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1、任務(wù)書 本文采用氣體傳感器、溫度傳感、AT89S52單片機(jī)以及LED顯示燈模塊設(shè)計了一種智能火災(zāi)報警器，可以實現(xiàn)聲光報警、故障自診斷、濃度顯示、報警限設(shè)置、延時報警及與上位機(jī)串口通信等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的火災(zāi)報警器，具有一定的實用價值。 本系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為處理器，主要完成以下工作： 1. 基于AT89S52的火災(zāi)報警檢測設(shè)計方案。 2. 溫度傳感器AD590、煙霧傳感器TGS202、A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的選擇以及與單片機(jī)的接口電路設(shè)計。 3. LED數(shù)碼管驅(qū)動芯片ICM7218與單片機(jī)的接口電路及其與數(shù)碼管的

2、硬件連接。 4. 設(shè)計主要軟件程序模塊，完成軟件設(shè)計。 目錄 第1章 緒 論 1 選題背景及意義 1 第2章 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的工作原理 2 2.1 系統(tǒng)總體功能概述 2 2.2 火災(zāi)探測器的原理 3 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 55 3.1 單片機(jī)外圍接口電路 8 3.2 信號處理電路 9 3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊 10 3.4 聲音報警電路 11 3.5 數(shù)碼管顯示電路 12 3.6 報警器故障自診斷 14 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 15 4.1 主程序流程圖 1

3、5 4.2 主程序初始化流程圖 16 4.3 濾波子程序 16 4.4 線性化子程序 17 4.5 報警子程序 19 4.6 鍵盤處理子程序 21 結(jié)論 22 致謝 23 參考文獻(xiàn) 24 第1章 緒 論 1.1 選題背景及意義 嚴(yán)峻的事實證明，隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會財富日益增加，火災(zāi)給人類、社會和自然造成的危害范圍不斷擴(kuò)大，它不僅毀壞物質(zhì)財產(chǎn)，造成社會秩序的混亂，還直接威脅生命安全，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(rèn)識到監(jiān)控預(yù)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(jī)制可以大大降低人員的上網(wǎng)，為社會減少不必要的損失。

4、 第2章 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的工作原理 2.1 系統(tǒng)總體功能概述 火災(zāi)報警系統(tǒng)一般由火災(zāi)探測器、區(qū)域報警器和集中報警器組成?；馂?zāi)探測器通過對火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象——?dú)猓ㄈ紵龤怏w）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測，將探測到的火情信號轉(zhuǎn)化成火警電信號傳遞給火災(zāi)報警控制器。區(qū)域報警器將接收到火警信號后經(jīng)分析處理發(fā)出聲光報警信號，警示消防控制中心的值班人員，并在屏幕上顯示出火災(zāi)的房間號。集中報警是將接收到的信號以聲光形式表現(xiàn)出來，其屏幕上也顯示出著火的樓層和房間號，利用本機(jī)專用 還可迅速發(fā)出指示和向消防隊報警。此外，也可以控制有關(guān)的滅火系統(tǒng)或?qū)⒒馂?zāi)信號傳輸給消防控制室。整

5、體電路的框圖如圖2-1所示： 圖2-1 系統(tǒng)原理及組成框圖 傳感器 放大電路 A/D轉(zhuǎn)換 單片機(jī) 狀態(tài)指示燈 聲音報警 濃度顯示 按鍵 串口通信 2.2 火災(zāi)探測器的原理 火災(zāi)探測器主要分感煙、感溫、光輻射三大類： （1）感煙探測器。一種是離子感煙探測器，它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正負(fù)離子，在電場的作用下各向正負(fù)電極移動。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。（2）感溫探測器。一種是運(yùn)用金屬熱脹冷縮的特性。正常的情況下，探測器的電路斷開，當(dāng)溫度升到一定值時，由

