1、毕业设计火灾报警器 毕 业 设 计学生姓名学 号系 (部)专 业机电一体化技术题 目火灾报警器毕业设计指导教师 （姓 名） （专业技术职称/学位） （姓 名） （专业技术职称/学位）2017年9月摘 要：随着现代家庭用火、用电量正在逐年增加，家庭火灾发生的频率越来越高，火灾烟雾报警器也随之被广泛应用于各种场合。本设计是利用单片机结合传感器技术而开发了这一火灾烟雾报警系统。论文中主要烟雾报警器系统各个组成部分进行了介绍，对它的主控电路和外围设备电路之间的接口技术，还有软件方面进行了重点介绍。 关 键 词：报警器，80C51，声光传感器1 绪论1.1 声光报警器的发展及现状1.1.1 火灾探测技术
2、 火灾作术为一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，对人类生命财产和社会安全构成了极大的威胁。由此引发的重大安全事故比比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究。火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程，它除了自身的物理化学变化以外还会受到许多外界的干扰，火灾一旦产生便以接触式(物质流)和非接触式能量流)的形式向外释放能量。接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等。非接触式如声音、辐射等。火灾探测技术就是利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另外一种易于处理的物理量。各种探测器对应的火灾物理参量及探测器如图1-1所示。图1-1 各种探测器对应的火灾物理参量及探测器1.1.2 火灾
3、探测器的发展趋势探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术弱信号处理技术、低功耗MCU技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。火灾着极早期探测、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。 近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。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。2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，
4、它也可以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。1.2 论文研究的目的及意义 目的：随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。家庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火灾的30%左右。家庭起火的原因林林种种，可能在我们注意得到的地方，也可能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭眼间毁于一旦,有的导致家破人亡,而且一旦发生
5、居民家庭火灾,处置不当、报警迟缓,是造成人员伤亡的重要因素。所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾的发生。这就是我们研究声光报警器的目的。意义：在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。假如能根据您家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。声光报警器对防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。一系列火灾造成的惨痛损失也使全国各界意识到了声光报警器的必要性。据调查，在最近发生火灾的大多数房屋都没有安装报警器。所以，声光报警器在预防火灾发生上有着非常重大的意义。1.3 论文内容第一章 绪论 本章本主要介绍了声光报警器的发展
6、史及发展趋势。对声光探测器进行了系统性的阐述。还有论文研究的目的和意义进行了简单的解释。第二章 基于C51单片机的声光报警的设计方案 本章是根据论文的要求分析了论文的主要任务。继而概括出整个设计的主要思想和确定出设计方案。第三章 系统硬件实现 本章针对的是系统硬件是设计。在对整个系统硬件设计时，我们主要从它的主控电路80C51（单片机的复位电路、时钟电路）的设计和外围电路（声光报警电路、A/D转换电路）的设计来具体介绍。还有对在设计中用到的声光传感器进行了重点介绍。第四章 软件实现 本章是论文的软件部分。其中，我们熟悉了整个程序设计的运行环境keil。还有程序的编写过程，对程序做了相应的注释。
7、第五章 调试 本章着重与软件的调试。在运行环境中我们调试的步骤以及在运行中出现的问题及解决的方法。最后附上结束语（我的感想）、谢辞和参考文献。2 基于C51单片机的声光报警的设计方案2.1 任务分析单片机应用系统可以分为智能仪器表和工业测控系统两大类，无论哪仪类，都必须以市场需求为前提。所以，在系统设计前，首先要进行广泛的市场调查，了解该系统的时常应用概况，以分析系统当前存在的问题，研究系统的时市场前景，确定市场开发设计的目的和目标。简单地说，就是通过调研克服旧缺点，开发新功能。根据论文的设计要求：熟悉Keil编程环境；熟悉有关探测器的理论知识；给出设计方案；此次的设计先从硬件设计上着手。先要
8、整理出声光报警系统的整体思路。确定出方案设计中需要的硬件设备。我们在确定了大的方向基础上，就应该对系统实现进行规划。包括应该采集的信号种种类、数量、范围，输出信号的匹配和转换，传感器的选择，技术指标的确定等。2.2 设计方案2.2.1 方案设计思想此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学三年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的声光报警系统。80C51单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。当周围的环境达到我们设定的数值时，声光传感器把被测的物理量作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。物理量和测量范围的不
9、同，传感器的工作机理和结构就不同。通常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）。1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。而我们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合A/D转换器的输入等级，这样就可以简化整个系统的设置。传感器将物理信号经过A/D转换器转化为可以利用识别的电信号给单片机，这里我们选择单片机的P1.0为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定会由P2.0作为单片机的输出直接启动报警电路。此时，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时二极管发光，这就达到了声光报警的效果。2.
