多传感器火灾报警器毕业论文.docx
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多传感器火灾报警器毕业论文
摘要
据相关统计,随着家用电器的普及,家庭用电量正呈逐年上升的趋势,家庭火灾发生的频率也越来越高,火灾报警器也随之被广泛应用于各种场合。
运用多传感器结合单片机能够有效解决灵敏度与报警准确率之间的矛盾,能够达到预期的效果。
本设计具有高可靠性、低误报率等特点,有一定的实用价值。
本文论述了选题的意思、设计的思路、元器件的选择、系统硬件软件的调试。
首先介绍了火灾给人们日常生活带来的影响并介绍了国内国外火灾报警系统的发展情况;然后,介绍了一种多传感器火灾报警系统的设计方案;之后详细讲解了系统的各功能模块硬件及软件设计,硬件包括单片机和传感器的选择、各种电路模块的设计,软件设计包括针对单片机和传感器的数据采集、系统检测与报警程序的设计;之后对硬件进行了简单的调试,对调试结果进行了一些分析;最后,对整个设计进行了概括性总结。
关键词:
火灾报警;多传感器;单片机;模糊判断
Abstract
Accordingtorelevantstatistics,ashouseholdappliancespopularization,electricityuseisincreasingyearbyyear,familyfireoccurreneefrequencyfamilymoreandmoreisalsohigh,firealarmissubsequentlybeenwidelyappliedinallkindsofsituations.Byusingmicrocontrollercaneffectivelysolvethesensorwithsensitivityandalarmaccuracy,theconflictbetweencanachievethedesiredeffect.Thisdesignhashighreliabilitycharacteristicssuchaslowmisstatementrate,thereiscertainpracticalvalue.
Thispaperdiscussesthemeaningofthetopicselection,designideas,thecomponentselection,systemhardwareandsoftwaredebugging.First,itintroducesthatthefirebringustheimpactofdailylifeandintroducesthedevelopmentofthefirealarmsystem;Then,thispaperintroducesakindofmultisensorfirealarmsystemdesignproject;Thenexplainsthefunctionmodulesystemhardwareandsoftwaredesign,HardwareincludingtheselectionofSCMandsensor,variouscircuitmoduledesignsoftwaredesignofthesensorforSCMandincludedataacquisition,systemdetectionandalarmprogramdesign;Afterabriefforhardwaredebugging,toconductsomeanalysisdebuggingresults;Finally,thewholedesignthispapersummarizespreliminary.
Keywords:
firealarm;multi-sensors;SCM;fuzzyjudgment
摘要I..
AbstractI.I..
1前言1..
1.1火灾报警器的发展及现状1
1.1.1火灾探测技术1
1.1.2火灾探测器的发展趋势1
1.2论文研究的目的及意义2
1.3设计工作任务2
2系统方案设计4.
2.1系统主要功能4
2.2系统结构与工作流程4
2.3小结5
3火灾报警系统硬件模块设计6.
