论文总字数：17540字

摘 要

液化石油气，各种电子产品，易燃装饰材料等我们身边经常接触到的一些普通生活用品容易造成火灾，因此家庭火灾报警系统越来越多的被应用到家居日常生活中。本文设计了一种基于单片机的家庭火灾报警系统。首先论述了火灾报警系统的工作原理和设计思路，然后根据工作原理设计了系统的硬件电路，通过Proteus软件进行仿真。该系统以单片机AT89C51为主控芯片，通过键盘预设烟雾报警值及温度值，采用DS18B20温度传感器及MQ-2烟雾报警器检测温度及烟雾参数，通过数码管显示屏显示烟雾浓度值以及温度值，当温度及烟雾值超过安全范围时，LED灯长亮，同时蜂鸣器响进行报警。该系统具有结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的特点，具有一定的实用价值。

关键字：AT89C51单片机，智能报警，传感器，控制器

Abstract: Liquefied petroleum gas, various electronic products, flammable decorative materials and other common household goods that we often come into contact with are easy to cause fire, so the home fire alarm system is more and more used in daily life. This paper designs a family fire alarm system based on single chip computer. Firstly, the working principle and design idea of the fire alarm system are discussed. Then, according to the working principle, the hardware circuit of the system is designed and simulated by Proteus software. The system uses AT89C51 as the main control chip, presets smoke alarm value and temperature value through keyboard, uses DS18B20 temperature sensor and MQ-2 smoke alarm to detect temperature and smoke parameters, and displays smoke concentration value and temperature value through digital tube display screen. When the temperature and smoke value exceed the safe range, the LED lamp is long on, and the buzzer sounds to alarm. The system has the characteristics of simple structure, stable performance, convenient use, low price and intellectualization, and has certain practical value.

Keywords: AT89C51 Single Chip Microcomputer, Intelligent Alarm, Sensor, Controller

目 录

1 前言 . 4

1.1 家庭火灾报警器的背景 4

1.2 课题设计研究的目的和意义 4

2 报警系统以及设计方案 4

2.1 火灾产生的特点 4

2.2 整体方案概述 5

2.3 关键硬件及电路设计方案介绍 6

3 设计的具体电路 6

3.1 核心器件选择 6

3.2 单片机外围接口电路 4

3.3 A/D转换电路 5

3.4 光报警电路 6

3.5 声报警电路 6

3.6 按键控制电路 7

3.7 信号处理电路 8

4 软件设计 9

4.1 主程序流程图 9

4.2 滤波子程序 10

4.3 报警子程序 11

4.4 键盘处理子程序 13

5 软件Proteus仿真 14

6 实物设计 18

6.1 硬件电路的构成 18

6.2 按键以及预设临界值 18

6.2 模拟试验 18

结 论 20

致 谢 22

附 录1 总原理图 23

附 录2 元器件 23

附 录3 部分程序源代码 24

1 前言

1.1 家庭火灾报警器的背景

随着现代社会不断的发展，电器设备逐步进入家庭，火灾安全隐患也随之而来。他危害着人们的经济财产，危害着人们的生命。如果有火灾发生，那么就会使得无数的财产毁于一旦。根据科学研究调查表明，1895年到1910年全球平均每个星期就会有三场大型火灾发生，这十五年一共使得146万余人遇难，造成世界五千多万人失去家庭。

泛海三江深耕消防报警技术30余年，始终坚持通过技术手段的改革和创新，从根本上提升街道、物业、住户对火情的管理水平和响应速度，并及时作出快速处理，帮助实现火情早发现、早报警、早扑灭，推动社会单位从被动管理到主动消防的模式转换，进一步降低火灾伤亡。

1.2 课题设计研究的目的和意义

水火无情，说的就是家庭火灾报警器的重要性。 消防安全对于每个企业单位都非常重要。消防安全的重点主要以预防为主，必须做好足够的准备工作，碰到紧急情况才不会慌乱。具体如何处理，首先，在场人员要保持清醒，千万不能慌张，通过报警状态下的报警器的提示，合理解析火源的具体产生的地点，并查看仪器具体的报警原因，是否有误报；然后，确认是火灾的大小，火灾较小，可以用灭火器直接扑灭。如果火灾较大的话，就必须赶紧联系各个单位人员，采取灭火措施，并且要迅速疏散人员，快速拨打火灾报警电话 119，通知消防部门进行灭火。当然，如果发现仪器是误报，需要转告专业维修人员及时进行修理，事后做好记录。

