基于单片机的proteus火灾报警设计

摘 要 ................................................................................................................................................2 第1章 绪 论 ................................................................................................................................3

1.1 选题背景及意义................................................................................................................3 1.2 本文所做的工作................................................................................ 错误!未定义书签。 第2章 火灾自动报警系统的工作原理 .........................................................................................3

2.1 系统总体功能概述............................................................................................................3 2.2 火灾报警系统的类型 ........................................................................................................4 2.3 火灾探测器的原理............................................................................................................4 第3章 系统硬件设计 ....................................................................................................................5

3.1 核心芯片选择 ...................................................................................................................5 3.2 单片机外围接口电路 ........................................................................................................7 3.3 信号处理电路 ...................................................................................................................9 3.4 A/D转换模块 ....................................................................................................................9 3.5 声音报警电路 .................................................................................................................10 3.6 数码管显示电路.............................................................................................................. 11 3.7 状态指示灯及控制键电路 ..............................................................................................12 3.8 报警器故障自诊断..........................................................................................................13 第4章 系统软件设计 ..................................................................................................................14

4.1 主程序流程图 .................................................................................................................14 4.2 主程序初始化流程图 ........................................................................ 错误!未定义书签。 4.3 滤波子程序 .....................................................................................................................15 4.4 线性化子程序 .................................................................................................................16 4.5 报警子程序 .....................................................................................................................18 4.6 键盘处理子程序..............................................................................................................21 结论 ..................................................................................................................................................22 致谢 .................................................................................................................... 错误!未定义书签。 参考文献 ..........................................................................................................................................23

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摘 要

目前，随着城市建设的发展和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，在我们生活得四周到处潜伏着火灾隐患，以辽宁工程大学所处于首山环境为例，冬季火灾隐患巨大。为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。

本系统可安装在各防火单位，它负责不断地向所监视的现场发车巡检信号，监视现场的温度、浓度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接到的信号与内存的正常整定值比较、判断确定火灾。当发生火灾时，可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾传感器，具有一定的实用价值。

关键词 单片机 火灾报警 传感器

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第1章 绪 论

1.1 选题背景及意义

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。，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。

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。

本文采用气体传感器、温度传感器、ATS52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、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。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ATS52单片机作为处理器，主要完成以下工作： 1. 基于ATS52的火灾报警检测设计方案。

2. 温度传感器AD590、烟雾传感器TGS202、A/D转换芯片ADC0809的选择以及与单片机的接口电路设计。

3. LED数码管驱动芯片ICM7218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。

第2章 火灾自动报警系统的工作原理

2.1 系统总体功能概述

火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。火灾探测

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器通过对火灾发出的物理、化学现象——气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出声光报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，利用本机专用电话还可迅速发出指示和向消防队报警。此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。整体电路的框图如图2-1所示：

传感器 放大电路 A/D转换 单片机 状态指示灯 声音报警 浓度显示 串口通信 按键

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 (2)感烟型火灾报警系统 （3）感光型火灾报警系统 （4）复合型火灾报警系统 2.3 火灾探测器的原理

火灾发生时，必然会伴随着产生烟雾、高温和火光，探测器对这些都很敏感。当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。

火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类： （

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第3章 系统硬件设计

3.1 核心芯片选择

1. 芯片ATS52

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传感器送来的温度、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，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；与此同时查询是否有键按下的请求。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烟雾浓度，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ATS52单片机作为控制器。

ATS52是一个低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。芯片内集成了通用8位处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的计算机ATS52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

ATS52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。根据本次设计的具体情况，采用双列直插DIP-40封装。

2、 集成温度传感器AD590

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AD590是美国Analog Devices公司生产的一种电流型二端传感器，电路如图所示。由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，及1A∕K，，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10千欧的电阻R1和一个100欧的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC080。通过调节可调电阻便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV∕K,温度0℃时输出为0，温度25℃时输出为2.982V。这样便于A/D转换器采集数据。AD590的应用电路如图3-2所示。

图3-2 AD590应用电路

3、 气体传感器TGS-202

图3-3 TGS202检测电路 火灾中气体烟雾主要是CO2和CO，TGS202气体传感器能探测CO2，CO，甲烷，煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。如上图所

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示，当TGS202探测到CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如CO浓度达到0.06﹪）时，VA端获得适当的电压（设为3V）。电路图如图3-3所示。

4、 数码管驱动芯片ICM7218

ICM7218 是INTERSIL公司生产的一种性能价格比较高的通用8 位L ED 数码管驱动电路, 28 脚双列封装,是一种多功能L ED 数码管驱动芯片,可与多种单片机接口使用。ICM7218 的输出可直接驱动L ED显示器,不需外接驱动电路,工作电压为+5V,其构成的显示电路结构简单,使用方便。同样由单片机向ICM7218写控制字及数据，编程部分像给外部RAM写数据一样简单。

