智能火灾报警系统的设计论文

目 录

摘 要 ........................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 前 言 ........................................................................................................................................ III 1 总体方案设计 ........................................................................................................................ 1 2系统原理及原理图 ................................................................................................................. 2 3 系统的硬件电路 .................................................................................................................... 3

3.1 控制模块设计 ............................................................................................................. 3

3.1.1 单片机选型 ....................................................................................................... 3 3.1.2单片机最小系统 ................................................................................................ 4 3.2 检测电路设计 ............................................................................................................. 6

3.2.1 烟雾检测电路 ................................................................................................... 6 3.2.2 温度检测电路设计 ......................................................................................... 10 3.3 显示与报警电路 ....................................................................................................... 15

3.3.1显示电路 .......................................................................................................... 15 3.3.2 报警电路 ......................................................................................................... 16 3.4 按键控制及电源电路设计 ....................................................................................... 16 4 系统主程序设计及流程图 .................................................................................................. 18

4.1 主程序设计 ............................................................................................................... 18 4.2 滤波子程序设计 ....................................................................................................... 19 4.3 线性化处理子程序设计 ........................................................................................... 19 4.4 报警子程序设计 ....................................................................................................... 20 4.5 控制按键设计子程序 ............................................................................................... 21 5 硬件调试 .............................................................................................................................. 22 结 论 ........................................................................................................................................ 23 致 谢 ........................................................................................................................................ 24 参考文献 .................................................................................................................................. 25 附录1：总体原理图设计 ....................................................................................................... 26 附录2：元器件清单 ............................................................................................................... 27

附录3：PCB图 ....................................................................................................................... 28 附录4：实物图 ....................................................................................................................... 29 附录5：部分程序源代码 ....................................................................................................... 30

智能火灾报警系统的设计

智能火灾报警系统的设计

摘 要

随着社会和经济的发展，防火工作越来越重要，但是目前国内的许多研发都侧重于大型场所的火灾报警。因此，研发一种小型智能报警器是十分必要的，报警器是用烟雾传感器组成的。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STC12C5410AD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STC12C5410AD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、智能化的烟雾报警器。具有一定的实用价值。 关键词：烟雾；报警器；STC12C5410；传感器

I

智能火灾报警系统的设计

THE DESIGN OF

INTELLIGENT FIRE ALARM SYSTEM

Abstract

With the advent of the \technology has been significant progress, and its applications more widely, its increasingly high demand, the demand for more and more urgent. Sensor technology has become the measure of a country's level of development of science and technology an important symbol. Therefore, to understand and master the basic structure of the various types of sensors, the working principle and characteristics are very important.In order to increase awareness and understanding of the sensor, especially in.depth study of the smoke sensor and its usage and purpose, based on practical, widespread and typical design principles of the system. In this paper, the use of single.chip sensor technology combined with the development and design of the smoke control system. .

In this thesis, smoke sensors and resistive core chip technology and combined with other electronic technology, design a technical level better smoke alarms.Which choice MQ.2.type semiconductor combustible gas sensors to detect smoke smoke sensor to achieve, with high sensitivity, fast response, anti.interference ability, etc., and inexpensive, long service life. Optional STC12C5410AD microcontroller, which integrates A / D conversion, hardware multiplier, hardware resources such as pulse width modulator with high.speed, low power consumption, super anti.jamming, etc., similar technology is currently higher cost products.

Keywords：Smoke；Alarms；STC12C5410；Sensors

II

智能火灾报警系统的设计

前 言

火灾”，是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。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。对于火灾，相信大家都不陌生，随时可以听到或者看到各种各样的火灾，小的失去钱财，大的家破人亡。火灾的危害性也越来越大。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就的作用也尤为突出了。

智能火灾报警器系统的发展变化很快，新技术的发展进一步拓展了火灾报警系统的应用领域，为一些报警系统无法胜任的环境提供了有效的手段。我国的火灾报警从无到有，从有到现在的智能。火灾报警系统集早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐。

随着技术的创新，单片机早已深入应用到工农业生产各个领域及人们生活应用中。于是，各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全、体积小、成本低，因此它可以应用到任何电子系统中去。同样，它也广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。

