基于AT89C51的火警報警器的設計

基于AT89C51的火警報警器的設計摘要隨著現(xiàn)代建筑的不斷增多，火災隱患增加，一旦發(fā)生火災，將對人的生命財產造成極大的危害?，F(xiàn)代建筑具有智能化的時代特征，火災自動報警系統(tǒng)(FAS)探測火災隱患，肩負安全防范重任，在現(xiàn)代智能建筑中起著極其重要的安全保障作用。在工業(yè)和民用建筑、賓館、圖書館、科研和商業(yè)部門，火災自動報警系統(tǒng)已成為必需的裝置。火災報警控制器(FAC)是一種能向火災探測器供電、接收、傳遞和顯示火災報警等信號，并能對自動消防裝置發(fā)出控制信號的報警裝置。它是火災自動報警系統(tǒng)的重要組成部分。本文主要對火災報警控制器的理論做了深入的研究，并全面闡述了控制器AT89C51單片機的應用，以此來研制一個能實際應用的火災報警控制器硬件部分和軟件部分的方法和過程。關鍵詞：火災；火災報警控制器；單片機DesignoffirealarmbasedonAT89C51AbstractWiththeincreasingofmodernbuildings,firehazardsincrease,oncethefireoccurs,itwillcausegreatharmtopeople'slivesandproperty.Modernarchitecturehasintelligentcharacteristicsofthetimes,automaticfirealarmsystem(FAS)todetectfirehazards,shoulderthetaskofsecurity,inmodernintelligentbuildingplaysanextremelyimportantroleinsecurity.Inindustrialandcivilbuildings,hotels,libraries,researchandcommercialsectors,automaticfirealarmsystemshavebecomenecessarydevices.Firealarmcontroller(FAC)isakindofalarmdevicewhichcansupply,receive,transmitanddisplayfirealarmsignalstofiredetectors,andcansendcontrolsignalstoautomaticfirefightingdevices.Itisanimportantpartoftheautomaticfirealarmsystem.Thispaperhasdonein-depthstudyofthetheoryoffirealarmcontroller,andillustratestheapplicationofAT89C51MCU,inordertodevelopapracticalfirealarmmethodandprocesscontrollerhardwareandsoftwarepart.Keywords:fire;firealarmcontroller;MCU

目錄第一章緒論 1第二章火災智能報警控制系統(tǒng)硬件組成及原理 22.1系統(tǒng)基本功能及總體框圖 22.1.1系統(tǒng)基本功能 22.1.2系統(tǒng)硬件總體框圖 22.2系統(tǒng)所用的探測器簡介 22.3系統(tǒng)的輸入檢測通道 32.3.1紫外探測器輸入檢測通道 32.3.2紅外傳感器輸入放大通道 42.4電機驅動模塊 42.5通信模塊 52.6系統(tǒng)電源 52.6.1電源器件介紹 52.6.2系統(tǒng)電源設計方案 52.7系統(tǒng)火災報餐模塊 62.7.1單片機報替接口電路 62.7.2單片機與繼電器接口電路 6第三章系統(tǒng)軟件設計及仿真 83.1在單片機上運行的嵌入式程序 83.1.1嵌入式軟件開發(fā)平臺 83.1.2嵌入式程序的開發(fā) 93.2在上位機上運行的通信串口程序 103.3系統(tǒng)實現(xiàn)及仿真 11結束語 12參考文獻 13PAGE7第一章緒論在我國高速發(fā)展的社會經(jīng)濟等因素的影響下，高層建筑如雨后春筍般興起，公共場所的人口密集度也越來越大，在這種背景下，火災自動報警系統(tǒng)愈發(fā)突顯其重要作用。