基于AT89S51單片機的中小型單位火災事故報警的智能物聯(lián)網(wǎng)報警器設計

第1章引言1.1選題背景我國每年發(fā)生火災幾十萬起，因此煙霧報警器存在十分廣闊的市場。未來，煙感報警器將向著智能化發(fā)展。并且隨著萬物互聯(lián)的發(fā)展，煙霧報警器將能夠多終端實時推送火災警報，從而讓附近的人能第一時間采取措施。日后，能否及時進行火災報警以及是否多功能多種因素將成為判斷一個智能火災報警器好壞的標準。1.2研究現(xiàn)狀科學技術的快速發(fā)展，智能化，網(wǎng)絡化，規(guī)模化，多樣化，靈敏度較高，已經(jīng)成為無限信息技術的發(fā)展方向。從當前的情況來看,火災預警信息系統(tǒng)面臨不少困難,包括信息內(nèi)容不統(tǒng)一,電子化水平差,系統(tǒng)報錯,自動化水平低下,抗干擾能力弱等。1.3研究的目的及意義發(fā)展環(huán)境:由于我國有關政府支持智慧消防,以及應急管理部的建立,標志著消防產(chǎn)業(yè)將向大規(guī)模、專業(yè)化方向加速發(fā)展;市場需求:從市場需求上分析,由于國民經(jīng)濟的穩(wěn)步增加和經(jīng)濟社會發(fā)展日益繁榮,對社會消防安全意識的也將大大增強,并由此推動了市場開拓。據(jù)我國權威部門的預計,二零二零年中國消防行業(yè)報警器設備市場五規(guī)模將超過四百六十四億,消防報警設備市場將占中國全部消防產(chǎn)業(yè)的百分之十四點五。同時由于我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，擴大消防產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模，提高人民群眾消防意識，增加消防報警設備，是急需的。使產(chǎn)業(yè)規(guī)模維持在百分之十五-百分之二十的穩(wěn)定增長;產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢:快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)與智能技術使得跨界合作給消防信息化帶來了大規(guī)模的應用信息市場。消防產(chǎn)業(yè)的技術創(chuàng)新和發(fā)展，使得AI、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析等高新技術相互融合。消防產(chǎn)業(yè)的發(fā)展邊界也將進一步拓寬,從而產(chǎn)生全新的消防行業(yè)。

第2章煙霧報警系統(tǒng)的方案選擇與論證2.1系統(tǒng)總體功能概述用信息采集兒、單片機測控模塊兒、無線發(fā)射接受系統(tǒng)兒、聲光報警控制器、構成了煙霧報警裝置。監(jiān)測環(huán)境中必須有煙霧感應器模塊和溫度傳感器系統(tǒng),并同時把所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳送給控制器,控制系統(tǒng)才能分析周圍環(huán)境中是否具有火情。如下圖2-1總體設計總框圖所示。圖2-1總體設計總框圖本設計是一種可以對監(jiān)測點進行即時監(jiān)視、告警的智能煙霧告警控制系統(tǒng)。智能煙霧報警控制系統(tǒng),是集信息檢測、傳遞、管理、報警功能為一身的綜合控制系統(tǒng)。本設計主要特征為,利用由stc89c51單片機、MQ-2煙氣感應器和DS18B20溫度傳感器等組成的模塊,設計以實現(xiàn)煙氣監(jiān)測和聲光報警的功能。2.2單片機的選擇方案一：PIC系統(tǒng)單片機。PIC單片機具有比普通微控制機更高的程序執(zhí)行的零。它由微芯片技術公司在一九八九年提出,是一個八的單片機控制器。當時人們認為,單片微型機不過是處理器,內(nèi)存和外置于同一個存儲器中的組合。