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基于80c51單片機智能火災語音報警系統(tǒng)設計(完整版)

2024-10-18 18:33上一頁面

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【正文】 課題研究的背景和意義 在各種災害中,火災是最經常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一。一旦發(fā)生火災,將對人的生命和財產造成極大的危害 [7]。 9 第2章 火災報警系統(tǒng)整體方案設計 火災產生原理及過程 火災是一種失去人為控制的由燃燒造成的 災害,產生火災的基本要素是可燃物、助燃物和點火源。同時,發(fā)出含有紅、紫外線的火焰,散發(fā)出大量的熱量 [11]。 總的來說,普通可燃物在燃燒時表現(xiàn)為以下形式:首先是產生燃燒氣體,然后是煙霧,在氧氣充足 的條件下才能達到全部燃燒,產生火焰,發(fā)出可見光和不可見光,并散發(fā)出大量的熱,使環(huán)境溫度升高。圖 為火災報警系統(tǒng)的結構框圖 [14] 圖 系統(tǒng)結構框圖 單片機是整個報警系統(tǒng)的核心, 系統(tǒng)的工作原理是:先通過傳感器 (包括溫感和煙感 )將現(xiàn)場溫度、煙霧等非電信號轉化為電信號,調理電路將傳感器輸出的電信號進行調理 (放大、濾波等 ),使之滿足 A /D 轉換的要求 ,最后由 A /D 轉換電路 ,完成將溫度傳感器和煙霧傳感器輸出的模擬信號到數(shù)字信號的轉換,單片機判斷現(xiàn)場是否發(fā)生火災。一旦真出現(xiàn)火災 (煙霧和溫度同時出現(xiàn)異常 )時,能立即發(fā)出語音、光火災警報 [15] 。 火災報警系統(tǒng)的類型 根據(jù)火災報警系統(tǒng)中所使用的探測器種類的不同,火災報警系統(tǒng)可以分為以下四種: ( 1)感溫型火災報警系統(tǒng) 由于火災發(fā)生時燃燒物會產生大量的熱量,使得周圍溫度迅速變化。感光型火災報警系統(tǒng)就是通過響應火災中產生的光特性,即擴散火焰的光強度和閃爍頻率,來觸發(fā)報警系統(tǒng)的。在正常的情 14 況下,內外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。正常的情況下,探測器的電路斷開,當溫度升到一定值時,由于金屬膨脹、延伸,導體接通,于是發(fā)出了信號。 火災報警器是重要的安全設備,一切重要的場所,如大型物資倉庫、隧道、大型船舶、高層建筑都應該安裝。 圖 31 AD590 應用電路圖 AD590 有以下特點: AD590 的測溫范圍 55℃~ +150℃ 。 TGS202 氣體傳感器能探測 CO2, CO, 甲烷、煤氣等多種氣體 ,他靈敏度高 ,穩(wěn)定性好 ,適合于火災中氣體的探測。 邊沿觸發(fā)放音( /PLAYE) : 此端出現(xiàn)下降沿時,芯片開始放音。對話筒輸入來說, ANA OUT 端應通過外接電容連至本端。 18 語音段的尋址 語音芯片 與單片機的連接,常通過串行口來實現(xiàn),串行口也可以通過輔助電路分時多用。在單片機內部,接至片內振蕩器的反相放大器的輸出端。當從外部程序存儲器讀取指令或常數(shù)期間,每個機器周期 PESN 兩次有效,以通過數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當不接外部存儲器與不擴展 I/O 接口時,它可作為準雙向 8 位輸入 /輸出接口。當接有外部程序存儲器或擴展 I/O 接口且尋址范圍超過 256 個字節(jié)時, P2口用于高 8位地址總線送出高 8位地址。 A/ D 轉換器的主要性能參數(shù)有: (1) 分辨率分辨率表示 A/ D 轉換器對輸入信號的分辨能力。 ( 3)單電源 +5v供電,基準電壓由外部提供,典型值為 +5v,此時允許輸入模擬電壓為 0— 5V。 當單片機寫入模式控制字后, ICM7218 以約定的方式接收顯示數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入靜態(tài)顯示 RAM 中。 復位電路 復位電路的基本功能是:系統(tǒng)上電時提供復位信號,直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后,撤銷復位信號。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒,所以,設計完全能夠滿足復位的時間要求。 