基于单片机的火灾报警系统设计与仿真

四川理工学院毕业设计（论文）

基于单片机火灾报警系统设计

学 生：何凡 学 号：10021010404 专 业：自 动 化

班 级：2010.4

指导教师：范 焘

四川理工学院自动化与电子信息学院

二O一四年六月

四川理工学院本科毕业设计（论文）

摘 要

本文设计了一种以单片机为基础，同时集成了语音芯片ISD1420、A/D转换器、温度传感器AD590和气体传感器TGS202等，利用多传感器信息融合技术，火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象——燃烧气体、烟雾粒子、温度的探测，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，火灾报警器再发出报警信号。这是一种结构简单、使用方便、价格低廉、智能化的报警器系统，具有一定实用价值。

关键词：火灾报警器；AD590；ISD1420；A/D转换器； ISD1420

I

何凡：基于单片机的火灾报警系统设计

ABSTRACT

This paper designed a fire alarm based on single chip microcomputer, at the same time integration of voice chip ISD1420, A/D converter, temperature sensor AD590 and TGS202 gas sensors, using multi-sensor information fusion technology, the fire detector based on detection and fire a physical, chemical phenomena the combustion gases, smoke particles, the temperature, the fire the detected signal is transformed into the fire alarm signal to the fire alarm controller, fire alarm and alarm signal. This is an alarm system which has the advantages of simple structure, convenient operation, low price, intelligent, have certain practical value.

Key words: Fire alarm; AD590; ISD1420; A/D converter;

II

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目录

摘 要 .............................................................. I ABSTRACT ........................................................... II 第1章 引 言 ........................................................ 1 1.1 研究背景 ............................................................................................................ 1 1.2

设计的目的和意义 ............................................................................................ 1

第2章 系统设计方案 ................................................. 3 2.1 火灾的产生机理 ................................................................................................. 3 2.2 火灾报警器的类型 ............................................................................................. 4 2.3 技术实现的方法 ................................................................................................. 6 2.3.1系统硬件结 ...................................................................................................... 6 2.3.2系统软件方案 .................................................................................................. 7 第3章 火灾报警系统的硬件设计 ....................................... 9 3.1 系统芯片介绍 ..................................................................................................... 9

3.1.1 AD590温度传感器 .......................................................................................... 9 3.1.2 TGS202气体传感器 ...................................................................................... 10 3.1.3 ISD420语音芯片 ........................................................................................... 11 3.1.4 80C51芯片 ..................................................................................................... 13 3.1.5 A/D转换芯片................................................................................................. 15 3.1.6数码显示电路 ................................................................................................ 17 3.2 单片机外围接口电 ........................................................................................... 18 3.2.1 晶振电路 ....................................................................................................... 18 3.2.2 复位电路 ....................................................................................................... 18 3.2.3 信号处理电路 ............................................................................................... 19 3.2.4 A/D转换电路................................................................................................. 21 3.2.5 报警电路 ....................................................................................................... 23 3.2.6 语音报警电路 ............................................................................................... 23 3.2.7 状态指示灯电路 ........................................................................................... 24 3.2.8 数码管显示电路 ........................................................................................... 24 第4章 火灾报警器的软件设计 ........................................ 26 4.1 软件开发环境 ................................................................................................... 26 4.3 主程序流程 ....................................................................................................... 26

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4.2 主程序初始化流程图 ....................................................................................... 27 4.3 数据采集子程序 ............................................................................................... 28 4.4 火灾判断与报警程序 ....................................................................................... 30 4.4.1 火灾报警数据处理方法 ............................................................................. 30 4.4.2 火灾判断与报警 ........................................................................................... 30 4.5 系统仿真 ........................................................................................................... 31 第5章 结束语 ...................................................... 35 致谢 ............................................................... 36 参考文献 ........................................................... 37 附录 ............................................................... 38

