基于单片机的火灾报警系统设计 - 图文

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

本 科 毕 业 设 计（论文）

题目 基于单片机的火灾报警系统设计

院 系 电气与自动化工程系 专业名称 年级班级 学生姓名

指导教师

年 月 日

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摘要

随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。 本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾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。选用的AT89S52单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具 有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产 品。

以AT89S52单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现报警、故障自诊断、浓度级别显示、报警限设置、温度显示及与温度报警值设定等功能。是一种结构简单、性能 稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器。具有一定的实用价值。

关键词：烟雾，报警器，AT89S52，传感器

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Abstract

With the advent of \times\as a means of accessing information -- sensor technology has been significant progress, its application field is more and more extensive, the requirement is more and more high, more and more urgent need. The sensor technology has become a national science and technology development level of one of the important symbols. Therefore, understanding and mastering of sensor's structure, working principle and characteristic is very important.

In order to improve the sensor 's understanding and the understanding, especially for the smoke sensor research and its usage and use, based on practical, and the principle and design the typical system. In this paper, combined with the use of single-chip sensor technology development and design of the smoke control system..

In this paper, resistance type smoke sensor and single-chip microcomputer as the core technology and electronic technology, designs a technology better smoke alarm. The selection of MQ-2 type semiconductor gas sensitive element smoke sensor smoke detection, which has high sensitivity, fast response, strong anti-interference ability, and the price is low, long service life. The selection of AT89S52chip, the integration of the A / D conversion, hardware multiplier, hardware pulse width modulator and other resources, with high speed, low power, strong anti-interference and other advantages, is of similar technology neutral price comparison high yield quality.

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With AT89S52 MCU and MQ-2 type semiconductor resistor type smoke sensor as the core design of the smoke alarm can alarm, fault diagnosis, concentration level display, alarm limit settings, temperature display and temperature alarm value setting and other functions. Is a kind of simple structure, stable performance, convenient operation, low price, intelligent smoke alarm. Has a certain practical value.

Key words: smog, alarm, AT89S52, sensor

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目录

1.绪论 ....................................................... 1

1.1 国内外研究现状 ....................................... 1 1.2 课题研究背景及意义 ................................... 3 1.3本论文完成的主要工作 .................................. 5 2.火灾报警系统整体法案设计 ................................... 8

2.1 设计要求 ............................................. 8

2.1.1硬件设计要求 .................................... 8 2.1.2软件设计要求 .................................... 8 2.2系统总体构架 .......................................... 9

2.2.1系统硬件框图及功能描述 .......................... 9 2.2.2系统软件框图及功能描述 ......................... 11

3.灾报警系统硬件设计 ........................................ 12

3.1主控单片机选型及电路设计 ............................. 12

3.1.1单片机的选型 ................................... 12 3.1.2外部接口电路 ................................... 18 3.2 DS18B20测温电路。 .................................. 19 3.3报警电路 ............................................. 20 3.4 四位数码管显示电路 .................................. 20 3.5报警温度设定按键电路 ................................. 21 3.6 烟雾传感器转换电路 .................................. 21 4.软件设计 .................................................. 22

4.1主程序设计 ........................................... 22

4.1.1 设计要求 ....................................... 22 4.1.2主程序流程图 ................................... 22 4.1.3 主程序初始化流程图 ............................ 23 4.2 火灾报警系统子程序设计 ............................. 24

4.2.1 数字滤波程序 .................................. 24 4.2.2 报警程序 ...................................... 26 4.2.3控制按键设计程序 ............................... 27 4.2.4检测程序 ....................................... 27

5 .行性分析 ................................................. 30

5.1烟雾检测报警器检定 ................................... 30 5.2实验误差分析 ......................................... 33 5.3本章小结 ............................................. 34 6 .结 论 .................................................... 35 7 .总结 ..................................................... 37 致 谢 ...................................................... 38

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附录 ........................................................ 41

附录一 程序源代码： ..................................... 41 附录二 电路图 ........................................... 57 附录三 PCB图 ............................................ 58