2 报警系统以及设计方案

2.1 火灾产生的特点

一般的火灾的发生都会有这几个步骤：开始是可燃物或者气体的泄露，和氧气得到触碰，同时又达到该物体的燃点。随后就会发生火灾，并出现大量的烟雾。这个时候，温度会比平时的温度高，烟雾浓度会很浓。如果这个时候家庭火灾报警能够发生报警，那么将比之下就会降低大量的损失。下面是起火的过程曲线如图1.1所示。

图1.1 起火的过程曲线图

2.2 整体方案概述

火灾报警器工作时对环境中的烟雾浓度和温度进行检查，然后把检测到的信息转换成电信号通过a/d转换传送至单片机中，再由单片机控制显示电路实时显示，并能实现声光报警的功能。该报警系统的组成部分包括：信号采集模块、AD转换模块、单片机、报警模块等。

报警器选用MQ-2烟雾传感器和DS18B20温度传感器构成信号采集模块。蜂鸣器，报警指示灯和GSM模块构成了报警模块、再用单片机配合辅助电路就构成了火灾报警系统，报警器检测得到相关数据通过数码管显示屏显示出来。电路框图如图2.1所示。

图2.1 系统框图

2.3 关键硬件及电路设计方案介绍

(1)硬件系统组成

它是由系统控制模块，火灾探测模块，数据转换模块和报警模块组成。探测器组成部分为：温度传感器，烟雾传感器。这2个仪器接受到信息然后通过数据模块传送给报警系统，判断能否报警。正常运行时，他们会把收集到的温度变化和烟雾的浓度经转换系统变换成模拟信号再通过a/d转换传送到单片机中，然后在对其进行滤波处理，系统识别对比周围温度是否需要报警。

(2)硬件系统控制方案设计

家庭火灾报警系统一般在火灾前还未发生时和火灾已经进行时会进行报警。其主要由烟雾传感数据采集程序、温度传感数据采集程序、声光报警程序等三个部分组成，其中，烟雾传感数据采集程序完成对外界烟雾和可燃气体浓度的采集并进行数据转换;温度采集程序则是对周围的温度进行收集并转换。这个仪器通过温度传感器和烟雾传感器收集到的周围的温度或者烟雾浓度转化成电信号，又把这些电信号进行滤波已经进行扩大实现a/d转换。模电信号通过a/d转换器转化为数字信号。然后判断周围的温度或者烟雾浓度是否达到温度和烟雾浓度的危险值。当然，这些危险值也是我们自己手动设置的，一般会根据自己的需求去进行合理的设定。温度值和烟雾浓度值超过了自己设定的危险值后，就会产生报警。

3 硬件电路设计

3.1 核心器件选择

3.1.1 AT89C51

该单片机的芯片是由atmel公司研究生产的，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，其运用范围及其广泛，可以控制各个领域。 该单片机含有四十支引脚，三十二个接线端口，还拥有两个外中断口，两个十六位计数器。AT89C51的引脚如图3.1所示。

图3.1 AT89C51的引脚图

3.1.2 温度探测器

本文温度探测器使用DS18B20数字温度传感器，其引脚如图3.2所示。

（1）温度探测器的工作原理

首先，传感器送来的温度值所对应的微小的电压信号经过放大，转化成大的电压信号送入AT89C51单片机后，在AT89C51单片机内A/D转换、温度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制温度值；最后，将周围温度的值送入数码显示器，并判断温度值是否超出报警的临界值，如果超出则启动报警电路进行报警。

（）关于DS18B20的简介

DS18B20的主要特性：适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。温度范围－55℃～ 125℃，在-10～ 85℃时精度为±0.5℃。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

图3.2 DS18B20数字温度传感器引脚图

3.1.3 烟雾传感器

（1）烟雾检测器工作原理

首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成大的电压信号送入AT89C51单片机后，在AT89C51单片机内A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气体浓度送入数码显示器，并判断浓度值是否超出报警的临界值，另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反映越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝或电缆线和传感器断线和接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。

