智能火灾报警器

摘要

随着人们生活水平的日益提高，各种家用电器以及日常生活用品的普及，使得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。为了防止火灾带来的重大危害，因此设计了智能火警报警器，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。

本文主要介绍了智能火警报警器系统的组成部分，包括气体火灾探测器HSD1传感器，以及与其相应的放大电路，然后通过ADC0809转换为数字信号，由单片机进行处理，然后通过声音报警电路和显示电路做出相应的处理。各个模块的设计以及对火灾的提前预警功能，时刻检检测浓度的变化，并且及时的反馈，控制器将接到的反馈信号与正常值比较、判断确定火灾。

如果发生火灾，可实现声光报警、故障浓度显示，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火警报警系统，具有一定的实用价值。

关键词：气体传感器单片机报警器

Abstract

As people living standard rise increasingly, all kinds of home appliances and daily necessities popularization, make the cause fire more and more, in our life everywhere around potential fire hazard. In order to prevent fire brings the serious harm, so the intelligent design fire alarm, will fire nipped in the bud, minimize the loss of wealth of society.

This paper mainly introduced the intelligent fire alarm system of component parts, including the gas fire detectors HSD1 sensors, and their corresponding amplifier circuit, and then through the ADC0809 converted to digital signals, the SCM processing, and then through the voice alarm circuit and display circuit make corresponding processing. Each module design as well as to the fire early warning function, the time of the concentration of the testing for change, and timely feedback, controller will receive feedback signal and normal comparison, judge sure fire.

If fire, can achieve sound and light alarm, fault concentration shows, is a kind of simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive and intelligent fire alarm system, and has a certain practical value.

Keywords:gas sensor microcontroller alarm

目录

第一章引言 (1)

1.1 题目背景及意义 (1)

1.2 本文的主要内容 (2)

第二章智能火灾报警器的整体结构 (3)

2.1 系统总体功能介绍 (3)

2.2 智能火灾报警系统的分类 (4)

2.2.1感温型火灾报警系统 (4)

2.2.2感烟型火灾报警系统 (4)

2.2.3感光型火灾报警系统 (4)

2.2.4复合型火灾报警系统 (4)

第三章系统模块化设计 (5)

3.1 数据采集模块 (5)

3.1.1传感器介绍 (5)

3.1.2放大电路的设计 (6)

3.1.3 ADC0809及D触发器介绍 (7)

3.2 数据采集模块 (9)

3.2.1 AT89C51介绍 (9)

3.2.2 时钟及复位电路 (12)

3.3 报警及显示模块 (13)

3.3.1声光报警电路 (13)

3.3.2显示模块 (14)

第四章系统软件的设计 (15)

4.1 系统流程图 (15)

4.2 主程序初始化及报警程序流程图 (16)

第五章智能火警报警器电路原理图及总结 (18)

总结 (20)

参考文献 (21)

附录一 (22)

附录二 (23)

谢辞 (27)

第一章引言

1.1 题目背景及意义

随着人们生活水平的日益提高，对于预防火灾也比较重视。火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。我国的古代人就总结出“防为上，救次之，戒为下”的经验，由此可见对于火灾的预防是多么的重要。

火灾给人们带来的危害也越来越大，据有关部门统计我70年代火灾年平均损失不到2.5亿元，80年代火灾年平均损失不到3.2亿元。进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。实践证明，随着社会和经济的发展，预防以及消防工作的重要性就越来越重要。“预防火灾和减少火灾的危害”是对消防立法意义的总体概括，包括了两层含义：一是做好预防火灾的各项工作，防止发生火灾；二是火灾绝对不发生是不可能的，而一旦发生火灾，就应当及时、有效地进行扑救，减少火灾的危害。

残酷的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富的日益积累，火灾给人类社会和自然造成的危害范围不断增加，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁人类生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。在残酷的现实面前，人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，有效的监控系统和及时的报警系统可以大大降低人员的伤亡以及保护财产的安全。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。并且伴随着科学技术的进步与发展，智能火灾报警器也将得到更快更好的发展。

1.2 本文的主要内容

本文旨在采用气体传感器以及与其配套的放大电路、ADC0809转换器、80C51单片机、LED显示器与声音报警模块设计的一种智能火警报警器。它可以实现声光报警、火灾气体浓度显示、声音报警设置等功能。本文所述的智能火警传感器是一种结构简单而且性能稳定、使用方便、价格适当的一款智能火警报警器。