我国的火灾报警从无到有，从有到现在的智能的发展过程，而且它的智能化的程度也越来越高了。面对人类社会的经济与技术的急速发展改进火灾报警系统也成为必做的。火灾报警的工作性能、维护费用及维护要求，向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展，因此，研制一种结构简单、价格低廉的智能火灾报警器是非常必要的。

III

智能火灾报警系统的设计

1 总体方案设计

智能火灾报警系统主要用到的是烟雾报警器，烟雾报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器。该报警系统的最基本组成部分应包括：信号采集模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成。

为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的烟雾报警器具有显示报警状态。报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以STC89C52单片机为控制核心，选用MQ.2半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度信息，配合外围电路构成烟雾报警系统。本设计包括硬件和软件设计两个部分。

从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：烟雾检测部分、STC89C52单片机主控部分、报警部分，AD采集四大部分。电路总题框图如图1.1所示：

电源 AD采集电路 按键控制 STC89C52 单片机 显示电路 报警电路 电源开关

图1.1 总体设计框图

处理器采用51系列单片机STC89C52[1]。整个系统是在系统软件控制下工作的。设置在监测点上的烟雾检测探头将检测到的烟雾变换成电信号，送出模拟信号，给AD采集电路采集。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出烟雾报警状态控制信号。驱动蜂鸣器及报警指示灯报警。

1

统共分为控制电路、检测电路、显示和报警电路。系统原理图如图2.1所示。

应到信号由ADC0832进行处理模数转化再到单片机进行处理，喇叭发出报警声音。系

2系统原理及原理图

智能火灾报警系统的原理是依据当烟雾浓度或温度达到设定值时，烟雾传感器和温度传感器感

图2.1 系统原理图

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3 系统的硬件电路

3.1 控制模块设计

3.1.1 单片机选型

单片机是智能火灾报警系统的心脏，用来接收火灾信号并启动报警装置显示和执行相应的报警。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，许多国家的集成电路的生产厂家也都相继推出各种类型的单片机，在众多单片机中，MCS系列单片机就其指令和运行速度而言，比以往的功能强大了很多，性能、技术、可靠性和性能价都十分的优秀，其中，C52系列单片机的优点是价钱便宜、I/O口多、程序空间大。因此测控系统中，使用52系列单片机是最理想的选择，本设计就选择采用STC89C52【2】。

TC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52【3】具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM和定时器及串口和中断时继续工作。这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡电路、键盘控制、LED显示电路、报警电路等子模块。

下面对STC89C52【4】各引脚的功能进行较为详细的介绍： (1)电源引脚Vcc和Vss。 Vcc(40脚)：电源端为+5V。 Vss(20脚)：接地端。

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(2)时钟电路引脚XTAL1和XTAL2。

XTAL2：接芯片外部晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，这两个引线端接石英晶体和电容。

XTAL1：接电容的一个端口。在芯片内，它是振荡电路的反向放大器输入端。当使用外部时钟时，用于接地。

(3)控制信号脚 RST ALE PSEN 和EA。

RST脚：复位信号，只有高电平时才有效。在此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。

ALE/PROG（30引脚）：地址锁存允许信号端。当STC89C52上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号。此频率为振荡器频率fosc的1/6，可以做外部时钟或者外不定时脉冲信号。在CPU访问片外数据存储时，每取值一次（一个机器周期）会丢失一个脉冲。

PSEN（29脚）；外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现。 表3.1 P3口的第二功能表

引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能 RXD （输入口） TXD （输出口） INT0（外部中断0） INT1（外部中断1） T0（定时器0外部中断） T1（定时器1外部中断） WR（存储器写选通） RD（存储器读写通） EA/VPP（31脚）：当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000H－FFFFH）不管是否有内部程序存储器。FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。对于无芯片内的ROM的8031或8032，须外扩ERROM，此时必须将EA的引脚接地。如果使用有片内ROM的STC89C52，外扩ERROM也是可以的，但也要使EA接地。

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(4)I/O（输入/输出端口，P0，P1，P2，P3）

P0口：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。 P1口：8位准双向I/O端口。

P2口：即可以做地址总线输出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此时为准双向口）。

P3口：双功能口，即可以做普通I/O口用（此时为准向口，也可以按每位定义实现第二功能操作）。

3.1.2单片机最小系统

要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图3.1示。

图3.1 单片机最小系统

单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。

单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，可以根据情况选择6MHz、8MHz或12MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择20.30pF左右的瓷片电容。