該系統(tǒng)能夠在火災剛剛發(fā)生時就察覺出隱患，并能在滅火上起到相應的作用，這樣在剛起火的時候就將火撲滅，能夠在很大程度上預防出現(xiàn)經(jīng)濟上的相應損失。對于民眾生命財產的安全而言，該系統(tǒng)是至關重要的。該系統(tǒng)主要用來對火災情況進行探測，并將示警信號傳遞出來，其通常由三大主要器件構成，其一是探測器，一般放置于現(xiàn)場；其二是傳輸線路，其三則是控制器，一般放置于控制室。當現(xiàn)場出現(xiàn)相應物質燃燒的時候，探測器就會對周圍相應的物理參數(shù)進行感受，然后利用現(xiàn)場總線向控制器傳遞相應的判斷結果，控制器此時就要負責開展相應處理，然后傳遞出警報信號，并要對消防裝置的相應運行情況進行獲取。

第二章火災智能報警控制系統(tǒng)硬件組成及原理2.1系統(tǒng)基本功能及總體框圖2.1.1系統(tǒng)基本功能本項目系列產品技術研發(fā)分為：機械、電子兩部分。通過對這兩部分的利用，發(fā)揮相應技術的作用，最終能夠將全自動定位滅火設備生產出來，其具有模塊化、系列化以及標準化等特征。本論文只包括電子技術研發(fā)部分。對于該系統(tǒng)而言，其主要功能就是利用探測器來對火源進行尋找，然后利用步進電機來進行相應定位，在對災源進行準確判斷之后，就要給出報警信息，最后噴水進行滅火。同時系統(tǒng)具有遙控檢測功能。2.1.2系統(tǒng)硬件總體框圖從電氣部分來看，該系統(tǒng)主要由四大部分構成，其一是檢測單元，其二是中央控制單元，其三是電機驅動單元，其四是通信模塊單元?？傮w框圖如圖2.1所示：圖2.1系統(tǒng)硬件總體框圖2.2系統(tǒng)所用的探測器簡介火災探測器，通常也被稱為探頭，是我們監(jiān)測探測受保護地區(qū)火災感應器官的第一線。一旦火災探測器“感覺到”火災發(fā)生時產生的熱量，煙霧和火焰的特性，并將其轉化為電信號并將其發(fā)送給“大腦”，也就是火災報警控制器，該控制器就要立刻進行相應處理判斷。而當信號值大于原來的設定閾值的時候，立即就會產生報警，消防控制室就會馬上啟動其他消防設施，從而實現(xiàn)救火。該系統(tǒng)使用日本生產的火焰紫外檢測傳感器/火焰?zhèn)鞲衅鱄amamatsu82868，被稱為火焰發(fā)現(xiàn)者。它可以探測185到260個不同的狹窄光譜敏感源。它根本不會感應可見光，并且不需要對任何可見光進行過濾。2.3系統(tǒng)的輸入檢測通道對于系統(tǒng)而言，其輸入檢測通道是與檢測器一起將外部光線和熱量轉換成電信號發(fā)送給控制器進行判斷。系統(tǒng)中有三組輸入檢測通道。第一組是通過輸入光電三極管相應感應信號來對電路進行放大，第二組是紫外檢測器輸入檢測通道，最后一組則是紅外傳感器輸入放大通道。光敏三極管這主要是用來激活火災報警系統(tǒng)單元的防塵罩，打開整個裝置并掃描點火源；使用UV及紅外傳感器的組合來當作是確認火災的相應手段。2.3.1紫外探測器輸入檢測通道該通道主要由兩大部分構成，一個是紫外探測器驅動電路，另一個則是信號加工處理電路。具體來看，其電路原理的相應情況可見下圖2.2：圖2.2紫外探測器輸入檢測電路紫外探測器驅動電路：上電時，由NE555組成的振蕩器會通過晶體管Q1向變壓器產生一定的振蕩信號頻率，所以變壓器次級也會通過二極管D2產生一個與原始振幅350V振蕩電壓頻率相同的電壓和電容C4整流濾波器向紫外檢測器提供350V的工作電壓，一旦發(fā)生火災，檢測器接收到紫外線，AK導通K點會出現(xiàn)高電壓，通過電容C6放電，使C6充滿電形成確定頻率信號HEF4093B整形后的信號頻率。