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1.1 国内外研究现状

1.绪论

国外一些较发达的国家，具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的消防体系。政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及消防设施维护。德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。例如：美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确判断火灾地点、火灾类型，并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾报警数据通信畅通，为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的主要责仔是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。这种管理运作方式已经取得了良好的效果。

火灾报警系统已有百年的历史,19世纪40年代美国诞生的火灾报警系统装置标志着火灾自动报警系统首次进入人们的视野。1890年在英国，感温式火灾探测器研制成功并应用于火灾探测系统，标志着火灾自动报警系统的发展走上正轨。伺候，随着世界科技取得了突飞猛进的进步和各种新兴技术的出现和发展，火灾监测技术也相应迅速发展，各种类型的火灾探测器相继问世，并日臻完善，火灾自动报警系统也在此基础上逐渐蓬勃发展起来，其发展过程可以分为以下几个阶段：

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第一阶段，从19世纪40年代至20世纪40年代，火灾报警系统处于发展的初级阶段，采用个探测器主要是感温式探测器，它通过采集温度信号，然后判定是否超过设定的阀值，从而判断是否由火灾发生。这一阶段的火灾报警系统结构简单，仅靠单一的温度参量进行火灾判断。但是它易受环境中其他干扰源的影响，灵敏度低，响应速度慢，无法判断隐然火灾，也无法满足智能化火灾报警系统的要求。

第二阶段，20世纪40年代末，瑞士物理学家Emst Meili研究的离子感烟探测器推出以后,引起了人民对离子感烟探测器的重视,随后感烟探测器得到广泛应用,并逐渐占据了绝大部分市场,破事感温式探测器退居其次；到70年代末，光电式感烟探测器在光电技术的基础上发展起来，并很快得到大力发展，它的使用寿命长，抗干扰能力强，没有离子感烟探测器的放射性问题。在这一阶段，火灾报警系统普遍采用多线制布局方式，布线、调试、系统可靠性是系统发展的瓶颈。

第三阶段，20世纪80年代初期，总线型火灾报警系统兴起，在火灾报警领域中迈出了一大步，并得到了较普遍的应用。它使得布线工作量显著减少，安装调试更加容易，更能精确报警定位。但是这一时期的火灾报警系统的智能化水平不高，采用有线连接对工程要求高。

第四阶段，从20世纪80年代中后期开始，随着计算机技术、控制技术、集成电路技术、传感器技术及智能技术的快速发展，火灾自动报警系统步入智能化时代，智能化火灾报警系统迅速发展起来，各种智能型的火灾报警系统相继出现。模拟量可寻址技术的应用使得火灾报警系统的安全性、精准性和智能性有了很大提高，在火灾自动报警系统发展史上具有里程碑的意义。

近年来，采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通

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信方式，将大多的电气装置通过无线连接方式进行信息传输与控制，适用于各类建筑和场所。无线火灾自动报警系统起初仅用于特殊场合，如博物馆、名胜古迹等不宜布线的场合，而且其价格也比较高。随着科技进步和元器件成本的降低，无线火灾自动报警系统的研发和生成成本也随之降低，它在性能和价格上都具有很强的竞争力，其市场潜力已经崭露头角。

在我国，采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面，一般分为分散式、集中式和分布式，分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断;集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向。

1.2 课题研究背景及意义

在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生，据联合国“世界火灾统计中心(wFsC)2000统计资料”，全球每年约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000人至75000人。欧洲和北美发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平高以及消防设施完善有关；亚洲居住人数最多，发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消

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防设施不完善等因素有关。火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生。据统计，我国70年代火灾年平均损失不到2.5亿元，80年代火灾年平均损失接近3.2亿元。进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成极大的危害。

严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接危胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失。火灾自动报警系统(FAS)就是为了满足这一需求而研制出的，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。

火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。一旦发生火灾。将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。火灾报警系统就是为了满足这一需求而研制出来的，并越来越被人们所接受，其自身技术水平也随着人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。火灾自动报警系统能迅速监测火情，可发现人们不易发觉的火灾早期特征，可将火灾带来的生命财产损失降到最低限度。火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体CO，人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了CO中毒，从而无力逃生，火灾自