10、2.2 总体框图根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了声光报警系统的总体框图如图2-1所示下：图2-1声光报警系统的总体框图使用80C51单片机，选用声光传感器作为敏感元件，利用AD574A转换器和声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位火灾报警的声光报警器。整个设计由4大部分构成：声光传感器、A/D转换电路、80C51单片机、声光报警电路。其中，声光传感器是将现场温度、声光等非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将声光传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。综合考虑各因素，本文选择NIS-09声光传感器用作采集系统的敏感
11、元件。它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。A/D转换器选用AD574A转换器。3 系统硬件实现3.1 主控电路设计硬件设计中最核心的器件是单片机80C51，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比较。整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机80C51实现其控制功能。3.1.1 80C51系列80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。多年来的应用实践已经证明，80C51的系统结构合理，技术成熟，许多单片机芯片倾力于提高80C51系列产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品的地位，近
12、年来推出的与80C51兼容的主要产品有：ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机；Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机；华邦公司提出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机；ADI公司推出的AdC8系列高精度ADC单片机；LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机；Maxim公司推出的DS89420高速(50MIPS)单片机；Cygnal公司推出的C8051F系列高速单片机。由此可见，80C51已经成为事实上的单片机主流系列，所以，本次设计选择80C51单片机。3.1.2 80C51的基本结构80C51的基本结构如图3-1所示图3-
13、1 80C51的基本结构由图可见，80C51单片机主要由以下部分组成：CPU系统 8位CPU，含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。存储器系统 4KB的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可扩至64KB）；128KB数据存储器（RAM，可再扩64KB）；特殊功能寄存器SFR。I/O口和其他动能单元4个并行I/O口；2个16位定时/计数器；1个全双工异步串行口；中断系统（5个中断源，2个优先级） 3.1.3 80C51单片机的的封装和引脚80C51系列单片机采用双列直插式（DIP）.QFP44（Quad Flat Pack）和LCC（Leaded Chip Caiier）形式封装。这里仅
14、介绍常用的总线型DIP40封装。如图3-2所示。40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚电源: VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端；图3-2 80C51单片机的的封装和引脚时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 控制线:控制线共有4根， ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。RST（Reset）功能：复位信号输入端。
15、 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。3.1.4 80C51单片机的时钟振荡器和时钟电路80C51内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。80C51的时钟产生方法有以下两种。a 内部时钟方式利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTALl和