单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。上电自动复位通过电容C3充电来实现。手动按键复位是通过按键将电阻R2与VCC接通来实现【5】。

系统利用P1口的P1.0.P1.3设置了4个独立按键S2～S5，当键按下时，P1口相应的引脚置为低电平，且与此键相连的发光二极管点亮。

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时钟电路是单片机的内脏，它掌握着单片机工作节奏，时钟电路相当于振荡电路。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us。

本系统采用STC系统列单片机，相比其他系列单片机具有很多优点。一般STC单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写,下载程序较为方便；STC89C52单片机内部集成了看门狗电路；且具有很强抗干扰能力【6】。

本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，如下图3.1.1和图3.1.2所示：

图3.1.1 时钟电路图

图3.1.2 复位电路图

由于单片机P0口内部不含上拉电阻，为高阻态，不能正常地输出高/低电平，因而该组I/O口在使用时必须外接上拉电阻。

3.2 检测电路设计

3.2.1 烟雾检测电路

（1）传感器介绍

烟雾传感器是测量装置和控制系统的重要环节【7】。而烟雾报警器的信号采集由烟雾传感器负责。烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。烟雾传感器内部结构如图3.2所示。

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图3.2 烟雾传感器及其结构图

烟雾传感器是模拟传感器，属于气敏传感器，是气.电变换器，它将可燃性气 体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度 处理及报警控制等工作。它能将空气中的烟雾的浓度的变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。烟雾型传感器就是通过监测环境中烟雾浓度来实现火灾防范的。在烟雾探头要碰到烟雾时，烟雾探头的内部阻值会发生变化时，会产生一个模拟值，从而感受到。在国内的产品中，无论哪家生产的烟雾型探测器，都可以探测到火灾的发生，都具有比较高的灵敏度，而且在安装中都比较简单。但是，由于各生产的设备不可通用，独立为正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通讯。使得用户面对众多厂家生产的烟雾探测器感到不知所措。而这也正是国内产品市场的一个重大缺陷。

烟雾传感器的分类从构成气体的传感器材料的形态上，通常将它们分为干式、湿式气体传感器，下面就对一些常用的烟雾传感器进行介绍：

①半导体烟雾传感器（半导体气敏传感器）

半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。半导体烟雾传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。按照敏感机理分类，半导体烟雾传感器可分为电阻式和非电阻式。当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种类型的传感器称为电阻

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式半导体气敏传感器；当MOS场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器【8】。

自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、体积小、维修方便、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。但是其最大的缺点就是选择性较差。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。

②接触燃烧式传感器

当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。使用接触燃烧式传感器，其最大的缺点是探头很容易发生阻缓和中毒现象。一般在连续使用两个月后应对该传感器进行维护。这无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。

③电化学传感器

电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。即烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性烟雾检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

④高分子烟雾传感器

利用高分子气敏元件制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏元件在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏元件由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。

⑤ 离子感烟传感器

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智能火灾报警系统的设计

离子感烟传感器对于火灾初起和阴燃阶段的烟雾气溶胶检测非常有效，可测烟雾粒径范围为0.03um.10um。它在内外电离室里面有放射源镅241。由于它能使两极板间空气分子电离为正、负离子，使电极之间原来不导电的空气具有导电性。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。当火灾发生时，烟雾粒子进入电离室后，电力部分（区域）的正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上，使正、负离子相互中和的概率增加，从而将烟雾粒子浓度大小以电流变化量大小表示出来，实现对火灾参数的检测。

根据报警器检测烟雾种类的不同要求，很多场合都会选择使用半导体烟雾传感器。经过对比众多烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出。半导体烟雾传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低，因而得到广泛应用。因此，本设计中的烟雾传感器选用MQ.2半导体气体烟雾传感器。 （2）MQ-2半导体烟雾传感器

MQ-2半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡(SnO2)为主体的N型半导体气敏元件【9】。当传感器所处环境中存在烟雾气体时，传感器的电导率随空气中烟雾气体浓度的增加而增大。在设计报警器时只有使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。该传感器具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、抗干扰能力强、输出信号大、寿命长和工作稳定等优点，在市面上应用十分广泛。