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动报警系统可监测到CO浓度的变化，为人们提供CO浓度超标报警信息，通知人们及时疏散。火灾自动报警系统可作为城市消防系统的单元，通过城市消防专用网与城市消防报警中心联网，及时将报警信息传递到消防报警中心，城市消防报警中心会自动查找到火灾发生的位置，并为消防队员制定消防路线图，以便消防队员可以迅速抵达火灾地点[10]。火灾自动报警系统能对火灾进行实时监测和准确报警，有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义，有着很大的经济效益和社会效益。

1.3本论文完成的主要工作

本文采用烟雾传感器、温度传感器、AT89S52单片机以及LED显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。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。

本系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为处理器，主要完成以下工作：

(1)基于AT89S52的火灾报警检测设计方案；

(2)温度传感器AD590、离子烟雾传感器、A/D转换芯片ADC0809的选择以及与单片机的接口电路设计。

火灾报警器可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

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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。

本次毕业设计经过努力，整个系统实现了预期的目标。本系统通过设计一个以80C51单片机为核心的火灾报警器可以实现语音报警、温度浓度显示、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。

但是也存在不少的不足。由于电源的波动，传感器的电气特性等问题，使得A/D转换结果有时波动很大，这样就可能出现误报警。由于时间的关系，系统中本应具有的串行通信的功能没有实现，而只是实现了烟雾浓度、温度显示。由于上述缺点的存在,此系统不是很完善，还有待进一步改进。

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，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。而且，对工程设计的流程和步骤有了清晰的认识，为自己日后的学习和研究打下了坚实的基础。

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2.火灾报警系统整体法案设计

2.1 设计要求

2.1.1硬件设计要求

在硬件要求上主要从以下几个方面来考虑： (1)设备的选型

选择世界上先进的产品，要把可靠性作为首要的选择条件兼顾其经济性、实用性及适用性。 (2) 设备的正确配置

使用与环境相符的配置设备，使设备最大限度的发挥它们的作用，使其能最早期的探测到火灾，给人与警示并联动灭火系统进行灭火。 (3) 系统的供电

选择合理经济的供电方式来保证系统供电的可靠性，为系统的正常运行提供可靠的电源保障。 (4) 系统的接地

良好的接地时提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一，正确的接地才能抑制干扰的影响，而错误的接地反而能引入严重的干扰而影响系统的可靠性。

2.1.2软件设计要求

对火灾报警系统软件有如下要求： (1）实时性

由于火灾报警系统是一个实时控制系统，对于系统响应时间要求较高， 所以对应用软件的执行速度有一定的要求，即能够在采集现场数据

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后，在允许的时间间隔内，及时对数据进行计算、处理、并做出正确判断，对系统进行控制。由于对程序执行速度要求高，所以一般采用汇编编写，对于一些需要随机中断并且处理的任务，可以采用中断系统来完成，并且给不同的任务设置不同的中断优先级，保证需要及时处理的任务可以及时被响应。 (2）灵活性和通用性

为了节省内存和具有较高的适应能力，软件采用模块化结构，在编写程序的时候，采用自项向下的分析方法，将整个软件系统划分为若干个软件功能模块，然后针对每一个功能模块编写子程序。以后如果需要添加功能或修改现有功能，只需要添加或修改子程序即可； （3）可靠性

在火灾报警系统软件设计中，可靠性是至关重要的，是系统争吵运行的基本保障，为了保证系统软件的可靠性，通常设计一个诊断程序，定期对系统进行诊断，也可以通过软件诊断，防止程序失控。

2.2系统总体构架

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。

2.2.1系统硬件框图及功能描述

报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、声光报警模块组成。图2.3为火灾报警系统的结构框图

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图2.3 系统结构框图

单片机是整个报警系统的核心，系统的工作原理是：先通过传感器 (包括温感和烟感)将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，调理电路将传感器输出的电信号进行调理(放大、滤波等)，使之满足A /D转换的要求 ,最后由A /D转换电路 ,完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。如果发生火灾，系统以声光的形式报警。

