火灾报警系统的设计毕业设计

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年月
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论文作者签名：日期：
指导教师签名：日期：
专业：电气工程及其自动化
学号：93110070121
本科毕业设计
（自然科学）
题目：火灾报警系统的设计（偏硬）
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：
指导教师签名：日期：
使用授权说明
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作者签名：日期：
独创声明
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作者签名:
二〇一〇年九月二十日
毕业设计（论文）使用授权声明
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（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
资料目录
1. 学术声明………………………………………………………………～页
2. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）…………………………～页
3. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）任务书………………～页
4. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）开题报告……………～页
5. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）中期检查表…………～页
6. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）答辩记录表…………～页
7. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）成绩评定汇总表……～页
8 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）工作总结……………～页
9 其他反映研究成果的资料（如公开发表的论文复印件、效益
证明等）……………………………………………………………～页
河北科技师范学院
本科毕业设计火灾报警系统的设计（偏硬）
院（系、部）名称：机电科学与工程系
专业名称：电气工程及其自动化
学生姓名：葛雯
学生学号：9311070121
指导教师：刘士光
2011年5月24日
河北科技师范学院教务处制
学术声明
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对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。

本人签名：（需手写）日期：（需手写）
指导教师签名：（需手写）日期：（需手写）
摘要
火灾自动报警系统是由触发装置、火灾报警装置、火灾警报装置以及具有其它辅助功能装置组成的，它能将燃烧产生的烟雾、热量、火焰等物理量，通过火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时显示出火灾发生的部位、时间等，使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少因火灾造成的生命和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。

本系统采用AT89C51作为控制器，选用温度传感器DS18B20、可燃气体传感器MQ-2作为火灾探测的敏感元件。

采用声光报警的方式，设计出可以应用于家庭房屋、工厂等场所的简单实用的火灾探测报警器。

单片机巡回检测温度、浓度并显示数据。

当以上任一项发生异常时系统判断具体是哪项异常，再发出相应的声光报警信号，直到异常被排除，系统自动停止报警。

关键词：单片机；温度传感器；气体传感器；声光报警
Abstract
Automatic fire alarm system is composed of triggered devices, fire alarms, fire alarm devices and other auxiliary function device .It can transform the physical quantity of the burning of smoke, heat, fire and other physical quantities into signal by the fire detector, then transmitted to the fire alarm controller, and it can also shows the site and time of the fire, allow people to discover the fire and to take timely and effective measures to fight with the fire initially, reduce the lives and property caused by fire loss.The fire alarm system is a powerful tool to fight with the fire.This system uses AT89C51 as controller,select DS18B20 temperature sensor and MQ-2 combustible gas sensor, as fire detector, and it has a sound and light alarm.This design can be used in housing,factories, etc. It is a simple and practical fire detection alarm. SCM Tour of temperature, smoke and show that the temperature, When more than two in any system anomalies that have taken place ，SCM will send sound and light alarm signal, only to be excluded from abnormal, the system automatically stops Alarm.
Keywords:SCM ；temperature sensor；gas sensor；disaster warning
目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
1 绪论 (1)
1.1 论文研究背景与意义 (1)
1.2 火灾报警系统国内发展情况 (1)
1.3 本文所做的工作 (1)
2 火灾自动报警系统的工作原理 (2)
2.1 系统总体功能概述 (2)
2.2 火灾报警系统的类型 (3)
3 系统硬件设计 (5)
3.1 核心芯片选择 (5)
3.1.1 单片机 (5)
3.1.2 温度传感器 (6)
3.1.3 气体传感器 (9)
3.1.4 A/D转换器 (11)
3.1.5 数码管驱动芯片ICM7218A (13)
3.2 信号放大电路 (16)
3.3 A/D转换模块 (18)
3.4声光报警电路 (19)
3.5数码管显示电路 (20)
3.674LS74双D型触发器分频电路 (22)
4 系统软件设计 (23)
4.1 系统主流程图 (23)
4.2 温度采集流程图 (23)
4.3 可燃气体浓度采集流程图 (23)
结论 (26)
参考文献 (26)
致谢 (29)
附录一：总设计原理图 (29)
附录二：部分子程序 (29)
1 绪论
1.1 论文研究背景与意义
火灾是可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。