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第1章 引 言

1.1 研究背景

火灾是指在时间和空间上失去控制，对财产和人身造成一定损害的燃烧现象称为火灾。从燃烧的角度看，火灾的实质是燃烧，是一种自然现象，但绝大多数火灾同人的因素有关，是社会现象。火灾的发生过程是复杂的，常常表现出普遍性、随机性、必然性和相似性。火灾发生的普遍性，是说火灾不论在什么单位和部位，从草原到森林，从居民住宅到大大小小的企业、事业单位，到处都可能发生，这表明了火灾发生的普遍性。经验告诫人们，任何单位、任何部位，也包括组成社会的细胞——家庭，都要无一例外地预防火灾。火灾的发生的随机性，是说人们无法事前准确预测何地、何时、何物将发生火灾，以及火灾现场规模大小、火势呈现方式。这种特性告诫人们要时时刻刻预防火灾，不可麻痹懈怠[1]。实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性就越来越突出。由此，火灾报警器在消防工作的作用尤为突出了。19世纪40年代美国诞生的火灾报警装置标志着火灾自动报警系统首次进入人们的视野[2]。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[3]。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

[4]

。

1.2 设计的目的和意义

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

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害之一。据联合国“世界火灾统计中心（WFSC）2000统计资料”，全球每年大约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000至75000人。其中，欧美地区发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平以及消防技术和设施有关；相比较而言，亚洲地区发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高、消防设施不完善等因素有关。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[5]。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[6]。为此，本系统由火灾检测模块、A/D转换模块、信号处理模块和声光报警模块组成。火灾检测模块由温度检测和烟雾检测构成，其温度传感器选用AD590，气体传感器选用TGS202。A/D转换模块选用常用ADC0809。声光报警模块分为声音报警和光报警。火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象——燃烧气体、烟雾粒子、温度的探测，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声光报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并显示出火灾的位置。这是一种结构简单、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾传感器，具有一定实用价值。

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第2章 系统设计方案

2.1 火灾的产生机理

众所周知，物质燃烧的基本条件是：可燃物、助燃物（氧气）、和足够的温度。其中可燃物为气体时，根据它和空气混合方式的不同可以分成预混燃烧和扩散燃烧两种。当可燃物是液体和固体时，因为它们难与空气均匀混合，所以它们燃烧的基本过程是当外部提供一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体（如CO、H2等），同时还形成一些气溶胶。这些气相形式的可燃物与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。着火后，燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面继续释放出大量的热量。这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，这就是常说的火蔓延。火蔓延导致了火势的扩大，形成了火灾根据火灾发生的场所不同，一般将火灾分成建筑火灾，森林火灾；根据燃烧空间的不同可分为受限空间火灾和开放空间火灾。

典型的受限空间固体物质火灾点火源的发展都要经历四个阶段:早期、阴燃、火焰和放热。图2-1为火灾产生的不同阶段的生成产物图[7]。其中，不可见烟发生在火灾早期，可以根据火灾产生气体进行探测；在火灾的阴燃期出现可见烟雾信号可用于探测；起火阶段可以根据火焰进行探测；高温阶段可以利用温度信号进行探测。

烟雾信号 温度信号 火灾产物 不可见烟可见烟火焰高温 早期 阴火 起火 温度 熄灭 时间 图2-1 火灾烟雾和温度变化曲线图

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2.2 火灾报警器的类型

（1）感烟火灾探测

感烟式火灾探测器具有早期报警的效果，是目前使用最为广泛的一种探测器。感烟火灾探测器可分为离子型、光电型、电容式和半导体型等几种。其中又以离子型和光电型火灾探测器使用居多。

（2）感温火灾探测器

物质在燃烧过程中，释放出大量的热，使环境温度升高，探测器中的热敏元件发生物理变化，从而将温度信号转变成电信号，传输给火灾报警控制器，发出火灾报警信号。

由于可采用敏感元件繁多，如热敏电阻、热电偶、双金属片、易熔金属、膜盒式半导体元件等，故而感温式火灾探测器的种类也颇多。根据感热效果和结构型式，可将它们分为定温火灾探测器、差温火灾探测器和差定温复合火灾探测器。定温火灾探测器根据局部环境到达规定温度上下时开始动作。差温火灾探测器根据升温速率来动作，如果升温速率超过预定值时则发出报警信号。差定温复合火灾探测器是兼有差温、定温两种功能的感温火灾探测器。 （3）感光火灾探测器

