8烟雾传感器电路原理 当火灾发生时，即当室内烟雾浓度达到一定数值时，则电路输出高电平，否则无信号输出。10u电容和1K电阻组成滤波电路，使得输出信号稳定，能够滤除偶然干扰造成的火灾误报，使单片机判断准确。同时，在单片机软件中加入适当的延时。当延时前后，两次读到的报警电平都是高电平时，才真正认为是发生了火灾，启动报警。 A 8 12河北师范大学 电子信息工程技术 专科毕业设计（论文）
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第三章 软件系统设计
3.1程序设计思想
模块化结构程序设计，可以使系统控制软件便于调试与优化，也使读者更好理解和阅读系统的程序设计。因此，本系统使用了模块化结构程序设计思想对软件进行设计。程序模块有：主程序、温度检测程序、温度处理程序、温度显示程序、比较处理程序、按键扫描程序、按键处理程序、延时程序。 3.2程序功能分析 3.2.1主程序
电路正常工作下是不断地循环主程序，主程序主要功能是不断检测温度并调用子程序显示温度值，同时，将温度值与预先设定的限值作比较，不断检测修改限值按键，实现对温度和烟雾实时监控，若两个条件同时满足时，系统发出声光报警，以达到及时发现火灾发生的目的。主程序流程图如图3-1：
付费可见 图3-1 主程序流程图
3.2.2温度检测程序
该程序功能是把数字传感器DS18B20检测的当前温度值读入单片机内存单元。其程序流程图如图3-2所示：
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付费可见
图3-2 温度检测程序流程图
3.2.3 多路监测温度处理程序
因为要进行多路温度检测，因此要通过键盘来改变检测通道。这里通过设置通道加，通道减，来改变测试的通道。这就是多路监测温度处理程序所要完成的功能。程序流程图如图3-3所示：
开始 N 通道加一按键按下？ Y 显示下一路温度值 通道减一按键按下？ Y 显示上一路温度值 N 结束
图3-3 温度处理程序流程图
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3.2.4温度显示程序
本程序功能是把温度传感器送入单片机的温度值通过七段数码管显示出来。程序流程图如图3-4所示：
个位值送显示 延时 十位不为零？ 温度整数值/10 十位放入A 个位放入B 显示温度单位 显示测温点路数 开始 否 是 十位值送显示 12 返回
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图3-4 温度显示程序流程图
3.2.5比较处理程序
程序功能是取当前温度值与限值比较，如果温度低于限值且没烟雾信号时，系统不报警、灯也不亮。若温度大于或者等于设定的上限值或者有烟雾信号其中之一时，异常灯亮，不发出报警声；若温度超过限值，同时有烟雾信号时，系统发出报警声且异常灯亮。程序流程图如图3-5所示：
付费可见
图3-5 比较处理程序流程图
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3.2.6按键扫描程序
本程序功能是不断扫描修改火灾报警限值按键是否被按下，有按下则转修改限值处理程序执行。程序流程图如图3-6所示：
图3-6 按键扫描程序流程图
3.2.7按键处理程序
本程序功能是完成对用户预先设定的火灾报警温度限值的修改，用户根据需要可以通过修改限值按键对限值随意更改。程序流程图如图3-7所示：
开始 显示限值、测温点 否 +1键按下？ 否 是 —1键按下？ 是 限值加1 限值减1 显示限值、测温点 否 确定键按下？ 是 返回
图3-7 按键处理程序流程图
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3.2.8烟雾报警处理程序
这部分程序比较简单，只需要判断读到单片机指定烟雾传感器的IO口电平。一旦该电平跳转为高电平，就认为烟雾传感器检测到烟雾发生，启动相应的声光报警程序。否则，停止声光报警。程序软件流程图如图3-8所示：
子程序开始 否 检测端口读到高电平？ 是 启动声光报警 否 检测端口读到低电平？ 是 停止声光报警 子程序返回
图3-8 烟雾报警处理流程图
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第四章 系统的组装与调试
4.1引言
对系统进行原理设计之后，就应该根据设计原理画出系统的原理图、本设计用万用板进行焊接。 4.2 硬件系统调试
在硬件焊接完成之后，就可以对系统进行硬件调试了。对硬件调试时，应该把系统合理划分为一个个功能模块，将这些功能模块分别进行调试。分两步调试：
第一步：断电调试 1 短路检测
电路焊接完成后，必须进行短路检测。选用万用表的20K欧姆档，用红、黑表笔接电路的电源的+、-极，检测是否存在短路。
2 原理正确性确认
以检查显示电路为例，首先检查位选的输出是否为低电平，因为系统采用的是共阴数码管作为显示电路，必须确保数码管的公共端为低电平，数码管才有可能发光；如果P2.4至P2.7输出高电平，数码管将无法正常显示。
第二步：通电调试 1 检查系统时钟电路
凡是单片机系统，正常运行的必要条件是单片机系统时钟稳定正常。实际中，因为各种原因导致系统时钟不正常而出现系统无法正常运行的情况时有出现，因此系统时钟是否起振是通电检查的首要环节。检查方法如下：用万用表的直流电压档（20V），分别测量XTAL1和XTAL2引脚电压检查是否正常，在调试过程中，测得电压XTAL1引脚应为2.05V，XTAL2引脚应为2.15V。[7]
第三步 检查复位电路
复位不正常也会导致系统不能正常工作，如果复位引脚始终为高电平，系统将始终处于复位状态；如果始终为低电平，不能产生复位所需的高电平信号脉冲，则系统也可能无法正常工作。单片机正常工作时，RST复位引脚应为0V。
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4.3 软件系统调试
在硬件调试成功后，就可以对系统进行软件调试了。在软件调试时，应该把系统程序中能完成某一功能的程序模块分别进行调试，最后再将各子程序模块组织起来进行统调。
例如：要对温度显示子程序的调试。先编一个温度显示测试程序，在程序里先将一个任意温度值（18H）放入单片机某一单元（2BH），然后调用温度显示子程序。使用功能强大且普遍的WAVE 6000软件进行软件编译，使用Microcontroller ISP Software 对程序进行烧录。再把烧录好的单片机插入本系统，看数码显示管是否显示预先设定的温度值（24），若显示准确无误，则说明该温度显示子程序已调试成功，若显示不与设定的温度值（24）一致，则程序出错，必需使用WAVE 6000软件对该程序进行单部跟踪，看执行每一步之后各寄存器和各内存单元值的变化，看是否与自己设计思路相符，直到程序调试成功。其它程序调试方法也一样。
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