課程設計基于單片機的火災報警器設計

1、課程設計設計題目：基于單片機的火災報警器設計課程設計任務書專業(yè)：電子信息工程 學號:4091426 學生姓名（簽名）： 設計題目：基于單片機的火災報警器設計一、設計實驗條件微機實驗室二、設計任務及要求1. 根據(jù)題目要求進行資料收集及監(jiān)測方案設計；2. 主要功能要求：（1）實時檢測至多8個監(jiān)測點的環(huán)境溫度、煙霧濃度等因素變化，以判斷是否出現(xiàn)火警；（2）判定某監(jiān)控點出現(xiàn)火警時進行聲光報警，并顯示此監(jiān)控點編號；（3）能手動報警和取消報警；（4）能手動進行系統(tǒng)檢測；（5）監(jiān)控點數(shù)目可以通過鍵盤設置。3. 撰寫課程設計說明書；三、設計報告的內(nèi)容1. 設計題目與設計任務（設計任務書）2. 前言（緒論）(設

2、計的目的、意義等)3. 設計主體（各部分設計內(nèi)容、分析、結(jié)論等）4. 結(jié)束語（設計的收獲、體會等）5. 參考資料四、設計時間與安排1、設計時間： 2周2、設計時間安排： 熟悉實驗設備、收集資料： 2 天設計圖紙、實驗、計算、程序編寫調(diào)試： 9天編寫課程設計報告： 2天答辯： 1天目 錄1 緒論11.1 課題研究的背景和意義11.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀21.3 本文內(nèi)容的結(jié)構(gòu)安排32 火災報警系統(tǒng)整體方案設計42.1火災產(chǎn)生原理及過程42.2系統(tǒng)總體方案設計62.2.1 系統(tǒng)硬件總體構(gòu)架62.2.2 系統(tǒng)軟件總體構(gòu)架62.3系統(tǒng)主要器件的選擇82.3.1 火災探測器的選擇82.3.2 單片機的選擇

3、153 火災自動報警系統(tǒng)硬件設計163.1 復位電路與晶振電路163.1.1晶振電路163.1.2 復位電路163.2 傳感器信息采集電路173.3 聲光報警顯示電路183.4 系統(tǒng)控制電路194 火災報警系統(tǒng)程序設計204.1軟件開發(fā)環(huán)境204.2火災報警系統(tǒng)程序設計214.2.1數(shù)據(jù)采集子程序224.2.2火災判斷/報警子程序234.2.3控制系統(tǒng)子程序255 總結(jié)265.1 總結(jié)265.2 展望27附錄1 系統(tǒng)程序29附錄2 系統(tǒng)原理圖38參考文獻39致謝401 緒論1.1 課題研究的背景和意義在各種災害中，火災是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一。火災是世界上發(fā)生頻率

4、較高的一種災害，幾乎每天都有火災發(fā)生。據(jù)聯(lián)合國“世界火災統(tǒng)計中心(wfsc)2000統(tǒng)計資料”，全球每年大約發(fā)生火災600萬至700萬次，全球每年死于火災的人數(shù)約為65000至75000人。其中，歐美地區(qū)發(fā)生的火災較多，死亡人數(shù)卻相對較少，這與歐美發(fā)達國家的生活水平以及消防技術(shù)和設施有關(guān);相比較而言，亞洲地區(qū)發(fā)生火災次數(shù)較少，但死亡人數(shù)較多，這與亞洲經(jīng)濟發(fā)展程度不高、消防設施不完善等因素有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，我國70年代火災年平均損失不到2.5億元，80年代火災年平均損失接近3.2億元。進入90年代，特別是1993年以來，火災造成的直接財產(chǎn)損失上升到年均十幾億元，年均死亡2000多人。隨著經(jīng)濟和城市建

5、設的快速發(fā)展，城市高層、地下以及大型綜合性建筑日益增多，火災隱患也大大增加，火災發(fā)生的數(shù)量及其造成的損失呈逐年上升趨勢。一旦發(fā)生火災，將對人的生命和財產(chǎn)造成極大的危害1。嚴峻的事實證明，隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，社會財富日益增加，火災給人類、社會和自然造成的危害范圍不斷擴大，它不僅毀壞物質(zhì)財產(chǎn)，造成社會秩序的混亂，還直接危脅生命安全，給人們的心靈造成極大的傷害。殘酷的現(xiàn)實讓人們逐漸認識到監(jiān)控預警和消防工作的重要性，良好的監(jiān)控系統(tǒng)和及時的報警機制可以大大降低人員的傷亡，為社會減少不必要的損失2。火災自動報警系統(tǒng)(fas)就是為了滿足這一需求而研制出的，并且其自身的技術(shù)水平也在隨著人們需求的不斷地提高

6、，在功能、結(jié)構(gòu)、形式等方面不斷地完善。火災自動報警系統(tǒng)能迅速監(jiān)測火情，可發(fā)現(xiàn)人們不易發(fā)覺的火災早期特征，可將火災帶來的生命財產(chǎn)損失降到最低限度。火災發(fā)生的早期，會使得燃燒物質(zhì)分解，析出大量的有毒氣體co，人們可能在毫無察覺火情的情況下就發(fā)生了co中毒，從而無力逃生，火災自動報警系統(tǒng)可監(jiān)測到co濃度的變化，為人們提供co濃度超標報警信息，通知人們及時疏散3?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)可作為城市消防系統(tǒng)的單元，通過城市消防專用網(wǎng)與城市消防報警中心聯(lián)網(wǎng)，及時將報警信息傳遞到消防報警中心，城市消防報警中心會自動查找到火災發(fā)生的位置，并為消防隊員制定消防路線圖，以便消防隊員可以迅速抵達火災地點4?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)