感光火灾探测器又称为火焰探测器，仅适用于有焰燃烧，只能在起火阶段进行探测，不适合于火灾早期探测。它是一种响应火焰辐射光谱中的红外和紫外的点型火灾探测器，主要有红外火焰型和紫外火焰型两种。红外火焰探测器的探测波长为 7000 微米，紫外火焰探测器的探测波长为 4000微米。由于光辐射的传播速度快（83 × 10m /s ），且火焰探测器的传感器件接收光辐射的响应时间极短（ms 数量级），因而火焰探测器响应速度也极快。它对于环境中气流速度也没什么限制，这类探测器适用于生产、储存和运输高度易燃物质（特别是可燃液体火灾或爆炸品）的危险性场所以及昂贵设备或关键设施对火情有特殊监测需要的地方。对于起火速度快，且无烟遮蔽的明火火灾反应最为灵敏。其中紫外火焰探测器不受风雨、阳光、高湿度、气压变化、极限环境湿度等影响，能在室外使用，但在雷电及电弧光有大量紫外线产生的场所运用此设备时，必须采取一定措施以防止非火灾报警。另外，在产生火光之前就有大量烟雾产生的场合，不宜单独采用紫外火

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焰探测器，必须与其它感烟探测器联合使用。一般紫外火焰探测器同快速灭火系统和抑爆系统联动[8]，组成快速自动报警灭火系统和自动报警抑爆系统。 （4）图像火灾探测

对于物质燃烧产生的火焰，除了可以分析它的光谱特征外，还可以对其火焰形状进行利用，这样就产生了图像火灾探测器。火焰是高温物体，而它的周围环境则是处于常温状态。火灾火焰在发展的过程中其形状有一个不断变化和持续的过程，而普通火焰，如打火机点火、蜡烛燃烧、煤气火焰等，以及高温发光源，如白炽灯、电炉等，则没有这个变化过程。这样就形成了火灾识别和探测算法的重要基础。国内已有研究表明利用液晶片和 CCD 摄像机可对火灾图像进行有效的探测[9]。

（5）气体火灾探测

目前气体火灾探测器主要有两类：可燃气体型（主要探测对象是还原性气体）和燃烧气体产物型（主要探测对象是 CO 和 CO2）。

可燃气体通常是指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等易燃易爆、有毒有害的气体。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、氢以及一氧化碳等成分。因此，在生产、运输、储存和使用这些气体的过程中，如果违反操作规程或设备密封质量不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故。 针对这些可燃气体探测器主要有半导体型可燃气体探测器、载体催化型可燃气体探测器、固体电介质型可燃气体探测器、光电型可燃气体探测器等。

火灾发生的气态燃烧产物主要成分为 H2O、一氧化碳 CO、二氧化碳CO2、碳氢化合物（CxHy）。一般情况下，CO 和 CO2在空气中的含量极低。只有在燃烧发生时才会产生大量的 CO 和 CO2。这些气体比烟雾粒子产生得早，在感烟火灾探测器尚未发出报警信号前已达到相当大的浓度。所以，针对这两种气体进行监测将会在很大程度上反映出环境中有燃烧现象发生，而且早期报警的效果比感烟探测器好。

（6）燃烧声音火灾探测

声音火灾探测器利用燃烧所特有的次声波现象制成的声音传感器。物质在燃

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烧过程中，会放出大量的热能，对周围空气进行加热，使得空气膨胀，形成压力声波，其频率仅有数赫兹。这种超低频（次声波）的声音现象为物质燃烧所共有。且在这个频率范围内，日常杂音很少，所以，可以在很大程度上避免环境对探测器的干扰。

2.3 技术实现的方法

火灾报警系统是由火灾探测部分和报警部分组成。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2-2所示 ：