火，在给人类带来文明进步、光明和温暖的同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大的灾难。

据统计，我国70年代火灾平均损失不到2.5亿元，80年代火灾平均损失接近3.2亿元。

进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。

严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。

残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的上网，为社会减少不必要的损失。

随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。

智能化火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。

伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展。

1.2 火灾报警系统国内发展情况
火灾报警系统在国内的发展情况我国火灾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，没有真正意义上核心技术，并且市场也刚刚开始发育。

火灾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 本文所做的工作
本文采用气体传感器、温度传感器、AT89C51单片机以及LED显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、浓度显示、温度显示，报警限
值设置。

是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。

本系统采用ATMEL公司的AT89C51单片机作为处理器，主要完成以下工作：
(1) 基于AT89C51的火灾报警检测设计方案。

(2) 温度传感器DS18B20、气体传感器MQ-2、A/D转换芯片ADC0809与单片机的接口电路设计。

(3) LED数码管驱动芯片ICM7218A与单片机的接口电路及其与数码管的硬件连接。

(4) 设计主要软件程序模块，完成软件设计。

2 火灾自动报警系统的工作原理
2.1 系统总体功能概述
本文采用以AT89C51单片机为核心，温度传感器、气体传感器、声光报警模块以及数码管显示模块设计了一种可检测温度、可燃气体浓度的火灾报警器，可以实现声光报警、浓度显示、温度显示。

是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉的火灾报警器，具有一定的实用价值。

整体电路的框图如下图1所示：
图1整体电路框图
2.2 火灾报警系统的类型
根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为以下四种：
（1）感温型火灾报警系统
由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。

感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判断报警的目的。

根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等几种。

(2) 感烟型火灾报警系统
烟雾是早期火灾的重要特征之一。

在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。

感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。

感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。

（3）感光型火灾报警系统
物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。

感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。

根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的
红外报警系统。

（4）复合型火灾报警系统
如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。

目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式。

2.3 火灾探测器的分类及工作原理
（1）感烟探测器
一般分为分离子型，光电型，红外对射型，激光型等。

①离子感烟式探测器是点型探测器，它是在电离室内含有少量放射性物质，可使电离室内空气成为导体，允许一定电流在两个电极之间的空气中通过，射线
使局部空气成电离状态，经电压作用形成离子流，这就给电离室一个有效的导电性。

当烟粒子进入电离化区域时，它们由于与离子相接合而降低了空气的导电性，形成离子移动的减弱。

当导电性低于预定值时，探测器发出警报。

光电感烟探测器也是点型探测器，它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。

根据烟粒子对光线的吸收和散射作用。

②光电感烟探测器又分为遮光型和散光型两种。

根据接入方式和电池供电方式等的不同，又可分为联网型烟感，独立型烟感，无线型烟感。

③红外光束感烟探测器是线型探测器，它是对警戒范围内某一线状窄条周围烟气参数响应的火灾探测器。

它同前面两种点型感烟探测器的主要区别在于线型感烟探测器将光束发射器和光电接受器分为两个独立的部分，使用时分装相对的两处，中间用光束连接起来。

红外光束感烟探测器又分为对射型和反射型两种。

（2）感温探测器
火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。

感温探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器。

它是将温度的变化转换为电信号以达到报警目的。

根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用建筑中的感温式火灾探测器有定温式、差温式、差定温式等几种。

①定温式探测器。

定温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时启动报警的火灾探测器。

它有线型和点型两种结构。

其中线型是当局部环境温度上升达到规定值时，可熔绝缘物熔化使两导线短路，从而产生火灾报警信号。

点型定温式探测器利用双金属片、易熔金属、热电偶热敏半导体电阻等元件，在规定的温度值上产生火灾报警信号。

②差温式探测器。

差温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。

它也有线型和点型两种结构。

线型差温式探测器是根据广泛的热效应而动作的，点型差温式探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温器件是空气膜盒、热敏半导体电阻元件等。

