1、 I / 99本科畢業設計（論文）基于光電感煙探測器的火災報警系統設計彥賓 燕 山 大 學2013 年 6 月 本科畢業設計（論文）基于光電感煙探測器的火災報警系統設計學 院： 里仁學院 專 業：檢測技術與儀器 學生：彥賓 學 號： 6 指導教師：永紅 答辯日期：2013 年 6 月 16 日 I / 99燕山大學畢業設計（論文）任務書學院：電氣工程學院 系級教學單位：儀器科學與工程系 學號6學生彥賓專 業班 級檢測 09-2題目名稱基于光電感煙探測器的火災報警系統設計題目性質1.理工類：工程設計 （ ） ；工程技術實驗研究型（ ） ；理論研究型（ ） ；計算機軟件型（ ） ；綜合型（ ）2.

2、管理類（ ） ；3.外語類（ ） ；4.藝術類（ ）題目類型1.畢業設計（ ） 2.論文（ ）題目題目來源科研課題（ ） 生產實際（ ）自選題目（ ）主要容1. 設計基于單片機的火災報警系統，完成感煙探測器探頭設計與信號處理系統設計。2. 完成系統硬件系統設計與其軟件算法流程。3. 煙塵實驗結果分析。基本要求1. 按電氣工程學院本科生學位論文撰寫規的要求完成設計論文一份（不少于 2.4 萬字） ，A0 圖紙。2. 說明書與插圖一律打印，要求條理清晰、文筆流暢、圖形與文字符號符合國家現行標準。3按學院指定的地點進行設計，嚴格按照進度計劃完成畢業設計任務。參考資料單片機技術與應用傳感技術與應用相關

3、學術期刊周 次14 周58 周912 周1316 周1718 周應完成的容查閱相關資料分析確定設計方案，進行系統結構設計系統軟件系統設計系統軟件調試與實驗修改論文，準備答辯 指導教師：永紅職稱：副教授 2012 年 11 月 27 日系級教學單位審批： 年 月 日 I / 99摘要火災已成為我國常發性和破壞性以與影響力最強的災害之一。隨著經濟和城市建設的快速發展，城市高層、地下建筑以與大型綜合性建筑日益增多，火災隱患也大大增加，火災的數量與其造成的損失呈逐年上升趨勢，本文設計的火災報警系統是為了避免火災造成的重大損失。本文在對火災報警控制器和傳感器做了深入研究的基礎上，設計了基于 AT89C5

4、1 單片機的火災報警系統，是一種復合型火災報警系統。火災報警控制器 AT89C51 是火災報警系統的核心。光電式感煙傳感器與溫度傳感器 LM94022 的組合使用保證了報警的可靠性，減小了系統的誤報率。本文設計的火災報警系統對現代建筑起著極其重要的安全保障作用能有效地防止和減少火災危害，對保護人身安全和財產安全具有現實意義。關鍵詞關鍵詞火災報警系統；單片機；傳感器；聲光報警 AbstractFire has become destructive and often made and most influential disasters. With the rapid economic deve

5、lopment and urban construction, urban high-rise and underground buildings and large-scale integrated architectural increasing fire hazards are greatly increased, the number of fires and the resulting losses were increasing, the paper design of the fire alarm system is designed to avoid fire caused s

6、ignificant losses. In this paper, for fire alarm controllers and sensors do in-depth research, based on AT89C51 microcontroller is designed based fire alarm system, is a composite type fire alarm system. Fire alarm controller AT89C51 is the core of the fire alarm system. Photoelectric smoke sensor a

7、nd the temperature sensor used in combination LM94022 ensure the reliability of the alarm, the system reduces the false alarm rate.This design of the fire alarm system on modern architecture plays a vital role in the safety and security can effectively prevent and reduce fire hazards, to protect per

8、sonal safety and property security of practical significance.KeywordsKeywordsFire alarm system, MCU, Sensors, Sound-light alarm III / 99目 錄摘要 IAbstractAbstractII第 1 章 緒論 11.1 概述 11.1.1 研究背景 11.1.2 火災報警系統的類型 21.2 國外火災報警系統的發展現狀與趨勢 31.3 本文主要研究容 7第 2 章 火災報警系統整體方案設計 82.1 引言 82.2 總體方案設計 82.3 器件選型 92.3.1 控

9、制芯片的選型 92.3.2 火災檢測傳感器的選擇與原理 122.3.3 A/D 轉換器 172.4 本章小結 19第 3 章 火災報警系統的硬件設計 203.1 電源模塊的設計 203.2 單片機小系統電路 223.2.1 晶振電路 223.2.2 復位電路 223.3 傳感器控制電路 233.4 聲光報警電路 253.5 數據采集與分析電路 273.6 本章小結 29第 4 章 火災報警系統軟件設計 304.1 基于 Keil C51 軟件開發環境 30 4.2 火災報警系統程序設計 304.2.1 數據采集程序 324.2.2 火災判斷與報警 324.3 本章小結 34結論 38參考文獻