二氧化锡(SnO2)半导体气敏元件特点：

①SnO2材料的物理、化学稳定性较好，与其他类型气敏元件相比，SnO2气敏元件

寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。

②SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱离时间短，可连续长时间使用。 ③SnO2气敏元件结构简单，成本低，可靠行较高，机械性能良好。

MQ-2气敏元件结构如图2所示，由微型AL2O3型陶瓷管，SnO2 敏感层,测量电极与加热器构成的元件固定，加热器就为气敏元件，提供了工作条件。特点简单耐用。

MQ-2半导体气体烟雾传感器适用于烟雾、天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气等的检测，对可燃性气体的（CH4、C4H10、H2等）的检测很理想【10】。这种传感器在较宽的浓度范围内对烟雾气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中。是一款便携式气体检测器，非常适合多种应用的低成本传感器。其技术指标表表3.2。

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表3.2 MQ-2的技术指标

加热电压（Vh） 回路电压（Vc） 负载电阴（Rl） 清洁空气中电阻 （Ra） 灵敏度（S=Ra/Rdg） 响应时间(trec) 恢复时间(trec) 元件功耗 检测范围 使用寿命 AC或DC 5±0.2V 最大DC 24V 2KΩ ≤2000 KΩ ≥4(在1000ppmC4H10中) ≤10S ≤30S ≤0.7W 50—10000ppm 2年

由于物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常烟雾传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。所以MQ.2半导体气体烟雾传感器要想把采集到的烟雾浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过将模拟信号经过A/D转换器转化为可以识别的电信号给单片机【11】。

图3.2.1 烟雾浓度采集电路

设计时应注意，气敏元件开机通电时，其内阻很小，但经过一段时间后，才能恢复

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3.3.2 报警电路

电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P3.6端口连接从而达到控制喇叭是否报警。声音报警电路图如图3.3.2所示。

图3.3.2 声音报警电路图

3.4 按键控制及电源电路设计

图3.4 消音按键连接电路图

本电路设计了四个按键，一个设置键、一个加键、一个减键、一个紧急报警键，当遇到紧急情况时，可按下紧急报警键，蜂鸣器进行报警。如图3.4所示

供电方式可以用5V蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，在报警器上使用极为不方便。因此我们放弃了此方案。也可以用3节1.5 V干电池共4.5V做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。本系统采用电池供电。

电源接口电路如图3.5，其中P1为电池接口，SW1为电源开关。D1为电源指示灯。

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图3.5 电源接口电路图

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4 系统主程序设计及流程图

4.1 主程序设计

首先要给传感器预热,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。主程序流程图如下图所示。

程序初始化 传感器预热处理 信号采集 开始 A/D转换 单片机处理，判断否超过设定报警值 Y 进入报警子程序 图4.1 主程序流程图

N 在整个报警系统工作中，烟雾浓度信息经ADC0832转换处理后，由单片机进行分析处理，判断系统是否启动报警。主程序还包括LED八段式数码管浓度字符显示功能、手动报警功能、报警浓度设定功能，中断子程序等，使报警器功能更加完善，更加方便。

预热后，程序就开始执行初始化子程序，初始化实现的功能是I/O口输入、输出状态设定， 寄存器初始化，中断功能等。首先，设定定时初值为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中断的允许位置1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。

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4.2 滤波子程序设计

在传感器对信号采样时，会遇到某些脉冲干扰现象，干扰通常会影响个别的采样点的数据，导致数据和其它采样点的数据的相差比较大。于是可采用中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)，首先对X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X–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。滤波子程序流程路如图4.2所示。

开始

N 设置采样次数N=10 调用A/D采样 已采样10次 Y

图4.2 滤波子程序流程路

值送入寄存器 和除以8 求2到9采样值的和 将10次采样值排序 4.3 线性化处理子程序设计

在单片机测控系统中，使用之前必须进行静态标定，以得到输出信号与被测信号的关系输出曲线，用来作为使用过程中的计量依据。但是标定时输出曲线往往不是一条理想的直线，所以要对标定曲线进行线性化处理，用一条拟合直线近似代替输出曲线，线