7、能對火災進行實時監(jiān)測和準確報警，有著防止和減少火災危害、保護人身安全和財產(chǎn)安全的重要意義，有著很大的經(jīng)濟效益和社會效益。1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的突發(fā)性、立體性和區(qū)域不確定性,使攻防界線模糊,作戰(zhàn)方向多變,戰(zhàn)火災自動報警系統(tǒng)已有百余年的發(fā)展歷史，19世紀40年代美國誕生的火災報警裝置標志著火災自動報警系統(tǒng)首次進入人們的視野5。1890年在英國，感溫式火災探測器研制成功并應用于火災探測系統(tǒng)，標志著火災自動報警系統(tǒng)的發(fā)展走上正軌6。此后，隨著世界科技取得了突飛猛進的進步和各種新興技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，火災監(jiān)測技術(shù)也相應迅速發(fā)展，各種類型的火災探測器相繼問世，并日臻完善，火災自動報警系統(tǒng)也在

8、此基礎(chǔ)上逐漸地蓬勃發(fā)展起來，其發(fā)展過程可以分為以下幾個階段:第一階段，從19世紀40年代至20世紀40年代，火災報警系統(tǒng)處于發(fā)展的初級階段，采用的探測器主要是感溫式的探測器，它通過采集溫度信號，然后判定是否超出設定的閡值，從而判斷是否有火災發(fā)生。這一階段，火災報警系統(tǒng)簡單，僅靠單一的溫度參量進行火災判斷。但是它易受環(huán)境中其他干擾源的影響，靈敏度低，響應速度慢，無法判斷陰燃火災，也無法滿足智能化火災報警系統(tǒng)的要求。第二階段，20世紀40年代末，瑞士物理學家 emst meili研究的離子感煙探測器推出以后，引起了人們對離子感煙探測器的重視，隨后感煙探測器得到廣泛應用，并逐漸占據(jù)了絕大部分市場，迫

9、使感溫式探測器退居其次；到70年代末，光電式感煙探測器在光電技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，并很快得到大力發(fā)展，它的使用壽命長，抗干擾能力強，沒有離子感煙探測器的放射性問題。在這一階段，火災報警系統(tǒng)普遍采用多線制布局方式，布線、調(diào)試、系統(tǒng)可靠性是系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。第三階段，20世紀80年代初期，總線型火災報警系統(tǒng)開始興起，在火災報警領(lǐng)域中邁出了一大步，并得到了較普遍的應用。它使得布線工作量顯著減少，安裝調(diào)試更加容易，更能精確報警定位。但是這一時期的火災報警系統(tǒng)的智能化水平不高，采用有線連接對工程要求高。第四階段，從20世紀80年代中后期開始，隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)、集成電路技術(shù)、傳感器技術(shù)及智能技術(shù)的快

10、速發(fā)展，火災自動報警系統(tǒng)步入智能化時代，智能化火災報警系統(tǒng)迅速發(fā)展起來，各種智能型的火災自動報警系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。模擬量可尋址技術(shù)的應用使得火災報警系統(tǒng)的安全性、精準性和智能性有了很大提高，在火災自動報警系統(tǒng)發(fā)展史上具有里程碑的意義7。近年來，采用無線通信方式的火災自動報警系統(tǒng)在國外悄然興起。這種系統(tǒng)引入了無線電通信技術(shù)，利用無線通信方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線通信方式，將大多的電器裝置通過無線連接方式進行信息傳輸與控制，適用于各類建筑和場所。無線火災自動報警系統(tǒng)起初僅用于特殊場合，如博物館、名勝古跡等不宜布線的場合，而且其價格也比較高8。隨著科技進步和元器件成本的降低，無線火災自動報警系統(tǒng)的研發(fā)和生成成本

11、也隨之降低，它在性能和價格上都具有很強的競爭力，其市場潛力已經(jīng)嶄露頭角9。在我國，采用的無線通信方式的火災自動報警系統(tǒng)日益受到重視。由于其具有安裝簡便、對建筑物無損壞作業(yè)、靈活性好，易于擴展等優(yōu)點，適用于許多場合，如名勝古跡、體育館、博物館、展覽中心、處于施工階段的建筑物、醫(yī)院等?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)的智能性主要體現(xiàn)在火災判決和統(tǒng)籌管理方面，一般分為分散式、集中式和分布式，分散式系統(tǒng)由非智能型控制器若干智能型探測節(jié)點組成，由探測節(jié)點完成火災狀態(tài)的判斷;集中式系統(tǒng)由智能型控制器和若干非智能探測節(jié)點構(gòu)成，探測節(jié)點僅將火災參量傳送給控制器，由控制器智能地判斷火災狀態(tài)；分布式系統(tǒng)的控制器和探測節(jié)點均為智能