10、36致 38附錄 1 開題報告附錄 2 文獻綜述附錄 3 中期報告附錄 4 外文翻譯 1 / 99第 1 章 緒論1.1 概述1.1.1 研究背景火災是世界上發生頻率較高的一種災害，幾乎每天都有火災發生，據聯合國“世界火災統計中心（WFSC）2000 統計資料” ，全球每年約發生火災 600 萬至 700 萬次，全球每年死于火災的人數約為 65000 人至 75000 人1。歐洲和北美發生的火災較多，死亡人數卻相對較少，這與歐美發達國家的生活水平高以與消防設施完善有關；亞洲居住人數最多，發生火災次數較少，但死亡人數較多，這與亞洲經濟發展程度不高、消防設施不完善等因素有關。火災早已成為我國常發性

11、和破壞性以與影響力最強的災害之一。隨著經濟和城市建設的快速發展，城市高層、地下建筑以與大型綜合性建筑日益增多，火災隱患也大大增加，火災發生的數量與其造成的損失呈逐年上升趨勢。我國 2000 年中國火災統計年鑒記載，從 1950 年至 1999 年，全國共發生火災 3258105 起，死亡人數 165499 人，傷 313766 人，直接經濟損失 1828 億元1。我國每年的起火次數較少，但死亡人數較高，這說明我國的消防保護體系對保護生命安全還有一定的差距，因此現階段有必要提高全民的防火安全觀念，提高我國消防設施水平。火災作為危害人類生存的大敵，越來越受到人們的重視。隨著我國現代化建設的發展，各

12、種現代化樓宇對火災報警和自動滅火系統提出了更高的要求。大賓館、酒店、商場、圖書館、博物館、檔案館和辦公樓等，自動滅火系統已成為必不可少的安保裝置。一旦發生火災，將對人的生命財產造成極大的危害，于是人們開始尋求一種早期發現火災的方法，以便控制和撲滅火災，減少損失，保障生命安全。火災報警系統就是為了滿足這一需求而研制出來的，并越來越被人們所接受，其自身技術水平也隨著人們需求的不斷提高，在功能、結構、形式等方面不斷地完善。 火災報警控制器是一種能接收、顯示和傳遞火災報警等信號的報警裝置，它是火災報警系統的主要組成部分2。火災報警探測器是監視周圍環境狀況的“感覺器官” ，而火災報警控制器則是系統的“神

13、經” 、 “大腦” ，是整個系統的核心。火災報警控制器擔負著監視探測器與系統自身的工作狀況、處理火災探測器輸出的報警信號、進行聲光報警、指示報警的具體部位、時間與執行相應的輔助控制等任務。研制火災報警控制器的目的是為了立足于掌握核心開發技術，降低系統成本。盡管通過最近幾年的消防治理整頓，取得了不少成績，但與其他國家相比，火災死亡人數較多，我國的火災形勢不容樂觀，加之我國經濟在高速發展，生活水準大幅度提高，各種生產、辦公以與居住場所火災大增，塑料制品和雙層玻璃的大量應用，使火場的外部求援困難重重3。因此，設計簡單實用的火災報警控制系統有著防止和減少火災危害、保護人身安全和財產安全的重要意義。1.

14、1.2 火災報警系統的類型 根據火災報警系統中所使用的探測器種類的不同，火災報警系統可以分為以下四種5：(1) 感溫型火災報警系統由于火災發生時燃燒物會產生大量的熱量，使得周圍溫度迅速變化。感溫型火災報警系統就是通過判斷周圍溫度變化而產生響應的火災報警系統，再把溫度的變化轉換為電信號以達到判斷報警的目的。根據探測溫度參數的不同，一般可以將感溫型火災報警系統分為定溫式、溫差式等幾種。(2) 感煙型火災報警系統煙霧是早期火災的重要特征之一5。在火災發生的初期，由于溫度比較低，許多物質都處于陰燃階段，產生大量的煙霧。感煙型火災報警系統就是對空氣中可見或不可見的煙霧粒子進行探測，然后將煙霧濃度的變化轉

15、換為電信號來觸發報警。感煙型火災報警系統主要有激光感煙式、光電感煙式和離子感煙式等。(3) 感光型火災報警系統 3 / 99物質燃燒不但會產生煙霧和熱量，同時也會產生可見或不可見的光輻射。感光型火災報警系統就是通過響應火災中產生的光特性，即擴散火焰的光強度和閃爍頻率，來觸發報警系統的5,6。根據感應的敏感波長，可以將感光型火災報警系統分為對波長較短的光輻射敏感的紫外報警系統和對波長較長的光輻射敏感的紅外報警系統。(4) 復合型火災報警系統如果報警系統同時對溫度、煙霧和光輻射中的兩種或兩種以上參數做出響應，那么它就是復合型火災報警系統7,8。目前復合型火災報警系統有感溫感煙型、感煙感光型、感溫感

16、光型等多種形式。1.2 國外火災報警系統的發展現狀與趨勢我國火災報警系統起步較發達國家晚幾十年，從上世紀 70 年代我國才開始研制生產火災報警系統產品。進入 80 年代后，國主要廠家也多是模仿國外產品，或是引進國外技術進行生產，沒有真正意義上的核心技術，并且市場也剛剛開始發育。火災報警產品真正發展是在 90 年代以后，隨著政府逐漸開放國門，國外企業開始大量進入中國消防市場，帶來先進技術的同時也促進了市場的成熟9。這時期，我國生產火災報警產品的企業也得到了快速發展，部分企業進行了合資生產、技術合作，取得了不菲的成績，也造就了現今市場上許多有實力的商家，部分技術已接近或趕上了國際水平7。經過幾年的