本论文的主要内容有：

第一章、绪论主要介绍了题目的背景及意义。

第二章、智能火灾报警器的整体结构。具体包括系统总体功能介绍及智能火灾报警系统的分类。

第三章、系统模块化设计。具体包括数据采集模块、数据处理模块、声光报警模块、显示模块等。

第四章、系统软件的设计。具体包括系统图总的流程图及子程序流程图等。第五章、智能火灾报警器的电路原理图及总结。

第二章智能火灾报警器的整体结构

2.1 系统总体功能介绍

智能火灾报警系统是由适用于火灾报警的气体传感器，以及单片机所成本系统的主要功能是为预防火灾的发生，达到提前预警的目的，从而保障人们的生命及财产的安全。火灾探测器及传感器是对火灾发生时，所产生的物理、化学现象，例如所产生的热量、光以及火灾发生时产生的烟雾进行检测，及初步的传感器采集信号。经单片机处理信号后，做出相应的处理并且发出声光报警信号。整体电路的框图如下图2-1所示：

传感器放

大

电

路ADC0809

单

片

机

状态指示

浓度显示

声光报警图2-1系统框图

火灾传感器与单片机是火灾智能报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是比较重要的。火灾传感器的选择比较重要的一环，因此将在其他章节中介绍一些相关的内容。

2.2 智能火灾报警系统的分类

由于火灾发生时，会伴随着各种化学及物理现象。因此对于火灾的早期探测也就会有不同的方法，依据传感器的种类不同将报警系统进行分类[1]。

于是将火灾报警分为以下几类：

2.2.1感温型火灾报警系统

当发生火灾时，会有燃烧物的燃烧所产生的热量。将会导致周围环境的温度升高，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。

2.2.2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。2.2.3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。

2.2.4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。

第三章系统模块化设计

3.1 数据采集模块

3.1.1传感器介绍

本论文选择的气体火灾探测器为HSD1一氧化碳传感器，该传感器功耗小、体积小、测量准确、反应灵敏、线性范围宽，并具有抗干扰性强、密封性好、工作可靠等优点。

电化学一氧化碳气体传感器结构采用密闭式设计，由电极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出线（管脚）、壳体等部分组成。详见下图3-1所示：

透气孔

壳体过滤器

工作电极透气膜

电解液

对电极参比电极

管脚

图3-1表示传感器

一氧化碳气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检测元件，它是以定电位电解为基本原理。当一氧化碳扩散到气体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能。

如上图所示，当一氧化碳气体通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。其化学反应式为：

CO+H

2

O→CO

2

+2H++2e- （3-1）在工作电极上发生氧化反应产生的 H+离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应。其化学反应式为：

1/2 O

2

+2H++2e-→H

2

O （3-2）因此，传感器内部就发生了氧化 -还原的可逆反应。其化学反应式为：

2CO+2O

2

CO

2

（3-3）

这个氧化-还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差。

但是由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化，这使得极间电位难以维持恒定，因而也限制了对一氧化碳浓度可检测的范围。

为了维持极间电位的恒定，我们加入了一个参比电极。在三电极电化学气体传感器中，其输出端所反应出的是参比电极和工作电极之间的电位变化 ,由于参比电极不参与氧化或还原反应，因此它可以使极间的电位维持恒定（即恒电位），此时电位的变化就同一氧化碳浓度的变化直接有关。当气体传感器产生输出电流时，其大小与气体的浓度成正比。通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小，便可检测出一氧化碳的浓度，并且有很宽的线性测量范围。这样，在气体传感器上外接信号采集电路和相应的转换和输出电路，就能够对一氧化碳气体实现检测和监控。传感器测定范围：0—1000ppm，输出电流:12±10uA/ppm 3.1.2放大电路的设计

由于传感器选择了气体传感器HSD1一氧化碳传感器，由其输出特性可知其输出电流:12±10mA/ppm，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。详见下图3-2所示：

图3-2表示放大电路

在本报警器电路中，同样要对传感器的输出信号进行放大调理。电路图如上图3.2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LM324进行放大处理后，从Vo端输出送入A/D转换电路。此放大电路的放大倍数为四倍，由于传感器为输出为电流信号，输出电流:12±10uA/ppm，气体浓度范围为0-1000ppm，输出电流范围为0-0.012A,通过100欧的电阻，及电压放大电路的输入电压为0-1.2V，该放大电路的倍数为四倍，及输出电压为0-4.8V的模拟电压信号，于是可以选择一款与之适应的A/D转换器。