16、XTAL2两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，Cl和C2的值通常选择为30pF左右；Cl、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl和XTAL2靠近。图3-3 80C51时钟电路接线方法b 外部时钟方式此方式是利用外部振荡脉冲接入XTALl或XTAL2。HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同。表3-1 80C51单片机外部时钟接入方法芯片类型接线方法XTAL1XTAL2HMOS接
17、地接片外时钟脉输入端（引脚需接上拉电阻）CHMOS接片外时钟脉冲输入端悬空3.1.5 80C51单片机的复位 在整个声光报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。复位电路设计单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。我们在设计单片机复位时，选用上电复位。上电复位上电复位利用电容器的充电实现。图3-4是80C51单片机的上电复
18、位电路。图中给出了复位电路参数。图3-5是80C51单片机的上电+按键复位电路。上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电阻值和我电容参数为：晶振为12MHZ，电容值为10uF，电阻值为8.2K。图3-4 上电复位电路 图3-5上电+按键复位电路复位状态： 初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0R7）的状态，复位后80C51片内各特殊功能寄存器的状态如表所示，表中“x”为不定数。 表3-2复位后的内部特殊功能寄存器状态寄
19、存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HBSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL000HP0P3FFHSCON00HIPxx000000BSBUFxxxxxxxxBIE0x000000BPCON0xxx0000B复位时，ALE和成输入状态，即ALE= 1，片内RAM不受复位影响。复位后，P0P3口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态，并将07H写入堆栈指针SP，同时将PC和其余专用寄存器清0。此时，单片机从起始地址0000H开始重新执行程序。所以，单片机运行出错或进入死循环时，可使其复位后重新运行。3.2
20、 外围接口电路设计3.2.1 NIS-09声光传感器简介 在设计中我们之所以选用NIS-09声光传感器，是因为它的输出模拟量与我们所用的A/D转换器输入等级相符合。（NIS-09声光传感输出电压是5.6+0.4v，A/D转换器的输入量程是0+10V）声光传感器主要有以下两种：散射式 在发光管和光敏电阻之间设置遮光屏，无声光时光敏元件接收不到信号，有声光时使光敏元件发出信号。离子式用放射性同位素镅Am241放射出微量的a射线，使附近空气电离，当平行平板电极间有直流电压时，产生离子电流Ik。有声光时，微粒将离子吸附，而且离子本身也吸收a射线，其结果是离子Ik减小。若有一个密封装有纯净空气的离子室作
21、为参比元件，将两者的离子电流比较，就可以排除外界干扰，得到可靠的检测结果。 在本次设计中，我们选用NIS-09声光传感器。它是离子式烟雾传感器，是日本NEMOTO公司专为检测延误而精心设计的新型传感器。3检测方式：离子型，一源两室。放射参数：电源电压是DC 9v，输出电压是5.6+0.4v 电流损耗是27+3pA ，灵敏度是0.6+0.1v。特性参数如下表所示：a灵敏度特性 （根据UL217标准风速0.1M/秒）b电源电压特性（25 60RH）c温湿度特性 温度特性（温度60）d温度特性（温度25）源： 放射元素是媚241，放射量是平均33.3KBq.=0.9uCi（29K37KBq）。工作环
22、境： 电源电压是DC6.0-18.0V，最大24V；温度是0-50，最大-10-60，温度95。保存温度-25-80，温度95。典型特性:表3-3 特性参数声光强度 （%英尺）输出电压（V）误差（V）05.60.4015.30.50.30.125.00.50.60.134.70.50.90.244.40.51.20.254.20.51.40.2电源电压输出电压（V）63.30.395.60.4128.00.71510.00.851813.01.0 （a） 灵敏度特性 （b）电源电压特性温度（）输出（V）05.150.4255.60.4505.850.4湿度（%C）输出（V）305.750.56
23、05.60.4905.450.4 （C) 温度特性 （d）温度特性长期稳定性测验如下表所示：表3-4 长期稳定性测验名称方法标准高温储存特性高温805不通电的情况下储存72小时保持特性参数不变，不变形、不变色、不产生裂纹低温储存特性低温-3005不通电的情况储存72小时保持特性参数不变，不变形、不变色、不产生裂纹高温储存特性在405，855RH不通电的情况储存72小时保持特性参数不变，不变形、不变色、不产生裂纹震动实验共振频率10-35HZ，振幅5HZ0.25，如果不产生共振，则用频率35HZ震荡4小时保持特性参数不变，不变形、不变色、不产生裂纹跌落实验三个不同方向把器件从1M高度自由落体跌落
