1、鄭州航空工業管理學院單片機原理及應用課程設計論文 2009 屆 自動化 專業 * 班級題 目 火災報警器設計 姓 名 * 學號 * 指導教師 * 二一二 年 六 月 二 日一、 火災報警器設計的基本原理此次設計是針對于單片機原理及其應用展開的。其中包含了我們大學三年中所學到的相關知識，運用我們所學的電工技術，傳感器技術，單片機技術去設計基于單片機的聲光報警系統。80C51單片機好比一個橋梁，聯系著傳感器和報警電路設備。當周圍的環境達到我們設定的數值時，聲光傳感器把被測的物理量作為輸入參數，轉換為電量（電流、電壓、電阻等等）輸出。物理量和測量范圍的不同，傳感器的工作機理和結構就不同。通常傳感器輸

2、出的電信號是模擬信號（已有許多新型傳感器采用數字量輸出）。當信號的數值符合A/D轉換器的輸入等級時，可以不用放大器放大；當信號的數值不符合A/D轉換器的輸入等級時，就需要放大器放大。而我們選擇前者，不需要用放大器，選擇數值符合A/D轉換器的輸入等級，這樣就可以簡化整個系統的設置。傳感器將物理信號經過A/D轉換器轉化為可以利用識別的電信號給單片機，這里我們選擇單片機的P1.0為輸入方式，接收到信號的單片機經過程序的設定會由P2.0作為單片機的輸出直接啟動報警電路。此時，揚聲器將發出高、低交替的2種叫聲，同時二極管發光，這就達到了聲光報警的效果。二、設計方案根據方案的設計思想，我們從中就可以得到了

3、聲光報警系統的總體框圖如下圖所示：溫度A/D轉換器80C51聲光報警傳感器濕度煙霧濃度使用80C51單片機，選用聲光傳感器作為敏感元件，利用AD574A轉換器和聲光報警電路，開發了可用于家庭或小型單位火災報警的聲光報警器。整個設計由4大部分構成：聲光傳感器、A/D轉換電路、80C51單片機、聲光報警電路。其中，聲光傳感器是將現場溫度、聲光等非電信號轉化為電信號；轉換電路是將完成將聲光傳感器輸出的模擬信號到數字信號的轉換。聲光報警模塊由單片機和報警電路組成，由單片機控制實現不同的聲光報警功能。綜合考慮各因素，本文選擇NIS-09聲光傳感器用作采集系統的敏感元件。它靈敏度高，穩定性好，適合于火災中

4、氣體的探測。A/D轉換器選用AD574A轉換器。三、硬件設計主控電路設計硬件設計中最核心的器件是單片機80C51，它一方面控制A/D轉換器實現模擬信號到數字信號的轉換，另一方面，將采集到的數字電壓值經計算機處理得到相應的二進制代碼，與設定的值作比較。整個系統的軟件編程就是通過匯編語言對單片機80C51實現其控制功能。單片機的選擇單片機是本方案的靈魂，所以我們選擇是需要慎之又慎，下面我們來拿8031和STC89C5RC做一下比較。 8031片內不帶程序存儲器ROM，使用時用戶需外接程序存儲器和一片邏輯電路373，外接的程序存儲器多為EPROM的2764系列。用戶若想對寫入到EPROM中的程序進行

5、修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入。寫入到外接程序存儲器的程序代碼沒有什么保密性可言。 由于上述類型的單片機應用的早，影響很大，已成為事實上的工業標準。后來很多芯片廠商以各種方式與Intel公司合作，也推出了同類型的單片機，如同一種單片機的多個版本一樣，雖都在不斷的改變制造工藝，但內核卻一樣，也就是說這類單片機指令系統完全兼容，絕大多數管腳也兼容；在使用上基本可以直接互換。我們統稱這些與8051內核相同的單片機為51系列單片機。 在眾多的51系列單片機中，要算 ATMEL 公司的STC89C5RC更實用，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內的4K程序存儲器是

6、FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為 ATMEL AT89Cx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。寫入單片機內的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。而且STC89C5RC目前的售價比8031還低，市場供應也很充足。 單對STC89C5RC來說，在實際電路中可以直接互換8051和8751，替換8031只是第31腳有區別，8031因內部沒有ROM，31腳需接地，單片機在啟動后就到外面程序存儲器讀取指令；而8051/8751/89c51因內部有程序存儲器，31腳接高電平，單片機啟動后直接在內部