6、于金屬膨脹、延伸，導(dǎo)體接通，于是發(fā)出了信號。（3）光輻射探測器。一種是紅外光輻射探測器。物質(zhì)在燃燒時，由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生閃爍的紅外光輻射使硫化鉛紅外光敏元件感應(yīng)，轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大后，就能向人們報警。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 單片機(jī)外圍接口電路 AT89S52單片機(jī)外圍接口電路如圖3-5所示，主要包括： 1.晶振電路：內(nèi)部時鐘電路的晶振頻率一般選擇在4MHZ~12MHZ之間（該設(shè)計選用6MHZ），外接兩個諧振電容。該電容的典型值為30pF,該設(shè)計選用33pF。 2.復(fù)位電路：單片機(jī)復(fù)位采用按鍵高電平復(fù)位，而單片機(jī)在平時則復(fù)位端為低電平0. 圖3-5

7、 單片機(jī)外圍接口電路 3.2 信號處理電路 圖3-6 信號處理電路 對于傳感器輸出的模擬信號，一般要用運(yùn)算放大器對其進(jìn)行調(diào)理或放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬量幅值及極性的要求。在本報警器電路中，同樣要對兩類傳感器的輸出信號進(jìn)行放大調(diào)理。電路圖如上圖3-6所示，運(yùn)算放大器接成電壓放大電路。從傳感器采集過來的微弱電壓信號，經(jīng)過電壓放大器的放大，得到較強(qiáng)的模擬電壓信號。采樣時，把相應(yīng)的模擬電壓信號從Vi端送進(jìn)LM324A進(jìn)行放大處理后，從Vo端輸出送入A/D轉(zhuǎn)換電路。 3.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊 經(jīng)氣敏傳感器所檢測的電壓信號為模擬信號，

8、無法直接被單片機(jī)所識別，所以在經(jīng)過放大電路后對信號進(jìn)行A/D裝換，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入單片機(jī)。 圖3-7 A/D轉(zhuǎn)換電路 3.3 聲音報警電路 由AT89S52的21腳實現(xiàn)聲音報警控制。當(dāng)可燃性氣體濃度或溫度超過限定值時，將P2.0置為低電平，三極管導(dǎo)通，揚(yáng)聲器發(fā)出鳴叫報警。其電路原理圖如圖3-8所示。 圖3-8 聲音報警電路圖 3.5 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)據(jù)采集進(jìn)來并被成功地由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后，就被傳送到系統(tǒng)的顯示模塊，讓人們更直接地觀察到相關(guān)數(shù)據(jù)。在本

9、系統(tǒng)中，對LED進(jìn)行的是動態(tài)掃描，除了給顯示器提供段的輸入之外，還要對顯示器進(jìn)行位控制。顯示器的第一位顯示所選擇的通道號，而后三位則顯示該通道傳送進(jìn)來的相應(yīng)的數(shù)字量。 圖3-9 數(shù)碼管顯示電路圖 3．5 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路 圖3-10 狀態(tài)指示燈電路 圖3-11 控制按鍵連接示意圖 P2.1：S1功能轉(zhuǎn)換鍵，按此鍵則開始鍵盤控制。 P2.5：S2加，按此鍵則溫度設(shè)定值加一度或煙霧濃度增加0.01

10、％。 P2.6：S3減，按此鍵則溫度設(shè)定減少一度或煙霧濃度減少0.01％。 RST： S4復(fù)位鍵，使系統(tǒng)復(fù)位。 3.6 報警器故障自診斷 判斷傳感器電源連接情況。在傳感器的地端串聯(lián)一個電阻R，當(dāng)傳感器正常連接時，電阻和傳感器分壓，此時電阻兩端有微弱的電壓，單片機(jī)可以通過P2.1口檢測到：如果如果傳感器電源連接不正常，則會產(chǎn)生斷路，檢測到電阻兩端電壓為0。 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1 主程序流程圖 主程序流程圖如圖4-1所示： Y 開始 初始化 傳感器預(yù)熱、故障檢測 鍵盤處理 報警限設(shè)置 報警子程序 平均值法濾波 線性化處理 設(shè)置

11、指示燈狀態(tài) Y N 是否按下模式切換 A/D轉(zhuǎn)換 N 是否超過報警限 濃度顯示 圖4-1 主程序流程圖 4.2 主程序初始化流程圖 主程序初始化流程圖如圖3-2所示。這部分實現(xiàn)的功能包括各種I/O輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、寄存器初始化、中斷使能等。首先設(shè)定定時器工作方式，然后開系統(tǒng)中斷，以便響應(yīng)中斷定時，及時對氣體濃度和溫度進(jìn)行采樣。然后關(guān)閉蜂鳴器，開啟綠燈，設(shè)置報警限初值。 開始 定時器初始化 開中斷 關(guān)閉蜂鳴器，打開綠燈 設(shè)定初值 Y N 是否保持報警初值 返回 圖4