12、型，也是今后火災自動報警系統(tǒng)的發(fā)展方向10。1.3 本文內(nèi)容的結(jié)構(gòu)安排基于社會和經(jīng)濟方面的需求，本課題旨在開發(fā)一個能夠?qū)ΡO(jiān)測點實時監(jiān)控、報警的智能火災報警系統(tǒng)。智能型火災報警系統(tǒng)是一個集信號檢測、傳輸、處理、報警于一體的系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟和城市建設的快速發(fā)展，城市高層、地下建筑以及大型綜合性建筑日益增多，火災隱患也大大增加，火災的數(shù)量及其造成的損失呈逐年上升趨勢，市場上迫切需要一種容量大、可靠性高、使用簡單的智能型火災報警控制系統(tǒng)。該火災報警系統(tǒng)是以at89c52單片機作為控制中心，接受、處理火災探測器輸出的煙霧濃度信號、溫度信號，并進行聲光報警。本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第1章：緒論。主要介紹課題的研

13、究背景和意義，介紹了火災報警系統(tǒng)的發(fā)展狀況。此外，介紹了論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排。第2章：介紹了火災探測原理，給出火災自動報警系統(tǒng)的總體設計構(gòu)架，分別給出硬件和軟件的整體構(gòu)架，并給出系統(tǒng)設計中的主要器件的選型。第3章：火災自動報警系統(tǒng)硬件設計，詳細介紹了單片機系統(tǒng)基本電路、傳感器信息采集電路、聲光報警顯示電路及系統(tǒng)控制電路，并給出相應的設計原理圖。第4章：火災自動報警系統(tǒng)監(jiān)控程序設計，介紹數(shù)據(jù)采集子程序、火災判斷/報警子程序和系統(tǒng)控制子程序等。第5章：對本文工作進行總結(jié)，并對火災報警器的發(fā)展前景進行展望。2 火災報警系統(tǒng)整體方案設計2.1火災產(chǎn)生原理及過程火災是一種失去人為控制的由燃燒造成的災

14、害，產(chǎn)生火災的基本要素是可燃物、助燃物和點火源?？扇嘉镆詺鈶B(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形態(tài)存在，助燃物通常是空氣中的氧氣。根據(jù)可燃氣體與空氣混合方式不同有兩種燃燒方式，如果在燃燒前，可燃氣就與空氣均勻混和，則稱之為預混燃燒；如果可燃氣體和空氣分別進入燃燒區(qū)邊混合邊燃燒，則稱之為擴散燃燒。液體和固體是凝聚態(tài)物質(zhì)，難與空氣均勻混合，它們?nèi)紵幕具^程是當從外部獲取一定的能量時，液體或固體先蒸發(fā)成蒸汽或分解出可燃氣體(如co、h2等)的分子團、灰燼和未燃燒的物質(zhì)顆粒懸浮在空氣中，稱之為氣溶膠。一般氣溶膠的分子較小(直徑0.01m)。在產(chǎn)生氣溶膠的同時，產(chǎn)生分子較大(直徑0.01一10m)的液體或固體微粒，稱為

15、煙霧。可燃氣體與空氣混合，在較強火源作用下產(chǎn)生預混燃燒。著火后，燃燒產(chǎn)生的熱量使液體或固體的表面繼續(xù)放出可燃氣體，并形成擴散燃燒。同時，發(fā)出含有紅、紫外線的火焰，散發(fā)出大量的熱量11。這些熱量通過可燃物的直接燃燒、熱傳導、熱輻射和熱對流，使火從起火部位向周圍蔓延，導致了火勢的擴大，形成火災。其中的氣溶膠、煙霧、火焰和熱量都稱為火災參量，通過對這些參量的測定便可確定是否存在火災。根據(jù)火災發(fā)生時產(chǎn)生現(xiàn)象的不同，可以將火災分為慢速陰燃、明火和快速發(fā)展火焰等。陰燃就是在疏松或顆粒介質(zhì)中形成的緩慢進行的熱解和氧化反應，它能長時間自行維持并傳播，當條件發(fā)生變化時，或者自行熄滅，或者轉(zhuǎn)化為明火。明火則是火災

16、發(fā)生時燃燒火焰產(chǎn)生的熱量使液體或固體的表面放出可燃氣體，并形成擴散燃燒，同時發(fā)出含有紅、紫外線的火焰?？焖侔l(fā)展火焰則是火災擴散的速度特別快，這種類型的火災一般為空氣中混有大量可燃氣體。通過大量的研究表明陰燃是誘發(fā)火災的重要原因12?？偟膩碚f，普通可燃物在燃燒時表現(xiàn)為以下形式：首先是產(chǎn)生燃燒氣體，然后是煙霧，在氧氣充足的條件下才能達到全部燃燒，產(chǎn)生火焰，發(fā)出可見光和不可見光，并散發(fā)出大量的熱，使環(huán)境溫度升高。起火過程中，起初和陰燃兩個階段所占的時間比較長，雖然產(chǎn)生大量的煙霧，但是環(huán)境溫度不太高，若探測器就應該從此階段開始進行探測，就可以火災損失控制在最小限度?；鹧嫒紵?，迅速蔓延，產(chǎn)生大量的熱使