17、發展， 隨著國家對減災、防災得更加重視，和消防市場利潤的吸引，火災自動報警系統和消防廣播、消防電源、與相關配套產品的生產廠家開始增多。其中以海灣、利達、國泰怡安為代表的國產品牌逐步發展壯大起來。國產火災自動報警控制器已出現大屏幕彩色液晶漢字顯示，漢字 CRT 顯示系統。用戶界面多采用 VB 或 C 語言等高級語言進行編制，使用方便、直觀。兩總線、RS232、RS485、CAN 等現場總線已經普與，可與計算機進行聯網實現現場編程10。同時根據場地不同，不同工作方式的系統也已使用，如無線火災自動報警系統，空氣取樣火災自動報警系統等，設備容量也有小系統如 500 點、中型系統如 500 至 2000

18、 點、大型系統如3000 點以上的多種型號。設備普遍具有體積小、容量大、傳輸速度快、誤報率低、可聯動設備多等特點11。 國外一些較發達的國家，具有火災預防、報警、撲救、善后處理等比較完善的消防體系。政府每年都要撥出大筆資金用于消防設備更新、人員培訓以與消防設施維護。德國、日本、美國等國家就采用計算機與用戶終端的傳感器或者用戶終端信號采集器相連，對火災自動報警設備實時監控以與故障遠程傳輸12。例如：美國、加拿大、英國、澳大利亞、日本等國家在建設和應用城市火災自動報警監控系統方面均有可供借鑒的成功經驗。他們將自動火災報警作為公共報警手段接入監控系統，并有效運行多年，使消防指揮中心能夠快速準確判斷火

19、災地點、火災類型，并調度消防部隊迅速到達現場，自動報警監控系統在此起到了很大的作用。此外，這些國家在監控系統管理方面比較規，專門成立一個監控服務機構，該機構的責任是保證火災報警數據通信暢通，為用戶服務，對用戶負責，同時向消防部隊傳送可靠的火災報警信息，而消防部門的主要責任是對此類服務機構進行資質審查與監督管理。這種管理運作方式已經取得了良好的效果。面對高新技術的發展機遇和國市場國際化的競爭挑戰，消防產品向高可靠、自動化、網絡化的火災探測報警技術發展。傳統火災自動報警與現代自動報警系統的區別主要在于探測器本身的性能，其中現代自動報警系統使系統確定火災的數據處理能力和自動化程度大為增加，減少了誤報

20、警的概率，增加了系統可靠性，這是現代火災探測報警技術的發展方向13。(1) 智能化 火災自動報警系統智能化是使探測系統能模仿人的思維，主動采集環境溫度、濕度、灰塵、光波等數據模擬量并充分采用模糊邏輯和人工神經網絡技術等進行計算處理，對各項環境數據進行對比判斷，從而準確地預報和探測火災，避免誤報和漏報現象。發生火災時，能依據探測到的各種信息對火場的圍、火勢的大小、煙的濃度以與火的蔓延方向等給出詳細的描述，甚至可配合電子地圖進行形象顯示、對出動力量和撲救方法等給出合理化建議，以實現各方面快速準確反應聯動，最大限度地降低人員傷亡和財產損失，而且火災中探測到的各種數據可作為準確判定起火原因、調查火災事

21、故責任的科學依據。此外，規模龐大的建筑使用全智能型火災自動報警系統，即探測器和控制器均為智能型，分別承擔不同的職能，可提高系統巡檢速度、穩定性和可靠性。 5 / 99(2) 多樣化 火災探測技術的多樣化。我國目前應用的火災探測器按其響應和工作原理基本可分為感煙、感溫、火焰、可燃氣體探測器以與兩種或幾種探測器的組合等，其中，感煙探測器一枝獨秀，但光纖線性感溫探測技術、火焰自動探測技術、氣體探測技術、靜電探測技術、燃燒聲波探測技術、復合式探測技術代表了火災探測技術發展和開發應用研究的方向。此外，利用納米粒子化學活性強、化學反應選擇性好的特性，將納米材料制成氣體探測器或光電感煙探測器，用來探測有毒氣

22、體、易燃易爆氣體、蒸氣與煙霧的濃度并進行預警，具有反映快、準確性高的特點，目前已列為我國消防科研工作者的重點研究開發課題。以火災自動報警系統為代表的消防安全系統與防盜安全系統聯動，以實現對生命財產的安全保護，是國外火災自動報警系統的最新發展趨勢，目前最現實的技術是體型探測技術，它能很好地兼容防火與防盜兩個方面，很有發展前景。 (3) 小型化 火災自動報警系統的小型化是指探測部分或者說網絡中的“子系統”小型化。如果火災自動報警系統實現網絡化，那么系統中的中心控制器等設備就會變得很小，甚至對較小的報警設備安裝單位就可以不再獨立設置，而依靠網絡中的設備、服務資源進行判斷、控制、報警，這樣火災自動報警

