基于51单片机火灾报警系统设计

题目：编号：

本科毕业论文（设计）

基于80C51智能火灾语音报警系统设计

系 （院）：信息工程系 姓 名：刘元 学 号：0835140145 专 业：通信工程 年 级：0801 指导教师：姚巧鸽 职 称：讲师 完成日期：2012-4-25

摘 要

目前，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活得四周到处潜伏着火灾隐患。为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。

本文设计了一种基于单片机8051、集成语音芯片ISD1420、A／D转换器, 集成温度传感器AD590 和气体传感器TGS202等,利用多传感器信息融合技术,完成语音报警的实用、可靠的单片机语音自动报警系统,着重讲述了该系统的组成形式及工作原理。实践表明,单片机技术在系统报警和其它一些自动控制领域中有着广泛的应用前景。

该系统能自动完成对布测点检测，确认火警后能自动报警，并显示火情点，记录火灾发生时间。本系统可安装在各防火单位，它负责不断地向所监视的现场发车巡检信号，监视现场的温度、浓度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较、判断确定火灾。当发生火灾时，可实现语音报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警等，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾传感器，具有一定的实用价值。

关键词 ： 火灾报警 ; 单片机 ; 传感器

Abstract

Now, with electronic products used in human life more and more widely, the resulting fire, more and more, we live in fire hazards lurking around everywhere. To avoid fires and reduce fire losses, we must follow the \dangers fire in prevention is better than disaster relief, the responsibility is extremely heavy,\system, fire nipped in the bud, the maximum reduce the loss of social wealth.

This paper design a method that use single chip computer and digital voice chip ISD1420 to realize remote voice alarm, gives out the hardware structure and software of system, Based on the single-chip microcomputer 80C51, and speech chip ISD1420,temperature sensor AD590 and gas sensor TGS202 are used, and the multi-sensors information processing method is adopted . Practice the enunciation,

The single-chip microcomputer technique has the extensively applied foreground in system alarm and other automatic control realm.

This system can automatically to monitor the points which are acute to temperature. It can also send out alarm, show the points and record the occurring time when a fire has broke out. The system can be installed in all fire units, which is responsible for continuously monitoring the site to start the inspection signal, monitor the site of temperature, concentration, and continuous feedback to the alarm controller, the controller will receive the signal and the normal memory setting value was determined by comparing to determine the fire. When fire occurs, can achieve sound and light alarm, fault diagnosis, concentration display, alarm limit settings and delay alarm is a simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive, intelligent smoke sensor, has some practical value.

Keywords ： Fire alarm ; MCU ; Transducer

目 录

绪论

1.1 概述

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究背景及意义

第２章 火灾报警系统整体方案设计

2.1 火灾产生的原理与过程 2.2 系统整体方案设计 2.2．1 系统总体功能概述 2.2．2 系统硬件总体构架 2.2．2 系统软件总体构架 2.3 火灾报警系统的类型 2.4 火灾报警系统的原理

第3章 火灾报警系统硬件设计

3.1 系统核心芯片选择 3.1．1 传感器介绍 3.1．2 ISD1420语音芯片 3.1．3 80C51简介 3.1．4 AD转换芯片

3.1．5 数码管显示电路

3.2 单片机外围接口电路 3.3 信号处理电路 3.4 数据采集电路 3.5 报警电路

3.5. 1 语音报警电路 3.5. 2 光报警电路 3.6 数码管显示电路

第4章 火灾报警系统软件设计

4.1 软件开发环境

4.2 火灾报警系统程序设计 4.2．1 主程序流程图

4.2．2 主程序初始化流程图 4.2．3 数据采集子程序

4.2．4 火灾判断与报警程序

参考文献 致谢 附录1 附录2

绪论

1.1 概述

无线火灾传感器硬件和软件平台的设计对于整个系统的开发与应用至关重要，作为整个系统的底层支持，其必然向微型化、高度集成化、网络化、节能化、智能化的方向发展，近几年，随着计算机成本下降和微处理器体积缩小，开发和构造火灾智能无线报警系统将有广阔的应用前景。工程试验结果充分显示了技术的可行性和实现的有效性。随着智能楼宇技术应用的迅速发展，商业市场对火灾报警器的需求不断增长，目前主要使用的是智能型总线制分布式计算机系统的火灾报警系统，虽然在系统安装方面比过去大大方便，但仍然不能满足现代需要，其安装成本约占设备成本的33%～70%。而无线火灾报警系统能够满足目前要求，它具有安装容易、快捷、便宜、无需布线、对建筑物表面的最小破坏性、对功能变化的易适应性等特点。有关资料统计表明：凡是安装了火灾自动报警系统的场所，发生了火灾一股地说都能及早报警，不会酿成重大火灾。 1.2 国内外的研究现状