17、得環(huán)境溫度升高，如果能將這時能夠探測到有效地溫度值，就可以比較及時地控制火災。起火過程曲線如圖2.1所示13。圖2.1 起火過程曲線2.2系統(tǒng)總體方案設計2.2.1 系統(tǒng)硬件總體構(gòu)架報警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、單片機控制模塊、聲光報警顯示模塊、系統(tǒng)控制模塊組成。圖2.2為火災報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。聲、光報警器顯示電路手動控制電路單片機系統(tǒng)電路煙霧、溫度傳感器電路 圖2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖單片機是整個報警系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的工作原理是：先通過傳感器 (包括溫感和煙感)將現(xiàn)場溫度、煙霧等非電信號轉(zhuǎn)化為電信號，再通過外接電路或者芯片內(nèi)置電路將所獲取的電信號轉(zhuǎn)化為單片機可讀取的信號，傳入單片機。單片機通過程

18、序的控制，對獲取的信號做出判斷，并據(jù)此控制聲、光報警器顯示電路工作。如果發(fā)生火災，系統(tǒng)以聲光的形式報警，并顯示著火點位置信息。本火災自動報警系統(tǒng)具有以下功能：(1)聲、光雙重報警及顯示編號的功能。(2)手動報警及取消報警的功能。(3)設置并顯示監(jiān)測點個數(shù)功能。(4)指定檢測點功能。2.2.2 系統(tǒng)軟件總體構(gòu)架為了便于系統(tǒng)維護和功能擴充，采用了模塊化程序設計方法，系統(tǒng)各個模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實現(xiàn)的。本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、火災判斷、報警子程序與系統(tǒng)控制子程序等，系統(tǒng)程序流程圖如圖2.3所示。開始初始化判斷手動/自動檢測手動自動輪流檢測某些監(jiān)測點指定某監(jiān)測點檢測 溫度煙霧信號采集

19、無異常報警判斷異常報警取消報警是否取消報警結(jié)束圖2.3 程序流程圖2.3系統(tǒng)主要器件的選擇2.3.1 火災探測器的選擇1）探測器簡介火災探測器是火災報警系統(tǒng)的重要組成部分，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的正常運行。當火災發(fā)生時，把火災產(chǎn)生的各種非電量參數(shù)(如煙霧，溫度)變成電量參數(shù)傳送給控制器。其特點是模擬量傳輸，跟隨各種非電量參數(shù)的變化而變化16?；馂奶綔y器根據(jù)火災發(fā)生時所表現(xiàn)出來的物理現(xiàn)象可以分為：氣敏型、感溫型、感煙型、感光型、感聲型五大類。 (l)感溫探測器感溫探測器一般分為定溫式和差溫式。單一的感溫探測器靈敏度低、探測速度慢、探測范圍小，尤其對陰燃情況不響應，因此不適用于火災早期的探測，而在設計

20、時往往安裝在不宜安裝感煙探測器的區(qū)域17。(2)感煙探測器感煙探測器可以分為離子感煙探測器和光電感煙探測器18。感煙探測器具有非常好的早期報警功能，即使在不太好的環(huán)境條件場所也會有比較好的探測效果，它一般適用于極高的房屋或空心花板或地下室中。感煙探測器適用于火災前期及早期，產(chǎn)生大量的煙和少量的熱，但它不能區(qū)分火災信號與非火災信號，如廚房煙、水蒸氣等，所以誤報率較高。(3)氣體探測器氣體探測器的主要作用是在發(fā)生可燃氣體泄漏危險時，提醒有關(guān)人員采取相關(guān)措施以保護現(xiàn)場工作人員、生產(chǎn)設備的安全運轉(zhuǎn)以及周圍環(huán)境。氣體探測器適用于散發(fā)可燃氣體和可燃蒸汽的場所。但由于氣體探測器探測對像co易與還原氣體發(fā)生化

21、學反應，因此在有還原氣體的場所可能會發(fā)生誤報警。(4)圖像探測器圖像火災探測器分為煙霧圖像探測器、火焰圖像探測器、激光圖像感煙探測器等，它們都非常適合于商場大空間建筑。但煙霧圖像火災探測器對不規(guī)則物體或相似圖像可能發(fā)生誤報警;而火焰圖像探測器則對高溫物體或太陽光照射可能發(fā)生誤報警;激光圖像感煙火災探測器則由于其良好的探測性能，發(fā)生誤報警的概率小，非常適合商場建筑的火災探測19。(5)紅、紫外火焰探測器火災中能夠輻射出紅外線的不僅僅是火焰，一些高溫物體的表面都能發(fā)出與火焰紅外線頻帶相吻合的紅外線，因此這些并非火災的紅外源就容易使單波段紅外火焰探測器產(chǎn)生誤報警20。紫外火焰探測器靈敏度高(ms級)

22、，反應快，適合在火災時有強烈的火焰輻射而無陰燃階段且需對火焰做出快速反應的場合，但當環(huán)境中有紫外輻射、高溫物體或有太陽光直射時可能或產(chǎn)生誤報警，因此，紫外火焰探測器不宜用于火焰出現(xiàn)前有濃煙擴散或有陽光直射的地方。煙霧濃度是火災的特性參數(shù)之一，在較大范圍的監(jiān)視場所，煙霧探測一直被廣泛使用的火災探測方法?；馂闹袝a(chǎn)生大量的熱，溫度也是火災的另一特性參數(shù)，和環(huán)境溫度相比火災的溫升是很明顯的，所以溫度也被用來進行火災探測21。然而煙霧探測器在受到外界非火災的干擾信號會產(chǎn)生誤報警，且對于某些黑煙的探測并不敏感。溫度探測器可以很好地補充煙霧探測器造成的漏報，但由于只有在燃燒的后兩個階段才會發(fā)生明顯的變化，