23、系統安裝、使用、管理就變得簡單、省錢、方便。(4) 社區化目前我國火災自動報警系統只被安裝在重要建筑上，而在美國、日本等發達國家，包括許多居民家庭都安裝了火災自動報警系統。隨著我國經濟的不斷發展、人們安全意識的增強、火災自動報警系統的進一步完善以與智能化程度的提高，在社區家庭特別是高級住宅積極推廣應用防盜、防火聯動報警裝置或獨立式感煙探測器，對于預防居民家庭火災是非常必要和行之有效的措施。(5) 高靈敏性以早期火災智能預警系統為代表。該系統除采用先進的激光探測技術和獨特的主動式空氣采樣技術以外，還采用了 “人工神經網絡”算法，具 有很強的適應能力、學習能力、容錯能力和并行處理能力，近乎于人類的

24、神經思維。此外，該系統的子機與主機可以進行雙向智能信息交流，使整個系統的響應速度與運行能力空前提高，誤報率幾乎接近零，靈敏度比傳統探測器高 1000 倍以上，能探測到物質高熱分解出的微粒子，并在火災發生前的 30min 到 120min 預警，確保了系統的高靈敏性和高可靠性。(6) 兼容性 將火災自動報警系統與自動噴水滅火系統合二為一，增強預警和撲救功能的兼容性，降低消防工程投資，從而可以進一步擴大火災自動報警和自動噴水滅火系統的應用圍。另外，火災報警系統，從發展過程來看，大體可分為三個階段14,15：第一階段：多線型火災自動報警系統。每個探測器除需提供兩根電源線外，還需提供一根報警信號線，探

25、測器電源由報警器提供，探測器的信號線均連接到報警顯示盤上，報警時點亮相應的指示燈，如日本“日探”公司生產的 CPF 火災報警系統，此類系統的功能一般以報警為主，輔以一些簡單的聯動功能（也為多線制），如驅動警鈴等，其報警器對外圍探測器無故障檢測功能，只會對電源線的斷線做出故障反應，安裝此類系統比較繁瑣，特別是校線工作量較大。第二階段：總線型火災自動報警系統。這種自動報警系統已采用微處理器控制，其線制一般有四線制、三線制、二線制，探測器和模塊均采用地址編碼形式，通過總線與控制器實現信號傳送，其探測器的報警形式為開關量，它的靈敏度在制造時，通過硬件決定，不可調整，此類系統可進行現場編程，并通過各種模

26、塊對各聯動設備實行較復雜的控制，此類系統已具有系統自檢以與對外圍器件的故障檢驗等功能，但對故障類型不能區分，目前國生產的火災自動報警系統大多數為此類產品，由于此類產品具有報警和控制功能，它的施工、安裝較為方便，且價格較低，已被大量使用。第三階段：智能型火災自動報警系統。這是當今世界的主要發展趨勢。由于采用了先進的計算機控制技術，智能化程度大大提高，探測器的報警形式采用數字量，并可通過軟件對其靈敏度根據使用場合、時間進行設定和調整，如可設定白天、夜間、休息日不同靈敏度。對探測器的使用環境 7 / 99參數變化較大的場所，靈敏度設定相對低一些，對環境較穩定或一些重要的場所，靈敏度設定相對高一些，這

27、一功能可提高系統的穩定性與可靠性，減少誤報。1.3 本文主要研究容本系統采用 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機1,16作為處理器設計了一種智能火災報警器，主要包括：信號采集與前置放大電路、模數轉換電路、單片機控制電路、聲光報警電路等部分組成可以實現聲光報警、故障自診斷、報警限設置、延時報警等功能4,17。是一種結構簡單、性能穩定、使用方便、價格低廉、智能化的火災報警器，具有一定的實用價值。首先選擇合理傳感器、控制芯片 AT89C51、AD 轉換器、LED 等主要器件。設計電源模塊為系統提供電源。完成信號采集、信號處理、數據分析、聲光報警模塊。學習使用 Protel DXP 2004

28、完成硬件電路。完成系統軟件算法流程設計。 第 2 章 火災報警系統整體方案設計2.1 引言火災報警系統，一般由火災檢測傳感器、顯示器、報警器和控制器等組成。其中火災檢測傳感器是檢測火災是否發生的專門儀器，可根據建筑物或實地場所的要求，安裝不同類型的火災檢測傳感器。火災檢測傳感器5,11主要分為感煙探測器、感溫探測器、光輻射探測器和復合型探測器四大類，其中光電感煙探測器穩定性能較好，誤報率低，壽命長等優點，在火災報警系統中被廣泛使用。使用火災報警產品的目的就是與早報告火災的發生，從而迅速有效的控制火災，把損失降到最低。而目前使用的火災報警產品存在以下主要問題10,17：(1) 報警系統的維護保養