单 声音报警 片 状态指示灯 AD放 传感器 大器转换器 通信接口 2.3.1系统硬件结构

该火灾报警系统主要由数据采集模块、控制模块、声光报警模块组成。单片机是此报警系统的核心，其原理是通过现场的传感器（烟感和温感）将非电信号变成电信号，再通过信号调理电路进行调理（放大、滤波等），使之满足A/D转换器的要求，最后A/D转换器在将模拟信号转化为数字信号 ，在由单片机判断现场是否发生火灾。如果发生火灾，就以声光进行报警。

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：

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图2-2 火灾报警系统的原理图

机 温度显示 按键 四川理工学院本科毕业设计（论文）

（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）系统故障报警功能。当系统出现硬件故障时，能发出故障报警信号。 （3）异常报警功能。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）火灾报警功能。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[9] 。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。

2.3.2系统软件方案

开始 初始化 温度烟雾信号采集 正常 N 报警判断

Y 火灾报警 图2-3 程序流程图

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2-3所示。

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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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第3章 火灾报警系统的硬件设计

3.1 系统芯片介绍 3.1.1 AD590温度传感器

AD590测量热力温度、摄氏温度、两点温度差、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需要辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶冷端补偿[10]。所以本文选择AD590温度传感器。

AD590是美国Analog Devices公司生产的一种电流型二端温度传感器。电路如图3-1所示。由于AD590 是电流型温度传感器，他的输出同绝对温度成正比，即1μA/k，而数模转换芯片ADC0809 的输入要求是电压量，所以在AD590 的负极接出一个1kΩ的电阻R和一个100Ω的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC0809。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10 mV/K。

+5V AD590 VT 100?W 10mv/K 1000? R

图3-1 AD590应用电路图

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AD590的规格如下：

（1）其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，温度每增加1℃，它会增加1?A输出电流。

（2）可测量范围-55℃到+150℃。 （3）供电电压范围+4V到+30V。

（4） 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线形误差±0.3℃。

3.1.2 TGS202气体传感器

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。如图3-2所示，当TGS202探测到CO2或者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5V）。

图3-2 TGS202应用电路图

V1 V2 R VA

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3.1.3 ISD420语音芯片

图3-3 ISD1420引脚

电源（VCCA，VCCD）：芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并且分别引到外封装上，这样可使噪声最小。模拟和数字电源端最好分别走线，尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容应尽量靠近芯片。

地线（VSSA，VSSD）：芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线，这两个脚最好在引脚焊盘上相连。

录音（/REC）：低电平有效。只要/REC 变低（不管芯片处在节电状态还是正在放音），芯片即开始录音。

边沿触发放音（/PLAYE）：此端出现下降沿时，芯片开始放音。 电平触发放音（/PLAYL）：此端出现下降沿时，芯片开始放音。 录音指示（/RECLED）：处于录音状态时，此端为低，可驱动 LED。 话筒参考（MIC REF）：此端是前置放大器的反向输入。当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，提高共模抑制比。

自动增益控制（AGC）：AGC 动态调节器整前置境益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量（从耳语到喧哗嚣声）时失真都能保持最小。

模拟输出（ANA OUT）：前置放大器输出.前置电压增益取决于AGC 端的电

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平。

模拟输入（ANA IN）：此端即芯片录音的输入信号。对话筒输入来说，ANA OUT 端应通过外接电容连至本端。

喇叭输出（SP+、SP-）：这对输出端能驱动16Ω以上的喇叭。单端使用时必须在输出端和喇叭间接耦合电容，而双端输出既不用电容又能将功率提高4倍。录音时，它们都呈高阻态;节电模式下，它们保持为低电平。

外部时钟（XCLK）：此端内部有下拉元件，不用时应接地。输入时钟的占空比无关紧要，因为内部首先进行了分频。

地址（A0~A7）：地址端有两个作用，取决于最高（MSB）两位 A7、A6 的状态。

语音芯片与单片机的连接，常通过串行口来实现，串行口也可以通过辅助电路分时多用。定义好串行口的工作方式（串行口控制寄存器SCON字节地址为98H，可位寻址），当由按键输入或其它需要语音输出时，串行口向CPU申请中断，响应中断后，CPU便可以从串行数据中识别出语音段编号，输出语音信号。发送结束，中断由软件清零。

