【正文】 控制器 AT89C51 是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的核心。 3．按學(xué)院指定的地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照進(jìn)度計(jì)劃完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。 2. 完成系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其軟件算法流程。 3. 煙塵實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。 參 考 資 料 單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用 傳感技術(shù)及應(yīng)用 相關(guān)學(xué)術(shù)期刊 周 次 1—4 周 5—8 周 9—12 周 13—16 周 17—18 周 應(yīng) 完 成 的 內(nèi) 容 查閱相關(guān)資料 分析確定設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件調(diào)試與實(shí)驗(yàn) 修改論文， 準(zhǔn)備答辯 指導(dǎo)教師： 劉永紅 職稱： 副教授 2020年 11 月 27 日 系級教學(xué)單位審批： 年 月 日 摘要 I 摘要 火災(zāi)已成為我國常發(fā)性和破壞性以及影響力最強(qiáng)的災(zāi)害之一。 光電式感煙 傳感器 與溫度傳感器LM94022 的組合使用保證了報(bào)警的可靠性 ，減小了系統(tǒng)的誤報(bào)率 。 火災(zāi)早已成為我國常發(fā)性和破壞性以及影響力最強(qiáng)的災(zāi)害之一。 火災(zāi)作為危害人類生存的大敵，越來越受到人們的重視。火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)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(shù)水平也隨著人們需求的不斷提高，在功能、結(jié)構(gòu)、形式等方面不斷地完善。研制火災(zāi)報(bào)警控制器的目的是為了立足于掌握核心開發(fā)技術(shù)，降低系統(tǒng)成本。感溫型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)就是通過判斷周圍溫度變化而產(chǎn)生響應(yīng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，再把溫度的變化轉(zhuǎn)換為電信號以達(dá)到判斷報(bào)警的目的。感煙型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)就是對空氣中可見或不可見的煙霧粒子進(jìn)行探測，然后將煙霧濃度的變化轉(zhuǎn)換為電信號來觸發(fā)報(bào)警。根據(jù)感應(yīng)的敏感波長，可以將感光型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)分為對波長較短的光輻射敏感 的紫外報(bào)警系統(tǒng)和對波長較長的光輻射敏感的紅外報(bào)警系統(tǒng)。進(jìn)入 80 年代后，國內(nèi)主要廠家也多是模仿國外產(chǎn)品，或是引進(jìn)國外技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，沒有真正意義上的核心技術(shù)，并且市場也剛 剛開始發(fā)育。其中以秦皇島海灣、北京利達(dá)、北京國泰怡安 為代表的國產(chǎn)品牌逐步發(fā)展壯大起來。同時根據(jù)場地不同，不同工作方式的系統(tǒng)也已使用，如無線火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)，空氣取樣火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)等，設(shè)備容量也有小系統(tǒng)如 500 點(diǎn)、中型系統(tǒng)如 500 至 2020 點(diǎn)、大型系統(tǒng)如 3000 點(diǎn)以上的多種型號。德國、日本、美國等國家就采用計(jì)算機(jī)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(zāi)自動報(bào)警設(shè)備實(shí)時監(jiān)控以及故障遠(yuǎn)程傳輸 [12]。這種管理運(yùn)作方式已經(jīng)取得了良好的效果。發(fā)生火災(zāi)時，能依據(jù)探測到的各種信息對火場的范圍、火勢的大小、煙的濃度以及火的蔓延方向等給出詳細(xì)的描述，甚至可配合電子地圖進(jìn)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(shí)現(xiàn)各方面快速準(zhǔn)確反應(yīng)聯(lián)動，最大限度地降低人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，而且火災(zāi)中探測到的各種數(shù)據(jù)可作為準(zhǔn)確判定起火原因、調(diào)查火災(zāi)事故責(zé)任的科學(xué)依據(jù)。此外，利用納米粒子化學(xué)活性強(qiáng)、化學(xué)反應(yīng)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，用來探測有毒氣體、易燃易爆氣體、蒸氣及煙霧的濃度并進(jìn)行預(yù)警，具有反映快、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，目前已列為我國消防科研工作者的重點(diǎn)研究開發(fā)課題。 (4) 社區(qū)化 目前我國火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)只被安裝在重要建筑上，而在美國、日本等發(fā)達(dá)國家，包括許多居民家庭 都安裝了火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)的子機(jī)與主機(jī)可以進(jìn)行雙向智能信息交 流，使整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度及運(yùn)行能力空前提高，誤報(bào)率幾乎接近零，靈敏度比傳統(tǒng)探測器高1000 倍以上，能探測到物質(zhì)高熱分解出的微粒子，并在火災(zāi)發(fā)生前的 30min 到 120min 預(yù)警，確保了系統(tǒng)的高靈敏性和高可靠性。 