29、和持續性的技術支持是目前最嚴重的問題，比例分別為 31和 2718。而造成上述問題的罪魁禍首就是由于缺乏規、統一的通訊標準。(2) 報警系統誤報、漏報現象也是目前火災報警行業主要存在的問題，自從火災探測器問世以來，長期困擾產業界的就是上述兩種現象。環境中各種因素，如：靜電、灰塵顆粒、氣流、殺蟲劑、磁場、氣溫劇烈變化、水蒸氣等都會與火災發生時的狀況接近，從而使報警設備發生誤判而報警。針對以上這些問題，能夠對火情做出快速、精確探測和有效控制是目前急需解決的問題，所以本課題的目標是：設計一套簡單實用、抗干擾能力強、性價比高的火災報警系統。2.2 總體方案設計由以上的分析，本系統的硬件設計框圖如圖 2

30、-1 所示，該系統工作中傳感器的探頭將探測的物理信號轉換為電壓信號，經信號放大電路處理后送入單片機，單片機對該信號進行判斷，如果該值超出安全轉，單片機就會立即輸出報警信號。顯示電路能夠準確的顯示出火災險情的具體地點， 9 / 99報警電路對工作人員起到警示的作用，從而與時的警示工作人員做出相應的處理。傳感器放大電路A/D轉換單片機狀態指示燈聲光報警按鍵串口通信圖 2-1 系統原理與組成框圖2.3 器件選型2.3.1 控制芯片的選型本設計的控制芯片使用的是 ATMEL 公司生產的 AT89C51，AT89C51 是一種帶 4K 字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM）和 128 字節的隨機

31、存取數據存儲器（RAM）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機5,15。AT89C51 是一個低功耗高性能單片機，片置通用 8 位中央處理器（CPU）和 Flash 存儲單元，可靈活應用于各種控制領域。40 個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時含 2 個外中斷口，2 個 16 位可編程定時計數器，2 個全雙工串行通信口。AT89C51 的引腳圖如圖 2-2 示，芯片可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程，其將通用的微處理器和Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發成本1,16。單片機是煙霧檢測報警器的核心部件，一方面它

32、要接收來自傳感器的煙霧濃度的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進行處理，控制后續電路的相應工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。在單片 機實現的功能中，將模數轉換后的信號做數字濾波，再進行線性化處理，這一過程的軟件實現，需要單片機有較 快的運算速度，使儀表監測人員能夠觀測到實時的煙霧濃度，并進行相應處理。同時，在能夠滿足報警器設計的計算速度與接口數的要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性與抗干擾性的基礎上，能夠不提高成本，縮小體積。如今市面上比較普遍的單片機有 51 系列與STC 系列。STC 系列雖然功耗低，精簡指令集，抗干擾性好

33、，可靠性高，但是存在溢出隱患問題，而且更適用于工業用途；AT89C51 單片機應用普遍，工具多，易上手，片源廣，價格低，且適合民用、商用。用途更廣泛。綜合以上觀點，本論文選定 AT89C51 作為本系統的核心。圖 2-2 AT89C51 芯片的引腳圖AT89C51 管腳作用1,9P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必

34、須被拉高。P1 口：P1 口是一個部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。 11 / 99在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。P2 口：P2 口為一個部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16

35、 位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口：P3 口管腳是 8 個帶部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時當 8051 通電，時鐘電路開始工作，在 RE

36、SET 引腳上出現 24 個時鐘周期以上的高電平，系統即初始復位。初始化后，程序計數器 PC 指向0000H，P0-P3 輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入 07H，其它專用寄存器被清“0” 。RESET 由高電平下降為低電平后，系統即從 0000H 地址開始執行程序。然而，初始復位不改變 RAM（包括工作寄存器 R0-R7）的狀態。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注

37、意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態 ALE 禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現。 EA/VPP：當 EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH） ，不管是否有部程序存儲器。注意加密方式 1 時，EA 將部鎖定為RESET；當

38、EA 端保持高電平時，此間部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP） 。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片振蕩器。石晶振蕩和瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2 應不接。有余輸入至部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于

39、低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。此外，AT89C51 設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。2.3.2 火災檢測傳感器的選擇與原理2.3.2.1 光電感煙傳感器對各類火災檢測傳感器進行比較后，根據設計本系統的實際情況出發，系統采用光電感煙傳感器。光電感煙傳感器是一種室安裝的探測器，可以探測可見和不可

40、見的煙霧，具有對火災進行早期預報功能3。在火災發生初期，當進入光電感煙探頭中采樣室的煙濃度超過由參考室的門限值時，光電感煙探頭底座上的指示燈將點亮，同時送出報警電壓信號。在輸入回路中，光電感煙探測器的接口電路十分關鍵。通過探測器接口電路可以將探頭報警電壓信號轉變為不同頻率的電信號傳送到控制器，由控制器判別 13 / 99處理，確定火災位置報警19。煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量（即濃度）轉化成電壓或者電流信號2,5,11，通過 A/D 轉換電路將模擬量轉換成數字量后送到單片機，進而由單片機完成數據處理、濃度處理與報警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測報警器的