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智能火灾报警系统的设计

性化是智能仪表的典型功能之一。该报警器主要针对甲烷烟雾检测，在软件线性化处理时，以传感器对甲烷的响应曲线为依据。

本论文报警器使用的MQ.2型传感器的电阻是随着烟雾浓的升高而降低的，因此输入单片机的电压也是随之降低的。图4.4为单片机采集电压值与烟雾浓度百分比的对应曲线，可以看出，电压值与烟雾浓度 之间是非线性的关系，为了实时显示烟雾浓度.需要对其进行线性化处理。在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线分成若干小段，对每小段分别线性化。

4.4 报警子程序设计

Y 是否大于20% 开始 读取处理后的空气浓度 N 延迟20秒采集一组浓度

是 否 大 于 N Y

传感器故障自诊传感器有问启动故障报启动燃气泄露报警 N 消音键是否按下 返回监控状 Y 返回上电状

图4.4 报警子程序流程图

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，

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智能火灾报警系统的设计

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。

4.5 控制按键设计子程序

报警系统必须有控制按钮，本设计采用自锁复位开关调整设置值，从而达到超出设定值时报警功能，键盘处理子程序流程路如图4.5所示

开始 扫描键值 N

是否有键按下 Y

延时10ms去抖动 N

是否有键按下 Y 提取键值 调用键盘子程序 结束 图4.5 键盘处理子程序流程图

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智能火灾报警系统的设计

5 硬件调试

第一步是目测，单片机应用系统电路全部手工焊接在洞洞板上，因此对每一个焊点都要进行仔细的检查。检查它是否有虚焊、是否有毛剌等。

第二步是万用表来测试，首先用万用表来复核目测时可疑的连线或接点，查看通断状态，是否与设计是的规定相符，然后检查电源线与地线间，是否有短路的现象。

第三步是加电检查。当系统加电时，先检查全部插座或者器件引脚电源端，是否有符合的电压值，接地端电压值是否接近零，接固定电平的引脚端是否电平正确。

第四步是联机检查。在对硬件电路调试过程中，还遇到了不少问题，第一次把所有的元件都焊上去后，都准备调试了，才发现正负极的插针离得太近了，不容易接电源，本不该犯的错误，这些都是由于自己的粗心大意造成的，所以说，做任何事情都必需经过“三思而后行”，来不得半点的马虎，否则浪费了时间和精力。

实物实现的功能有：可设置烟雾浓度和高温报警值，可紧急报警和手动取消紧急报警功能，当有特殊情况时可按紧急报警键报警，并有掉电保存功能，设置的参数保存在单片机内部EEPOM中。当烟雾传感器检测到火灾释放的烟雾时，信号由ADC0832进行处理模数转化再到单片机进行处理，当检测到浓度超标时，蜂鸣器会发出滴滴的报警声。同时，此系统还可以检测温度，火灾发生往往环境温度会升高。到检测到温度超过设定的报警温度时候，蜂鸣器也将产生报警，系统的按键还具有连加、减功能，操作起来非常方便，系统还能够在进入设置界面后，如果没有按键按下30秒后会自动退出设置界面。

经过调测，该实物符合设计要求，能实现火灾报警功能。当设置烟雾浓度上限为4，温度上限为33度时，只要超过烟雾浓度或者温度之一时，系统就会报警。

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智能火灾报警系统的设计

结 论

本论文在对烟雾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。

本论文设计的烟雾报警器由烟雾信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ.2型半导体电阻式烟雾传感器。该传感器是对以烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。

在系统单片机控制电路的设计上，采用了高性能、高整合度的STC89C52单片机作为核心芯片，充分利用了其高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现了仪器的小型化和智能化。使仪器具有结构简单、性能稳定、体积小、成本低等优点。由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时伺，保证传感器准确地、稳定地工作，需要向烟雾传感器持续供给5V的加热电压。烟雾报警器能在较宽的温度范围工作，可将烟雾浓度显示用LED数码管显示。当烟雾的浓度达到设定的浓度时，发出报警。

通过现场标定及测试，分析烟雾浓度信号的实验数据，计算本报警器显示烟雾浓度与实际浓度之间的误差为2.55%LEL，在所规定误差范围±5%LEL之内，满足检测要求，达到了预期的设计效果的结论。