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3.1.4 80C51芯片

图3-4 80C51芯片的引脚图

下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。 （1）电源引脚VCC和VSS VCC（40脚）：接+5V电源正端； VSS（20脚）：接+5V电源正端。 （2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。 （3）控制信号或与其它电源复用引脚

控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。

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RST/VPD （9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。

当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。

ALE/P（30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低

PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。

EA/Vpp（31脚）：EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS—52子系列为8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源Vpp。 （4）输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口

P0口（39脚～22脚）：P0.0～P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位双向数据总线。对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。

P1口（1脚～8脚）：P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。

P2口（21脚～28脚）：P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接

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收输入的8位地址。

P3口（10脚～17脚）：P3.0～P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。P3口的第2功能见下表

表1 单片机P3.0管脚含义

引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第2功能 RXD（串行口输入端0） TXD（串行口输出端） TXD（串行口输出端） INT1（中断1请求输入端，低电平有效） T0（时器/计数器0计数脉冲端） T1（时器/计数器1数脉冲端） WR（数据存储器写选通信号输出端，低电平有效） RD（数据存储器读选通信号输出端，低电平有效） 综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点： （1）980单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；

（2）单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口时 复用作为数据总线。

3.1.5 A/D转换芯片

在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换(A/D转换)，才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。完成A/D转换的器件即为A/D转换器。

A/D转换器的主要性能参数有：

（1）分辨率分辨率表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示；

（2）转换时间转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得

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到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远； （3）转换误差转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示；

（4）线性度线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。 目前有很多类型的A/D转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色，综合全部因素设计决定采用美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。如图3-5。

图3-5 ADC0809引脚图

ADC0809的引脚功能：

D7-D0：8位数字量输出引脚。 IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。

VCC ：+5V工作电压。 GND ：地。

REF（+）：参考电压正端。 REF（-）：参考电压负端。

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START：A/D转换启动信号输入端。 ALE：地址锁存允许信号输入端。

EOC：A/D转换结束信号，输出。当启动装换时，该引脚为低电平，当A/D转换结束时，该引脚输出 高电平。

OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当转换结束后，如果从该引脚输入高电平，则打开输出三态门，输出锁存器的数据从D0~D7送出。 ADC0809主要性能指标： （1）分辨率为8位。

（2）最大不可调误差：ADC0809为?1LSB。

（3）单电源+5v供电，基准电压由外部提供，典型值为+5v，此时允许输入模拟电压为0-5V。

（4）具有锁存控制的8路模拟选通开关。

（5）可锁存三态输出，输出电平与TTL电平兼容。

（6）转换速度取于决芯片的时钟频率。当时钟频率500KHz时，转换时间为128μs。

3.1.6数码显示电路

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。

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。

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3.2 单片机外围接口电 3.2.1 晶振电路

晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联在串联一个电容的二端网络，晶振电路为单片机工作提供时钟信号，这个信号就是单片机的工作速度，芯片中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器，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体或陶瓷谐振荡器一起构成自激振荡器。电路中的外接是应尽及两个电容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3-7所示。由于外接电容的容量大小会轻微影响振荡率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容量的大小范围为30PF~10PF；如果使用陶瓷谐振，则电容容量大小范围40PF~10PF。本文使用的石英晶体，电容的容值设定为30PF。

3.2.2 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。80C51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。

手动按钮复位需要人为在复位输入端REST上加入高电平，采用的办法是在REST端和正电源VCC之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则VCC的+5V电平就会直接加到REST端，系统复位。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，设计完全能够满足复位的时间要求。复位电路中SW-PB为手动复位开关，电容C1可避免高频谐波对电路的干扰。复位电路如图3-6。