根据现代战争的突发性、立体性和区域不确定性,使攻防界线模糊,作战方向多变,战火灾自动报警系统已有百余年的发展历史，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[1]。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[2]。此后，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地蓬勃发展起来，其发展过程可以分为以下几个阶段:

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，采用的探测器主要是感温式的探测器，它通过采集温度信号，然后判定是否超出设定的阂值，从而判断是否有火灾发生。这一阶段，火灾报警系统简单，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，无法判断阴燃火灾，也无法满足智能化火灾报警系统的要求。

传感器 放大电路 A/D转换 单片机 状态指示灯 声音报警 浓度显示 串口通信 按键

图2-２ 系统原理及组成框图

2.2.2 系统硬件总体构架

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[14]

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)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[15] 。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。

2.2.2 系统软件总体构架

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。 2.3 火灾报警系统的类型

根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为以下四种：

（1）感温型火灾报警系统

由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判断报警的目的。根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等几种。

(2)感烟型火灾报警系统

烟雾是早期火灾的重要特征之一。在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。

（3）感光型火灾报警系统

物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。

（4）复合型火灾报警系统

如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。 2.4 火灾探测器的原理

火灾发生时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光，探测器对这些都很敏感。当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。

火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类：

（1）感烟探测器。一种是离子感烟探测器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了

带电粒子的正常运动，电流、电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号。还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，他的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。

（2）感温探测器。一种是运用金属热胀冷缩的特性。正常的情况下，探测器的电路断开，当温度升到一定值时，由于金属膨胀、延伸，导体接通，于是发出了信号。一种是利用某些金属易熔的特性，在探测器里固定一块低熔点合金，当温度升到它的熔点（70～90℃）时，金属熔化，借助弹簧的作用力，使触头相碰，电路接通，发出信号。这两种探测器都属定温型，即当外界温度超过某一限值时就会报警；还有一类是差温型，升温的速度超过特定值时，便会感应报警。如将两者结合起来，便成为差定温组合式。

（3）光辐射探测器。一种是红外光辐射探测器。物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路报警。

火灾报警器是重要的安全设备，一切重要的场所，如大型物资仓库、隧道、大型船舶、高层建筑都应该安装。它还可以与自动灭火设备一起组成自动报警、自动灭火的“自动消防队”。

第3章 火灾报警系统硬件设计

3.1 系统核心芯片选择

3.1.1 传感器介绍

3.1.1.1 AD590温度传感器

要准确地进行火灾报警， 选择合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提。综合考虑各因素，本文选择集成温度传感器AD590 和气体传感器TGS202 用作采集系统的敏感元件。

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[2]，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。

图3-1 AD590应用电路图

AD590有以下特点：

1、AD590的测温范围-55℃～+150℃。

2、AD590的电源电压范围为4V-30V。电源电压可在4V-6V范围变化，电流IT变化1?A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，

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口分时复用作为数据总线。

3.1．4 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.

A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，ADC0809由8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成，芯片引脚图如图3-5所示, 内部结构图如图3-6所示。

图3-5 ADC0809引脚图 图3-6 ADC0809内部结构图

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 START :A/D转换启动信号输入端 ALE ：地址锁存允许信号输入端 ADC0809的主要性能指标为:

（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。

3.1.5 数码管显示电路

ICM7218 是INTERSIL公司生产的一种性能价格比较高的通用8 位L ED 数码管驱动电路, 28 脚双列封装,是一种多功能L ED 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L ED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。其引脚图和内部框图如图3-7所示。

图3-7 ICM7218引脚图及内部框图

3.2 单片机外围接口电路 3.2.1晶振电路

晶振电路为单片机80C51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。由于外接电容C2、C3的容量大小会轻微影响振荡频率的高低、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，电容的容量大小范围为30pF?10pF；如果使用陶瓷谐振，则电容容量大小为40pF?10pF。本设计中使用石英晶体，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。80C51的复位电路如图3.8所示。

图3-8 80C51晶振和复位电路原理图

3.3 数据采集电路

本设计中的A/D使用的是通用8位芯片ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端经过放大电路后分别接到ADC0809的IN0和IN1。 ADC0809的通道选择地址由80C51的P0.0～P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。

芯片的几个重要管脚功能如下：

ALE：地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0-IN7上的一路模拟量输入. 当P2.0=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。

START：转换启动信号，当START上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，START应保持低电平。

EOC：转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。

由于本设计中数模转换芯片使用的是ADC0809，其工作的时钟信号为500KHz，因其内部没有时钟电路，时钟信号由外部80C51的ALE端口提供。系统80C51与ADC0809接口电路如图3-9所示。

