1、基于单片机的家用安保系统ver9设计论文含中英文翻译资料 大学论文第一章 绪 论1.1 课题来源及背景火灾和煤气泄漏是世界上发生频率较高的灾害，几乎每天都有火灾或煤气泄漏事件发生，一旦发生火灾和煤气泄露，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种预先发现灾害的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。安保系统就是为了满足这一需求而研制出来的，并越来越被人们所接受，其自身技术水平也随着人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。1.2 国内外安保系统的现状及发展情况1.2.1 家用安保系统的发展历程家用安保系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段:第一阶段为多线型安
2、保系统，每个探测电路除需提供两根电源线外，还需要提供一根报警信号线，探测电路电源由报警系统提供，探测电路的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯，如日本“日探”公司生产的CPF火灾报警系统。此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能(也为多线制)，如驱动警铃等，其报警器队外围探测电路，无故障检测功能，只会对电源线的断线作出故障反应，安装此类系统比较繁锁，特别是校线工作量较大。 第二阶段为总线型安保系统，已采用微处理器控制。其线制一般为四线制、三线制、二线制。探测电路和模块通过总线与控制器实现信号传送。其探测电路的输出形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整
3、。此类系统可通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制。此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区分。目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品。由于此类产品具有先进的报警和控制功能施工、安装较为方便，且价格较低，己被大量使用。第三阶段为智能型安保系统，由于采用了先进的计算机控制技术，传感器输出信号的调理具有智能性，其智能化程度大大提高。探测电路的输出形采用模拟量，并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。对探测电路的使用环境参数变化较大的所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相高一些
4、，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报。1.2.2 家用安保系统在国外的发展情况国外一些较发达的国家，具有火灾及煤气泄漏预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的消防体系。政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及消防设施维护。德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾及煤气泄漏自动报警设备实时监控以及故障远程传输。例如：美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾及煤气泄漏自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。他们将自动火灾及煤气泄漏报警作为公共报警手段接入监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确判
5、断危害地点、类型，并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾及煤气泄漏报警数据通信畅通，为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的报警信息，而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。这种管理运作方式已经取得了良好的效果。1.2.3 家用安保系统在国内的发展情况我国火灾及煤气泄漏报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪70年代我国才开始研制生产火灾及煤气泄漏报警系统产品。进入80年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的