当单片机写入模式控制字后，ICM7218以约定的方式接收显示数据并将数据写入静态显示RAM中。数据接收结束，ICM7218在扫描控制电路的控制下，按设定的译码模式，以动态扫描显示方式向段显示驱动器和位控驱动器发出控制信号，直到下一个控制字写入前，不停地进行动态显示工作。其引脚图和内部框图如图3-4所示。

图3-4 ICM7218引脚图及内部框图

3.2 单片机外围接口电路

ATS52单片机外围接口电路如图3-5所示，主要包括：

1.晶振电路：内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHZ~12MHZ之间（该

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设计选用6MHZ），外接两个谐振电容。该电容的典型值为30pF,该设计选用33pF。

2.复位电路：单片机复位采用按键高电平复位，而单片机在平时则复位端为低电平0.

3.直流电源

图3-5 单片机外围接口电

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123.3 信号处理电路 VCCDViR20KD1C0.1uF312LM324AVoRR20K100K图3-6 信号处理电路 C114 对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性的要求。在本报警器电路中，同样要对两类传感器的输出信号进行放大调理。电路图如上图3-6所示，运算放大器接成电压放大电路。从传感器采集过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信号。采样时，把相应的模拟电压信号从Vi端送进LM324A进行放大处理后，从Vo端输出送入A/D转换电路。 3.4 A/D转换模块 经气敏传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行A/D装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。 A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换常用芯片ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端分别接到ADC0809的IN0和IN1。 ADC0809的通道选择地址B由ATS52的P0.0～P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。当P2.7=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。其中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿 第9页 写入地址信号，在其后沿启动转换。图中ADC0809转换结束状态信号EOC接到ATS52的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。由于ADC0809片内无时钟，故利用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHZ，则ALE信号的频率为1MHZ，经二分频后为500KHZ，与ADC0809的典型值吻合。电路图如图3-7所示。

图3-7 A/D转换电路

3.5 声音报警电路

由ATS52的21脚实现声音报警控制。当可燃性气体浓度或温度超过限定值时，将P2.0置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。其电路原理图如图3-8所示。

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图3-8 声音报警电路图

3.6 数码管显示电路

数据采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，就被传送到系统的显示模块，让人们更直接地观察到相关数据。在本系统中，对LED进行的是动态扫描，除了给显示器提供段的输入之外，还要对显示器进行位控制。显示器的第一位显示所选择的通道号，而后三位则显示该通道传送进来的相应的数字量。

本系统显示用的4位七段数码管由数码管专用驱动芯片ICM7218A驱动，27、3、1、25、2、24、26脚分别接数码管的a、b、c、d、e、f、g，15、16、23、20脚为位选，分别控制4位数码管的亮灭，ID0~7为数据线，接单片机P0口，WRITE、MODE是写控制位和模式控制位，分别接单片机P3.6、P2.6。其电路图如图3-9所示。

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23图3-9 数码管显示电路图 3.7 状态指示灯及控制键电路 VCC R5 470R4470D1红D2p2.2黄D3p2.3 R3 470绿p2.4图3-10 状态指示灯电路 第12页

图3-11 控制按键连接示意图

状态指示灯及控制键电路如图3-10、3-11所示，单片机ATS52的P2.2、P2.3、 P2.4控制输出的状态指示灯。绿灯亮表示正常状态，环境中没有火灾危险。黄灯亮表示传感器加热丝发生断线或者接触不良。红灯亮表示环境中烟雾浓度、温度超过报警限值，提醒用户尽快采取相应措施。

控制键电路采用式按键设计。4个按键分别接到片。P1.0、P1.1、 P1.2和RST，对于这种键各程序可以采用中断查询的方法，功能就是：检测是否有键闭合，如有键闭合，则去除键抖动，判断键号并转入相应的键处理。4个键定义如下：

P2.1：S1功能转换键，按此键则开始键盘控制。

P2.5：S2加，按此键则温度设定值加一度或烟雾浓度增加0.01％。 P2.6：S3减，按此键则温度设定减少一度或烟雾浓度减少0.01％。 RST： S4复位键，使系统复位。

3.8 报警器故障自诊断

判断传感器电源连接情况。在传感器的地端串联一个电阻R，当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P2.1口检测到：如果如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。

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第4章 系统软件设计

4.1 主程序流程图

主程序流程图如图4-1所示：

开始 初始化 传感器预热、故障检测 键盘处理 是否按下模式切换 N A/D转换 Y 报警限设置 平均值法滤波 线性化处理 Y 是否超过报警限 N 浓度显示 报警子程序 设置指示灯状态

