單片機課程設(shè)計 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)

任務(wù)書本文采用氣體傳感器、溫度傳感、AT89S52單片機以及LED顯示燈模塊設(shè)計了一種智能火災(zāi)報警器，可以實現(xiàn)聲光報警、故障自診斷、濃度顯示、報警限設(shè)置、延時報警及與上位機串口通信等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的火災(zāi)報警器，具有一定的實用價值。 本系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89S52單片機作為處理器，主要完成以下工作： 1. 基于AT89S52的火災(zāi)報警檢測設(shè)計方案。 2. 溫度傳感器AD590、煙霧傳感器TGS202、A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的選擇以及與單片機的接口電路設(shè)計。 3. LED數(shù)碼管驅(qū)動芯片ICM7218與單片機的接口電路及其與數(shù)碼管的硬件連接。 4. 設(shè)計主要軟件程序模塊，完成軟件設(shè)計。 目錄 第1章 緒 論1 選題背景及意義1第2章 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的工作原理22.1 系統(tǒng)總體功能概述22.2 火災(zāi)探測器的原理3第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計553.1 單片機外圍接口電路83.2 信號處理電路93.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊103.4 聲音報警電路113.5 數(shù)碼管顯示電路123.6 報警器故障自診斷14第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計154.1 主程序流程圖154.2 主程序初始化流程圖164.3 濾波子程序164.4 線性化子程序174.5 報警子程序194.6 鍵盤處理子程序21結(jié)論22致謝23參考文獻(xiàn)24第1章 緒 論1.1 選題背景及意義嚴(yán)峻的事實證明，隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，社會財富日益增加，火災(zāi)給人類、社會和自然造成的危害范圍不斷擴大，它不僅毀壞物質(zhì)財產(chǎn)，造成社會秩序的混亂，還直接威脅生命安全，給人們的心靈造成極大的傷害。殘酷的現(xiàn)實讓人們逐漸認(rèn)識到監(jiān)控預(yù)警和消防工作的重要性，良好的監(jiān)控系統(tǒng)和及時的報警機制可以大大降低人員的上網(wǎng)，為社會減少不必要的損失。第2章 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的工作原理2.1 系統(tǒng)總體功能概述火災(zāi)報警系統(tǒng)一般由火災(zāi)探測器、區(qū)域報警器和集中報警器組成。火災(zāi)探測器通過對火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象氣（燃燒氣體）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測，將探測到的火情信號轉(zhuǎn)化成火警電信號傳遞給火災(zāi)報警控制器。區(qū)域報警器將接收到火警信號后經(jīng)分析處理發(fā)出聲光報警信號，警示消防控制中心的值班人員，并在屏幕上顯示出火災(zāi)的房間號。集中報警是將接收到的信號以聲光形式表現(xiàn)出來，其屏幕上也顯示出著火的樓層和房間號，利用本機專用 還可迅速發(fā)出指示和向消防隊報警。此外，也可以控制有關(guān)的滅火系統(tǒng)或?qū)⒒馂?zāi)信號傳輸給消防控制室。整體電路的框圖如圖2-1所示：圖2-1 系統(tǒng)原理及組成框圖傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換單片機狀態(tài)指示燈聲音報警濃度顯示按鍵串口通信 2.2 火災(zāi)探測器的原理火災(zāi)探測器主要分感煙、感溫、光輻射三大類：（1）感煙探測器。一種是離子感煙探測器，它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正負(fù)離子，在電場的作用下各向正負(fù)電極移動。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。（2）感溫探測器。一種是運用金屬熱脹冷縮的特性。正常的情況下，探測器的電路斷開，當(dāng)溫度升到一定值時，由于金屬膨脹、延伸，導(dǎo)體接通，于是發(fā)出了信號。（3）光輻射探測器。一種是紅外光輻射探測器。物質(zhì)在燃燒時，由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生閃爍的紅外光輻射使硫化鉛紅外光敏元件感應(yīng)，轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大后，就能向人們報警。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 單片機外圍接口電路AT89S52單片機外圍接口電路如圖3-5所示，主要包括： 1.晶振電路：內(nèi)部時鐘電路的晶振頻率一般選擇在4MHZ12MHZ之間（該設(shè)計選用6MHZ），外接兩個諧振電容。該電容的典型值為30pF,該設(shè)計選用33pF。 2.復(fù)位電路：單片機復(fù)位采用按鍵高電平復(fù)位，而單片機在平時則復(fù)位端為低電平0.圖3-5 單片機外圍接口電路 3.2 信號處理電路圖3-6 信號處理電路對于傳感器輸出的模擬信號，一般要用運算放大器對其進行調(diào)理或放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬量幅值及極性的要求。在本報警器電路中，同樣要對兩類傳感器的輸出信號進行放大調(diào)理。電路圖如上圖3-6所示，運算放大器接成電壓放大電路。從傳感器采集過來的微弱電壓信號，經(jīng)過電壓放大器的放大，得到較強的模擬電壓信號。采樣時，把相應(yīng)的模擬電壓信號從Vi端送進LM324A進行放大處理后，從Vo端輸出送入A/D轉(zhuǎn)換電路。3.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)氣敏傳感器所檢測的電壓信號為模擬信號，無法直接被單片機所識別，所以在經(jīng)過放大電路后對信號進行A/D裝換，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入單片機。 