單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

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1、任務(wù)書(shū) 本文采用氣體傳感器、溫度傳感、AT89S52單片機(jī)以及LED顯示燈模塊設(shè)計(jì)了一種智能火災(zāi)報(bào)警器，可以實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、故障自診斷、濃度顯示、報(bào)警限設(shè)置、延時(shí)報(bào)警及與上位機(jī)串口通信等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的火災(zāi)報(bào)警器，具有一定的實(shí)用價(jià)值。 本系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為處理器，主要完成以下工作： 1. 基于AT89S52的火災(zāi)報(bào)警檢測(cè)設(shè)計(jì)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(jī)的接口電路設(shè)計(jì)。 3. LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片ICM7218與單片機(jī)的接口電路及其與數(shù)碼管的

2、硬件連接。 4. 設(shè)計(jì)主要軟件程序模塊，完成軟件設(shè)計(jì)。 目錄 第1章 緒 論 1 選題背景及意義 1 第2章 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的工作原理 2 2.1 系統(tǒng)總體功能概述 2 2.2 火災(zāi)探測(cè)器的原理 3 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 55 3.1 單片機(jī)外圍接口電路 8 3.2 信號(hào)處理電路 9 3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊 10 3.4 聲音報(bào)警電路 11 3.5 數(shù)碼管顯示電路 12 3.6 報(bào)警器故障自診斷 14 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 15 4.1 主程序流程圖 1

3、5 4.2 主程序初始化流程圖 16 4.3 濾波子程序 16 4.4 線性化子程序 17 4.5 報(bào)警子程序 19 4.6 鍵盤(pán)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(shí)證明，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)財(cái)富日益增加，火災(zāi)給人類、社會(huì)和自然造成的危害范圍不斷擴(kuò)大，它不僅毀壞物質(zhì)財(cái)產(chǎn)，造成社會(huì)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(shí)讓人們逐漸認(rèn)識(shí)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(shí)的報(bào)警機(jī)制可以大大降低人員的上網(wǎng)，為社會(huì)減少不必要的損失。

4、 第2章 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的工作原理 2.1 系統(tǒng)總體功能概述 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一般由火災(zāi)探測(cè)器、區(qū)域報(bào)警器和集中報(bào)警器組成。火災(zāi)探測(cè)器通過(guò)對(duì)火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象——?dú)猓ㄈ紵龤怏w）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測(cè)，將探測(cè)到的火情信號(hào)轉(zhuǎn)化成火警電信號(hào)傳遞給火災(zāi)報(bào)警控制器。區(qū)域報(bào)警器將接收到火警信號(hào)后經(jīng)分析處理發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，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(hào)。集中報(bào)警是將接收到的信號(hào)以聲光形式表現(xiàn)出來(lái)，其屏幕上也顯示出著火的樓層和房間號(hào)，利用本機(jī)專用 還可迅速發(fā)出指示和向消防隊(duì)報(bào)警。此外，也可以控制有關(guān)的滅火系統(tǒng)或?qū)⒒馂?zāi)信號(hào)傳輸給消防控制室。整

5、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(jī) 狀態(tài)指示燈 聲音報(bào)警 濃度顯示 按鍵 串口通信 2.2 火災(zāi)探測(cè)器的原理 火災(zāi)探測(cè)器主要分感煙、感溫、光輻射三大類： （1）感煙探測(cè)器。一種是離子感煙探測(cè)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(chǎng)的作用下各向正負(fù)電極移動(dòng)。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(cè)器。一種是運(yùn)用金屬熱脹冷縮的特性。正常的情況下，探測(cè)器的電路斷開(kāi)，當(dāng)溫度升到一定值時(shí)，由

6、于金屬膨脹、延伸，導(dǎo)體接通，于是發(fā)出了信號(hào)。（3）光輻射探測(cè)器。一種是紅外光輻射探測(cè)器。物質(zhì)在燃燒時(shí)，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(hào)，經(jīng)放大后，就能向人們報(bào)警。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 單片機(jī)外圍接口電路 AT89S52單片機(jī)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(shí)鐘電路的晶振頻率一般選擇在4MHZ~12MHZ之間（該設(shè)計(jì)選用6MHZ），外接兩個(gè)諧振電容。該電容的典型值為30pF,該設(shè)計(jì)選用33pF。 2.復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位采用按鍵高電平復(fù)位，而單片機(jī)在平時(shí)則復(fù)位端為低電平0. 圖3-5

7、 單片機(jī)外圍接口電路 3.2 信號(hào)處理電路 圖3-6 信號(hào)處理電路 對(duì)于傳感器輸出的模擬信號(hào)，一般要用運(yùn)算放大器對(duì)其進(jìn)行調(diào)理或放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬量幅值及極性的要求。在本報(bào)警器電路中，同樣要對(duì)兩類傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理。電路圖如上圖3-6所示，運(yùn)算放大器接成電壓放大電路。從傳感器采集過(guò)來(lái)的微弱電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓放大器的放大，得到較強(qiáng)的模擬電壓信號(hào)。采樣時(shí)，把相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)從Vi端送進(jìn)LM324A進(jìn)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(cè)的電壓信號(hào)為模擬信號(hào)，

8、無(wú)法直接被單片機(jī)所識(shí)別，所以在經(jīng)過(guò)放大電路后對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D裝換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。 圖3-7 A/D轉(zhuǎn)換電路 3.3 聲音報(bào)警電路 由AT89S52的21腳實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警控制。當(dāng)可燃性氣體濃度或溫度超過(guò)限定值時(shí)，將P2.0置為低電平，三極管導(dǎo)通，揚(yáng)聲器發(fā)出鳴叫報(bào)警。其電路原理圖如圖3-8所示。 圖3-8 聲音報(bào)警電路圖 3.5 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)據(jù)采集進(jìn)來(lái)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