6、核心技术，并且市场也刚刚开始发育。火灾及煤气泄漏报警产品真正发展是在90年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。这时期，我国生产火灾及煤气泄漏报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平。1.3 课题研究内容及意义1.3.1 课题研究内容本文设计的家用安保系统是以AT89C51单片机作为控制中心，接受、处理火灾和煤气泄露探测电路输出的报警信号并进行声音报警，同时执行相应的辅助控制等任务。本论文一共分为四部分介绍。第一部分是绪论
7、；第二部分是系统简介；第三部分是家用安保系统硬件设计，分别介绍传感器电路、A/D转换电路、单片机机控制电路、声音报警控制电路、排气控制电路，温度显示电路以及小区联动等；第四部分是家用安保系统软件设计，介绍各部分软件流程及整体软件设计；第五部分是结论与展望。1.3.2 课题研究意义家用安保系统是将探测与报警并加以控制处理的系统。为了及时发现火灾及煤气泄漏隐患并报警，家庭住宅已采用家用安保报警系统。随着我国经济建设的发展，住宅对火灾报警和煤气泄漏报警系统提出了更高的要求。家用安保系统己成为家庭住宅中必不可少的保安装置。因此，设计简单实用的家用安保系统有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的
8、重要意义。第二章 系统方案论证本次设计的内容是基于单片机的家用安保系统，就是利用传感器对所需要的模拟信号(温度、气体信号)进行采集，并用A/D转换器将其转变成对应的数字信号，再由单片机对其进行处理，并向控制电路发出相应的控制信号(显示与报警等)，同时可用数字键盘设置温度报警和煤气泄露报警等级等。系统方案论证如下：2.1 概述使用家用安保系统的目的就是及早报告火灾及煤气泄漏的发生，从而迅速有效的控制火灾及煤气泄漏，把损失降到最低。而通常设计的安保系统存在以下问题：1.安保系统的维护保养和持续性的技术支持是目前最严重的问题，比例分别为31和27。而造成上述问题的罪魁祸首就是由于缺乏规范、统一的通讯
9、标准。2.安保系统误报、漏报现象也是目前主要存在的问题，环境中各种因素，如：静电、灰尘颗粒、气流、杀虫剂、磁场、气温剧烈变化、水蒸气等都会与火灾及煤气泄漏发生时的状况接近，从而使安保设备发生误判而报警。针对以上这些问题，能够对灾情做出快速、精确探测和有效控制是目前急需解决的问题，所以本课题的目标是：设计一套简单实用、抗干扰能力强、性价比高的家用安保系统。 2.2 系统方案分析根据设计要求，设计的家用安保系统包括探测电路、A/D转换电路、单片机控制电路、显示电路、声音报警电路、键盘电路、排气电路等，下面将对各部分电路进行简单分析。一、探测电路探测电路用于对住宅空间内各区域的火灾信号及煤气泄漏信号
10、进行探测，传感器就是能感知环境中此类信号参数的器件，也是构成探测电路的核心器件。探测火灾信号的传感器目前主要有气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类。由于建筑结构和功能的多元化，为了准确、及时地探测火灾，并进行报警，对火灾探测元件提出了更高的要求。选择火灾探元件器时必须充分考虑火灾探测元件的性能、建筑空间形状、火灾特点和可能发生的危险。 对于普通可燃烧物质的表现形式，首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气供应充分的条件下，才能达到全部燃烧，产生火焰，并散发出大量的热，使环境温度升高（起火过程曲线如图2-1所示）。 图2-1 起火过程曲线如图2-1所示，起火过程中，总是前两个阶段所占有的时
11、间比较长，这是燃烧的开始阶段。如果要把火灾损失控制在最小限度，保证人身不受伤亡，那么火灾的探测元件就应该从此阶段开始进行探测为宜。因此，结合设计的实际需要，选择感温传感器。本系统中，对各类感温传感器进行比较后，根据设计本系统的实际情况出发，在设计系统时选择了由NS公司生产的集成电路温度传感器LM35。目前，用于检测气体成分的方法很多，常见的检测气体的方法有电化法、光学法、电气法。气敏传感器主要是利用物理效应、化学反应等机理制作而成。主要分类有半导体式、固体电解质式、电化学式和接触燃烧式。半导体电阻式气敏传感器是目前广泛应用的气敏传感器之一。它是利用金属氧化物半导体与气体接触时，材料的电导率发生