START: 轉換啟動信號 , 當 START 上跳沿時,所有內部寄存器清零;下跳沿時,開始進行 A/D 轉換;在轉換期 間, START 應保持低電平。二分頻電路由 D觸發(fā)器實現(xiàn), R、 S端接地, D接 Q非, Q 端作為輸出端, CLK 接 80C51 的 ALE端。圖中 三態(tài)允 許控制端 OE 接地,表示三態(tài)門一直打開。 ADC0809 的轉換結束狀態(tài)信號 EOC 接到 80C51 的 INT1 引腳,當 A/D 轉換完成后, EOC 變?yōu)楦唠娖剑硎巨D換結束,結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器 ,并產生產生中斷。 報警電路 語音報警電路 30 圖 312 語音報警電路 AD 轉換器輸出的數(shù)字信號傳輸給 P0 口,讀取 P0 口的內容跟設定的值進行判定,如果大于設定值, 輸出低電平,控制語音芯片 ISD1420 的發(fā)出火災語音報警 . 如果小于于設定值, 輸出高電平,說明正常,沒有火災發(fā)生。因為 C 語言的描述由函數(shù)組成,是一種結構化的程序設計語言,所以更容易實現(xiàn)模塊化,而且具有可讀性好,易于移植等優(yōu)點,同時還有匯編語言一樣的位操作功能的硬件詳細控制指令 [29]。然后分別由 C51 及 A51 編譯器編譯生成目標文件 (.OBJ)。 圖 程序流程圖 主程序是一個無限循環(huán)體,其流程是:首先在上電之后系統(tǒng)的各部分包括單片機輸出輸入端口的設置、數(shù)據(jù)存儲電路、外圍驅動電路等完成初始化,接下來執(zhí)行火災報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序、火災判斷、報警程序。每次采集溫度煙霧數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)存入單片機的寄存器,然后在火災判斷程序中,將采集的數(shù)據(jù)與設定的閾值進行比較,判斷現(xiàn)場是否發(fā)生火災。 火災報警系統(tǒng)中使用的是溫度傳感器 AD590 和煙霧傳感器 TGS202,煙霧傳感器輸出電壓 v 與煙霧濃度 p 關系為: v=+,溫度傳感器使用的靈敏度是℃。 本次畢業(yè)設計經過努力,整個系統(tǒng)實現(xiàn)了預期的目標。由于上述缺點的存在 ,此系統(tǒng)不是很完善 ,還有待進一步改進。在設計過程中,自己也學到了許多新的知識,有很多感悟和體驗心得。是一種結構簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的火災報警器,具有一定的實用價值 。經過換算可得出溫度煙霧傳感器輸出火災報警臨界電壓值為: = 臨 , = 臨 系統(tǒng)對溫度和煙霧進行了兩次數(shù)據(jù)采集與判斷,每次信號采集后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)與設定的閾值比較,當溫度≥ 57℃,溫度異常,置寄存器變量 a 為 1,否則為 0;當煙霧濃度≥ %,煙霧濃度異常,置寄存器變量 b 為 1,否則為 0。系統(tǒng)延時 50ms,進行第二 次溫度煙霧信號采集,將轉換好的數(shù)據(jù)存入寄存器中。 . 2 主程序初始化流程圖 主程序初始化流程圖如圖 42所示。 ABS文件由 OH51 轉換成標準的 Hex 文件,以供調試器 dScope51 或 tScope51 使用進行源代碼級調試,也可由仿真器使用直接對 目標板進行調試,也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國 Keil Software 公司出品的 Keil C51,是 51系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。如果出現(xiàn)異常情況, 、 輸出高電平, 輸出低電平,控制綠色發(fā)光二級管的發(fā)光。 信號處理電路 29 圖 310 信號處理電路 由于傳感器輸出的模擬信號比較微弱,且含有干擾信號,所以系統(tǒng)需要將信號進行放大、過濾 。 LE 端接至單片機的地址鎖存允許 ALE 端。故 D 觸發(fā)器能實現(xiàn)對 ALE 端口的信號二分頻。當 EOC 為高電平時,表明轉換結束;否則,表明正在進行 A/D 轉換。 80C51 的復位電路如圖 所示。