12、-2 主程序初始化流程圖 4.3 濾波子程序 開始 設(shè)定采樣次數(shù) 調(diào)用A/D采樣 求第二個到第九個采樣值的累加和 將累加和求平均值 送入寄存器 N Y 已達(dá)到設(shè)定次數(shù) 將采樣值排序 圖4-4 濾波子程序流程圖 4.4 線性化子程序 根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機(jī)的某一電壓值對應(yīng)的煙霧濃度的 公式如下： 式中，N為所分區(qū)間個數(shù)，f(x)為實際煙霧檢測濃度，x為實際氣體檢測濃度對應(yīng)的電壓值，xi是區(qū)間的下限濃度對應(yīng)電壓值，xi+1是區(qū)間的上限濃度對應(yīng)電壓值，f(xi)

13、為區(qū)間下限煙霧濃度值，f(xi+1)為區(qū)間上限煙霧濃度值。分段插值法線性化程序流程圖如圖4-5所示： 圖4-5 線性化子程序 4.5 報警子程序 當(dāng)煙霧濃度或溫度值超過報警限設(shè)定值時，蜂鳴器發(fā)聲，對應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關(guān)安全裝置，從而保障生產(chǎn)安全，避免火災(zāi)和爆炸事故的發(fā)生。為防止誤報，在程序設(shè)計上，對煙霧濃度和溫度進(jìn)行快速重復(fù)檢測和延時報警，以區(qū)別出時管道中煙霧的泄露，還是由于暫時打開閥門產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報。報警子程序流程圖如圖4-6所示。 圖4-6 報警子程序流程圖 N Y N Y Y 開始 讀取處理后的氣體濃

14、度值或溫度值 延遲20秒后采集一組數(shù)據(jù) Y N 是否煙霧濃度≥0.06％或溫度≥100℃ 傳感器故障自診斷 傳感器有問題 返回 啟動故障報警 復(fù)位鍵是否按下 煙霧濃度≥0.06％或溫度≥100℃ 溫度≥100℃ N 啟動火災(zāi)報警 4.6 鍵盤處理子程序 按鍵處理子程序流程圖如圖4-7所示。 開始 掃描鍵值 是否有鍵按下 延時10ms消抖 是否有鍵按下 提取鍵值 調(diào)用鍵盤 處理子程序 結(jié)束 N N Y Y Y 圖4-7 鍵盤處理子程序流程圖 結(jié)論 火災(zāi)報警器可保障生產(chǎn)

15、與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。 通過這次設(shè)計，更加深入的理解和掌握了這方面的知識，對本專業(yè)的認(rèn)識也更加深入，使自己對本專業(yè)更加的熱愛，對本科階段四年的學(xué)習(xí)做了進(jìn)一步的總結(jié)，更加明確了自己學(xué)習(xí)的目標(biāo)和方向。在設(shè)計過程中，自己也學(xué)到了許多新的知識，有很多感悟和體驗心得。而且，對工程設(shè)計的流程和步驟有了清晰的認(rèn)識，為自己日后的學(xué)習(xí)和研究打下了堅實的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) [1] 孫育才，MCS-51系列單片微型計算機(jī)及其應(yīng)用，第4版，東南大學(xué)出版社，2006 [2] 王慶，Protel 99 SE&DXP

16、電路設(shè)計教程，電子工業(yè)出版社，2008 [3] 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分，第4版，高等教育出版社,2006 [4] 劉軍，單片機(jī)原理與接口技術(shù)，華東理工大學(xué)出版社，2006 [5] 賴壽宏，微型計算機(jī)控制技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2009． [6] 李中望，一種智能火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計方案，安防科技，2008 [7] 王忠民，基于單片機(jī)的語音數(shù)字聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報警器設(shè)計，現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（10） [8] Atmel Corporation 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash AT89S52 附 錄