3.1.3 ADC0809及D触发器介绍

由于放大电路的输出电压为0-4.8V,而常用的ADC0809的输入电压为0-5V 符合要求。如下图3-3所示：

图3-3 ADC0809管脚图

ADC0809简介[2]:

（1）ADC0809 IN7～IN0——模拟量输入通道

（2）ALE——地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

（3） START——转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST。

（4）A、B、C——地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址。

（5） CLK——时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。使用频率为10KHz～1280KHz的时钟信号。

（6）EOC——转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

（7） D7～D0——数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高。

（8）OE——输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

（9）Vcc——+5V电源。 Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V)。模拟信号有IN0输入。

ADC0809与单片机AT89C51的硬件接口方式采用查询方式。由于ADC0809芯片内部没有时钟脉冲源．我选择利用单片机AT89C51提供的地址锁存控制输入信号ALK经D触发器二分频后．作为ADC0809的时钟输入。当CPU访问外存储器时，ALK的输出作为外部锁存地址的低字节的控制信号；当不访问外部存储器时，ALK 端以16／的时钟振荡频率固定地输出正脉冲[5-6]。分频电路图如下图3-4所示。

图3-4表示D触发器的连接图

又因ADC0809的时钟频率有一定的范围101280kHz．故我取单片机的时钟频率为6MHz。则ALK端输出的频率为1MHz，再经二分频后为500kHz。符合ADC0809对时钟的要求。

3.2 数据采集模块

3.2.1 AT89C51介绍

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[3-5-6]。如下图3-5所示：

图3-5表示单片机的管脚图

（1）主要特性：

·与MCS-51 兼容。

·4K字节可编程闪烁存储器。

寿命：1000写/擦循环。

数据保留时间：10年。

·全静态工作：0Hz-24Hz。

·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。

（2）管脚说明：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

口管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE 只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器

（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

3.2.2 时钟及复位电路

AT89C51单片机外围接口电路下图所示，主要包括：

图3-6表示晶振电路图

（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。如上图3-6所示：

图3-7表示复位电路图

（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.如上图3-7所示：

3.3 报警及显示模块

3.3.1声光报警电路

图3-8表示声音报警电路图

由AT89C51的32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P3.5置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。从而达到预防火灾发生，保障人们生命及财产安全的目的。其电路原理图如上图3-8所示：

图3-9表示状态指示电路图

状态指示灯如下图所示，绿灯亮表示正常状态，环境中没有火灾危险。红灯亮表示环境中烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快采取相应措施。如上图3-9所示。

3.3.2显示模块

74LS244为3态8位缓冲器，一般用作总线驱动器。74LS244没有锁存的功能。地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来。为单向的，内部有8个三态驱动器，分成两组，分别由控制断1G和2G 控制。LED数码显示器件是一种由八个LED发光二极管组合显示字符的显示器件 ,其中七个用于显示字符 ,一个用于显示小数点 ,故通常称为七段(也称八段) LED数码显示器.

图3-10 显示模块连接图

从小型计算器到复杂的仪器仪表 ,LED数码显示器都得到了广泛的应用 ,

实际使用的LED显示器都是多位的 ,对于多位显示器多采用动态扫描的方法显示。如上图3-10所示：

第四章系统软件的设计

4.1 系统流程图

系统流程图如下图所4-1示：

开始

初始化

传感器读取数据

调用A/D转换子程序

N

判断浓度是否大于200ppm

Y

声光报警

结束

图4-1流程图

首先程序初始化结束后，系统进入监控状态。AT89C51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、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，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。

4.2 主程序初始化及报警程序流程图初始化流程图如下图4-2所示：

开始

寄存器初始化

开中断

关闭蜂鸣器，打开绿灯

是否保持报警初值结束

设定初值N

Y

图4-2 初始化流程图

主程序初始化流程图如图4-2所示。这部分实现的功能包括各种I/O输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等。首先设定定时器工作方式，然后开系统中断，以便响应中断定时，及时对气体浓度和温度进行采样。然后关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。

报警程序流程图：

流程图如下图4-3所示：

开始

读取处理后数据

烟雾浓度大于200ppm

延迟一段时间采

集数据

烟雾浓度大于200ppm 传感器故障诊断

启动火灾报警

返回

N Y

N

Y

N

Y

图4-3报警流程图

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，避免火灾和爆炸事故的发生。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测及报警。

程序详见附录二。