12、变化的原理来制作的。固体电解质气敏传感器则是利用被测气体在敏感电极上发生化学反应，所生成的离子通过固体电解质传递到参比电极，使电极间产生的电位随气体分压而变化的原理来对气体进行检测的。电化学式气敏传感器是利用电极和电解质组成的电池中，气体与电极进行氧化还原反应，从而使两极间输出的电流或电压随气体浓度而变化的原理制作的。燃烧式气敏传感器是基于强催化剂使气体在其表面燃烧时产生热量，而使贵金属电极电导随气体浓度发生变化来对气体进行检测的。比较上述四类气敏传感器，半导体传感器以其易于实现集成化、微型化灵敏度高等诸多优点，一直引起世界各国科学家的重视和兴趣。由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的
13、各种固态传感器相继问世。这类传感器主要是以半导体为敏感材料，在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化，通过检测这些物理特性的变化，即可反应被测参数值。它与各种结构型传感器相比，具有如下特点：由于传感器是基于物理变化的，因而没有相对运动部件，可以做到结构简单、微型化；灵敏度高，动态性能好，输出为电量；采用半导体为敏感材料易于实现传感器集成化、智能化；功耗低，安全可靠。本系统结合实际应用需要选择国产的QM-N5型气敏传感器来探测气体的浓度。二、A/D转换电路采集的温度信号是模拟信号，需转换成数字信号才能输入单片机以识别。A/D转换器是通过一定的电路，将模拟量转换成数字量的装置，它
14、是数据采集通道中的一个重要环节，是信号转换的一种主要方式。A/D转换器种类很多，目前应用广泛的主要有3种，逐次逼进式、双积分式和V/F变换式。其转换原理各不相同，本系统选择逐次逼近式A/D转换器，其是使用最多的一种A/D转换方法。逐次逼近式A/D转换器主要包含D/A转换器、比较器、输出锁存器、移位寄存器和控制逻辑等部分。其主要原理是，将输入的待转换的模拟信号Uin与一个推测信号Ui相比较，根据推测信号大于还是小于输入信号来决定需要增大还是减小该推测信号，以便逐步向输入模拟信号逼近。推测信号由D/A转换器的输出获得，当推测信号与模拟信号相等时，向D/A转换器输入的数字量就是对应的模拟信号的数字量
15、。目前，中外厂家已生产出位数(如8位、10位、12位、14位、16位，直到24位不同的各种型号的A/D转换器，本系统中选用了由美国模拟器件公司生产的低功耗8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809作为模数转换器件。三、控制芯片的确定：在智能系统中，控制芯片起到核心的作用，它就像人的大脑一样，控制身体的各个器官的工作。在智能系统中，模数转换、数据显示、键盘设定和报警等都要受到它的控制，目前，市场上的单片机种类很多，有8位、16位、32位的；有PHILEPS公司生产的，有ATMEL公司生产的，也有INTEL公司生产的等等。不同的产品具有不同的优缺点，从价格、性能、实际情况等诸多方面考虑，本次设计选择
16、了由ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为控制系统的核心。四、显示电路显示电路的功能是将采集到的温度数据以数据的形式直观低显示出来，同时在键盘设定状态下，显示当前设定的数值。本次设计采用8段LED显示器构成显示电路。五、键盘电路键盘是智能系统的输入设备，它是向人们提供通道来控制智能系统的工作。在本系统中用于设置温度上限报警和室内煤气浓度报警等级。实际应用中，有单按键组成的键盘和矩阵按键组成的键盘，它们各有优缺点，单按键电路简单，但不便于人们使用，而矩阵按键比较直观易懂，特别适合民用。因此，本系统设计的键盘采用34矩阵键盘。六、声音报警电路声音报警电路的功能是当室内发生灾情时，系统就会启动
17、扬声器发出声音来提醒人们采取相应措施来解决灾情。七、排气电路拍气电路通过启动排气扇来排出当室内发生灾情时室内泄露的煤气，以及降低火灾释放出的温度和烟雾浓度。2.3 系统方案确定方案选择的好坏，影响系统的性能、成本、可靠性等多方面因素。根据上述方案的分析，添加小区联动，以AT89C51为控制核心实现所要求功能的小型智能家用安保系统的硬件总体设计框图如图2-2所示：图2-2 系统硬件总体设计框图第三章 家用安保系统硬件设计家用安保系统的硬件由探测电路模块、A/D转换电路模块、单片机控制模块和系统监视模块组成。探测模块用于对住宅空间内各区域的火灾信号及煤气泄漏信号进行探测，A/D转换电路模块将探测的
18、电压信号进行模数转换，得到数字信号输入单片机。单片机控制模块完成火灾及煤气泄漏信号查询、处理。监视模块完成对危险的报警、现场处理、通讯等功能。下面对这些电路的设计分别进行介绍。3.1 探测电路模块设计在一个基本的报警系统中，作为探测报警信号的探测电路必不可少的部分，其性能的可靠性直接关系到整个系统的技术指标、可靠性及能否安全工作，对系统设计的成败起关键作用。因此，设计一个高效、可靠、稳定的探测电路是一项重要的设计工作。本系统的探测电路包括两部分，一是对火灾探测电路，这部分主要是通过探测温度信号来完成对火灾信号的探测；二是对煤气泄漏探侧电路，则是通过探测气体信号来实现其探测。3.1.1 火灾探测