23、報警的響應時間慢。因此根據(jù)以上情況以及本系統(tǒng)的要求，采用感煙探測器和感溫探測器相結(jié)合的多傳感器探測方法22，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢、彌補不足之處，在火災發(fā)生的早期就能夠更加準確的報警。2）煙霧探測器本設計的感煙探測器采用的是mq-2氣體傳感器，其特點有：廣泛的探測范圍、 高靈敏度、快速響應恢復、優(yōu)異的穩(wěn)定性、壽命長、簡單的驅(qū)動電路等等。mq-2傳感器可應用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置， 適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。mq-2的規(guī)格3）溫度探測器溫度探測器使用的是dallas（達拉斯）公司生產(chǎn)的ds18b20溫度傳感器。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，

24、附加功能強，使得ds18b20更受歡迎。對于我們普通的電子愛好者來說，ds18b20的優(yōu)勢更是我們學習單片機技術(shù)和開發(fā)溫度相關(guān)的小產(chǎn)品的不二選擇。ds18b20的主要特征： 全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 先進的單總線數(shù)據(jù)通信。 最高12位分辨率，精度可達土0.5攝氏度。 12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。 可選擇寄生工作方式。 檢測溫度范圍為55c +125c (67f +257f) 內(nèi)置eeprom，限溫報警功能。 64位光刻rom，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接。 多樣封裝形式，適應不同硬件系統(tǒng)。 ds18b20芯片封裝結(jié)構(gòu)： ds18b20引腳功能： gnd 電壓地 dq 單數(shù)據(jù)總線 v

25、dd 電源電壓 nc 空引腳 ds18b20工作原理及應用： ds18b20的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18b20的內(nèi)部存儲器資源。18b20共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是： rom 只讀存儲器，用于存放ds18b20id編碼，其前8位是單線系列編碼（ds18b20的編碼是19h），后面48位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56的位的crc碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設置不由用戶更改。ds18b20共64位rom。 ram 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在

26、掉電后丟失，ds18b20共9個字節(jié)ram，每個字節(jié)為8位。第1、2個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第3、4個字節(jié)是用戶eeprom（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。第5個字節(jié)則是用戶第3個eeprom的鏡像。第6、7、8個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。第9個字節(jié)為前8個字節(jié)的crc碼。eeprom 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)，ds18b20共3位eeprom，并在ram都存在鏡像，以方便用戶操作?？刂破鲗?8b20操作流程： 1， 復位：首先我們必須對ds1

27、8b20芯片進行復位，復位就是由控制器（單片機）給ds18b20單總線至少480us的低電平信號。當18b20接到此復位信號后則會在1560us后回發(fā)一個芯片的存在脈沖。 2， 存在脈沖：在復位電平結(jié)束之后，控制器應該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在1560us后接收存在脈沖，存在脈沖為一個60240us的低電平信號。至此，通信雙方已經(jīng)達成了基本的協(xié)議，接下來將會是控制器與18b20間的數(shù)據(jù)通信。如果復位低電平的時間不足或是單總線的電路斷路都不會接到存在脈沖，在設計時要注意意外情況的處理。 3， 控制器發(fā)送rom指令：雙方打完了招呼之后最要將進行交流了，rom指令共有5條，每一個工作周期只能發(fā)一條，

28、rom指令分別是讀rom數(shù)據(jù)、指定匹配芯片、跳躍rom、芯片搜索、報警芯片搜索。rom指令為8位長度，功能是對片內(nèi)的64位光刻rom進行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個器件并作處理。誠然，單總線上可以同時掛接多個器件，并通過每個器件上所獨有的id號來區(qū)別，一般只掛接單個18b20芯片時可以跳過rom指令（注意：此處指的跳過rom指令并非不發(fā)送rom指令，而是用特有的一條“跳過指令”）。4， 控制器發(fā)送存儲器操作指令：在rom指令發(fā)送給18b20之后，緊接著（不間斷）就是發(fā)送存儲器操作指令了。操作指令同樣為8位，共6條，存儲器操作指令分別是寫ram數(shù)據(jù)、讀ram數(shù)據(jù)、將ram數(shù)據(jù)復

29、制到eeprom、溫度轉(zhuǎn)換、將eeprom中的報警值復制到ram、工作方式切換。存儲器操作指令的功能是命令18b20作什么樣的工作，是芯片控制的關(guān)鍵。 5， 執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個存儲器操作指令結(jié)束后則將進行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制器（單片機）必須等待18b20執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時間為500us。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴格遵循18b20的讀寫時序來操作。數(shù)據(jù)的讀寫方法將有下文有詳細介紹。 若要讀出當前的溫度數(shù)據(jù)我們需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個周期為復位、跳過rom指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲器操作指令、等待500us溫度轉(zhuǎn)換時間。緊接著執(zhí)行第二