本文设计的用于小型防火单位的单片机火灾报警系统具有以下特点:

（1)能对室内烟雾(CO2, CO) 及温度突变进行报警,具有声、光双重报警功能。

（2统故障报警功能。当系统出现硬件故障时，能发出故障报警信号。 （3）常报警功能。当环境出现异常(如烟雾浓度过大或是温度较高)时，能发出异常报警信号，引起人们注意，尽可能避免火灾的发生。 （4）一旦真出现火灾(烟雾和温度同时出现异常)时，能立即发出语音、光火灾警报 。据类似本系统的报警器现场模拟实验表明, 本系统安全可靠, 误报率低。且由于其体积小、操作维护方便、成本低廉等, 具有广阔的应用前景。

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2.2.2系统软件框图及功能描述

为了便于系统维护和功能扩充，采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等，系统程序流程图如图2.4所示。

图2.4 程序流程图

为了降低误报率，系统采用多次采集、多次判断的方法。每次数据采集后根据得到的数据对现场情况进行判断，然后综合多次判断结果做出最终的火情判断。主程序是一个无限循环体，其流程是：首先在上电之后系统的各部分包括单片机各个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据存储电路等完成初始化，其次是对芯片内的程序进行初始化，接下来执行火灾报警系统中的数据采集任务，数据通信任务和查询判断任务。

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3.灾报警系统硬件设计

3.1主控单片机选型及电路设计

3.1.1单片机的选型

单片机处理是该系统的信号处理核心部分，报警信号是由该单片机发出的，所选用单片机的特点必须适合火灾报警的需要，确保工作效率高，可靠性好，稳定性强。在选择CPU上，除了考虑性价比和执行速率之外，还应考虑电路设计的复杂性。由于各传感器的输出都是电压信号，所以为了减少电路的复杂性，在选择单片机上应当选择带A／D转换的单片机，本次设计选用AT89S52系列单片机。

AT89S52有40个引脚，4k bytes flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（ram），32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。

AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。其结构框图如图3所示。

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图3 AT89S52结构框图

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图4 DIP-40封装AT89S52引脚

此外，AT89S52设计和配置了震荡频率可为12MHZ并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，cpu暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有pdip、tqfp

和plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 主要功能特性： 兼容mcs-51指令系统

4k可反复擦写(>1000次）isp flash rom 32个双向i/o口 4.5-5.5v工作电压

2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33mhz

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全双工uart串行中断口线 128x8bit内部ram

2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位

看门狗（wdt）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的isp字节和分页编程 双数据寄存器指针

按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。 （1）功能I/O口

AT89S52共有四个8位的并行I/O口：P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0 ～ P0.7，P1.0 ～ P1.7，P2.0 ～ P2.7，P3.0 ～ P3.7，共32根I/O线。每根线可以单独用作输入或输出。

①P0端口，该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。在对Flash存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。

②P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P1口

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作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。

另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表3.1所示。

表1 P1口管脚复用功能

端口引脚 P1.0 P1.1 P1.5 P1.6 P1.7 复用功能 T2（定时器/计算器2的外部输入端） T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制） MOSI（用于在线编程） MISO（用于在线编程） SCK（用于在线编程） ③ P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。

④ P3端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的

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引脚会输出一个电流。

在AT89S52中，同样P3口还用于一些复用功能，如表3.2所列。在对Flash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。

（2）RST 复位输入端。在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。在SFR AUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。

（3)E/PROG 地址锁存允许信号。在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。 (4)PSEN 程序存储器允许信号。它用于读外部程序存储器。当AT89S52在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期PSEN被激活2次。在

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对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。 (5)EA/Vpp 外部存取允许信号。为了确保单片机从地址为0000H～FFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。但是，如果锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。当执行内部程序时，EA应接到Vcc。在对Flash存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压Vpp。 (6)XTAL1 振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。 （7）XTAL2 振荡器的反相放大器输出。 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路

3.1.2外部接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图4 所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。