驅動電路輸出的信號頻率會隨著火源尺寸的變化而變化。當火焰較大時，輸出信號的脈沖信號的頻率將變大，反之則縮小。輸出頻率范圍根據(jù)我們的實驗數(shù)據(jù)為20Hz-85Hz之間。2.3.2紅外傳感器輸入放大通道在該通道中，其主要構成部件就是是兩級低通濾波放大電路，具體情況可見下圖2.5：圖2.3紅外傳感器輸入放大電路2.4電機驅動模塊在中央控制單元中，經(jīng)過相應的邏輯處理，就能根據(jù)輸入信號來判斷是火災、故障以及正常的何種情況，按照具體判斷來進行相應的控制。當需要掃描火源時，單片機通過電機驅動模塊來驅動電機掃描檢測周圍的環(huán)境，從而得出相應判斷。按照系統(tǒng)實際要求，整個掃描過程的完成使用了三套電機。這也是這個系統(tǒng)的特點之一。電機使用的是混合式兩相步進電機。額定電壓為二十四伏特V，額定電流為一點五伏特，系統(tǒng)采用三個步進電機，分別對開啟設備外殼、水平掃描以及垂直掃描進行相應控制。負責打開殼體的步進馬達確定殼體是否通過光電傳感器打開;負責掃描的兩個步進電機通過安裝在其附近的UV傳感器和紅外傳感器進行掃描?；鹪吹木_位置最終通過水平和垂直掃描的組合來實現(xiàn)。該設備的外殼也是其中的一個特點，外殼可以有效防止灰塵進入設備，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)可靠性的提升。2.5通信模塊一般而言，滅火裝置位于工廠車頂?shù)任恢帽容^高的地方，維護或檢測較為不便，為此我們最終采用無線遙控通訊方式可以輕松實現(xiàn)以下三項功能：1、觀察運行狀態(tài)，例如：哪個電機在運行，運行的狀態(tài)是什么等。2，可以通過更改系統(tǒng)參數(shù)來對運行系統(tǒng)的相應狀態(tài)進行改變。3、實現(xiàn)人工模擬檢測電機功能。2.6系統(tǒng)電源2.6.1電源器件介紹集成電壓調節(jié)器是一種集成電路，在單個芯片上集成了功率調節(jié)管、采樣電路、參考電壓調節(jié)器以及誤差放大器等多種器件。開關電源是相對線性電源說的。它直接控制DC，使電源比線性電源更有效，并通過使用帶電子電路的開關模式（方波）振蕩器切換到電能。該方法具有許多優(yōu)點，首先，調節(jié)范圍寬，一定范圍的輸出電壓與輸入電壓變化無關，電腦電源在八十到兩百四十伏特的范圍內能正常工作，是其它方式電源無法比擬的。其次，效率高，由于采用開關沖擊模式工作，熱量損失特別小，發(fā)熱量低。最后，結構簡單，與同樣功率的其他電源相比，開關電源的尺寸和重量都要更小一些。2.6.2系統(tǒng)電源設計方案消防報警控制器供電電機以及揚聲器等都需要二十四伏特電源，單片機系統(tǒng)需要三點三伏特電源，而其它相應芯片則需要工作電壓為五伏特。我們通過一個二十四V的開關電源，可以把將交流電向二十四伏特直流電轉變，然后通過集成穩(wěn)壓器將24V直流電轉換成需要5V和3.3V直流電壓的系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)輸入電壓和電流大小，集成穩(wěn)壓器選用7815芯片以及7808芯片，然后使用LM2937IMP-3.3以及LM2937IMP-5.0貼片穩(wěn)壓器進行變換得到最終需要的電源。而兩個發(fā)光二極管則是被當作電源指示燈來使用。圖2.4電源電路圖2.7系統(tǒng)火災報餐模塊該模塊模塊帶有雙保險報警。發(fā)生火災時，一方面通過火災現(xiàn)場的揚聲器發(fā)出報警聲，同時微控制器的引腳輸出到繼電器控制電路，控制報警裝置的控制室。單芯片通過兩個引腳輸出相同的雙重保險信號，使報警系統(tǒng)顯得更具可靠性。2.7.1單片機報替接口電路當系統(tǒng)確定出火災程度之后，單片機會自P2.1引腳向高電平信號輸出。