30、個周期為復位、跳過rom指令、執(zhí)行讀ram的存儲器操作指令、讀數(shù)據(jù)（最多為9個字節(jié)，中途可停止，只讀簡單溫度值則讀前2個字節(jié)即可）。其它的操作流程也大同小異，在此不多介紹。2.3.2 單片機的選擇本設計的控制芯片使用的是atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos 8位單片機at89c52其片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（perom）和256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標準mcs-51指令系統(tǒng)及8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（cpu ）和flash由存儲單元，功能強大的at89c52單

31、片適用于許多較為復雜控制應用場合。at89c52提供以下標準功能：8字節(jié)flash閃速存儲器，256字竹內(nèi)部ram , 32個i/o口線，3個16 位定時計數(shù)器，一個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，at89c52可降至ohz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電上作模式?？臻e方式停止cpu 的工作，但允許ram，定時計數(shù)器串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位. 3 火災自動報警系統(tǒng)硬件設計3.1單片機系統(tǒng)基本電路3.1.1晶振電路晶振電路為單片機at89c52工作提供時鐘信號

32、，芯片中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳xtal1和xtal2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器。電路中的外接石英晶體及電容c1、c2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，系統(tǒng)的晶振電路如圖3.1所示。由于外接電容c1、c2的容量大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，電容的容量大小范圍為；如果使用陶瓷諧振，則電容容量大小為。本設計中使用石英晶體，電容的容值設定為30pf。3.1.2 復位電路復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定

33、后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復位。單片機在啟動時都需要復位，以使cpu及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。at89c52的復位信號是從rst引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果rest引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則cpu就可以響應并將系統(tǒng)復位。單片機系統(tǒng)的復位方式有：手動按鈕復位和上電復位，本設計采用的是手動按鈕復位。手動按鈕復位需要人為在復位輸入端rst上加入高電平,采用的辦法是在rst端和正電源vcc之間接一

34、個按鈕。當人為按下按鈕時，則vcc的+5v電平就會直接加到rst端，系統(tǒng)復位。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，設計完全能夠滿足復位的時間要求。復位電路中rest為手動復位開關(guān)，電容c3可避免高頻諧波對電路的干擾。at89c52的復位電路如圖3.3所示。圖3.1 晶振電路與復位電路3.2傳感器信息采集電路mq-2氣敏元件的對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值，靈敏度的調(diào)整是很重要的。煙霧傳感器的外部電路設計圖如圖3.2。圖3.2 mq-2外圍電路ds18b20采用單數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù)，即一個器件只占用一個at89c52芯片的io引腳，本系統(tǒng)要最多檢測8個位置，因此設計將at

35、89c52的p2口由于溫度采集。此設計圖中，撥碼開關(guān)sw1即模擬的是8個煙霧傳感器經(jīng)過外部電路處理后傳回來的電信號。圖3.3 數(shù)據(jù)采集電路3.3聲光報警顯示電路聲光報警顯示電路在at89c52的控制下，可在外部環(huán)境異常時蜂鳴器發(fā)出警報聲，紅色led燈點亮，紅色數(shù)碼管其位置信息。at89c52的p0口加入了大小為10k歐姆的上拉電阻，因p0口是地址數(shù)據(jù)復用口線，與其它口線不一樣。所以，當p0作普通io時，必須用上拉電阻將其電平拉高，上拉電阻不起限流作用。以方便操作，選用了直流電壓控制型的蜂鳴器、紅色發(fā)光二級管以及紅色7段數(shù)碼管作為聲光報警顯示設備。為了簡化電路節(jié)省單片機的管腳，采用了74ls47

36、芯片為數(shù)碼管編碼，使得本來要占用的7個單片機管腳變?yōu)橹徽加?個?？紤]到之后的檢測點數(shù)目的顯示也要用7段數(shù)碼管（本設計采用藍色數(shù)碼管），因此采用了兩個74hc573芯片作為鎖存器，分別于兩個數(shù)碼管連接，使得單片機只需要控制之前的4個管腳和這兩鎖存器的兩個使能管腳便能控制兩個數(shù)碼管的顯示。至此p0口的8個管腳用掉了6個，剩余的兩個管腳分別連接蜂鳴器電路和紅色led電路即可完成此部分的設計。圖3.4 聲光報警電路3.4系統(tǒng)控制電路系統(tǒng)控制電路包含了10個按鍵和一個藍色數(shù)碼管，18號按鍵分別對應著18號檢測位置，9號按鍵對應系統(tǒng)中的取消報警鍵，10號按鍵對應系統(tǒng)中的設置檢測點數(shù)目功能鍵，藍色數(shù)碼管則實

37、時地顯示當前監(jiān)測點的個數(shù)，方便用戶調(diào)整。藍色數(shù)碼管的電路已在3.3中敘述。出于節(jié)省單片機管腳的考慮，10個按鍵被連接在兩個8-3編碼器上。這樣使得被來要占用的10個單片機管腳變?yōu)?個。同時為了提高程序運行的效率，本設計將兩個8-3編碼器gs輸出端通過一個與門（74ls08）連接到單片機的外部中斷0口，這樣把中斷與管腳掃描結(jié)合一體，使得程序運行效率有了大大提高。圖3.5 系統(tǒng)控制電路4 火災報警系統(tǒng)程序設計4.1軟件開發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的匯編語言而采用c語言進行程序設計。因為c語言的描述由函數(shù)組成，是一種結(jié)構(gòu)化的程序設計語言，所以更容易實現(xiàn)模塊化，而且具有可讀性好，易于移植等優(yōu)點，同時還有匯