而PIC單片機控制器以類似的形式,由一個RAM和數(shù)百個ROM用來存放所要編程的ROM,以及一個I/O接口,一個具有八個插針的在存儲器中的定時器所構成。優(yōu)勢:由于PIC單片機的核心采用了RISC結構,所以運算效率比較高;提供了與模擬裝置之間的輕松連接;擁有低廉的功耗。劣勢:較少的指令條數(shù)會提高程序的長度;它通常只含有一個累加器。方案二：AVR系統(tǒng)單片機。AVR單片機具有較先進的技術特點。AVR全系列的單片微型計算機都能夠使用在線編程接口,在較多的AVR單片機上都有存在,在單片微型計算機的I/O接口有了更強大的驅(qū)動能力,驅(qū)動繼電器、LED等元器件時能夠使用更大密度的灌電流,這樣還能夠省去了驅(qū)動電路,降低系統(tǒng)成本。AVR單片式微型電腦,通常使用了低功率、非揮發(fā)性的CMOS工藝技術生產(chǎn),除擁有低功率、高密度的特性以外,還支援了低電流的聯(lián)機Flash能力,和EEPROM輸入成功能力。方案三：MSC-51系列單片機。位處理器擁有按位控制系統(tǒng)中是從硬件到程序，負責對象采用按位數(shù)。這套按位控制系統(tǒng)可以對片內(nèi)某種特定功能或者輔助寄存器中的數(shù)能夠加以管理，傳輸，置位，清零檢測等功能，還可以實現(xiàn)位的邏輯計算。其能力非常全面,運用來說也得心應手;并且在片內(nèi)RAM區(qū)域中還特意設置了一種雙重操作的位置區(qū)域,應用非常靈活多樣,這一特點無疑地為用戶帶來了很大的便利;乘除指令,這為程序也提供了方便。51單片機缺陷:如AD、EEPROM等特性必須靠擴展,加大了硬件和軟件壓力;51系列單片機的最大軟肋就是I/O腳使用簡便,仍舊存在高高電平時無輸出能力,這也是;計算速率過慢,尤其是雙數(shù)據(jù)指針時,若能修改就可為程序提供極大的方便;這種單片機的防護能力較差,容易損壞芯片。51嵌入式單片機成為目前使用最通用的8bit單片機之一。在單晶芯板上,有著更靈巧的8個CPU以及在系統(tǒng)可編程flash,所以STC89C51能夠為許多的嵌入式控制技術應用操作系統(tǒng),創(chuàng)造更多靈巧、超高效的產(chǎn)品設計。優(yōu)先選擇STC89C51單片機作為本系列的主要控制器STC89C51的引腳圖如圖2-2所示。圖2-2STC89C51引腳圖2.3煙霧傳感器選型2.3.1煙霧傳感器的介紹煙霧傳感器是物聯(lián)網(wǎng)智能煙氣檢測儀的關鍵組成部分它比傳統(tǒng)感應器更安全,并且反應速度也更快。而現(xiàn)在,人們能夠利用在SmArtSmokeDevices內(nèi)放置的其他感應器來去除來自灰塵,零煙霧以及烹飪時的虛假警報,這樣將可以提供更精確的反應并提供給智慧型手機的全流程控制。而煙氣感應器則是屬于氣敏傳感器,原理是全氣-電流轉(zhuǎn)換器,它先將可燃成分氣體在空氣中的含量信號(即濃度)轉(zhuǎn)化成代表氣壓和電流的信號,隨后再經(jīng)過A/D變換集成電路將仿真量轉(zhuǎn)換成數(shù)值量后再輸入數(shù)字單片機,從而由單片機實現(xiàn)進行數(shù)據(jù)分析、濃度管理和告警監(jiān)測等各項工作。感應器用作煙霧檢測報警器的主信號采音部門,是儀器的重要核心組成之中。由此可見,感應器的選型是相當關鍵的。2.3.2煙霧傳感器的分類1.離子式煙霧傳感器使用了等離子型煙霧感應器是技術世界領先的煙霧報警器,且工作最穩(wěn)定安全的感應器,廣泛使用在各類消防報警裝置中,各項特性均遠高于氣敏電阻型的火災報警裝置。2.光電式煙霧傳感器光電煙霧報警器內(nèi)有一個檢測裝置，當煙塵進入光學迷宮時,通過了折射、反射，接受管接收到經(jīng)紅外線，通過智能告警電路可以判定有無超出閾值，一旦超越發(fā)出的告警。3.氣敏式煙霧傳感器氣敏傳感器,是指一類測量特定氣體性質(zhì)的傳感器。其中應用的最多的就是零點五導體氣敏傳感器,如MQ負二煙霧感應器。