41、信號采集部分，是檢測電路的核心組成部分之一。由此可見，傳感器的選型是非常重要的。在火災發生前往往伴隨著煙霧的產生，因此，我們就需要選擇一種能夠與時檢測空氣中煙霧含量的傳感器來進行火災發生的預警。根據設計要求和查閱相關資料，煙霧傳感器選擇為光電感煙傳感器，如圖 2-3 常用光電傳感器的示例。圖 2-3 常用光電傳感器2.3.2.2 光電感煙原理光電感煙探測器也是點型探測器，點型光電感煙探測器是利用煙粒子散射和吸收光原理工作的，主要有兩種形式：散射光型光電感煙探測器和減光型光電感煙探測器的5,13。氣溶膠粒子與光相互作用時，能發生兩種不同的衰減過程：吸收和散射。散射是粒子以同樣的波長再輻射已接收的

42、光能，再輻射可在所有的方向上發生，但在不同方向上其強度通常不同。吸收是粒子將接收的光能轉變其他形式的能，如化學能、熱能。散射光型光電感煙探測器基本光路示意圖如圖2-4示光源光軸和光電接收器成特定角度，在無煙粒子時光電接受器件接受不到光源發出的光；煙粒子進入探測室（光學暗室、迷宮）后，探測器光源發出的光線接受到煙 的散射，在一定角度 光電接收器件才能接收散射光，產生有用電信號。物質燃燒會產生煙霧和有害氣體。在陰燃階段會產生大量的煙霧顆粒和一氧化碳等大量有害氣體。煙霧顆粒的大小（以直徑計）一般在0.019m 之間。這些煙霧顆粒分布界面極大，性質也不穩定，容易使光產生散射。當煙塵顆粒直徑在0. 51

43、m 之間時，散射符合湯姆森散射4,5。根據瑞利散射理論，空氣中的煙霧顆粒可以近似看成一個微小的圓球，這時的瑞利比( 散射能力) 為12,17：(2-1)式中：)()()(2202UKVRsssph 為散射函數；)os(3)(32UUCSinUUUs24SinRUS為圓球半徑；為散射角；為圓球的體積；K 為散射測量SR為波長；sphV中的物理常數；為反差因子。s0由上式可以看到散射能力與圓球體積平方成正比，因此從這方面來說，煙霧較大的顆粒比較小的顆粒散射能力要大得多。然而必須注意散射能力也依賴散射函數。同時上式還與和有關，因而當球（煙霧顆粒）)(2UsSR 較大而較大時，隨著散射角的增大，函數下

44、降較大；球小時，sR)(2Us情況就相反。這就說明太大的顆粒散射能力也不強。我們將煙霧顆粒使光產生散射的性質制成優良的煙霧傳感器。對火災初期形成的煙霧進行可靠的探測，可以用紅外光作為散射光源。如圖2-4所示在一個不受外界光線影響，但煙霧可以進出的光敏室中裝有紅外發光元件（光源）和紅外受光元件（光敏器件）。在兩者之間加上遮光部件，且之間形成角度以避免受光元件直接接收發光元件發出的光線。用砷化鎵（GaAs）紅外二極管作為發光元件。選擇光譜圍在0. 540. 95m之間。光敏管采用硅（Si）光電池。接受光譜取在0. 51. 2m 之間。根據瑞利散射學說當煙霧顆粒直徑小于光源波長時。散射光強同波長的四

45、次方成反比。當光敏室無煙霧顆粒時散光極微弱。當火災陰燃階段，煙霧顆粒進入光敏室，紅外光源（發光元件）發射的在煙霧顆粒上產生散射。光敏二極管（受光元件）發生阻抗變化產生光電流。當無煙霧顆粒進入光敏室時，受光元件不產生光電流，這就實現了將煙霧信號轉變為電信號的 15 / 99物理基礎12。圖 2-4 散射光式光電式煙霧傳感器原理示意圖如圖2-5示光電感煙傳感器電路原理圖圖 2-5 光電傳感器電路原理圖通過大量的實驗4,17，得出了發光元件與受光元件的夾角等于136時，受光元件狀態最佳。圖2-6為光電煙霧傳感器對不同直徑煙粒子的響應曲線。當煙霧顆粒直徑在0. 50. 9m 時，光電感煙傳感器響應最好

46、。綜上所述，光電感煙探測器在正常運行中對煙霧的識別能力較強，穩定性較好。因此本系統所采用的火災報警探測器是光電感煙探測器，由它把物質初期燃燒所產生的煙霧信號轉換成支流電壓信號，通過導線傳輸給報警器，發出聲光報警信號。 靈敏度顆粒直徑/m圖 2-6 光電煙霧傳感器對不同直徑煙粒子的響應曲線2.3.2.3 溫度傳感器溫度探測器是利用熱敏方式來檢測環境溫度進行報警的探測器，用于檢測被測物體和環境的溫度，當超出或低于標準值時發出報警。火災時物質的燃燒產生大量的熱量，使周圍溫度發生變化。溫度探測器是對警戒圍中某一點或某一線路周圍溫度變化時響應的火災探測器，它是將溫度的變化轉換為電信號以達到報警目的2,1