38、編語言一樣的位操作功能的硬件詳細控制指令29。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面，可以使用結(jié)構(gòu)體和數(shù)組，能夠處理復雜的數(shù)據(jù)，可用于實時處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國keil software公司出品的keil c51，是51系列兼容單片機c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 keil c51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全windows界面。另外重要的一點，keil c51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能 體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。c52工具包的整體結(jié)構(gòu)中，vision與ishell分別是c52for windows和for dos的集成開發(fā)環(huán)境(ide

39、)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用ide本身或其它編輯器編輯c或匯編源文件。 4.2火災報警系統(tǒng)程序設計本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、火災判斷/報警子程序與系統(tǒng)控制子程序等來實現(xiàn)設計任務的要求。主要功能要求：（1）實時檢測至多8個監(jiān)測點的環(huán)境溫度、煙霧濃度等因素變化，以判斷是否出現(xiàn)火警；（2）判定某監(jiān)控點出現(xiàn)火警時進行聲光報警，并顯示此監(jiān)控點編號；（3）能手動報警和取消報警；（4）能手動進行系統(tǒng)檢測；（5）監(jiān)控點數(shù)目可以通過鍵盤設置。程序流程圖：開始初始化判斷手動/自動檢測手動自動輪流檢測某些監(jiān)測點指定某監(jiān)測點檢測 溫度煙霧信號采集無異常報警判斷異常報警取消報

40、警是否取消報警結(jié)束圖2.3 程序流程圖4.2.1數(shù)據(jù)采集子程序?qū)τ跓熿F信息，根據(jù)電路設計可知，mq-2煙霧傳感器電路傳回單片機p1口的是高低電頻的信號。高電頻意味著沒有出現(xiàn)異常，低電頻意味著煙霧指數(shù)出現(xiàn)異常。因此，對煙霧情況的檢測實則對p1口相應管腳上高低電頻的檢測。在讀取的同時也實現(xiàn)了判斷功能，因此也是把報警功能和取消報警功能跟煙霧數(shù)據(jù)采集結(jié)合于一體的原因。對于溫度信息，由于ds18b20是單總線傳輸數(shù)據(jù)的器件，只需根據(jù)該器件的單總線特性設計程序。每采集一次溫度信息的流程為：讀取溫度，并轉(zhuǎn)換為所需的值器件復位跳過rom命令，設置讀模式跳過rom命令，執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)化命令并等待完成器件復位器件復位

41、溫度采集子函數(shù)：unsigned int temperature(unsigned char q)unsigned char temp1,temp2;unsigned int temp;rst18b20(q);write18b20(q,0xcc);write18b20(q,0x44);rst18b20(q);write18b20(q,0xcc);write18b20(q,0xbe);temp1=read18b20(q);/低8位temp2=read18b20(q);/高8位temp=temp2;temp=8;temp+=temp1;temp=(unsigned int)(temp*0.625)

42、; /保留一位小數(shù)return temp;此函數(shù)中的參數(shù)值的是監(jiān)測點對應的位置。由于電路連接對應的是單片機的p3口，所以該函數(shù)要借助輔助子函數(shù)unsigned char getq（unsigned char i）來將18轉(zhuǎn)化為p2口的p20p27管腳即：0x01,0x02,0x04,0x10,0x20,0x40,0x80.以支持單總線操作。所以如果要檢測第8號監(jiān)測點，則本函數(shù)的調(diào)用應該是：tmpt=temperature(getq(8)。4.2.2火災判斷/報警子程序根據(jù)任務要求，火災判斷報警子程序要實現(xiàn)兩個功能：1.對采集到的溫度、煙霧濃度值進行判斷，觸發(fā)報警；2.對取消報警按鍵的讀取，當報

43、警產(chǎn)生時如果被按下，則取消當前的報警，如果再次被按下，則恢復報警功能。煙霧檢測及溫度、煙霧報警判斷子函數(shù)：void checkfun(unsigned char i)unsigned char temp=0x01;tempstdt) /check temperaturewhile(cancel%2)=0)&(tmptstdt) tmpt=temperature(getq(i);led=0;buzz=0;seg7(i,2);led=1;buzz=1;seg7(0,2);此函數(shù)中的參數(shù)則指的是檢測點的位置。此函數(shù)中包含了溫度采集子函unsigned int temperature(unsigned

44、 char q)和數(shù)碼管顯示子函數(shù)。數(shù)碼管顯示子函數(shù)：void seg7(unsigned char value,unsigned char lock)if(value%2=1) aa=1;else aa=0;value/=2;if(value%2=1) bb=1;else bb=0; value/=2;if(value%2=1) cc=1;else cc=0;value/=2;if(value%2=1) dd=1;else dd=0;if(lock=1) /total numberlock1=1;delaynms(20);lock1=0;delaynms(20);lock2=0;else i