第二階段：總線型火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)。由于采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，智能化程度大大提高，探測器的報(bào)警形式采用數(shù)字量，并可通 過軟件對其靈敏度根據(jù)使用場合、時間進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整，如可設(shè)定白天、夜間、休息日不同靈敏度。首先 選擇合理傳感器、控制芯片 AT89C5 AD 轉(zhuǎn)換器、 LED 等主要器件。 完成系統(tǒng)軟件算法流程設(shè)計(jì)。 使用火災(zāi)報(bào)警產(chǎn)品的目的就是及早報(bào)告火災(zāi)的發(fā)生，從而迅速有效的控制火災(zāi)，把損失降到最低。環(huán)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(zāi)發(fā)生時的狀況接近，從而使報(bào)警設(shè)備發(fā)生誤判而報(bào)警。 第 2 章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 9 圖 21 系統(tǒng)原理及組成框圖 器件選 型 控制芯片的選型 本設(shè)計(jì)的控制芯片使用的是 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51， AT89C51是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可 編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM）和 128 字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī) [5,15]。 單片機(jī)是煙霧檢測報(bào)警器的核心部件，一方面它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(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。 STC系列雖然功耗低，精簡指令集，抗干擾性好，可靠性高，但是存在溢出隱患問題，而且更適用于工業(yè)用途； AT89C51 單片機(jī)應(yīng)用普遍，工具多，易上手，片源廣，價(jià)格低，且適合民用、商用。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)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，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個 TTL 門電流。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時當(dāng) 8051 通電，時鐘電路開始工作，在 RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。 ALE/PROG：當(dāng)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(jié)。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無效。 EA/VPP ：當(dāng) EA 保 持低 電平時 ，則在 此期 間外部 程序存 儲器燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 （ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。 火災(zāi)檢測傳感器的選擇及原理 光電感煙傳感器 對各類火災(zāi)檢測傳感器進(jìn)行比較后，根據(jù)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的實(shí)際情況出發(fā)，系統(tǒng)采用光電感煙傳感器。通過探測器接口電路可以將探頭報(bào)警電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌l率的電信號傳送到控制器，由控制器判別處理，確定火災(zāi)位置報(bào)警 [19]。 在火災(zāi)發(fā)生前往往伴隨著煙霧的產(chǎn)生，因此，我們就需要選擇一種能夠及時檢測空氣中煙霧含量的傳感器來進(jìn)行火災(zāi)發(fā)生的預(yù)警。散射是粒子以同樣的波長再輻射已接收的光能，再輻射可在所有的方向上發(fā)生，但在不同方向上其強(qiáng)度通常不同。在陰燃階段會產(chǎn)生大量的煙霧顆粒和一氧化碳等大量有害氣體。當(dāng)煙塵顆粒直徑在 0. 5～ 1181。然而必須注意散射能力也依賴散射函數(shù) )(2Us? 。對火災(zāi)初期形成的煙霧進(jìn)行可靠的探測，可以用紅外光作為散射光源。選擇光譜 范圍在 0. 54～ 0. 95181。m 之間。當(dāng)火災(zāi)陰燃階段，煙霧顆粒進(jìn)入光敏室，紅外光源（發(fā)光元件）發(fā)射的在煙霧顆粒上產(chǎn)生散射。時 ，受光元件狀態(tài)最佳。 綜上所述，光電感煙探測器在正常運(yùn)行中對煙霧的識別能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性較好。 火災(zāi)時物質(zhì)的燃燒產(chǎn)生大量的熱量，使周圍溫度發(fā)生變化。其中線型是當(dāng)局部環(huán)境溫度上升達(dá)到 規(guī)定值時，可熔絕緣物熔化使兩導(dǎo)線短路，從而產(chǎn)生火災(zāi)報(bào)警信號。線型差溫式探測器是根據(jù)廣 泛的熱效應(yīng)而 動作的，點(diǎn)型差溫式探 測器是根據(jù)局部的熱效應(yīng)而動作的，主要感溫器件是空氣膜盒、熱敏半導(dǎo)體電阻元件等。 LM94022 的管腳排列如圖 27 示。 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 (1) 分辨率 ： 分辨率表示 A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。