一方面，P2.1管腳與電磁閥控制器輸入連接在一起，能夠對給水管路進行控制；另一方面，輸入到更換電路，揚聲器會將相應聲光警報發(fā)出。在此，我們選擇了二十倍電壓增益，而懸空芯片1腳及8腳。2.7.2單片機與繼電器接口電路系統(tǒng)上電后，單片機會將繼電器復位信號傳遞出來，并利用晶體管來對繼電器進行驅動，繼電器線圈就8和1之間，無電流通過線圈，動觸點和常閉觸點嚙合，繼電器處于復位狀態(tài)。當輸入電路檢測到火災事件時，單片機就要對外部火災報警設裝置發(fā)出通知，并將相應消防聯(lián)動設備啟動。此時單片機P2.0會將高電平信號發(fā)出，導通三極管，電流從5V通過8和1腳，Q2接地，吸合繼電器，線圈會通過充足的電流，讓動接點斷開常閉觸點，閉合常開觸點，繼續(xù)吸合繼電器，接通2和4腳觸點觸，外部控制室設備要連接上+24V電源。當排除火災事件時，P2.0會將低電平信號發(fā)出，截止三極管，線圈電流不會產生突變，依然由D2進行續(xù)流。斷開引腳2和4間觸點，復位繼電器，并且外部設備斷開與+24V電源的連接。具體情況可見下圖2.7。圖2.5單片機與繼電器接口電路

第三章系統(tǒng)軟件設計及仿真3.1在單片機上運行的嵌入式程序3.1.1嵌入式軟件開發(fā)平臺（1）代碼編譯器在該系統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)上，本文選擇的是AT89C51編譯器，其出品方是美國KeilSoftware公司。比起匯編，C語言在結構、功能以及可讀性等多方面優(yōu)勢更加明顯：第一，不需要了解單片機的指令系統(tǒng)，只需要初步了解AT89C51的存儲器結構;第二，寄存器分配，不同的存儲器尋址和數(shù)據(jù)類型等細節(jié)可由編譯器管理;第三，程序具有標準化的結構，可以分為不同的功能，這種方式可以使程序結構化;第四，將可變選項與特殊操作相結合的能力提高了程序的可讀性;第五，關鍵字和算術函數(shù)可以用于近似人類的思維過程;第六，編程和調試時間明顯縮短，從而提高效率;第七，提供的庫涉及到很多標準的子程序，數(shù)據(jù)處理能力很高；第八，編程良好的程序可以很容易地移植到新程序中，因為它們具有便利的模塊化編程技巧。（2）AT89C51目標板的介紹該目標板主要是提供一個單片機能夠運行的平臺。用戶能夠利用程序中相應的嵌入式調試器來對執(zhí)行程序的相應情況進行觀察，以此來判斷程序是否按照設計執(zhí)行。1）目標板的硬件連接利用串行適配器，目標板能夠與運行KeilC的PC進行連接。將RS232串行電纜的一端連接到PC串行端口，另一端連接到串行適配器DB-9連接器。使用10針帶狀電纜將串行適配器連接到目標的JTAG連接器。將ADWC電源連接至目標板的電源插孔P1。具體情況可見下圖3.1。圖3.1目標板的硬件連接圖2)目標板的電路利用連接器J2，目標板能夠對AT89C51全部信號的訪問路徑及其相應原型設計區(qū)域進行提供。而該連接器對應著目標辦64引腳。J2會將發(fā)送到其上的全部輸入/輸出信號傳遞到其和原型區(qū)域間的相應通孔連接點上。這些相應信號的模式和相鄰的J2引腳保持相同布局。3.1.2嵌入式程序的開發(fā)（1）數(shù)據(jù)采集處理程序該系統(tǒng)能夠檢測各種檢測器探測到的相應信號。系統(tǒng)一共采用了三個探測器：一個是光敏傳感器，另一個是紫外傳感器，最后一個則是紅外傳感器。通過采集三個傳感器的相應數(shù)據(jù)，能夠在相應處理之后對三臺電機實現(xiàn)旋轉控制，從而驅動整個探頭精確旋轉及定最終實現(xiàn)準確判斷。系統(tǒng)設置了4個外部中斷：光敏、紫外傳感器1與2以及紅外傳感器中斷；兩個時鐘中斷：功和T1中斷；一個串口中斷。作為整個系統(tǒng)對火宅進行判斷的基準時鐘，當T1出現(xiàn)中斷時，根據(jù)FLAG變量的不同值，針對四個不同的外部中斷，可以確定它們各自的狀態(tài)。