3.1单片机选型6
3.2模数转换电路设计9
3.3传感器选型11
3.3.1温度传感器11
3.3.2烟雾传感器12
3.3.3一氧化碳传感器14
3.4报警与显示电路设计16
3.4.1蜂鸣器报警电路16
3.4.2SMC1602A液晶显示模块仃
3.5看门狗简介19
3.6电平转换电路设计21
3.7小结22
4.1火灾报警系统对软件设计的要求24
4.2编程keil环境介绍25
4.3火灾报警系统软件流程26
4.4软件各功能模块设计28
441系统自检模块设计28
4.4.2各传感器数据采集与预处理模块29
4.4.3数据模糊处理与告警模块30
4.5小结33
5系统调试及遇到的问题34
5.1硬件功能调试34
5.1.1显示功能调试34
5.1.2蜂鸣器功能调试36
5.1.3A/D转换功能调试38
5.2小结39
6结论41
致谢42
参考文献43
附录:
主要程序源代码44
1刖言
1.1火灾报警器的发展及现状
1.1.1火灾探测技术
火灾所引发的灾害,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、烟雾和气溶胶等。
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。
火焰(非接触式)
辐射-火焰探测器
形状-图形探测器
温度-感温传感器
火火.燃烧产物
(接触式)
I烟雾形状-图形传感器
<气体产物-气体传感器
燃烧音(非接触式)-声音传感器
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MC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。
火灾从早期探测到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。
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,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,可能在我们注意的到的地方,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,导致生命和财产的重大损失。
一旦发生家庭火灾,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,用火灾报警器预防火灾的发生。
这就是研究火灾报警器的目的。
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。
火灾报警器对防止家庭火灾,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火灾报警器的必要性。
1.3设计工作任务
根据现今国内外火灾报警系统的设计理念,针对现有火灾报警器存在的不足,我设计
了一种基于多传感器技术的火灾报警系统,该设计的主要工作任务包括:
系统硬件设计:
包括火灾报警系统的控制器主板设计和其中各部分元件的选型,电路的设计与绘制,传感器及相关电路的设计。
数据收集以
系统软件设计:
包括火灾报警系统主程序设计,各个功能模块的程序设计,及系统自检程序的设计⑴。
2系统方案设计
本章主要针对该火灾报警系统的设计所需的元器件、系统需要实现的功能与设计要求以及系统工作流程等问题。
本系统属于分布式多传感器火灾报警系统,与传统火灾报警系统相比有以下优点:
第一,多值判断处理。
由于系统使用多传感器监测,因此系统对火灾的检测也是基于多值判断处理的,将系统中的多个传感器采集到的数据送入单片机统一处理,将多组参数进行组合判断,使各个传感器互为补充,能让系统根据同一时刻各传感器返回的信息准确区分火灾险情与干扰源,拓宽了检测范围,提高了灵敏度,同时还能获得较低的误警率。
第二,实时监测与模糊判断。
传感器的输出并非是其对环境信息的连续检测结果,而是根据其检测周期有间隔地输出,因此传统火灾报警系统就存在检测的实时性问题,而基于单片机和多传感器的本系统使用单片机对数据进行处理,可达到对传感器输出的信号及环境数据进行实时监测的效果;与此同时,本系统并不完全依赖数据阈值的判断,而是加入了带有持续时间检测的模糊判断,能够有效区分火灾与干扰源[2]。
2.1系统主要功能
本设计的火灾报警系统具有以下几个功能:
(1)火灾检测:
传感器返回的数据经单片机判断为火灾时,发出火灾报警信号,并显示于
(2)分类示警:
单片机根据传感器返回的环境信息,结合不同类型火灾或气体泄漏的特征判断示警类型并显示;
(3)故障检测与告警:
单片机在工作时对各个传感器的工作状态进行检测,当发现传感器无响应时发出故障信号,并显示具体故障消息;
(4)外部设备控制:
当系统做出火灾判断时能同时启动相应外部设备如灭火工具等。
2.2系统结构与工作流程
该火灾报警系统由图2-1中所示的几个部分构成。
传感器安装于检测现场,通过导线连
接到主板传感器驱动电路,传感器返回的信号送到整形电路后转换为0-5V的电平信号,由
A/D转换芯片转换为数字信号送入单片机;
系统的其他部分均安装在主板上,单片机接收到来自各传感器的数据后将数值显示于液晶屏,并根据事先制定好的规则判断是否有火灾情况,如果有火灾情况则将报警信息显示,同时驱动蜂鸣器发出声音报警,并可以在需要的情况下启动外部设备。
图2-1火灾报警系统整体结构框图
为了提高系统的可靠性,系统在硬件设计上采用了一些措施。
设计系统的时候,不能只考虑正常状态的运行,对于干扰源也要有所考虑。
由于可能会有因某些特定原因产生的类似火灾的干扰源触发报警系统,为了解决这样的情况,对系统做出如下设计:
若检测到单一传感器的数据迅速变化,则检测其余传感器是否检测到触发火灾相应的数据变化,同时判断结果是否到达报警阈值,如果没有检测到相应变化则视为干扰源,并根据设置的阀值直接报警⑶。
