NANCHANG UNIVERSITY
自动化专业综合实验及设计论文
题 目 基于51单片机火灾报警器设计
学 院： 信息工程学院 系： 自动化 专业班级： 自动化122班 学 号： 5801112083 学生姓名： 马田一 指导教师： 龙 伟 职称： 教授
起讫日期： 2016年1月4日至2016年1月14日
目录
摘 要 .................................................................... 错误!未定义书签。 第一章 课程设计的要求 ....................................... 错误!未定义书签。 1、本次课程设计的目的： ............................... 错误!未定义书签。 2、本次课程设计的要求： ............................... 错误!未定义书签。 第二章 课程设计系统总体设计 ........................... 错误!未定义书签。 1、系统的设计原理 ........................................... 错误!未定义书签。 2、系统结构图 .................................................. 错误!未定义书签。 第三章 硬件设计 .................................................. 错误!未定义书签。 1、芯片的选择—AT89S52 ................................ 错误!未定义书签。 2、集成温度传感器的选择 ............................... 错误!未定义书签。 3、气体传感器的选择 ....................................... 错误!未定义书签。 4、数码管驱动芯片 ........................................... 错误!未定义书签。 5、信号处理电路.............................................................................. 7 6、A/D转换模块 ............................................... 错误!未定义书签。 7、声音报警电路.............................................................................. 8 8、状态指示灯及按键控制电路 ...................................................... 9 第四章 软件设计 ................................................................................. 9 系统总的原理图 ................................................ 错误!未定义书签。 第五章 仿真结果分析 ........................................................................ 10 第六章 心得体会 ............................................................................... 10 参考文献 ............................................................................................... 11
基于51单片机火灾报警器设计
专 业：自动化 学 号：5801112083
学生姓名：马田一 指导老师：龙伟
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 ：单片机 火灾报警 传感器
第一章 课程设计的要求
一 本次课程设计的目的
1、了解传感器的基本知识，掌握传感器的使用方法；
2、进一步加深对模拟电路基础理论和数字电路基础理论的理解； 3、掌握比较器和振荡器的设计方法；
4、提高认识一些器件手册并运用这些器件的能力。 二 本次课程设计的要求 1、基本部分：
(1)电源电压不限，可以使用交流或直流电源；
(2)有气体和烟雾时进行报警，无气体和烟雾后仍然维持报警，直至重新上电后才撤消报警；
(3)气体和烟雾报警以不同的声光加以区分； (4)气体和烟雾报警分别设置断气、灭火驱动接口； (5)显示报警时间。 2、发挥部分：
（1）可以通过无线方式向远端发送报警信息，无线传输所使用的信号调制、解调方式不限，可以使用成品模块；
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（2）多个报警器报警时互相不影响，在接收端各自有独立的声光指示
第二章 课程设计系统总体设计
1、系统的设计原理
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。
2、系统的结构图
火灾报警系统一般由火灾探测器、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。报警器将接收到火警信号后经分析处理发出报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的位置。整体电路的框图如图2.1所示 ： 串口通信 浓度显示 按键 传感器 放大电路 A/D转换 单片机 声音报警 状态指示灯声音报警 图2.1 系统结构图
第三章 硬件设计
1、芯片的选择
芯片AT89S52在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况进行相应的处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比
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较，本设计选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制器。AT89S52是一个低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。根据本次设计的具体情况，采用双列直插DIP-40封装。AT89S52的引脚图如图3.1所示。
图3.1 AT89S52管脚图
2、集成温度传感器
AD590是美国Analog Devices公司生产的一种电流型二端传感器，电路如图所示。由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，及1A∕K，，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负
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极接出一个10千欧的电阻R1和一个100欧的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC080。通过调节可调电阻便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV∕K,温度0℃时输出为0，温度25℃时输出为2.982V。这样便于A/D转换器采集数据。
图3.2 集成温度传感器
3、气体传感器TGS-202
火灾中气体烟雾主要是CO2和CO，TGS202气体传感器能探测CO2，CO，甲烷，煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。如上 图3-3 TGS202检测电路如图所示，当TGS202探测到CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如CO浓度达到0.06﹪）时，VA端获得适当的电压（设为3V）。
图3.3 气体传感器TGS-202
4、数码管驱动芯片ICM7218