其內(nèi)部有一個 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)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(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 (2) 最大不可調(diào)誤差： ADC0809為 ? 1LSB。 (6) 轉(zhuǎn)換速度取于決芯片的時鐘頻率。集成電路型穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、帶負(fù)載能力強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用 [22]。電容 C13（ ）能改善負(fù)載的瞬態(tài)影響 ，從而為接收主機(jī)提供穩(wěn)定的工作電壓。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(wěn)的直流電。 電容濾波電路工作原理：電容器是一個儲存電能的倉庫。這種電容 帶兩端電壓不能突變的特性，正好可以用來承擔(dān)濾波的任務(wù)。 常見集成穩(wěn)壓器有固定式三端壓器與可調(diào)式三端穩(wěn)壓器，固定式三端穩(wěn)壓器的常見產(chǎn)品有輸出固定正電壓的 LM78系列和輸出固定負(fù)電壓的LM79系列，如 LM7805 輸出電壓為 +5V， LM7905 輸出電壓為－ 5V。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器 [6,15]。 復(fù)位電路 復(fù)位電路的基本功能是 [9]：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 REST引腳上有一個高電平并維持 2 個機(jī)器周期 （ 24 個振蕩周期 ） 以上，則 CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，設(shè)計(jì)完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。 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 ℃ 、 mV /℃ 、 /℃ 及 /℃ 。 系統(tǒng)采用固定門限檢測法 [12,14]判斷火災(zāi)是否發(fā)生，溫度閾值設(shè)定為 57℃ ，煙霧濃度閾值設(shè)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 定為 %每英尺。電壓放大倍數(shù)為： 464u RRRRA Ff ?? ， 6uf ??A (31) 圖 35 煙霧信號調(diào)理電路 濾波電路能使有用頻率信號通過，同時抑制無用頻率成分，濾除或衰減無用頻率信號到足夠小。將串聯(lián)的兩節(jié) RC 低通網(wǎng)絡(luò)直接與反向電壓跟隨器電路相連，可構(gòu)成煙霧、溫度調(diào)理電路中的簡單二階低通濾波器電路 [9,22]。 聲光報(bào)警電路 聲光報(bào)警電路在 AT89C51 的控制下，可以根據(jù)不同的情況（火災(zāi)、異常、故障 )，發(fā)出不同的聲光信號報(bào)警。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 36 蜂鳴器報(bào)警 圖 37 光報(bào)警電路 光報(bào)警電路路如圖 37，其中單片機(jī)的 P2 口進(jìn)行控制， P2 口的 P23～P26 分別控制 4 個發(fā)光二極管，予以光報(bào)警，如圖所示。當(dāng) ALE 線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將 A， B， C 三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng) EOC 為高電平時， 表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。系統(tǒng) AT89C51 與 ADC0809 接口電路如圖 38 所示。故D 觸發(fā)器能 實(shí)現(xiàn)對 ALE 端口的信號二分頻 [1,14]]。 表 31 ADC0809 通道選通 通入通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 A B C 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 本設(shè)計(jì)使用 74LS373 作為地址鎖存器，當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，輸出端 Q0~Q7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。 LE 端接至單片機(jī)的地址鎖存允許 ALE 端。 START 上升沿將A/D 內(nèi)的寄存器清零，下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 端變成低電平，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。 本章小結(jié) 本章主要介紹了該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面，可以使用結(jié)構(gòu)體和數(shù)組，能夠處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)，可用于實(shí)時處理系統(tǒng)。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。目標(biāo)文件可由 LIB51 創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng) C51 連接定位生成絕對目標(biāo)文件 (ABS)。 為了降低誤報(bào)率，系統(tǒng)采用了多次采集、多次判斷的方法。 開始初始化第一次溫度煙霧信號采集第二次溫度煙霧信號采集報(bào)警判斷火。 第 4 章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 31 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制器上采用 AT89C51 作為主控芯片，其主要功能包括：控制 IO 端口、邏 輯判斷處理、驅(qū)動外部電路和 A/D 采樣等，該部分是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)智能化的集中體現(xiàn)。