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3.2 DS18B20测温电路。

图16 DS18B20电路

DS18B20的1脚接地，2脚数据端接单片机的P3.4，3脚接VCC，为了确保DS18B20工作可靠，2脚要接10K的上拉电阻。

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3.3报警电路

图17 蜂鸣器电路

本系统中采用蜂鸣器报警，由于单片机输出电流较小，所以用三极管9013驱动蜂鸣器发出声音。

3.4 四位数码管显示电路

图18 数码管显示电路

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4位数码管为共阳管，由于单片机输出电流比较小，故用4个PNP型的三极管9015来驱动数码管。单片机输出低电平时三极管导通，使数码管的4各公共端1、4、5和12脚为高电平，此时数码管的数据端输入低电平后数码管被点亮，120欧电阻R12到R19为三极管的限流电阻。

3.5报警温度设定按键电路

图19 按键电路

报警温度用按键S2，S3，S4来设置，S2为调整键，按一次可调整报警上限温度值，按两次可调整报警下限温度值，按三次数码管恢复到正常温度显示。

3.6 烟雾传感器转换电路

图20 下载电路

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4.软件设计

4.1主程序设计

4.1.1 设计要求

首先要给传感器预热三分钟，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟， 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。

AT89S52单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转 换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入段式液晶显示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯及按键功能设置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。

4.1.2主程序流程图

主程序流程图如图4.1所示。

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图4.1主程序流程图

4.1.3 主程序初始化流程图

主程序初始化流程图如图4.2所示。给传感器预热后，程序开始执行 初始化子程序，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、 寄存器初始化、中断使能等。首先设定定时初值50ms，利用IAP写入EEPROM，作为取值间隔。然后设置定时器0，选择方式1。方式1

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状态下定时器的工作寄存器TH1、TL1是全16位参与操作。接下来定时器0中断允许位置1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。

图4.2主程序初始化流程图

4.2 火灾报警系统子程序设计

4.2.1 数字滤波程序

在烟雾传感器对烟雾浓度采样时，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。

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为此，可采取中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)，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。

在实际应用中，N可取任何值，但为了加快测量计算速度，本论文数字滤波的设计中N取10。即调用A/D连续进行10次采样，去掉其中的最大值和最小值，计算其余8个值的平均值，将这个平均值送入寄存器。 中位值平均滤波法的程序流程图如图4.3所示。

图4.3中位值平均滤波法程序流程图

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4.2.2 报警程序

当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应通道的红灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全，避免火灾和爆炸事故的发生。为防止误 报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出 是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微 量散失，防止误报。报警子程序流程图如图4.4所示。

图4.4报警子程序流程图

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4.2.3控制按键设计程序

本报警器设计附加一个按键，功能分别为：确定(消音)。按键处理子程序流程图如图4.5所示。

图4.5 键盘处理子程序

4.2.4检测程序

(1)雾检测报警器的工作原理

本论文中的烟雾检测报警器以AT89S52单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。

首先，烟雾传感器经过AD0832进行转换后，进入单片机，温度通过DS18B20

进行采集，用数码管显示温度和烟雾浓度的级别，温度报警的上下限值可以通过三个按钮来设置，另外，还设置一个紧急呼叫按钮，可以通过按此按钮来紧急报警，也可以设置为无人状态，用烟雾和温度自动报警。

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(2)雾检测报警器的结构

为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、故障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。

报警器系统结构框图如图4.6所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。报警器采用巡检的工作方式，进行两级 报警值设定，并发出不同的光、声信号。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可 靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器 的成本。

时钟电路 单片机 采集烟雾电路 复位电路 按键电路 采集温度电路 数码管显示

图4.6 可燃性气体检测报警器结构框图

烟雾检测报警器的主要技术指标 (1) 传感器类型：半导体电阻式

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(2) 检测范围：0-100%LEL (3) 报警准确度:：±5%LEL