47、3。根據監測溫度參數的不同，一般用于工業和民用建筑中的溫度探測器有4,14,17：1定溫式探測器：定溫式探測器是在規定時間，火災引起的溫度上升超過某個定值時啟動報警的火災探測器。它有線型和點型兩種結構。其中線型是當局部環境溫度上升達到 規定值時，可熔絕緣物熔化使兩導線短路，從而產生火災報警信號。點型定溫式探測器利用雙金屬片、易熔金屬、熱電偶熱敏半導體電阻等元件，在規定的溫度值上產生火災報警信號。2差溫式探測器：差溫式探測器是在規定時間，火災引起的溫度上升 17 / 99速率超過某個規定值時啟動報警的火災探測器。它也有線型和點型兩種結構。線型差溫式探測器是根據廣 泛的熱效應而動作的，點型差溫式探

48、測器是根據局部的熱效應而動作的，主要感溫器件是空氣膜盒、熱敏半導體電阻元件等。 3差定溫式探測器 ：差定溫式探測器結合了定溫和差溫兩種作用原理并將兩種探測器結構組合在一起。差定溫式探測器一般多是膜盒式或熱敏半導體電阻式等點型組合式探測器溫度探測器使用的是美國國家半導體公司生產的集成溫度傳感器LM94022，該傳感器屬于高精度模擬輸出 CMOS 溫度傳感器，不僅工作電壓低、靜態電流小和輸出功率極低，而且能與模數轉換器(ADC)配合使用。其主要特性如18下：(1) 工作電壓低，可在 1.5V 電壓下工作；且工作電壓圍寬，為 1.55.5V；(2) 靜態電流小，典型值為 541A；(3) 末級為推挽

49、輸出，輸出電壓與感測的溫度成反比，確保芯片即使在較高的溫度圍仍可保持極高的靈敏度；(4) 可提供 4 個不同增益讓用戶自行選擇，其中包括-5.5mV/ 、-8.2 mV / 、-10.9mV /與-13.6mV /；(5) 溫度圍寬，可以監控由-50至 150圍的溫度；(6) 設計靈活、功率極低，采用極小巧的 SC70 封裝，大小與美國國冢半導體的標準型號 LM20 溫度傳感完全一樣。LM94022 的管腳排列如圖 2-7 示。GND2GS01OUT3VDD4GS15Q1LM94022圖 2-7 LM94022 管腳排列2.3.3 A/D 轉換器在單片機控制系統中，控制或測量對象的有關變量，往

50、往是一些連續 變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。但是大多數單片機本身只能識別和處理數字量，因此必須經過模擬量到數字量的轉換（A/D 轉換），才能夠實現單片機對被控對象的識別和處理。完成 A/D 轉換的器件即為 A/D 轉換器20。A/D 轉換器的主要性能參數有：(1) 分辨率：分辨率表示 A/D 轉換器對輸入信號的分辨能力。A/D 轉換器的分辨率以輸出二進制數的位數表示；(2) 轉換時間：轉換時間指 A/D 轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩定的數字信號所經過的時間。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠；(3) 轉換誤差：轉換誤差表示 A/D 轉換器實際輸出的數字量和

51、理論上的輸出數字量之間的差別，常用最低有效位的倍數表示；(4) 線性度：線性度指實際轉換器的轉移函數與理想直線的最大偏移。目前有很多類型的 A/D 轉換芯片，它們在轉換速度、轉換精度、分辨率以與使用價值上都各具特色，綜合全部因素設計決定采用美國國家半導體公司生產的 CMOS 工藝 8 通道，8 位逐次逼近式 A/D 轉換器 ADC080921。其部有一個 8 通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8 路模擬輸入信號中的一個進行 A/D 轉換。是目前國應用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片。 19 / 99圖 2-8 ADC0809 引腳圖A/D轉換電路采用了常用的8位8通道數

52、模轉換專用芯片ADC0809，ADC0809由8路模擬開頭、地址鎖存與譯碼器、8位A/D轉換器和三態輸出鎖存緩沖器組成，芯片引腳圖如圖2-8所示20,21。ADC0809的引腳功能：D7-D0 ：8位數字量輸出引腳IN0-IN7 ：8位模擬量輸入引腳GND ：地REF（+） ：參考電壓正端REF（-） ：參考電壓負端START ：A/D轉換啟動信號輸入端ALE ：地址鎖存允許信號輸入端ADC0809的主要性能指標為20,21：(1) 分辨率為8位。(2) 最大不可調誤差：ADC0809為1LSB。(3) 單電源+5v供電，基準電壓由外部提供，典型值為+5v，此時允許輸入模擬電壓為05V。(4)

53、 具有鎖存控制的8路模擬選通開關。(5) 可鎖存三態輸出，輸出電平與TTL電平兼容。(6) 轉換速度取于決芯片的時鐘頻率。當時鐘頻率500KHz時，轉換時間為128s。2.4 本章小結本章主要介紹了該火災報警系統的整體方案設計和各種器件的詳細介紹和正確選澤主要包括控制芯片 AT89C51、AD 轉換器和傳感器，并介紹了該火災報警系統的傳感器的工作原理。 第 3 章火災報警系統的硬件設計3.1 電源模塊的設計電源模塊部分主要由整流電路、濾波電路、集成穩壓電路等組成。集成電路型穩壓電源具有性能穩定、帶負載能力強、使用方便等特點，因此得到了廣泛的應用22。電源部分原理圖如圖 3-1 所示。220V