（2）关于NIS-09C

在本次设计中，我们选用NIS-09C烟雾传感器。它是离子式烟雾传感器，是日本NEMOTO公司专为检测延误而精心设计的新型传感器。

17标准风速0.1M/秒）

电源电压特性（25℃60﹪RH）

温湿度特性 温度特性（温度60﹪）

温度特性（温度25℃）源：放射元素是媚241，放射量是平均33.3KBq=0.9uCi（29K——37KBq）。

工作环境：电源电压是DC6.0-18.0V，最大24V；温度是0-50℃，最大-10-60℃，温度95﹪。保存温度-25-80℃。

3.2 单片机外围接口电路

（1）晶振电路

晶振电路为单片机AT89C51工作提供时钟信号，芯片中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振荡器一起构成自激振荡器。电路中的外接石英晶体及电容C2、C3接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，系统的晶振电路如图3.3所示。

图3.3 AT89C51单片机的晶振电路

（2）复位电路

复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。AT89C51的复位信号是从REST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果REST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位，本设计采用的是手动按钮复位。如图3.4所示

图3.4 AT89C51单片机的复位电路

3.3 A/D转换电路

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。电路图如图3.5所示。

图3.5 AD转换电路

3.4 光报警电路

此类报警根据单片机所给电压，确定LED灯中的电流流向，以驱动灯发光。连接电路如图3.6所示，

图3.6 光报警电路

工作原理：当报警系统正常工作时，单片机p15和p16端口为高电平，则绿灯和红灯灭，当报警系统发出报警信号时，p15和p16端口为低电平，则绿灯和红灯亮。

3.5 声报警电路

其电路图如图3.7所示

图3.7 声报警电路

工作原理：当系统发生报警时，单片机使p1.4端口产生一个高电平，使得三极管导通，蜂鸣器也随之导通得电，发出声音警报。

3.6 按键控制电路

该电路有四个按键，其中分别为设置键、加键、减键和紧急报警键，紧急情况时，可直接按下紧急报警键，可使LED灯亮和蜂鸣器发声进行报警。如图3.8所示

工作原理：当按下s1，s2，s3，s4按键时，k1，k2，k3，k4端口与GND直接相连接，使k1，k2，k3，k4从高电平转换成一个低电平，传送至单片机中。从而实现设置键、加键、减键和紧急报警键的功能。

图3.8 按键电路图

3.7 信号处理电路

对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性的要求。在本报警器电路中，同样要对两类传感器的输出信号进行放大调理。电路图如上图3.9所示，运算放大器接成电压放大电路。从传感器采集过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信号。采样时，把相应的模拟电压信号从Vi端送进LM324A进行放大处理后，从Vo端输出送入A/D转换电路。

图3.9信号处理电路

3.8 数码管显示电路

数据采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，就被传送到系统的显示模块，让人们更直接地观察到相关数据。在本系统中，对LED进行的是动态扫描，除了给显示器提供段的输入之外，还要对显示器进行位控制。

本系统显示用的4位七段数码管由数码管专用驱动芯片ICM7218A驱动，27、3、1、25、2、24、26脚分别接数码管的a、b、c、d、e、f、g，15、16、23、20脚为位选，分别控制4位数码管的亮灭，ID0~7为数据线，接单片机P0口，WRITE、MODE是写控制位和模式控制位，其电路图如图3.10所示。

图3.10 数码管显示电路图

4 软件设计

4.1 主程序流程图

首先要给传感器预热三分钟，因为传感器需要预热一段时间才能正常采集烟雾和温度信息。预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。程序初始化结束后，系统进入监控状态。AT89S52单片机对传感器检测到的烟雾浓度和温度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将检测值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入显示器显示通道及相应的数字量。主程序还包括状态指示灯及按键功能，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。

主程序流程图如图4.1所示：

图4.1主程序流程图

4.2 滤波子程序

在对气体浓度采样时，可能会遇到尖脉冲干扰的现象。干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。如果采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的烟雾浓度采样值的偏差。 为此，可采取去极值平均滤波法，先对N个采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N–2个数据的算术平均值。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰。保证报警器检测烟雾浓度的准确性，减小误报、错报的可能。滤波子程序流程图如图4.2所示

图4.2 滤波子程序流程图

4.3 报警子程序

报警子程序流程图如图4.3所示。

首先先读取处理后的气体浓度值或者温度值，判断烟雾浓度是否大于等于百分之0.06或者温度值是否大于百分之0.06，如果没有直接返回。如果大于或者等于，则延迟20秒采集一组数据，再次重复以上判断，如果大小于，则直接返回，如果大于或者等于则传感器启动故障自诊，查看传感器是否由问题，如果有问题则直接启动故障检测。如果没有问题则启动火灾报警。然后进行测试复位键是否按下，如果是则直接返回。

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