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图4-1 主程序流程图

首先要给传感器预热三分钟，因为传感器需要预热一段时间才能正常采集烟雾和温度信息。预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。程序初始化结束后，系统进入监控状态。ATS52单片机对传感器检测到的烟雾浓度和温度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将检测值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入显示器显示通道及相应的数字量。主程序还包括状态指示灯及按键功能，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利

开始 定时器初始化 开中断 关闭蜂鸣器，打开绿灯 N 是否保持报警初值 Y 返回 设定初值

4.3 滤波子程序

在对气体浓度采样时，可能会遇到尖脉冲干扰的现象。干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。如果采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的烟雾浓度采样值的偏差。 为此，可采取去极值平均滤波法，先对N个采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N–2个数据的算术平均值。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机 干扰。保证报警器检测烟雾浓度的准确性，减小误报、错报的可能。

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开始 设定采样次数 调用A/D采样 N 已达到设定次数 Y 将采样值排序 求第二个到第九个采样值的累加和 将累加和求平均值 送入寄存器

图4-4 滤波子程序流程图

4.4 线性化子程序

本论文报警器使用的TGS-202型传感器的电阻是随着可燃气体浓度值的升高而降低的，因此输入单片机的电压也是随之降低的。电压值与气体浓度之间是非线性的关系，为了实时显示烟雾浓度需要对其进行线性化处理。在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线分成若干小段，对每小段分别线性化

根据分段线性插值法求输入单片机的某一电压值对应的烟雾浓度的 公式如下：

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式中，N为所分区间个数，f(x)为实际烟雾检测浓度，x为实际气体检测浓度对应的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi+1是区间的上限浓度对应电压值，f(xi)为区间下限烟雾浓度值，f(xi+1)为区间上限烟雾浓度值。分段插值法线性化程序流程图如图4-5所示：

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开始读取滤波电压X查表并确定X所在电压区间求电压值X与所在区间下限差Xm=X-Xi求X所在区间的上下限浓度值的差Z=f(Xi+1)-f(Xi)求上下限电压值的差Xd=Xi+1-Xi求Z与Xd的比K=Z/Xd求出K与X的和S=K*Xm求出f(X)=f(Xi)+S保存浓度值返回图4-5 线性化子程序

4.5 报警子程序

当烟雾浓度或温度值超过报警限设定值时，蜂鸣器发声，对应通道的红灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全，

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避免火灾和爆炸事故的发生。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度和温度进行快速重复检测和延时报警，以区别出时管道中烟雾的泄露，还是由于暂时打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。报警子程序流程图如图4-6所示。

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开始 读取处理后的气体浓度值或温度值 Y 烟雾浓度≥0.06％或温度≥100℃ 延迟20秒后采集一组数据 N N 是否烟雾浓度≥0.06％或温度≥100℃ Y 传感器故障自诊断 Y 传感器有问题 启动故障报警 N 启动火灾报警 N 复位键是否按下 Y 返回 图4-6 报警子程序流程图

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4.6 键盘处理子程序

按键处理子程序流程图如图4-7所示。

开始 扫描键值 N 是否有键按下 Y Y 延时10ms消抖 N 是否有键按下 Y 提取键值 调用键盘 处理子程序 结束

图4-7 键盘处理子程序流程图

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结论

火灾报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。

本论文是在对烟雾、温度传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案，并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。

本次毕业设计经过努力，整个系统实现了预期的目标。本系统通过设计一个以ATS52单片机为核心的火灾报警器可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警等功能。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。本报警器电路结构简单、可维护性好。由于实现了对普通环境中烟雾浓度和温度的实时监控，因此具有非常普遍的意义，能广泛应用于居民家庭、企事业单位等多方面的安全防范。

但是也存在不少的不足。由于电源的波动，传感器的电气特性等问题，使得A/D转换结果有时波动很大，这样就可能出现误报警。由于时间的关系，系统中本应具有的串行通信的功能没有实现，而只是实现了烟雾浓度、温度显示及按键控制。由于上述缺点的存在,此系统不是很完善，还有待进一步改进。

通过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识也更加深入，使自己对本专业更加的热爱，对本科阶段四年的学习做了进一步的总结，更加明确了自己学习的目标和方向。在设计过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验心得。而且，对工程设计的流程和步骤有了清晰的认识，为自己日后的学习和研究打下了坚实的基础。

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参考文献

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[2] 王庆，Protel 99 SE&DXP电路设计教程，电子工业出版社，2009 [3] 康华光，电子技术基础模拟部分，第4版，高等教育出版社,2006 [4] 刘军，单片机原理与接口技术，华东理工大学出版社，2006 [5] 赖寿宏，微型计算机控制技术，机械工业出版社，2010． [6] 李中望，一种智能火灾报警系统的设计方案，安防科技，2012 [7] 王忠民，基于单片机的语音数字联网火灾报警器设计，现代电子技术，2009，27（10）

[8] Atmel Corporation 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash ATS52

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