24、到木板上保持特性参数不变，不变形、不变色、不产生裂纹3.2.2 AD574A简介AD574A型快速12位逐次比较式AD转换器为美国模拟器件公司产品。一次转换时间为25s，转换速率为40MSPS，分辨率12位，非线性误差小于1/2LSB。采用28脚双立直插式封装，各引脚功能如图3-6所示，图3-7是其管脚 图3-6 D574A引脚功能图3-7 管脚图AD574A引脚功能:DB11DB0:12位数据输出线。DB11为最高，DB0为最低，它们可由控制逻辑决定是输出数据还是对外成高阻状态。12/8：数据模式选择。当此引脚输入为高电平时，12为数据并行输出；当此引脚为低电平时，与引脚A0配合，把12位数
25、据分两次输入。应该注意，此引脚不与TTL兼容，若要此引脚为高电平，应直接按脚1；若要此引脚为低电平，应接引脚15.A0：字节选择控制。此引脚有两个功能，一个功能是决定方式是12位是8位。若A0=0，进行全12位转换，转换时间为25us；若A0=1,仅进行8位转换，转换时间为16us，另一个功能是决定输出数据是高8位还是低4位。若A0=0，高8位数据有效；若A0=1，低4位有效，中间4位为“0”，高4位为高阻状态。因此，低4位数据读出时，应遵循左对齐原则（即：高8位+低4位+中间4位的0000）。CS:芯片选择。当CS=0时，AD574A被选中；否则AD574A不进行任何操作。R/C：读/转换选
26、择。当R/C=1时，允许读取结果；当R/C=0，允许A/D转换。CE：芯片启动信号。CE=1时，允许读取结果，到底是转换还是读取结果与R/C有关。STS：状态信号。STS=1表示正在进行A/D转换，STS=0表示转换已完成。REFOUT：+10V基准电压输出。REIN准电压输入。只有此脚把从“REFOUT”脚输出的基准电压引入到AD574A内部的12位DAC(AD565),才能进行正常的A/D转换。BIPOFF：双极性补偿。此引脚适当连接，可实现单极性或双极性输入。10VIN：10V量程模拟信号输入端。对单极性信号为10V量程的模拟信号输入端，对双极性信号为5V模拟信号输入脚。20VIN：20
27、V量程输入端。单极性信号为20V量程模拟信号输入端，对双极性信号为10V量程模拟信号输入脚。DG：数字地。各字电路（译码器、门电路、触发器等）及“+5V”的电源地。AG：模拟地。各模拟器件（放大器、比较器、多路开关、取样保持器等）地及“+15V”和“-15V”电源地。VLOG：逻辑电路供电输入端，+5V.VCC:正电源端，VCC=+12+15V。VEE：负电源端，VEE=-15-12V。AD574A的单极性和双极性输入如图3-8所示 图3-8 （a）单极性输入 （b） 双极性输入单极性输入电路：如图（a）所示是AD574A系列的模拟量单极性输入电路。当输入电压为VIN=0+10V时，应从引脚1
28、0VIN输入，当VIN=020V，应从20VIN输入。数字量D为无符号二进制码，计算公式为D=4096VIN/VFS。图中电位器RP1用于调零，即保证在VIN=0时，输出数字量D为零。双极性输入电路：电路图如图3-8（b）所示。图中RP2用于调整增益，其作用与图（a）中RP2的作用相同。图中RP1用于调整双极性电路输入零点。如果输入信号VIN在-5=5V之间，应从10VIN引脚输入；当VIN在-10=10V之间，应从20VIN引脚输入。根据声光传感器所输出的电压量，故选用单极性输入。 3.2.3 AD574A与80C51单片机接口电路AD574A系列的所有型号和功能因脚和排列都相同，因而它们与
29、单片机借口也相同。AD574A所有型号都有内部始终电路，不需要任何外接器件和连线。图3-9为AD574A与80C51单片机的接口电路。该电路采用双极性输入方式。根据声光传感器输出电压是5.6+0.4v，在设计时我们选用单极性输入方式。4 图3-9 AD574A与80C51单片机的接口电路当AD574A与80C51单片机配置时，由于AD574A输出12位数据，所以当单片机读取转换结果时，应分两次进行：当A0=0时，读取高8位；当A0=1时，读取低4位。图中AD574A的STS与80C51的P1.0线相连，故采用查询方式读取转换结果。3.2.4 声光报警电路声光报警电路由单片机P2.0口控制，输出
30、报警信号(高低电平间隔1 s的脉冲信号)，驱动声光报警电路，直至按复位键RESET和开关键。声光报警电路由555定时器、扬声器和普通发光二极管组成，电路图如图3-10所示。其中555定时器接成了一个低频多谐振荡器，其控制电压出入端5脚与单片机80C51的P2.0端相连，受P2.0脚输出的脉冲信号控制。由电容C4的充冲放电作用，当P2.01时，555输出脉冲的振荡频率较低，当P2.00时，555输出脉冲的振荡频率较高。该脉冲信号经隔置电容C2加到扬声器上，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时P2.0脚输出的高低电平间隔1 s的脉冲信号经电阻R1加到发光二极管LED上，LED将闪烁发光，达到声光同时报警的效果。图3-10 声光报警电路 3.3 总电路设计根据要求，设计中我们选用80C51单片机。80C51单片机的主控电路包括时钟电路、复位电路。两电路的接法在3.1.4和3.1.5中分别做了详细的介绍，这里不再赘述。