2.3小结
本章针对系统的主要功能和工作流程等问题进行了简单描述,使读者对整个火灾报警系统有了一个整体了解,为整个系统的设计介绍开头。
3火灾报警系统硬件模块设计
本章将详细阐述系统各个硬件模块的设计,包括各个模块的选型、电路原理、功能实现和硬件设计。
该火灾报警系统由传感器和主板电路构成,综合考虑系统性能与成本,选用以单片机为核心的系统设计。
其中传感器负责数据采集,并送回主板;单片机负责数据的分析与处理,完成传感器检测、触发火灾的判断以及驱动报警电路的工作。
STC89C52RC
丄
P10
VCC
40
2
39
3
P11
P00
38
4
P12
P01
37
5
P13
P02
36
6
P14
P03
35
7
P15
P04
34
8
P16
P05
33
9
P17
P06
32
10
RESEI
—P07
31
11
RXD/P30
EA/VP
30
12
TXD/P31
ALE/P
29
13
INT0/P32
PSEN
28
14
INT1/P33
P27
27
15
T0/P34
P26
26
16
T1/P35
P25
25
17
WR/P36
P24
24
18-
RD/P37
P23
;23
19
X2
P22
22
X1
P21
20
21
GND
P20
图3-1STC89C52RC单片机引脚分配
3.1单片机选型
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上
Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单片机芯片上,拥有灵巧的8位
CPU和在线系统可编程Flash,使得STC89C5为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活。
采用
工业标准的C51内核,芯片的引脚分配如图3-1所示⑷。
在内部功能及管脚排布上与通用的8xC52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,
表3-1STC89C52RC引脚功能描述
名称
名称及功能
ALE
地址锁存使能
P0.0-0.7
P0口
P1口
P1.0-1.7
T2(P1.0)
:
定时/计数器2的外部记数输入/时钟输岀
T2EX(P1.1):
定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制
P2.0-2.7
P2口
P3口
RXD(P3.0)
:
串行输入口
TXD(P3.1)
:
串行输岀口
INT0(P3.2)
:
外部中断0
P3.0-3.7
INT1(P3.3)
:
外部中断1
T0(P3.4):
定时器0外部输入
T1(P3.5):
定时器1外部输入
WR(P3.6):
外部数据存储器写信号
RD(P3.7):
外部数据存储器读信号
PSEN
程序存储选通
RST
复位端
VCC
电源:
提供掉电,空闲,正常工作电压。
VSS
接地
EA/Vpp
外部寻址使能/编程电压
XTAL1
晶体1:
反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入
XTAL2
晶体2:
反相振荡放大器输出
会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPUS信等。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,
外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负
端。
P0到P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义。
本系统采用该系列单片机中的STC89C52R型号,各引脚功能描述见表3-1。
注:
为了避免上电时的闩锁效应,任意管脚(Vpp除外)上的电压任何时候都不能高VCC+0.5V,
低于VSS-0.5V。
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,弓I脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash
编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动
四个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3
口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动四个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用
时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为STC89C5特殊功能(第二功能)使用。
RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机
复位。
ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲
用于锁存地址的低8位字节一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
PSEN程序储存允许(PSEN输出是外部程序存
储器的读选通信号。
EA/VPP外部访问允许,欲使CPI访问外部程序存储器(地址为
0000H-FFFFH),EA必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位
时内部会锁存EA端状态。
STC89C52R单片机具有以下几个特点:
增强型6时钟/机器周期CPU
(1)3.4V-5.5V宽工作电压,工作频率范围0-40MHZ,实际工作频率可达48MHz