45、f(lock=2)/fire numberlock2=1;delaynms(20);lock2=0;delaynms(20);lock1=0;根據(jù)數(shù)碼管顯示部分的電路設計可知，兩個數(shù)碼管的顯示只需要控制6個單片機引腳。其中aa、bb、cc、dd引腳連接的是74ls47芯片的輸入引腳，單片機控制這四個引腳輸出的2進制數(shù)經(jīng)過74ls47譯碼，控制數(shù)碼管顯示相應的十進制數(shù)字。其中l(wèi)ock1，lock2分別連接兩個74hc573使能端，當lock1=0，lock2=1時，紅色數(shù)碼管保持當前讀數(shù)不變，藍色數(shù)碼管根據(jù)aa、bb、cc、dd的輸出信號改變數(shù)字，當lock1=1，lock2=0時，藍色數(shù)碼管保

46、持當前讀數(shù)不變，紅色數(shù)碼管根據(jù)aa、bb、cc、dd的輸出信號改變數(shù)字。該程序中包含了毫秒延時函數(shù)。毫秒延時函數(shù)：void delaynms(unsigned int ms)unsigned int x,y;for(x=ms;x;x-)for(y=110;y;y-);此函數(shù)中的參數(shù)即延時的時間，單位為毫秒。4.2.3系統(tǒng)控制子程序系統(tǒng)控制功能主要有三個：1.指定檢測點的位置；2.設置監(jiān)測點的個數(shù)；3.取消/恢復報警功能。本設計主要通過按鍵的應用來實現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。根據(jù)設計的電路可知，10個按鍵是經(jīng)過兩個8-3編碼器連接到單片機的p33p37 五個引腳上的，并且兩個8-3譯碼器的gs端還通過一個

47、與門連接到p32即外部中斷0口，所以系統(tǒng)控制子程序是通過外部中斷0實現(xiàn)的。當外部中斷0被觸發(fā)，則開始檢測p33p37上的電位信息，經(jīng)過程序分析得出到底是哪個按鍵被按下，然后執(zhí)行相應的控制命令。系統(tǒng)控制子程序：void keyvalue() interrupt 0unsigned char temp;ex0=0;ea=0;temp=p3&0xf8;switch(temp)case 0x38:keyv= 1;/0011 1000break;case 0xf0:keyv= 2;/1111 0000 break;case 0xe8:keyv= 3;/1110 1000 break;case 0xe0:

48、keyv= 4;/1110 0000 break;case 0xd8:keyv= 5;/1101 1000 break;case 0xd0:keyv= 6;/1101 0000 break;case 0xc8:keyv= 7;/1100 1000 break;case 0xc0:keyv= 8;/1100 0000 break;case 0xb8:keyv= 9;/1011 1000 break;case 0x78:keyv= 10;/0111 1000 break;if(keyv=1&keyv8) alter=1;ea=1;ex0=1;5 總結(jié)與展望5.1 總結(jié)本文設計了一種基于單片機at8

49、9c52的火災自動報警系統(tǒng)，系統(tǒng)安全可靠，誤報率低，操作方便，成本較低。本設計拋棄了傳統(tǒng)的使用單一傳感器探測報警，采用了溫度傳感器ds18b20和煙霧傳感器mq-2相結(jié)合的多傳感器探測方法，使系統(tǒng)靈敏度高、響應時間短，在火災發(fā)生的早期就能準確的報警。在系統(tǒng)的軟件設計方面，采用了模塊化程序設計方法，系統(tǒng)各個模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實現(xiàn)的。既使得程序結(jié)構(gòu)清晰，又便于以后進一步擴展其功能，也便于系統(tǒng)的維護。當發(fā)生火災，系統(tǒng)以聲光的形式發(fā)出報警。在系統(tǒng)中設置了1個蜂鳴器，實現(xiàn)聲音報警；并且還設置了1個發(fā)光二極管。如果系統(tǒng)出現(xiàn)硬件故障，能發(fā)出故障報警；如果煙霧和溫度出現(xiàn)異常，則說明有火災，發(fā)出火

50、災警報。由于時間緊迫和個人能力有限，本文設計的火災報警系統(tǒng)還存在許多需要完善和作進一步研究的問題，如：（1）火災報警系統(tǒng)判斷的算法有待進一步的研究改進，應用更先進的神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊識別等智能算法，降低系統(tǒng)的誤報率，提高靈敏度。（2）火災報警系統(tǒng)沒有聯(lián)網(wǎng)，當發(fā)生火災時不能通過電話網(wǎng)絡向消防指揮中心報警。5.2 展望二十一世紀是網(wǎng)絡化時代，在計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的迅速發(fā)展下，火災探測報警技術(shù)的更新變化也非常明顯，總體來看，主要的發(fā)展變化是：數(shù)字技術(shù)和新工藝、新材料的應用，改進系統(tǒng)能力和減少維護要求，向著高可靠、低誤報和網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展。l)早期、超早期的火災探測報警超早期火災報警的主要指導思想是：(1)提高靈敏度，在火災早期階段生成物較少的時候即可探測報警;(2)探測火災過程中尚未形成火災時的生成物即超早期火災探測報警。為此，利用提高靈敏度實現(xiàn)早期火災探測報警的方法中，已經(jīng)將粒子計數(shù)測量技術(shù)用于火災探測。2)全新的火災判定依據(jù)從以搜集時間信息為主作為報警依據(jù)，轉(zhuǎn)為以物性信息與時間信息相結(jié)合作為報警依據(jù)。3)采用智能技術(shù)