7、讀取指令。也就是51芯片的31腳控制著單片機程序從內部讀取還是從外部讀取，31腳接電源，程序從內部讀取，31腳接地，程序從外部讀取，其他無須改動。另外，STC89C5RC替換8031后因不用外存儲器，不必安裝原電路的外存儲器和373芯片。由于內部RAM的存在，可以減少I/O擴展芯片、鎖存器及片外RAM等等，使整個設計顯得簡單明了，所以我們選擇STC89C5RC。 A/D轉換器的選擇 A/D轉換器的種類很多，就位數來分，有8位、10位、12位、16位等。位數越高，其分辨率也越高，但價格也越貴。而就其結構而言，有單一的A/D轉換器，有內含多路開關的A/D轉換器。根據本設計的需要，我選擇的A/D轉換

8、器是ADC0809芯片。ADC0809是美國Analog Device公司生產的8位逐次逼近式模數轉換器，轉換速率高，自帶三態輸出緩沖電路，可直接與各種典型的8位或16位的微處理器相連而無需附加邏輯接口電路，且能與CMOS及TTL兼容，是目前我國應用最廣泛，價格便宜的A/D轉換器。加之內部含有三態輸入緩沖電路，可直接與各種微處理器連接，且無須附加邏輯接口電路，內部設置的高精參考電壓源和時鐘電路，使它不需要任何外部電路和時鐘信號，就能完成A/D轉換功能，應用非常方便。煙霧傳感器的選擇 煙霧檢測報警器主要應用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣 站、噴漆作業等易發生可燃煙霧泄漏的場所，根據報警器檢測煙

9、霧 種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導體煙霧傳感器。 使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。 阻緩是當在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態物質附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反應滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環境中有得到某種程度的恢復的可能，但是如果長期暴露在這樣的環境中，其靈敏度會不斷下降，導致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環境空氣中含有硅烷之類的物質時，則傳感器將 使催化元件產生不可逆轉的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當懷疑檢測環 境中存在這些物質時，經常對探

10、頭進行標定，是必須且有效的辦法。 因此，經常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。一般連續使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。 半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高， 響應快、體積小、結構簡單，使用方便、價格便宜等優點，因而得到廣泛應用。半導體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩 定性(使用壽命)。 經過對比上述兩種煙霧傳感器的應用特性，發現半導體煙霧傳感器的優點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、

11、使用方便、價格便宜，且不會發生探頭阻緩及中毒現象，維護成本較低等。因此，本設計采用半導體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣體傳感器中，本設計選用MQ-2型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優點。 溫度傳感器的選擇 溫度傳感器，使用范圍廣，數量多，居各種傳感器之首。溫度傳感器的發展大致經歷了以下3個階段： 1.傳統的分立式溫度傳感器（含敏感元件），主要是能夠進行非電量和電量之間轉換。傳統的分立式溫度傳感器如熱電偶傳感器。熱電偶傳感器是工業測量中應用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質的影

12、響，具有較高的精度；測量范圍廣，可從-501600進行連續測量,特殊的熱電偶如金鐵鎳鉻，最低可測到-269，鎢錸最高可達2800。 2.模擬集成溫度傳感器/控制器。它的主要特點是功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。 3.智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式想數字式、集成化向智能化及網絡化的方向發展。 溫度傳感器按傳感器與被測介質的接觸方式可分為兩大類：一類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸，通過熱傳導及對流原理達到

13、熱平衡，這是的示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比較高，并可測量物體內部的溫度分布。但對于運動的、熱容量比較小的及對感溫元件有腐蝕作用的對象，這種方法將會產生很大的誤差。 非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。常用的是輻射熱交換原理。此種測穩方法的主要特點是可測量運動狀態的小目標及熱容量小或變化迅速的對象，也可測量溫度場的溫度分布，但受環境的影響比較大。綜合以上，我選擇數字溫度傳感器DS18B20。該產品采用美國DALLAS公司生產的 DS18B20可組網數字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。DS18B20一