(4) 报警点设置：达到20%LEL开始报警

(5) 报警器工作方式：现场固定安装，自然扩散进行采样，长年连续运行

(6) 工作环境温度：检测器 -50°C-50°C；报警器0°C-500°C (7) 工作环境湿度：≤85%RH

(8) 报警方式：烟雾泄漏声光报警、自诊断故障报警

(9) 指示方式：数字显示，可显示被测烟雾LEL%及设定报警限值 (10)响应时间：≤30S (11) 输出信号：可输出与烟雾浓度对应的0-5V DC标准信号

(11) 工作电压：AC220V±15%，50±lHz

(12)具备快速重复检测和延时报警功能，可区别烟雾的泄漏 和短时间的微量散失，防止误报。

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5 .行性分析

5.1烟雾检测报警器检定

本论文设计的烟雾检测报警器选用“%LEL”作为烟雾 的测量单位及衡量标准，下面介绍关于LEL的相关概念。

“LEL”是指爆炸下限。 可燃烟雾在空气中遇明火种爆炸的最低浓 度，称为爆炸下限(Lower Explosion Limited)，简称LEL。可燃烟雾在空 气中遇明火种爆炸的最高浓度，称为爆炸上限(Upper Explosion Limited), 简称UEL。

烟雾的浓度过低或过高时是没有危险的，只有与空气混合形成 混合气或更确切地说遇到氧气形成一定比例的混合气才会发生燃烧或爆炸。燃烧是伴有发光发热的激烈氧化反应，它必须具备三个要素：可燃物（燃气）；助燃物（氧气）；点火源（温度）。可燃气的燃烧可以分为两类， 一类是扩散燃烧，即挥发的或从设备中喷出、泄漏的可燃气，遇到点火源 混合燃烧。另一类燃烧，是可燃气与空气混合着火燃烧，这种燃烧反应激 烈而速度快，一般会产生巨大的压力和声响，又称之为爆炸。燃烧与爆炸 没有严格的区分。

有关权威部门和专家已经对目前发现的可燃气作了燃烧爆炸分析，制 定出了烟雾的爆炸极限，它分为爆炸上限和爆炸下限。低于爆炸下限，混合气中的可燃气的含量不足，不能引起燃烧或爆炸，高于上限混合气中的氧气的含量不足，也不能引起燃烧或爆炸。另外，可燃气的燃烧与爆炸还与烟雾的压力、温度、点火能量等因素有关。爆炸极限一般用体积 百分比浓度表示。

爆炸极限是爆炸下限、爆炸上限的总称，可燃烟雾在空气中的浓度只有在爆炸下限、爆炸上限之间才会发生爆炸。低于爆炸下限或高于爆

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炸上限都不会发生爆炸。因此，在进行爆炸测量时，报警浓度一般设定在爆炸 下限的25%LEL以下。一般可燃烟雾检测仪的测量范围为0~100%LEL。 甲烷在空气浓度为9%-11%时遇明火爆炸,高于11%或低于9%都不爆 炸。假定甲烷的爆炸下限为5%体积比，那也就是说，把这个5%体积比，一百等分，让5%体积比对应100%LEL，也就是说，当检测仪数值到达10%LEL报警点时，相当于此时甲烷的含量为0.5%体积比。当检测仪数 值到达20%LEL报警点时，相当于此时甲烷的含量为1%体积比。

本设计中设定甲烷的爆炸下限为10%体积比，对应的报警限设在20%LEL，也就是甲烷含量为2%体积比时报警器报警。

因为家用煤气中主要成分为甲烷，所以本实验在烟雾标定时，选用甲 烷烟雾。实际甲烷烟雾与进入到单片机输入端的电压值对应数据如表5.1所示。

表5.1实际甲烷烟雾与送入单片机的电压值对应数据

从该曲线可以看出，电压值与烟雾浓度之间是非线性关系，为了实时显示气 体浓度，需要对其进行线性化处理，使显示的烟雾浓度与实际误差 在±5%范围内。烟雾浓度与测量电压值线性化示意图如图4.5所

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示。 对曲线作线性化处理时，根据曲线的走势，将烟雾浓度分成7段。

直线方程

f(x) = f (xi ) + (x - xi ) f (xi ) - f (xi )/（xi – xi） i =1,2,3L,7 (5-1)