T0時序則主要用于控制步進電機的速度，為了能夠精確定位水平和垂直，在T0中斷中有電機2和電機3的旋轉步進控制功能。（2）電機驅動模塊步進電機是兩相的。各步進電機都由其自身的MDIR、MENA以及MENB信號進行相應驅動。MENA和MENB代表的是兩相電流控制信號。而MDIR則主要是對電流的方向進行相應控制。通過對二維陣列MOTORA的合理設置，能夠按照特定順序將以上三個信號以{{1,1,0}{1,0,1}{0,1,0}{0,0,1}}的形式進行排雷，電機正轉就是順序執(zhí)行，反轉電機則是逆序執(zhí)行。通過設置變量m和DirCom的順序能夠轉換順序及逆序。電機旋轉驅動傳感器掃描一個周期，并利用單刀雙擲開關來確定掃描結束與否。（3）串口通信模塊串行通信模塊主要實現(xiàn)三個功能：1觀察工作狀態(tài)；2可以通過主機改變系統(tǒng)參數(shù)來改變系統(tǒng)運行狀態(tài);3實現(xiàn)仿真模擬檢測電機功能。下位機可以使用單片機串口可以。初始狀態(tài)為串口接收，當主機接收到命令字時，區(qū)分三個不同的值來實現(xiàn)三種不同的功能。上下位機構成一個多機通訊系統(tǒng)。而該通信模式主要使用的是主從結構，也就是上位機為主動，下位機為從動；下位機不自動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，全部由上位機控制。主機發(fā)送信息的方式有兩種：一種是地址，當?shù)?位串行數(shù)據(jù)為1時，表示主機需要與下一個機器地址進行通信：另一種是數(shù)據(jù)，當串行數(shù)據(jù)位90，這意味著主機向下一個工作人員發(fā)送數(shù)據(jù)。下位MCUC8051F必須在模式2或3下工作，且所有下位機的串口控制寄存器SCONSM2必須為1.這樣，當RI=0時，每個下位機可以接收主機發(fā)送的地址，并自行輸入中斷服務子程序，并將接收到的地址與本地地址進行比較。如果是相同的，則表示主機希望與本地機通信，使SM2煩人呼吁0，以接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)或命令；如果不是，就要從中斷服務子程序中退出來，并等著下次通信。3.2在上位機上運行的通信串口程序為了單片機能夠和PC機實現(xiàn)良好的串口通信，該系統(tǒng)選擇了VisualC++6.0來作為應用程序開發(fā)工具，這主要是因為其具有強大的功能，能夠對模塊化、面向對象編程、共享組件以及重用代碼提供相應支持，能夠實現(xiàn)設計、開發(fā)、運行以及管理軟件系統(tǒng)相應速度的大幅度提升。不同于從前的DOS下串行通信，Windows對應用程序直接控制硬件并不提倡，主要是利用相應的設備驅動程序來傳遞相應數(shù)據(jù)。在Win32中，串口是當作文件來進行相應處理的，而不是直接操作端口。本文主要使用WindowsAPI函數(shù)以及MSComm控件來對PC機和單片機間的通信進行實現(xiàn)。3.3系統(tǒng)實現(xiàn)及仿真對于該系統(tǒng)而言，其最終要實現(xiàn)以下功能：利用單片機來收集及分析傳感器相應數(shù)據(jù)，并對報警進行相應控制；單片機與PC機的通信；PC機與多個單片機的通信；PC機數(shù)據(jù)記錄與查詢等各部分實現(xiàn)的。系統(tǒng)的仿真如3.2所示。圖3.2系統(tǒng)整體仿真

結束語作為網(wǎng)絡化時代，21世紀迎來了計算機、微電子以及網(wǎng)絡等相應技術的發(fā)展高峰，而火災探測報警相應技術也出現(xiàn)了極為顯著的變化。從整體情況來講，其主要產生了如下變化：運用了新的技術、工藝以及材料，對系統(tǒng)能力進行了改善，減少了維護要求，其發(fā)展愈發(fā)可靠化、智能化、精準化以及網(wǎng)絡化。故而，對于火災探測報警系統(tǒng)而言，應用計算機數(shù)據(jù)通信技術以