14、線總線數字式傳感器，獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊，用戶可定義的非易失性溫度報警設置 。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。適合于惡劣環境的現場溫度測量，與前一代產品不同，新的產品支持3V5.5V的電壓范圍，使系統設計更靈活、方便。而且新一代產品更便宜，體積更小。 外圍接口電路設計NIS-09聲光傳感器簡介在設計中我們之所以選用NIS-09聲光傳感器，是因為它的輸出模擬量與我們所用的A/D轉換器輸入等級相符合。（NIS-09聲光傳感輸出電壓是5.6+0.4v，A/D轉換器的輸入量程是0+10V）聲光傳感器主要有以下兩種：(1)散射式 在發光管和光敏電阻之

15、間設置遮光屏，無聲光時光敏元件接收不到信號，有聲光時使光敏元件發出信號。(2)離子式用放射性同位素镅Am241放射出微量的a射線，使附近空氣電離，當平行平板電極間有直流電壓時，產生離子電流Ik。有聲光時，微粒將離子吸附，而且離子本身也吸收a射線，其結果是離子Ik減小。若有一個密封裝有純凈空氣的離子室作為參比元件，將兩者的離子電流比較，就可以排除外界干擾，得到可靠的檢測結果。 在本次設計中，我們選用NIS-09聲光傳感器。它是離子式煙霧傳感器，是日本NEMOTO公司專為檢測延誤而精心設計的新型傳感器。A/D轉換器的選擇AD574A系列的所有型號和功能因腳和排列都相同，因而它們與單片機借口也相同。

16、AD574A所有型號都有內部始終電路，不需要任何外接器件和連線。圖3-9為AD574A與80C51單片機的接口電路。該電路采用雙極性輸入方式。根據聲光傳感器輸出電壓是5.6+0.4v，在設計時我們選用單極性輸入方式。 當AD574A與80C51單片機配置時，由于AD574A輸出12位數據，所以當單片機讀取轉換結果時，應分兩次進行：當A0=0時，讀取高8位；當A0=1時，讀取低4位。圖中AD574A的STS與80C51的P1.0線相連，故采用查詢方式讀取轉換結果。聲光報警電路聲光報警電路由單片機P2.0口控制，輸出報警信號(高低電平間隔1 s的脈沖信號)，驅動聲光報警電路，直至按復位鍵RESET

17、和開關鍵。聲光報警電路由555定時器、揚聲器和普通發光二極管組成，電路圖如圖3-10所示。其中555定時器接成了一個低頻多諧振蕩器，其控制電壓出入端5腳與單片機80C51的P2.0端相連，受P2.0腳輸出的脈沖信號控制。由電容C4的充沖放電作用，當P2.01時，555輸出脈沖的振蕩頻率較低，當P2.00時，555輸出脈沖的振蕩頻率較高。該脈沖信號經隔置電容C2加到揚聲器上，揚聲器將發出高、低交替的2種叫聲，同時P2.0腳輸出的高低電平間隔1 s的脈沖信號經電阻R1加到發光二極管LED上，LED將閃爍發光，達到聲光同時報警的效果總電路設計根據要求，設計中我們選用80C51單片機。80C51單片機

18、的主控電路包括時鐘電路、復位電路。而傳感器是將非電量需要轉換成與非電量有一定關系的電量。當今信息時代，隨著電子計算機技術的非速發展，自動檢測，自動控制技術顯露非凡的能力，而大多數設備只能處理電信號，也就需要把被測，被控非電量的信息通過傳感器轉換成電信號。可見，傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節。沒有傳感器對原始信息進行精確可靠的捕捉和轉換，就沒有現代自動檢測和自動控制系統。沒有傳感器就沒有現代科學技術的迅速發展。設計中，傳感器我們選擇的是NIS-09聲光傳感器。必須利用微粒的特點檢測。而NIS-09聲光傳感器它的性能參數是我們選擇它理由。聲光傳感器連接在A/D轉換器的輸入接口。我們將主控