工作温度范围0〜75C;
(2)8KB用户应用程序空间以及512B片内RAM无需扩展存储器;
(3)32个通用I/O口,复位后P1/P2/P3是准双向口/弱上拉,P0口是开漏输出,作为总
线扩展用时,不用加上拉电阻,作为I/O口使用则需要上拉电阻;
(4)ISP/IAP无需专用编程器/仿真器,可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序;
内置看门狗电路,无需外加看门狗电路;
(5)内置3个16位定时器/计数器,其中定时器0可作为2个8位定时器使用;
(6)具有4个外部中断源,下降沿或低电平触发中断,掉电模式可由外部中断低电平触发中断模式唤醒;
(7)通用异步串行口(UART)可通过定时软件实现多个UART
(8)PDIP-40封装。
该单片机具有8KB的Flash程序存储器,支持0-40MHZ的时钟频率,512字节的RAM数据存储器,2K+字节EEPROM32条I/O数据口,2个数据指针,3个16位定时/计数器,8输入4优先级嵌套中断结构,1个串行I/O口(可用于多机通信I/O扩展或全双工UART)以及片内振荡器和时钟电路。
另外单片机内部自带有看门狗电路,无需额外设置看门狗电路。
此外,由于89C52本身属于MCS-51系列单片机中的一种,指令集同其他51系列单片
机基本相同,即大多数指令均是现成的,开发过程中可以不必额外学习新的指令。
结合该单片机本身的特点,可见其完全能够满足本设计的要求[5]。
3.2模数转换电路设计
系统中的各个传感器返回的信号均为模拟量,无法被单片机直接接收和处理,所以需要将这些信号进行A/D转换,又因为各个传感器的参考电压并不完全相同,因此不能简单使用多通道A/D转换芯片来统一处理,所以本设计中选择单通道8位A/D转换芯片
TLC549CP芯片引脚和逻辑原理图见图3-2[6]。
TLC549是单通道8位分辨率A/D转换器,总不可调整误差<±0.5LSB采用三线串行方式与微处理器接口。
片内提供4MHz内部系统时钟,并与操作控制用的外部I/OCLOCK相互独立。
有片内采样保持电路,转换时间W17us包括存取与转换时间转换速率达40000次/秒。
差分高阻抗基准电压输入范围是:
1VW差分基准电压WVCC+0.2V。
宽电源范围:
3V—6.5V,
低功耗,当片选信号CS为低,芯片选中处于工作状态。
芯片的连接方式见图3-3,电路中
另需要通过源与一只电阻串联接入,以实现输入补偿的功能。
I/O
CLOCK
图3-2TLC549CP芯片引脚分配及逻辑原理图
图3-3TLC549接线方式
对于A/D转换器,转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。
例如,对于TLC549CP
其内部时钟信号为4MHz转换时间小于17卩,相当于晶振12MHz的单片机工作36个机器周期。
根据此设计一个延时子程序,A/D转换启动后,就调用这个延时子程序,当延迟时间到
达时,转换将一定完成。
之后就可进行数据传送⑺。
3.3传感器选型
对火灾报警系统来说,传感器的性能在整个系统的工作效能上有着举足轻重的作用,
因此传感器的选型尤为重要,根据本系统的设计要求,使用温度传感器、一氧化碳传感器
和烟雾传感器。
设计中这三种传感器均为模拟信号传感器,通过放大整形电路与A/D转换后
作为送入单片机处理的数据。
本设计中对传感器的性能有着如下要求:
烟雾检测:
0〜5%/英尺,误差w10%;
温度检测:
0〜200C,误差w4%;
一氧化碳:
0〜500ppm误差w5ppm
这些性能指标即设计中各传感器的选型的主要依据,其次在选型中也应考虑到元件性价比的因素,在满足性能指标的基础上尽可能提高元件性能[8]。
3.3.1温度传感器
温度是表征物体冷热程度的物理量。
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。
温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。
通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠,测量精度较高;但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换,需要一定的时间才能达到热平衡,所以存在测温的延迟现象,同时受耐高温材料的限制,不能应用于很高的温度测量。
非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的,测温元件不需与被测介质接触,测温范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反应速度一般也比较快;但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响,其测量误差较大。
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。
其优点是:
测量精度高。
因热电偶直接
与被测对象接触,不受中间介质的影响。
测量范围广。
常用的热电偶从-50到+1600C均可
测量,某些特殊热电偶最低可测到-269C(如金铁镍铬),最高可达+2800C(如钨-铼)。
构造简单,使用方便。
热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来方便[9]。
本设计使用高精度热电偶温度传感器YH-WEP-01/Pt100,其形为薄膜铂电阻。
膜厚在
2卩m以内,用玻璃烧结料把Ni(或Pd)引线固定,经激光调阻制成的薄膜元件。
传感器
工作时因环境温度的变化,使自身内阻发生相应变化,在固定电
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