9、系統(tǒng)中，對(duì)LED進(jìn)行的是動(dòng)態(tài)掃描，除了給顯示器提供段的輸入之外，還要對(duì)顯示器進(jìn)行位控制。顯示器的第一位顯示所選擇的通道號(hào)，而后三位則顯示該通道傳送進(jìn)來(lái)的相應(yīng)的數(shù)字量。 圖3-9 數(shù)碼管顯示電路圖 3．5 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(kāi)始鍵盤(pán)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

10、％。 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(bào)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(gè)電阻R，當(dāng)傳感器正常連接時(shí)，電阻和傳感器分壓，此時(shí)電阻兩端有微弱的電壓，單片機(jī)可以通過(guò)P2.1口檢測(cè)到：如果如果傳感器電源連接不正常，則會(huì)產(chǎn)生斷路，檢測(cè)到電阻兩端電壓為0。 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 主程序流程圖 主程序流程圖如圖4-1所示： Y 開(kāi)始 初始化 傳感器預(yù)熱、故障檢測(cè) 鍵盤(pán)處理 報(bào)警限設(shè)置 報(bào)警子程序 平均值法濾波 線性化處理 設(shè)置

11、指示燈狀態(tài) Y N 是否按下模式切換 A/D轉(zhuǎn)換 N 是否超過(guò)報(bào)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(shí)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(shí)器工作方式，然后開(kāi)系統(tǒng)中斷，以便響應(yīng)中斷定時(shí)，及時(shí)對(duì)氣體濃度和溫度進(jìn)行采樣。然后關(guān)閉蜂鳴器，開(kāi)啟綠燈，設(shè)置報(bào)警限初值。 開(kāi)始 定時(shí)器初始化 開(kāi)中斷 關(guān)閉蜂鳴器，打開(kāi)綠燈 設(shè)定初值 Y N 是否保持報(bào)警初值 返回 圖4

12、-2 主程序初始化流程圖 4.3 濾波子程序 開(kāi)始 設(shè)定采樣次數(shù) 調(diào)用A/D采樣 求第二個(gè)到第九個(gè)采樣值的累加和 將累加和求平均值 送入寄存器 N Y 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(jī)的某一電壓值對(duì)應(yīng)的煙霧濃度的 公式如下： 式中，N為所分區(qū)間個(gè)數(shù)，f(x)為實(shí)際煙霧檢測(cè)濃度，x為實(shí)際氣體檢測(cè)濃度對(duì)應(yīng)的電壓值，xi是區(qū)間的下限濃度對(duì)應(yīng)電壓值，xi+1是區(qū)間的上限濃度對(duì)應(yīng)電壓值，f(xi)

13、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(bào)警子程序 當(dāng)煙霧濃度或溫度值超過(guò)報(bào)警限設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲，對(duì)應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對(duì)策或自動(dòng)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(bào)，在程序設(shè)計(jì)上，對(duì)煙霧濃度和溫度進(jìn)行快速重復(fù)檢測(cè)和延時(shí)報(bào)警，以區(qū)別出時(shí)管道中煙霧的泄露，還是由于暫時(shí)打開(kāi)閥門(mén)產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失，防止誤報(bào)。報(bào)警子程序流程圖如圖4-6所示。 圖4-6 報(bào)警子程序流程圖 N Y N Y Y 開(kāi)始 讀取處理后的氣體濃

14、度值或溫度值 延遲20秒后采集一組數(shù)據(jù) Y N 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(wèn)題 返回 啟動(dòng)故障報(bào)警 復(fù)位鍵是否按下 煙霧濃度≥0.06％或溫度≥100℃ 溫度≥100℃ N 啟動(dòng)火災(zāi)報(bào)警 4.6 鍵盤(pán)處理子程序 按鍵處理子程序流程圖如圖4-7所示。 開(kāi)始 掃描鍵值 是否有鍵按下 延時(shí)10ms消抖 是否有鍵按下 提取鍵值 調(diào)用鍵盤(pán) 處理子程序 結(jié)束 N N Y Y Y 圖4-7 鍵盤(pán)處理子程序流程圖 結(jié)論 火災(zāi)報(bào)警器可保障生產(chǎn)

15、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(chǎng)空間與發(fā)展前景。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)，更加深入的理解和掌握了這方面的知識(shí)，對(duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí)也更加深入，使自己對(duì)本專業(yè)更加的熱愛(ài)，對(duì)本科階段四年的學(xué)習(xí)做了進(jìn)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(jì)過(guò)程中，自己也學(xué)到了許多新的知識(shí)，有很多感悟和體驗(yàn)心得。而且，對(duì)工程設(shè)計(jì)的流程和步驟有了清晰的認(rèn)識(shí)，為自己日后的學(xué)習(xí)和研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) [1] 孫育才，MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用，第4版，東南大學(xué)出版社，2006 [2] 王慶，Protel 99 SE&DXP

16、電路設(shè)計(jì)教程，電子工業(yè)出版社，2008 [3] 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(jī)原理與接口技術(shù)，華東理工大學(xué)出版社，2006 [5] 賴壽宏，微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2009． [6] 李中望，一種智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，安防科技，2008 [7] 王忠民，基于單片機(jī)的語(yǔ)音數(shù)字聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)，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