ICM7218是INTERSIL公司生产的一种性能价格比较高的通用8位LED数码管驱动电路,28脚双列封装,是一种多功能LED数码管驱动芯片,可与多种单片机接口使用。ICM7218的输出可直接驱动LED显示器,不需外接驱动电路,工作电压为+5V,其构成的显示电路结构简单,使用方便。同样由单片机向ICM7218写控制字及数据，编程部分像给外部RAM写数据一样简单。
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当单片机写入模式控制字后，ICM7218以约定的方式接收显示数据并将数据写入静态显示RAM中。数据接收结束，ICM7218在扫描控制电路的控制下，按设定的译码模式，以动态扫描显示方式向段显示驱动器和位控驱动器发出控制信号，直到下一个控制字写入前，不停地进行动态显示工作。其引脚图和内部框图如图3-4所示。
图3.4 数码管驱动芯片ICM7218
5、信号处理电路
图3.5 信号处理电路
6、A/D转换模块
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经气敏传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行A/D装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。
A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换常用芯片ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端分别接到ADC0809的IN0和IN1。ADC0809的通道选择地址 由AT89S52的P0.0～P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。当P2.7=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。其中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿信号处理电路写入地址信号，在其后沿启动转换。图中ADC0809转换结束状态信号EOC接到AT89S52的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。由于ADC0809片内无时钟，故利用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHZ，则ALE信号的频率为1MHZ，经二分频后为500KHZ，与ADC0809的典型值吻合。
图3.6 A/D转换电路图
7、声音报警电路
由AT89S52的21脚实现声音报警控制。当可燃性气体浓度或温度超过限定值
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时，将P2.0置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。
图3.7 声音报警电路图
8、状态指示灯及控制键电路
状态指示灯及控制键电路如图所示，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的方法，功能就是：检测是否有键闭合，如有键闭合，则去除键抖动，判断键号并转入相应的键处理。 4个键定义如下：
P2.1：S1功能转换键，按此键则开始键盘控制。
P2.5：S2加，按此键则温度设定值加一度或烟雾浓度增加0.01％。 P2.6：S3减，按此键则温度设定减少一度或烟雾浓度减少0.01％。 RST：S4复位键，使系统复位。
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系统总的原理图
图3.8 状态指示灯原理图
图3.9 控制键电路图
第四章 系统总的原理图
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图4.1 系统总的原理图
第五章 仿真结果分析
1）计数模块我们非常熟悉,所以我们最先调试这一部分。我们将这一部分直接用开关接电源使能,但是这一部分我们还是遇到了一个棘手的问题:进位脉冲
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不对,每次都是逢8进位,这个让我们很不解,无论是从理论上还是MULTSIM仿真软件的仿真结果来看,都没有问题,电路上也没有连接错误的地方。经过分析,我们发现我们在设计的时候仅以MULTSIM的74LS161 为标准,其时钟触发方式不同,软件是下降沿工作,实际的芯片是上升沿工作,为此我们将进位脉冲进行非逻辑运算,最后调试成功。
2) 声光显示部分,由于在实验箱上试验过,调试非常顺利,而且效果也很好.对于传感器信号产生模块,我们是根据比较器的三端的电位来调整变阻器的阻值,并多次重复调整,使其灵敏度达到最理想的效果,并且测试其接到无线传输模块的电位,使其也尽可能大。
3) 无线传输模块是集成的,其效果在焊接前已经调试过。各模块的协同整体调试,让我们很困惑,有时候效果出来了,有时出现报警中断,我们一时找不到方向,最后我们将接受模块端的测试灯去掉了,这样就解决了问题。
第六章 心得体会
本次课设我也只是在理论上阐述一下我的观点，毕竟掌握知识点少，基础薄
弱，未能做出实物，也参考了许多资料，如果做得不好，望老师给与批评指正。
火灾报警器能够保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。
本论文是在对烟雾、温度传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案，并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。
本次课程设计经过努力，整个系统实现了预期的目标。本系统通过设计一个以AT89S52单片机为核心的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。本报警器电路结构简单、可维护性好。由于实现了对普通环境中烟雾浓度和温度的实时监控，因此具有非常普遍的意义，能广泛应用于居民家庭、企事业单位等多方面的安全防范。
但毕竟理论知识有限，肯定存在一些列的缺陷，如果做出实物，然后通过很多次试验，一次次找出漏洞，找出缺陷，一步步弥补，相信还是能起到作用的。
通过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识也更加深入，也体会到了科技工作者的辛苦，使自己对本专业更加的热爱，对本科阶段四年的学习做了进一步的总结，更加明确了自己学习的目标和方向。在设计
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过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验心得。我相信这次课程设计能够为下学期的毕业设计打好基础做好准备，是我提前一步了解了毕业设计论文的格式，提前做好心理准备迎接下学期的毕业设计，我相信有了这次的努力，毕业设计一定会做的比较完美。
经过这段时间的努力，51单片机在火灾报警器中的应用的设计顺利完成了。这主要感谢指导龙老师的帮助和提点。在本次论文写作过程中，一直给与关心和帮助的同学和老师表示深深的谢意，同时也要感谢在我大学期间的学习生活中，培育及关心过我的所有老师及领导们，正是他们的辛苦工作和无私奉献，帮助我学习到许多知识。
参考文献
[1] 张向亮. 智能建筑火灾自动报警系统的设计与研究. 武汉理工大学 [2] 陈颖.基于C8051F单片机的火灾智能报警控制系统的设计. 大连海事大学 [3] 于智洋.浅析智能建筑中火灾自动报警系统的设计[J].潜江：江汉石油科技 [4] 王钊.智能型火灾报警系统的设计与研究（硕士学位论文）.西安理工大学 [5] 孙健. 基于ARM7的电气火灾自动报警控制器研制：浙江大学 [6] 全国民用建筑工程设计技术措施－电气[M]. 建筑出版社 [7] 高层民用建筑设计防火规范GB50045-95
[8] 王雪文、张智勇.传感器原理及应用[M]. 北京：北京航天大学出版社 [9] 成佩青.数字信号处理教程[M]. 北京：清华大学出版社 [10] 宋学君.模拟电子技术[M]. 北京：科学出版社 [11] 王福瑞.单片机测控系统大全
[12] 李全利.单片机原理及应用技术. 北京：高等教育出版社
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