單片機在啟動時都需要復位,以使 CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài),并從初態(tài)開始工作。其引腳圖和內部框圖如圖 37 所示。 ( 5)可鎖存三態(tài)輸出,輸出電平與 TTL電平兼容。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠; (3) 轉換誤差轉換誤差表示 A/ D 轉換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別,常用最低有效位的倍數(shù)表示; (4) 線性度線性度指實際轉換器的轉移函數(shù)與理想直線的最大偏移。 (D)P3 口( 10 腳~ 17腳): ~ 統(tǒng)稱為 P3口。它分時提供 8 位雙向數(shù) 據(jù)總線。 ( D) EA/Vpp( 31 腳): EA 為訪問外部程序儲器控制信號,低電平有效。對于 CHMOS 芯片,該引腳懸空不接。發(fā)送結束,中斷由軟件清零。單端使用時必須在輸出端和喇叭間接耦合電容 ,而雙端輸出既不用電容又能將功率提高 4 倍 。 錄音指示( /RECLED) : 處于錄音狀態(tài)時,此端為低,可驅動 LED。選擇適當?shù)碾娮枳柚?,使得當氣體濃度達到一定程度 (如 CO濃度達到 0106%)時 ,VA 端獲得適當?shù)碾妷骸?電源電壓可在 4V6V 范圍變化,電流 TI 16 變化 1 A? ,相當于溫度變化 1K。 15 第 3 章 火災報警系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)核心芯片選擇 傳感器介紹 AD590 溫度傳感器 要準確地進行火災報警 , 選擇合適的溫度和煙霧傳感器是準確報警的前提。這兩種探測器都屬定溫型,即當外界溫度超過某一限值時就會報警;還有一類是差溫型,升溫的速度超過特定值時,便會感應報警。還有一種叫光電感應探測器,它有一個發(fā)光元件和一個光敏元件,平常光源發(fā)出的光,通過透鏡射到光敏元件上,電路維持正常,如果有煙霧從中阻隔,到達光敏元件上的光就顯著減弱,于是光敏元件就把光強的變化變成電的變化,通過放大電路向人們報警。 ( 4)復合型火災報警系統(tǒng) 如果報警系統(tǒng)同時對溫度、煙霧和光輻射中的兩種或兩種以上參數(shù)做出響應,那么它就是復合型火災報警系統(tǒng)。根據(jù)探測溫度參數(shù)的不同,一般可以將感溫型火災報警系統(tǒng)分為定溫式、溫差式等幾種。且由于其體積小、操作維護方便、成本低廉等 , 具有廣闊的應用前景。 本文設計的用于小型防火單位的單片機火災報警系統(tǒng)具有以下特點 : (1)能對室內煙霧 (CO2, CO) 及溫度突變進行報警 ,具有 聲、光雙重報警功能?;鹧嫒紵螅杆俾?,產生大量的熱使得環(huán)境溫度升高,如果能將這時能夠探測到有效地溫度值,就可以比較及時地控制火災。其中的氣溶膠、煙霧、火焰和熱量都稱為火災參量,通過對這些參量的測定便可確定是否存在火災。根據(jù)可燃氣體與空氣混合方式不同有兩種燃燒方式,如果在燃燒前,可燃氣就與空氣均勻混和,則稱之為預混燃燒;如果可燃氣體和空氣分別進入燃燒區(qū)邊混合邊燃燒,則稱之為擴散燃燒。殘酷的現(xiàn)實讓人們逐漸認識到監(jiān)控預警和消防工作的重要性,良好的監(jiān)控系統(tǒng)和及時的報警機制可以大大降低人員的傷亡,為社會減少不 必要的損失 [8]。據(jù)聯(lián)合國“世界火災統(tǒng)計中 心 (WFSC)2020 統(tǒng)計資料”,全球每年大約發(fā)生火災 600萬至 700 萬次,全球每年死于火災的人數(shù)約為 65000 至 75000 人。無線火災自動報警系統(tǒng)起初僅用于特殊場合,如博物館、名勝古跡等不宜布線的場合,而且其價格也比較高 [4]。在這一階段,火災報警系統(tǒng)普遍采用多線制布局方式,布線、調試、系統(tǒng)可靠性是系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。而無線火災報警系統(tǒng)能夠滿足目前要求,它具有安裝容易、快捷、便宜、無需布線、對建筑物表面的最小破壞性、對功能變化的易適應性等特點。當發(fā)生火災時,可實現(xiàn)語音報警、故障自診斷、濃度顯示、報警限設置、延時報警等,是一種結構簡單、性能穩(wěn)定、使 用方便、價格低廉、智能化的煙霧傳感器,具有一定的實用價值。為了避免火災以及減少火災造成的損失,我們必須按照“隱患險于明火,防患勝
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