图3-9 -1 80C51与ADC0809接口仿真电路

图3-9 -2 80C51与ADC0809接口电路原理图

当80C51的ALE端口不访问外部存储器时，80C51的ALE端以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，故晶振设定12MKz，再经过二分频电路，单片机即可向ADC0809输出500KHz的时钟信号。二分频电路由D触发器实现，R、S端接地，D接Q非，Q端作为输出端，CLK接80C51的ALE端。D触发器的特性方程为

Qn?1?D

由于当CP=1时，D触发器有效；CP=0时，触发器保持原来状态。故D触发器能实现对ALE端口的信号二分频。由于本火灾报警系统只采集温度、烟雾信号，经过调理的温度、烟雾信号分别进入ADC0809的IN-0和IN-1端口，其余输入引脚接地，8个数字量输出引脚接80C51的P0口。单片机的P0口接受ADC0809传输来8位数字量，向A/D输出的8位地址经地址锁存器74LS373锁存，选择低3位地址作为A/D的通道选通地址。ADC0809通道选通如表3.1。

表3.1 ADC0809通道选通

通入通道 A B C IN0 0 0 0 IN1 0 0 1 IN2 0 1 0 IN3 0 1 1 IN4 1 0 0 IN5 1 0 1 IN6 1 1 0 IN7 1 1 1

本设计使用74LS373作为地址锁存器，当三态允许控制端OE为低电平时，输出端O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，既不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。图中三态允许控制端OE接地，表示三态门一直打开。锁存允许端LE为高电平时，输出端O0~O7 状态与输入端D0~D7状态相同；当LE由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。LE端接至单片机的地址锁存允许ALE端。

当P20=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。图中ALE信号与START信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。当ALE端口变为高电平，将74LS373输出端的低3位地址存入A/D的地址锁存器中，此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将A/D内的寄存器清零，下降沿启动 A/D转换，之后EOC端变成低电平，指示转换正在进行。例如，输出地址F8H可选通通道IN0，实现对温度传感器输出的模拟量进行转换；输出地址F9H可选通通道IN1，实现对烟雾传感器输出的模拟量进行转换。ADC0809的转换结束状态信号EOC接到80C51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，结果数据已存入锁存器,并产生产生中断。当80C51知道A/D转换完成后，P20与读信号RD共同控制下的A/D端口OE电平变为高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到单片机上。

3.4 信号处理电路

图3-10 信号处理电路

由于传感器输出的模拟信号比较微弱，且含有干扰信号，所以系统需要将信号进行放大、过滤 。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3-10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。

3.5 报警电路

3.5.1 语音报警电路

图3-12 语音报警电路

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，P2.1输出低电平，控制语音芯片ISD1420的发出火灾语音报警. 如果小于于设定值，P2.1输出高电平，说明正常，没有火灾发生。

3.5.1 光报警电路

图3-11 光报警电路

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，控制红色发光二级管的发光，实现光报警功能. 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，控制绿色发光二级管的发光。

3.6 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P0口.WRITE、MODE是写控制位和模式控制位，分别接单片机P3.6、P2.5。其电路图如图3-9所示。

第4章 火灾报警系统软件设计

4.1 软件开发环境

本系统摒弃了传统的汇编语言而采用C语言进行程序设计。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[29]。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for 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，也可由仿真器使用直接对 目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

4.2 火灾报警系统程序设计

4.2．1主程序流程图

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、火灾判断与报警子程序等[ 4 ]。系统程序流程图如图4.1所示。

图4.1 程序流程图

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P2.2为低电平，P2.1、P2.3、P2.4、P2.5为高电平，所以只有绿灯亮，红灯、黄灯不亮，蜂鸣器不报警。

4.2．2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 定时器初始开中断 关闭蜂鸣器，打开绿灯 N 是否保持报警初值 Y 返回 设定初值

图4-2 主程序初始化流程图

4.2．3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INT1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1，当ADC0809的EOC端变为1时，即中断到来，说明A/D转换已经完成，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:

图4.2 数据采集流程图

在火灾自动报警系统的程序设计中使用了延时程序，延时10ms的程序如下： void delay_10ms (uint i) {

while (i--) {

uchar i ， j ， k ； for (i=5 ；i>0 ；i-- ) for (j=4 ；j>0 ；j-- )

for (k=248 ；k>0 ；k-- ) ； } }

4.2．4火灾判断与报警程序

1.火灾报警数据处理方法

固定门限检测法是使用最早，且应用最广泛的火灾探测方法，优点是计算量小且易于实现，其原理是根据火灾探测器的信号幅值作为火灾报警的依据，并与固定的阈值进行比较[16]：当信号幅值超过报警阈值时，则发出报警，否则解除报警[17]。