③差定温式探测器。

差定温式探测器结合了定温和差温两种作用原理并将两种探测器结构组合在一起。

差定温式探测器一般多是膜盒式或热敏半导体电阻式等点型组合式探测器。

（3）感光式火灾探测器
物质燃烧时，在产生烟雾和放出热量的同时，也产生可见或不可见的光辐射。

感光式火灾探测器又称火焰探测器，它是用于响应火灾的光特性。

即扩散火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。

根据火焰的光特性，目前使用的火焰探测器有两种：一种是对波长较短的光辐射敏感的紫外探测器，另一种是对波长较长的光辐射敏感的红外探测器。

紫外火焰探测器是敏感高强度火焰发
射紫外光谱的一种探测器，它使用一种固态物质作为敏感元件，如碳化硅或硝酸铝，也可使用一种充气管作为敏感元件。

红外光探测器基本上包括一个过滤装置和透镜系统，用来筛除不需要的波长，而将收进来的光能聚集在对红外光敏感的光电管或光敏电阻上。

感光式火灾探测器宜安装在有瞬间产生爆炸的场所。

如石油、炸药等化工制造的生产存放场所等。

(4)可燃气体探测器是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。

可燃气体探测器有催化型、红外光学型两种类型。

催化型可燃气体探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。

当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧），其产生的热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻率便发生变化。

红外光学型是利用红外传感器通过红外线光源的吸收原理来检测现场环境的碳氢类可燃气体
3 系统硬件设计
3.1 核心芯片选择
3.1.1 单片机
在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。

它一方面要接收来自经ADC0809转换后的气体数字信号和DS18B20的温度数字信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作。

在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度和温度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到可燃气体浓度和温度值，并根据情况进行相应的处理。

并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。

根据多方面的比较，本设计选用ATMEL 公司的AT89C51单片机作为控制器。

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

其中有三级程序存储器锁定、128×8位内部RAM、32可编程I/O 线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。

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AT89C51是一种高效微控
制器。

其引脚图如下图2所示。

图2 A T89C51引脚图
3.1.2 温度传感器
（1）DS18B20 单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：
①用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处
理器与DS18B20 的双向通讯。

单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

②测量温度范围宽，测量精度高DS18B20 的测量范围为-55 ℃~+
125 ℃；在-10~+ 85°C 范围内，精度为±0.5°C 。

③在使用中不需要任何外围元件。

④持多点组网功能多个DS18B20 可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。

⑤供电方式灵活DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。

因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。

⑥测量参数可配置DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定9~12 位。

⑦负压特性电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

⑧掉电保护功能DS18B20 内部含有EEPROM ，在系统掉电以后，它仍可
保
存
分
辨
率
及
报
警
温
度的设定值。

DS18B20 具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，
（2）DS18B20内部结构如图3所示，主要由4部分组成：64 位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。

64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X^8＋X^5＋X^4＋1）。

ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

图3
DS18B20内部结构图
（3）
DS18B20
引脚封装如下图4所
示。

其中
GND 为电源地。

DQ 为数字信号输
入／输出端。

VDD 为外接供电电源输入
端。

图4 DS18B20引脚封装
（4） DS18B20有两种供电方式：寄生电源强上拉供电方式和外部电源供电方式 。

本设计采用外部电源供电方式。

电路图如下图5所示。

VCC DQ GN D R 8
4.7K DS18B20VCC
图5 DS18B20外部电源供电
(5) 16位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FE6FH，-55℃的数字输出为FC90H 。

数据温度表见表1。

表1 DS18B20温度数据表
3.1.3 气体传感器
本设计采用MQ-2型半导体电阻式气体传感器。

当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。

当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。

利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。

遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。

而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体-又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升。