19、電路和外圍接口電路（80C51與A/D轉換器的接口電路、80C51與聲光報警電路）連接起來，就得到了基于80C51的聲光報警總電路圖。當外部環境達到一定值時，聲光傳感器就會產生模擬電壓，將它作為輸出的模擬信號經AD574A轉換器轉換為80C51單片機所能識別的數字電壓量。通過P1.0檢測信號。當有信號輸入時，經程序設定就會驅動80C51單片機的P2.0。而P2.0是與聲光報警電路相連接的。綜上所述，得出總電路圖如下圖所示：四、軟件設計Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統。51的編程語言常用的有二種：一種是匯編語言，一種是C語言。匯編語言

20、的機器代碼生成效率很高但可讀性卻并不強，復雜一點的程序就更是難讀懂，而C語言在大程序流程在整個程序流程中，經常要控制一部分指令重復執行若干次，以便簡短的程序完成大量的處理任務。這種按某種控制規律重復執行的程序稱為循環程序。循環程序有先執行后判斷何先判斷后執行兩種基本結構。而我們要選用的是先判斷后執行。因為聲光傳感器的輸出電壓量為5.66.0v之間。根據單極性輸入的轉換關系D=4096VIN/VFS，計算出它的數字量最小值:D1=4096×5.6/10=2294;最大值D2=4096×6/10=2458.然后把它們的數字量轉化為二進制數。D1、D2轉換為二進制數分別是1001

21、11110110、100110011010。由于AD574A輸出12位數據，所以當單片機讀取轉換結果時，應分兩次進行：當A0=0時，讀取高8位；當A0=1時，讀取低4位。AD574A的STS與80C51的P1.0線相連，故采用查詢方式讀取轉換結果。我們將A/D轉換器讀取結果存入17H、18H、19H、20H單元中。其中17H存入的是較小數D1的高八位10011111，18H存入的是較小數D1的低四位0110；19H存入的是較大數的高八位10011001，20H存入的是較大值的低四位1010。將數值存入單元以后，接下來就是比較。當被測的數值經計算機的轉換在比較范圍內，經程序設定80C51單片機的

22、P2.0就會輸出脈沖啟動報警電路程序。程序流程圖如下圖所示:開始初始化信號采集調用A/D轉換程序Y變量是否在安全范圍N聲光報警結束主程序:ORG 0000HSTART: MOV DPTR, # 0FFF8H ；送端口地址入DPTR MOVX DPTR, A ；啟動AD574A SET P1.0 ；置P1.0為輸入方式LOOP: JB P1.0, LOOP ；檢測P1.0口 INC DPTR ；使R/C為1MOVX A, DPTR ；讀取高8位數據MOV 41H, A ；高8位內容存入41H單元INC DPTR ；使R/C、A0均為1INC DPTR MOVX A, DPTR ；讀取低4位MOV

23、 40H, A ；將低4位內容存入40H單元MOV 17H, #10001111B ；將比較的數值存入單元中MOV 18H, #0110BMOV 19H, #10011011BMOV 20H, #1010BMOV AL, 40H ；將40H的內容存入AL單元中MOV AH, 41H ；將41H的內容存入AH單元中 01: CMP AH, 17H ；比較最小數值的高八位 JA LP1 JBE LP2 LP1: JMP 03 LP2: JMP 01 02: CMP AL,18H ；比較最小值的低四位 JA LP3 JBE LP4 LP3: JMP 01 LP4: JMP 04 03: CMP AH

24、,19H ；比較最大值的高八位 JA LP5 JBE LP6 LP6: JMP 03 LP5: JMP 01 04 : CMP AH ,20H ；比較最大值的低四位 JA LP7 JBE LP8 LP8: JMP 01 LP7: JMP 04 05: SET P2.0 ；報警 DEL: MOV R7,#200 ；延時50msDEL1: MOV R6,#123 NOPDEL2: DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1 RET ；返回 END ；結束五、結論本次設計以STC89C5RC1單片機作為智能系統的主控制單元，輔之以適當的軟、硬件模塊設計完成以單片機為核心的智能火災報警系統設計，實現火災報警。本文的主要功能是基于單片機的硬件應用研究型設計，設計和實現一種分布式智能火災報警控制系統。通過多個傳感器感知火災發生時周圍環境的變化，及時采得數據，通過處理給予正確的報警信號，及時發現火災，挽救生命財產損失。在本次設計中，主要掌握了C51單片機C語言的軟件編程方法、MQ-2煙霧傳感器及DS18B20數字溫度傳感器的