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3.2.7 状态指示灯电路

图 3-10 状态指示灯

AD转换器输出的数字信号传输给P0口，读取P0口的内容跟设定的值进行判定，如果大于设定值，P2.3、P2.4输出高电平，P2.2输出低电平，控制黄色发光二级管的发光，说明发生火灾。如果小于设定值，P2.2、P2.3输出高电平，P2.4输出低电平，控制绿色发光二级管的发光，说明正常，没有火灾发生。如果出现异常情况，P2.2、P2.4输出高电平，P2.3输出低电平，控制红色发光二级管的发光。

3.2.8 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，分别接数码管的a、b、c、d、e、f、g，DIGIT1、DIGIT2、 DIGIT3、 DIGIT4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P1口。WRITE、MODE是写控制位和模式控制位，分别接单片机P3.6、P2.5。如上图3-11所示。

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图3-11 数码管显示电路

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第4章 火灾报警器的软件设计

4.1 软件开发环境

本次系统采用的是C语言。因为C语言的描述由函数组成，是一种结构化的程序设计语言，所以更容易实现模块化，而且具有可读性好，易于移植等优点，同时还有汇编语言一样的位操作功能的硬件详细控制指令[11]。数据结构方面，可以使用结构体和数组，能够处理复杂的数据，可用于实时处理系统。

本系统的软件编程使用的是美国Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能 体现高级语言的优势。

C51工具包的整体结构中，μVision与Ishell分别是C51 for Windows和C51for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经C51连接定位生成绝对目标文件(ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真软件Proteus使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

4.3 主程序流程

火灾报警系统控制器上采用80C51作为主控芯片，其主要功能包括：控制IO端口、逻辑判断处理、驱动外部电路、语音报警和A/D采样等，该部分是火灾报警系统智能化的集中体现。

为了便于系统维护，在火灾报警系统的软件设计中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。既使得程序结构清晰，又便于以后进一步扩展其功能。本系统主要包括主程序、温度烟雾数据采集子程序、

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火灾判断与报警子程序等。

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输出输入端口的设置、数据存储电路、外围驱动电路等完成初始化，接下来执行火灾报警系统的数据采集程序、火灾判断、报警程序。系统初始化后，80C51的P2.4为低电平，P2.2、P2.3为高电平，所以只有绿灯亮，红灯、黄灯不亮，蜂鸣器不报警。

4.2 主程序初始化流程图

主程序初始化流程图如图4-2所示。这部分实现的功能包括各种I/O输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等。首先设定定时器工作方式，然后开系统中断，以便响应中断定时，及时对气体浓度和温度进行采样。然后关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。

开始 定时器初始化 开中断 关闭蜂鸣器 打开绿灯 是否报警 Y 设定初值 N 返回 图4-2 主程序初始化流程图

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4.3 数据采集子程序

数据采集是火灾报警系统中的重要环节。为了降低误报率，系统设计时对温度烟雾采用了两次采集、两次判断的方法。每次采集温度烟雾数据后，将数据存入单片机的寄存器，然后在火灾判断程序中，将采集的数据与设定的阈值进行比较，判断现场是否发生火灾。

具体流程是：系统和程序初始化后，驱动ADC0809的IN0对温度信号进行A/D转换，单片机接受转换好的数据，存入寄存器，由INT0中断服务程序完成；系统延时10ms，驱动ADC0809的IN1对烟雾信号进行A/D转换，转换完成后存入寄存器。系统延时50ms，进行第二次温度烟雾信号采集，将转换好的数据存入寄存器中。单片机每次驱动A/D转换后等待外部中断，当ADC0809的EOC端变为1时，说明A/D转换已经完成，再通过中断服务程序读取转换得到的数据。

由于设计采用的是模块化设计，系统实现报警功能是通过调用子程序实现的。在数据采集子程序中，一次温度烟雾信号采集延时10ms，是让ADC0809准备好进行下一次信号转换。当系统采集2次温度烟雾信号后，转换好的数据存入单片机的寄存器中，系统再调用火灾判断子程序。

系统温度烟雾信号采集程序流程图如图4-3所示：

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