到目前为止我的毕业设计也即将告一段落了，在这次的毕业设计中，自己也学习到了很多以前没有没有经历过的知识，让我更加清楚了理论知识和实践能力的差别了，了解到自己的短处，培养了我的独立思考能力，进一步提高了自己在实际设计过程中研究问题、发现问题、解决问题的能力，同时，也发现了自己的不足之处，和一些问题的存在，并有待进一步学习和发展，让自己在未来的工作和学习之中更快的适应和提高自己。

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智能火灾报警系统的设计

致 谢

在完成本设计的写作过程中，我十分感谢我的指导老师。从选题到完成设计，老师一直都是很悉心的给我讲解着在设计中遇到的各种问题，循循善诱，严格把关，帮助我开拓设计思路，并不断地鼓舞着我，使我感到信心倍增，让我非常积极地投入到设计中，不断地完成设计中的一个个部分。在此，再次感谢老师在设计上不断地给与我帮助，让我在大学里的最后一次的学习过程中，充分感受到了自己对学习的兴趣和热情，使我能够圆满地完成自己的毕业设计。

回想大学四年的时光，仿佛尽在昨天。最后，我还要感谢在我大学四年的学习期间给我极大关心和支持的家人、各位老师以及我的同学和朋友。是你们在生活和学习上不断给与我支持、帮助和无微不至的关怀，是你们不断地给与了我信心，让我在人生中一次次坚强地走下去。

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智能火灾报警系统的设计

参考文献

[1] 李华.MCS一52系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社. [2] 张毅坤等.单片微型计算机原理及应用.西安电子科技大学出版社.2006. [3] 潘新民等.微型计算机控制技术.电子工业科技大学出版社.2003. [4] 伟.MCS一52系列单片机实用子程序集锦.清华大学出版社.1993. [5] 吴佑寿. Lab VIEW7实用教程.电子工业出版社.2007.

[6] 朱明程等.一氧化碳传感器MGS1100原理及应用电子技术.1998年第1期. [7] 刘迎春.传感器原理设计及应用.哈尔滨工业大学出社. [8] 赵负图.数据采集与控制系统.北京科学技术出社.1987. [9] 王若鲸.数据通信系统入门.人民邮电出版社.1984. [10] 肖忠祥主编.数据采集原理.西北工业大学出版社.2003

[11] 刘广玉.新型传感器技术及应用.北京航空航天大学出版社.1989. [12] 张毅刚.MCS一52单片机应用设计.1990.

[13] 陈伟.MCS一52系列单片机实用子程序集锦.清华大学出版社.1993. [14] 何立民.单片机实用文集.北京航空航天大学出版.1993. [15] 余成波.传感器与自动检测技术.高等教育出版社.2004.

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智能火灾报警系统的设计

附录1：总体原理图设计

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附录2：元器件清单

元器件 AD采集芯片 蜂鸣器 电容 电容 电源指示灯 数码管 电源接口 三极管 三极管 规格 ADC0832 蜂鸣器 10uF 20pF D DS04 Header 2 8550 8550 1 B1 C1 C2, C3 D1 DS1 P1 Q1, Q2, Q3, Q4 Q5 R1, R6, R7, R8, R9, R10, 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 独立按键 电源开关 单片机 烟物传感器 温度传感器 晶振 200 2K 1K 10K 4.7 SW-PB sw-灰色 U1 烟物传感器 DS18B20 12M R11, R12 R2, R3, R4, R5, R13 R14, R18 R15, R16 R17 S1, S2, S3, S4, S5 SW1 U1 U3 Y1 8 5 2 2 1 5 1 1 1 1 1 名称 数量 1 1 1 2 1 1 1 4 1

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附录3：PCB图

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附录4：实物图

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附录5：部分程序源代码

#include #include \#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #include

//数码管段选定义 0 1 2 3 4 5

6 7 8 9

uchar code smg_du[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,

0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xff};

//断码

//数码管位选定义

uchar code smg_we[]={0x7f,0xbf,0xdf,0xef}; //uchar code smg_we[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};

uchar dis_smg[8] = {0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8}; uchar smg_i = 3; //显示数码管的个位数

sbit SCL=P3^4; sbit DO=P3^3; sbit CS=P3^2;

sbit dq = P3^5; //18b20 IO口的定义 sbit beep = P3^6; //蜂鸣器IO口定义 uint temperature,s_temp ; //温度的变量 uchar dengji,s_dengji; //烟物等级 uchar shoudong; //手动报警键 uint huoyan;