其中， f (x)为实际烟雾检测LEL浓度，x为实际烟雾检测浓度对应 的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi是区间的上限浓度对应 电压值，f (xi)为区间下限点烟雾LEL浓度值，f (xi )为区间上限点烟雾LEL浓度值，根据公式5-1计算出7个直线方程式，如下：

(1) 0%-10%LEL f (x) = -0.50x + 3.70 (2) 10%-20%LEL f (x) = -0.50x + 3.61 (3)20%-40%LEL f (x) = -1.50x + 3.90 (4) 40%-50%LEL f (x) = -3.2x + 4.58 (5) 50%-60%LEL f (x) = -3.7x + 4.83 (6) 60%-80%LEL f (x) = -4.05x + 5.04 (7) 80%-100%LEL f (x) = -9.00x + 9.00

表5.2分段线性化误差数据

根据误差计算公式X = i ，在本实验中N为20，计算本报警器

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显示烟雾浓度与实际浓度之间的误差为2.55%，在所规定误差范围±5%之 内。因此，本论文中的可燃性报警器满足检测要求。

5.2实验误差分析

在测量仪器的实际使用中，造成误差的来源很多，通常是多种误差源 综合作用的结果。就本仪器而言，误差来源主要有软件和硬件两个方面。

软件误差主要来自以下两个方面：

(1)A/D转换量化误差STC12C5410AD单片机的内部A/D转换器为12 bit，输入单片机模拟 电压信号0~3.7V，参考电压2.5V，A/D转换器对输入模拟信号的最大分辨率为2.5 212 ?1 = 0.00061V，因此可求得A/D转换误差为0.00061 =0.00016=0.016%。

(2)数字滤波过程中的有限字长效应 在中位值平均滤波法数字滤波过程中，用到了乘法和除法运算，因此 在运算过程中，由于字长有限而不能保留原有数据的有效位数会出现舍入误差，由于累计计算会造成计算误差。本仪器使用数据的计算全部是由STC12C5410AD完成的，可以直接执行16×16 bit定点乘法和32÷16 bit定点除法运算，所以有限字长造成的误差对于本系统而言，可以忽略不计。

硬件误差主要来自以下四个方面： (1)传感器非线性误差

本系统选用MQ-2型半导体陶瓷式烟雾传感器，烟雾浓度与输出电压存在一定的非线性，使用折线插值方法进行线性化处理，误差数据参见表5.1和图4.5。

(2)电子元器件参数的离散性、温度不稳定性造成的误差 传感器输出信号一般比较微弱，需要过数据采集前置电路对其进行

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放 大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。运放误差是造成前置放大误差的主要原因，运放的输入失调电压，输入失调电流是影响电路精度的重要因素。 本设计选用高输入阻抗、低噪声的放大器，可以满足要求。另外所选的阻容器件都是经过精确测量后再焊接上去的，并经过仔细调试以获得最佳性能。

(3)电源造成的误差

虽然系统采用直流电源供电，但电源不可避免地残留一定的交流成分而形成噪声信号.它们对测控系统的正常运行危害很大。本系统选用ACDC电源模块，将220V市电转化为5V直流电压，分别给模拟电路和数字电路供电。为了尽量减小噪声，数字地和模拟地要一点接地，每个芯片的电源就近接退耦电容。

(4)环境、外部噪声引起的误差

环境因素包括环境温度、湿度、空气中的尘埃等。对本系统来说，空气中的成分对系统的探头和单片机及其外围电路影响很小，在进行测量时不用进行补偿。但环境温度、湿度对传感器有一定的影响。但是温湿度的影响相对于系统5%LEL的精度要求，可以忽略不计。另外，系统还受到各种外部电磁噪声的干扰，设计上，把探测器与控制器之间的信号线用屏蔽电缆连接。在电路板布线时，注意抗干扰设计。

5.3本章小结

本章介绍了烟雾报警器的误差来源，分析了系统中的硬件电路引入误差和软件所带来的误差。给出了烟雾浓度信号的实验数据及结果分析。经过现场标定及测试，达到了预期的设计效果。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t8h3.html