54、的交流電通過變壓器 T1 轉變為12V 的交流電，經D1D4（1N4007）整流以后將 12V 的交流電壓變成脈動的直流電壓，再經濾波電容C11（470F）和C12（0.1F）濾除紋波，輸出+12V 的直流電壓。+12V 的直流電壓經 IC4（7805）穩壓后得到的+5V 的電壓，為接收主機整機電路供電16。電容C13（0.1F）能改善負載的瞬態影響，從而為接收主機提供穩定的工作電壓。圖 3-1 電源部分原理圖整流濾波基本電路圖如圖 3-2 所示。220V 的交流電通過變壓器 T1 轉變為交流電，經D1D4整流以后將交流電壓變成脈動的直流電壓，再經濾波電容C11濾除紋波，輸出直流電壓 VO，V

55、O與交流電壓 Vi的關系為VO=（1.11.2）Vi。電容濾波電路是最常見、也最簡單的濾波電路22。電容濾波電路的主要作用是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能地減小，改造成接近恒穩的直流電。因為交流電經過二極管整流之后，方向單一了，但是大小（電流強度）還是處在不斷地變化之中。這種脈動直流一般是不能直接用來給無線電裝供電的。要把脈動直流變成波形平滑的直流，還需要再做一番 21 / 99“填平取齊”的工作，也就是需要濾波。電容濾波電路工作原理：電容器是一個儲存電能的倉庫。在電路中，當有電壓加到電容器兩端的時候，便對電容器充電，把電能儲存在電容器中；當外加電壓失去（或降低）之后，電容器將把儲存的電能

56、再放出來。充電的時候，電容器兩端的電壓逐漸升高，直到接近充電電壓；放電的時候，電容器兩端的電壓逐漸降低，直到完全消失。電容器的容量越大，負載電阻值越大，充電和放電所需要的時間越長。這種電容帶兩端電壓不能突變的特性，正好可以用來承擔濾波的任務。圖 3-2 整流濾波基本電路圖電容量越大，負載電阻愈大，濾波效果越好，輸出波形越趨于平滑，輸出電壓也越高。但是，電容量達到一定值以后，再加大電容量對提高濾波效果已無明顯作用。所以通常應根據負載電用和輸出電壓的大小選擇最佳電容量。常見集成穩壓器有固定式三端壓器與可調式三端穩壓器，固定式三端穩壓器的常見產品有輸出固定正電壓的 LM78系列和輸出固定負電壓的LM

57、79系列，如 LM7805 輸出電壓為+5V，LM7905 輸出電壓為5V。可調式三端穩壓器能輸出連續可調的直流電壓，其中 LM317 系列穩壓器輸出連續可調的正電壓，LM337 系列穩壓器輸出連續可調的負電壓。穩壓器部含有過流、過熱保護電路。 3.2 單片機小系統電路3.2.1 晶振電路晶振電路為單片機 AT89C51 工作提供時鐘信號，芯片中有一個用于構成部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或瓷諧振蕩器一起構成自激振蕩器6,15。電路中的外接石英晶體與電容 C5、C6 接在放大器的反饋回路中構成

58、并聯振蕩電路，系統的晶振電路如圖 3-3 所示。由于外接電容 C5、C6 的容量大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩定性、起振的難易程度與溫度穩定性，如果使用石英晶體，電容的容量大小圍為；如果使用瓷諧振，則電容容量大小為。3010pFpF4010 FpFp本設計中使用石英晶體，電容的容值設定為 30pF。3.2.2 復位電路復位電路的基本功能是9：系統上電時提供復位信號，直至系統電源穩定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復位。單片機在啟動時都需要復位，以使 CPU 與系統各部件處于確定的初始狀態，并從

59、初態開始工作。AT89C51 的復位信號是從 REST 引腳輸入到芯片的施密特觸發器中的。當系統處于正常工作狀態時，且振蕩器穩定后，如果 REST引腳上有一個高電平并維持 2 個機器周期（24 個振蕩周期）以上，則 CPU就可以響應并將系統復位。單片機系統的復位方式有：手動按鈕復位和上電復位，本設計采用的是手動按鈕復位。手動按鈕復位需要人為在復位輸入端 REST 上加入高電平,采用的辦法是在 REST 端和正電源 Vcc 之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時，則 Vcc 的+5V 電平就會直接加到 REST 端，系統復位。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數十毫秒，所以，設計完全能夠滿足復位的時

60、間要求。復位電路中 SW-PB 為手動復位開關，電容 C10 可避免高頻諧波對電路的干擾。AT89C51 的復位電路如圖 3-3 所示。 23 / 99圖 3-3 晶振電路與復位電路3.3 傳感器控制電路由于傳感器輸出的模擬信號比較微弱，且含有干擾信號，所以系統需要將信號進行放大和濾波2,10。溫度傳感器使用的是高精度模擬輸出 CMOS溫度傳感器 LM94022，該傳感器的末級為推挽輸出，輸出電壓與感測的溫度成反比，即溫度越高輸出電壓越低；可提供 4 個不同增益讓用戶自行選擇，其中包括-5.5mV/ 、-8.2 mV / 、-10.9mV /與-13.6mV /。本設計溫度傳感器靈敏度選擇-5