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//SCL定义为P1口的第3位脚，连接ADC0832SCL脚 //DO定义为P1口的第4位脚，连接ADC0832DO脚

//CS定义为P1口的第4位脚，连接ADC0832CS脚

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bit flag_300ms ; uchar key_can;

//按键值的变量

uchar menu_1; //菜单设计的变量 bit flag_lj_en; bit flag_lj_3_en;

//按键连加使能

//按键连3次连加后使能 加的数就越大了

uchar key_time,flag_value; //用做连加的中间变量 bit key_500ms ; uchar flag_clock;

uchar zd_break_en,zd_break_value; //自动退出设置界面 uchar a_a;

/***********************1ms延时函数*****************************/ void delay_1ms(uint q) { }

/***********************小延时函数*****************************/ void delay_uint(uint q) { }

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uint i,j; for(i=0;i

for(j=0;j<120;j++);

while(q..);

智能火灾报警系统的设计

/******************把数据保存到单片机内部eepom中******************/ void write_eepom() { }

/******************把数据从单片机内部eepom中读出来*****************/ void read_eepom() { }

/**************开机自检eepom初始化*****************/ void init_eepom() { }

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SectorErase(0x2000); byte_write(0x2000, s_temp); byte_write(0x2001, s_dengji); byte_write(0x2060, a_a);

s_temp = byte_read(0x2000); s_dengji = byte_read(0x2001); a_a = byte_read(0x2060);

read_eepom(); if(a_a != 1) { }

//先读

//新的单片机初始单片机内问EEPOM

s_temp = 50; s_dengji = 5; a_a = 1; write_eepom();

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/***********************18b20初始化函数*****************************/ void init_18b20() { }

/*************写18b20内的数据***************/ void write_18b20(uchar dat) { }

/*************读取18b20内的数据***************/

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bit q; dq = 1;

//把总线拿高

delay_uint(1); //15us dq = 0;

//给复位脉冲 //750us

//把总线拿高 等待 //110us

//读取18b20初始化信号 //200us

//把总线拿高 释放总线

delay_uint(80); dq = 1;

delay_uint(10); q = dq;

delay_uint(20); dq = 1;

uchar i; for(i=0;i<8;i++) { }

//写数据是低位开始 //把总线拿低写时间隙开始

dq = 0;

dq = dat & 0x01; //向18b20总线写数据了 delay_uint(5); // 60us dq = 1; dat >>= 1;

//释放总线

智能火灾报警系统的设计

uchar read_18b20() { }

/*************读取温度的值 读出来的是小数***************/ uint read_temp() {

uint value; uchar low;

//在读取温度的时候如果中断的太频繁了，就应该把中断给关了，

uchar i,value; for(i=0;i<8;i++) { }

return value;

//返回数据

dq = 0;

//把总线拿低读时间隙开始

value >>= 1; //读数据是低位开始 dq = 1; if(dq == 1)

//释放总线 //开始读写数据

value |= 0x80;

delay_uint(5); //60us 读一个时间隙最少要保持60us的时间

否则会影响到18b20的时序

init_18b20();

write_18b20(0xcc); //跳过64位ROM write_18b20(0xbe); //发出读取暂存器命令

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init_18b20(); //初始化18b20

write_18b20(0xcc); //跳过64位ROM write_18b20(0x44); //启动一次温度转换命令 delay_uint(50);

//500us

//初始化18b20

智能火灾报警系统的设计

}

/***********读数模转换数据********************************************************/

//请先了解ADC0832模数转换的串行协议，再来读本函数，主要是对应时序图来理解，本函数是模拟0832的串行协议进行的

// 1 0 0 通道 // 1 1 1 通道

EA = 0;

low = read_18b20();

//读温度低字节

value = read_18b20(); //读温度高字节 EA = 1; value <<= 8; value |= low;

//把温度的高位左移8位

//把读出的温度低位放到value的低八位中

value *= 0.0625; //转换到温度值 return value;

//返回读出的温度

unsigned char ad0832read(bit SGL,bit ODD) {

unsigned char i=0,value=0,value1=0;

SCL=0; DO=1; CS=0;

//开始 //第一个上升沿

SCL=1; SCL=0; DO=SGL; SCL=1; SCL=0; DO=ODD;

//第二个上升沿

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vf27.html