19、电路设计系统采用的由NS公司生产的集成电路温度传感器LM35，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。因而，从使用角度来说，LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处，LM35无需外部校准或微调，可以提供1/4C的常用的室温精度。主要工作参数如下：工作电压：直流430V；工作电流：小于133A；输出电压：+6V1V； 输出阻抗：1mA负载时0.1；精度：0.5C精度（在+25C时）；漏泄电流：小于60A；比例因数：线性+10.0mV/C ；非线性值：1/4C；校准方式：直接用摄氏温度校准；封装：密封TO-46晶体管封装或塑料TO-92晶体管封装
20、；使用温度范围：55+150C额定范围。火灾探测电路采用核心部件是LM35AH，供电电压为直流15V时，工作电流为120mA，功耗极低，在全温度范围工作时，电流变化很小。LM35的输出电压与摄氏温度的线性关系可用公式(3-1)表示，0C时输出为0 V，每升高1C，输出电压增加10 mV。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其接法如图3-1(a)与图3-1(b)所示。正负双电源的供电模式可提供负温度的测量，单电源模式在25C下电流约为50 mA，非常省电。本系统采用的是单电源模式，设计的火灾探测电路如图3-2所示。Vout(T)=10mV/CTC (3-1)图3-1(a) 单电源模式 图3-
21、1(b) 双电源模式图3-2 火灾探测电路3.1.2 煤气泄漏探测电路设计本系统结合实际应用需要选择的国产QM-N5型气敏传感器来探测气体的泄露，QM-N5型气敏传感器是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。QM-N5型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短。其具有以下特点：用于可燃性气体的检测(CH4、C4H10、CO等)；灵敏度高；响应速度快；输出信号大；寿命长，工作稳定可靠。QM-N5型气敏传感器的主要
22、技术指标如表3-1所示。表3-1 QM-N5型气敏传感器的主要技术指标 加热电压（Vh） AC或DC 50.2V响应时间(trec)10S回路电压（Vc）最大DC 24V恢复时间(trec)30S 负载电阻（Rl）2K元件功耗0.7W清洁空气中电阻 （Ra） 2000 K检测范围5010000ppm灵敏度（S=Ra/Rdg）4(在1000ppmC4H10中)使用寿命2年煤气泄漏探测电路采用QM-N5型气敏传感器来探测气体的泄露，电路如图3-3所示。探测电路中的气敏传感器以QM-N5的输出经A1电压跟随器加到差动放大器A2的同相输入端，A2输出是放大同相输入端和反相输入端的差动放大信号。A3位同
23、相放大器，通过电阻R可调A3的增益，也就是调节A4A8比较器的同相输入端的电压控制其输出，进而与单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口一同控制其报警等级，从而完成对煤气泄露的报警。图3-3 煤气泄漏探测电路3.1.3 信号放大电路由于温度传感器LM35和QM-N5型气敏传感器输出的电压范围均约为00.99 V，虽然这些电压范围在A/D转换器的输入允许电压范围内，但该电压信号较弱，此时就需要通过运算放大器对信号进行放大，如果不进行放大直接进行A/D转换则会导致转换成的数字量太小、精度低。集成运算放大器是具有差分输入和直接耦合电路的高增益、宽频带的电压放大器。 它的成本低 , 用途广泛。
24、当集成运算放大器外接不同的反馈网络后,能实现多种电路功能：可作为放大器、模拟运算、有源滤波、振荡器、转换器( 如：电流/压转换器、频率/电压转换器等 )、可构成非线性电路(如：对数转换器、乘法器等)等。集成运算放大器的类型很多，按特性分类有：通用型、高精度型、低功耗型、高速型、单电源型和低噪声型等。按构造分类有：双极型、结型场效应管输入型、MOS场效应管输入型和CMOS型等。系统中选用通用型放大器A308对LM35输出的电压信号进行幅度放大，还可对其进行阻抗匹配、波形变换、噪声抑制等处理。其主要极限参数( 最大额定值 ) 如下：最大电源电压： 18V；最大差分电压( 同相端与反向端之间的输入电