圖3-7 A/D轉(zhuǎn)換電路3.3 聲音報警電路由AT89S52的21腳實現(xiàn)聲音報警控制。當(dāng)可燃性氣體濃度或溫度超過限定值時，將P2.0置為低電平，三極管導(dǎo)通，揚聲器發(fā)出鳴叫報警。其電路原理圖如圖3-8所示。 圖3-8 聲音報警電路圖3.5 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)據(jù)采集進來并被成功地由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后，就被傳送到系統(tǒng)的顯示模塊，讓人們更直接地觀察到相關(guān)數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，對LED進行的是動態(tài)掃描，除了給顯示器提供段的輸入之外，還要對顯示器進行位控制。顯示器的第一位顯示所選擇的通道號，而后三位則顯示該通道傳送進來的相應(yīng)的數(shù)字量。圖3-9 數(shù)碼管顯示電路圖 35 狀態(tài)指示燈及控制鍵電路 圖3-10 狀態(tài)指示燈電路 圖3-11 控制按鍵連接示意圖P2.1：S1功能轉(zhuǎn)換鍵，按此鍵則開始鍵盤控制。P2.5：S2加，按此鍵則溫度設(shè)定值加一度或煙霧濃度增加0.01。P2.6：S3減，按此鍵則溫度設(shè)定減少一度或煙霧濃度減少0.01。RST： S4復(fù)位鍵，使系統(tǒng)復(fù)位。3.6 報警器故障自診斷判斷傳感器電源連接情況。在傳感器的地端串聯(lián)一個電阻R，當(dāng)傳感器正常連接時，電阻和傳感器分壓，此時電阻兩端有微弱的電壓，單片機可以通過P2.1口檢測到：如果如果傳感器電源連接不正常，則會產(chǎn)生斷路，檢測到電阻兩端電壓為0。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 主程序流程圖 主程序流程圖如圖4-1所示：Y開始初始化傳感器預(yù)熱、故障檢測鍵盤處理報警限設(shè)置報警子程序平均值法濾波線性化處理設(shè)置指示燈狀態(tài)YN是否按下模式切換A/D轉(zhuǎn)換N是否超過報警限濃度顯示 圖4-1 主程序流程圖4.2 主程序初始化流程圖主程序初始化流程圖如圖3-2所示。這部分實現(xiàn)的功能包括各種I/O輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、寄存器初始化、中斷使能等。首先設(shè)定定時器工作方式，然后開系統(tǒng)中斷，以便響應(yīng)中斷定時，及時對氣體濃度和溫度進行采樣。然后關(guān)閉蜂鳴器，開啟綠燈，設(shè)置報警限初值。開始定時器初始化開中斷關(guān)閉蜂鳴器，打開綠燈設(shè)定初值YN是否保持報警初值返回 圖4-2 主程序初始化流程圖 4.3 濾波子程序開始設(shè)定采樣次數(shù)調(diào)用A/D采樣求第二個到第九個采樣值的累加和將累加和求平均值送入寄存器NY已達(dá)到設(shè)定次數(shù)將采樣值排序 圖4-4 濾波子程序流程圖4.4 線性化子程序根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機的某一電壓值對應(yīng)的煙霧濃度的 公式如下： 式中，N為所分區(qū)間個數(shù)，f(x)為實際煙霧檢測濃度，x為實際氣體檢測濃度對應(yīng)的電壓值，xi是區(qū)間的下限濃度對應(yīng)電壓值，xi+1是區(qū)間的上限濃度對應(yīng)電壓值，f(xi)為區(qū)間下限煙霧濃度值，f(xi+1)為區(qū)間上限煙霧濃度值。分段插值法線性化程序流程圖如圖4-5所示：圖4-5 線性化子程序4.5 報警子程序當(dāng)煙霧濃度或溫度值超過報警限設(shè)定值時，蜂鳴器發(fā)聲，對應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關(guān)安全裝置，從而保障生產(chǎn)安全，避免火災(zāi)和爆炸事故的發(fā)生。為防止誤報，在程序設(shè)計上，對煙霧濃度和溫度進行快速重復(fù)檢測和延時報警，以區(qū)別出時管道中煙霧的泄露，還是由于暫時打開閥門產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報。報警子程序流程圖如圖4-6所示。圖4-6 報警子程序流程圖NYNYY開始讀取處理后的氣體濃度值或溫度值延遲20秒后采集一組數(shù)據(jù)YN是否煙霧濃度0.06或溫度100傳感器故障自診斷傳感器有問題返回啟動故障報警復(fù)位鍵是否按下煙霧濃度0.06或溫度100溫度100N啟動火災(zāi)報警4.6 鍵盤處理子程序 按鍵處理子程序流程圖如圖4-7所示。開始掃描鍵值是否有鍵按下延時10ms消抖是否有鍵按下提取鍵值調(diào)用鍵盤處理子程序結(jié)束NNYYY 圖4-7 鍵盤處理子程序流程圖結(jié)論火災(zāi)報警器可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。通過這次設(shè)計，更加深入的理解和掌握了這方面的知識，對本專業(yè)的認(rèn)識也更加深入，使自己對本專業(yè)更加的熱愛，對本科階段四年的學(xué)習(xí)做了進一步的總結(jié)，更加明確了自己學(xué)習(xí)的目標(biāo)和方向。在設(shè)計過程中，自己也學(xué)到了許多新的知識，有很多感悟和體驗心得。而且，對工程設(shè)計的流程和步驟有了清晰的認(rèn)識，為自己日后的學(xué)習(xí)和研究打下了堅實的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 孫育才，MCS-51系列單片微型計算機及其應(yīng)用，第4版，東南大學(xué)出版社，20062 王慶，Protel 99 SE&DXP電路設(shè)計教程，電子工業(yè)出版社，20083 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分，第4版，高等教育出版社,2006 4 劉軍，單片機原理與接口技術(shù)，華東理工大學(xué)出版社，20065 賴壽宏，微型計算機控制技術(shù)，機械工業(yè)出版社，20096 李中望，一種智能火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計方案，安防科技，20087 王忠民，基于單片機的語音數(shù)字聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報警器設(shè)計，現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（10）8 Atmel Corporation 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash AT89S52附 錄