火灾报警系统中使用的是温度传感器AD590和烟雾传感器TGS202，烟雾传感器输出电压v与烟雾浓度p关系为：v=-0.3p+5.6，温度传感器使用的灵敏度是-5.5mV/℃。在本设计中报警温度设为57℃，烟雾报警浓度设为3.2％英尺（参照市面销售的火灾报警器温度烟雾的报警临界值）。经过换算可得出温度烟雾传感器输出火灾报警临界电压值为：

V烟临=4.6V，V温临=0.72V

2.火灾判断与报警

系统对温度和烟雾进行了两次数据采集与判断，每次信号采集后根据得到的数据与设定的阈值比较，当温度≥57℃，温度异常，置寄存器变量a为1，否则为0；当烟雾浓度≥3.2％，烟雾浓度异常，置寄存器变量b为1，否则为0。综合两次温度烟雾信号的采集，根据温度和烟雾的寄存器变量a和b的状态，判断现场情况：2个寄存器变量均为0，表示情况正常；2个中仅有1个为1，表示情况异常；2个均为1，表示有火灾发生。系统对现场进行报警判断后，间隔20s后（通过系统的延时程序实现），再一次采集现场的温度烟雾信号进行判断，即每一次语音报警持续20s，直到系统做出下一次判断结果。

当系统状态为00时，表示正常，80C51的P2.2口变成低电平，绿灯亮； 当系统状态为01或10时，表示异常，P2.3口变为低电平，P2.1口变为低电平，黄灯亮，蜂鸣器报警；

当系统状态为11时，表示发生火灾，P24口变为低电平，P2.1口变为低电平，红灯亮，蜂鸣器报警。

结论

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。

参考文献

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[2] J.K.W.Wong，H.Li，S.W.Wang. Intelligent building research：a review [J].Automation in Construction，2005，14 (l)：143~159.

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[4] Vaughn Bradshaw. The Building Environment: Active and Passive Control systems[M].John Wiley & Sons，2006.

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[7] 王钊.智能型火灾报警系统的设计与研究：（硕士学位论文）.西安理工大学，2009. [8] 孙健. 基于ARM7的电气火灾自动报警控制器研制：（硕士学位论文）.浙江大学，2007. [9] 雍静,李北海，杨岳.建筑智能化技术〔M〕.北京:科学出版社，2008.

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[13] 范维澄.中国火灾科学基础研究概况[J].火灾科学，2005，6:57~ 62.

[14] 缪顺兵，熊光明，李永萍，鲁霞.自动火灾报警系统设计与研究[J].装备制造技术.2006.4：90~ 92.

[15] 黄凤娟.单片机火灾报警系统的设计. 安徽电子信息职业技术学院学报，2010年第1期. [16] Luck H O. Dedicated detection algorithms for automatic fire detection [C]. International Symposium on Fire Safety Science: Edinburgh UK，1991. [17] 魏锋.论火灾报警系统的应用及发展[J].科学之友.2006.9:11~ 12.

致 谢

在本次毕业设计中，我得到了指导老师姚巧鸽老师的悉心指导，姚老师在论文的设计过程中提出了许多宝贵的合理建议，帮助解决毕业设计中遇到的许多问题，还不断向我传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，使得论文不断完善。在这里非常感谢刘老师的指导和帮助，并致以诚挚的谢意！

同时，论文的顺利完成，离不开同学和朋友的关心和帮助。在整个的论文写作中，各位同学和朋友积极帮助我查资料，提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，我最终完了整个论文。在此一并感谢！

大学四年的时光转瞬即逝，在黄淮学院的学习和生活是我人生中一段非常宝贵而难忘的经历。感谢我的母校黄淮学院，给我提供学习和生活的空间，真心地希望她的明天更加美好！

附 录1电路原理图

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附录2 系统程序

#include

#define unchar unsigned char #define uint unsigned int uchar Tem1,Tem2,Smok1,Smok2;

uchar Tem=3.6,Smok=4.6; //设定温度烟雾报警阈值 uchar a,a1,a2,b,b1,b2; void caiji_wenyan();

void delay_10ms(uint i); //程序声明 void panduan ); void baojing(); void main() {

P21=1; P20=0;WR=1;RD=1;

P0=0XFa;P24=1;P23=1;P22=0; //初始化 while(1) //主程序 {

caiji _wenyan (); //第一次采集温度烟雾信号 Tem2=Tem1;Smok2=Smok1;

delay_10ms(5); //延时50ms，让ADC0809准备好第二次数据转换 caiji _wenyan(); //第二次采集温度烟雾信号

panduan(); //将转换的数据与设定的报警阈值比较 baojing(); //报警程序

delay_10ms(2000); //系统隔20s对现场判断 }; }

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