25、压 ): 30V；最大输入电压: 15V；允许工作温度:0 C +70 C；允许功耗:IIIW；最大输出电压: 比电源电压略低。系统采取同相输入，电压放大倍数为5倍，输入信号来自温度传感电路或煤气泄漏传感电路，经信号放大后输出到A/D转换电路，完成信号放大，电路图如图3-4所示。图3-4 信号放大电路3.2 A/D转换电路模块设计 由第2章所述，采集的温度信号是模拟信号，需转换成数字信号才能输入单片机以识别。目前，中外厂家已生产出位数(如8位、10位、12位、14位、16位，直到24位)不同的各种型号的A/D转换器，本系统中选用8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809，其引脚图如图3-5所示。
26、它共有28个引脚，其中：D0D7输出数据线；IN0IN78路模拟电压输入端；ADDA、ADDB、ADDC路地址输入；START启动信号输入端，下降沿有效；ALE路地址锁存信号，用来锁存ADDAADDC的地址输入，上升沿有效；EOC变换结束状态信息，高电平表示一次变换以结束；OE读允许信号，高电平有效；CLK时钟输入端；VREF(+)、VREF(-)参考电压输入端。 图3-5 ADC0809引脚图ADC0809的工作时钟为10kHz1.2MHz，一次变换时间为100s。ADC0809工作时的定是关系如图3-6所示。从图中可以看到，在进行A/D变换时，路地址应先送到ADDAADDC输入端。然后在A
27、LE输入端加一个正跳变脉冲，将路地址锁存到ADC0809内部的路地址寄存器中。这样，对应路的模拟电压输入就和内部变换电路接通。为了启动变换工作序列，必须在START端加一个负跳变信号。此后变换工作开始进行，标志ADC0809正在工作的状态信息是EOC由高电平(闲状态)变为低电平(工作状态)。一旦变换结束，EOC信号就又由低电平变为高电平。此时只要在OE端加一个高电平，即可打开数据线的三态缓冲器从D0D7数据线读得一次变换后的数据。图3-6 ADC0809定时关系经过ADC0809变换器转换后的数字量在输入到单片机时，要通过地址锁存器将ADC0809接到单片机扩展总线上。系统选择地址锁存器74L
28、S373将ADC0809接到单片机扩展总线上。锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性)，常应用在地址锁存及输出口的扩展中。74LS373是低功耗肖特基TTL8D锁存器，内部有8个相同的D型(三态同相)锁存器，由两个控制端(11脚G或EN；1脚OUT、CONT、OE)控制。当OE接地时，若G为高电平，74LS373接收输出的地址信号；如果G为低电平，则将地址信号锁存。其工作原理是，74LS373的输出端Q0Q7可直接与总线相连，当三态允许控制端OE为低电平时，Q0Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受
29、影响。当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。当LE为低电平时，Q被锁存在已建立的数据电平。74LS373的引脚图如图3-7所示，真值表如表3-2所示。 图3-7 74LS373引脚图 表3-2 74LS373真值表 74LS373引出端符号如下： D0D7数据输入端OE三态允许控制端（低电平有效） LE锁存允许端Q0-Q7输出端 74LS373主要工作参数如下：电源电压：7V；输入电压：7V；输出高阻态时高电平电压：5.5V； 工作温度：070；存储温度：-65150。ADC0809需外接变换时钟和参考电压，在实际应用中变换时钟常将单片机的时钟经分频得到，而参考电压常用现成的由厂家提供的
30、高精度电源集成块。时钟的变换电路由4013双D触发器构成，经4次分频后得到ADC0809的变换时钟500KHz。变换时钟电路的时钟输入由单片机的ALE口输出，其电路图如图3-8所示。图3-8 变换时钟电路系统A/D转换电路由ADC0809转换器、74LS373地址锁存器和双D触发器4013构成，实现对采集的温度模拟信号的转换。因此，只要使用ADC0809转换器的输入通道IN-0即可。并用低3位数据线通过74LS373地址锁存器控制采集通道，同时使用AT89C51单片机的P2.7口控制ADC0809转换器的读写控制。设计中采用延时方式模数转换，单片机AT89C51控制ADC0809的开始转换、延
31、时等待AD转换结束以及读出转换好的8位数字量至单片机进行处理。其电路如图3-9所示。图3-9 A/D转换电路3.3 单片机控制模块设计 在基于单片机开发的系统中，单片机的作为系统的核心是无可质疑的，他完成对系统控制，单片机控制模块设计的好坏，直接关系到整个系统的可靠性、稳定性、安全性等性能指标。因此，设计一个好的单片机控制系统，对整个安保系统的成败起决定性作用。根据系统的具体要求，选择由Ateml公司生产的AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51是一个低功耗