將氣體種類以及與濃度變化相關的化學信號轉(zhuǎn)換成電信號,來調(diào)節(jié)這些電信號的強弱就能夠得到與待測量氣體在周圍環(huán)境中的存在狀況相關的信號,因此就能夠?qū)崿F(xiàn)測量、監(jiān)視、告警功能;還能夠利用接口電路和電腦構成的自動檢測、監(jiān)控和告警控制系統(tǒng)。2.3.3煙霧傳感器的選定綜合以上煙霧感應器的選擇MQ-2煙霧感應器，通過簡化的電路,可以把氣體電導率的改變換算為和該物質(zhì)含量變化相對應的輸出信息。由于MQ負二氣體煙霧感應器對液化原油、丙烯烴、儲氫材料、工業(yè)煙氣等的敏感性都很好,對瓦斯以及各種易燃蒸汽等的測量效果都非常好,故也因此,MQ氣體傳感器可以更確切說是一個多種氣體傳感器,它的主要優(yōu)勢:靈敏度高、反應快、可靠性高、壽命長、驅(qū)動電路簡化和性價比好,有模擬和數(shù)字信號輸出兩種選擇方式。仿真說明:由于Proteus軟件中缺乏MQ-2煙霧傳感器模塊,在仿真中可用滑動變阻器代替。原因是:由于MQ-2氣體傳感器內(nèi)部結構電導率會因為氣體濃度的升高而升高,電阻是內(nèi)部電導率的倒數(shù),所以電阻也是相應降低的。特性就相當于一種滑變阻器,因此在實際仿真中用滑動變阻器替代。2.3.4MQ-2煙霧傳感器的主要特點和主要功能技術指標MQ-2型傳感器,對煤氣、液化原油氣等煙有很大的敏感度,尤其是烷類煙尤其靈敏。MQ-2系列傳感器具有優(yōu)異的重復性和良好的可靠性。初始平穩(wěn),反應時間極短,長期運行穩(wěn)定性較高。而MQ負二系列感應器產(chǎn)生了強大的抗干擾能力,可以快速消除有刺激性或非可燃性煙霧的干擾信號,比如酒精和煙塵等。MQ-2型傳感器的特性參數(shù)：a)回路電壓:(Vc)5~24Vb)取樣電阻:(RL)0.1~20Kc)加熱電壓:(VH)5+0.2Vd)加熱功率:(P)約750mWe)甲烷的靈敏度:RO(air)/RS(01%CH4)>5f)響應時間:Tres<10秒g)恢復時間:Trec<30秒煙霧檢測報警器的主要技術指標1)傳感器類型:半導體電阻式2)檢測范圍:0~100%LEL3)報警準確度::士5%LEL4)報警點設置:當達到百分之二十LEL時開始報警5)報警器工作方法:在現(xiàn)場定點放置,根據(jù)自然擴散進行采樣,長年連續(xù)運行。6)工作溫度:檢測器-50℃~50℃,報警裝置零℃~500℃7)工作環(huán)境濕度:≤85%RH8)報警方法:采用煙霧泄漏聲光報警和自動判斷系統(tǒng)故障報警9)指示方法:數(shù)碼指示,并提示被測煙霧LEL%及設定報警時間限值煙霧感應器的基本結構圖如圖2-3,而煙霧感應器的外形圖如圖2-4。圖2-3煙霧傳感器結構圖圖2-4煙霧傳感器外觀圖2.4煙霧監(jiān)測報警器的總體設計方法2.4.1煙霧檢測報警器的設計原理本論文中的煙氣檢測報警器,以STC89C51單片微式電腦為主控核心,并采用MQ-型電阻式零點五導體感應器收集的煙氣信號。第一步,感應器首先將與煙氣濃度值對應的較小的電流信息放大,再轉(zhuǎn)化成大的電流信息輸入STC89C51單片機:在單片機控制臺內(nèi)A/D切換、濃度比較,并對數(shù)值完成線性化數(shù)據(jù)處理,然后再將大數(shù)位化電流信息轉(zhuǎn)換成相應的正十邊形濃度數(shù)值;最后再將實際可燃的成分氣體濃度信息輸入液晶,從而確定濃度數(shù)值有無超過聲響報警限,當濃度達到正常狀態(tài)綠燈長亮后,當煙氣濃度超過設置的限定值后,發(fā)出聲音告警并伴隨著紅燈點亮。同樣為了增加反應時間,并保障感應器正確地、平穩(wěn)地運行,聲響報警裝置還必須給煙氣感應器連續(xù)輸送一次五V的電流。為提高其安全性,在輸送五V的電流的時候,必須經(jīng)過故障測試。當感應器發(fā)熱絲或電纜線與感應器斷開或觸及錯誤時,發(fā)送事故告警,并產(chǎn)生聲光報警信息。2.4.2煙霧傳感器使用的注意事項使用煙霧傳感器應該遵守好相關的使用注意事項，這樣在使用傳感器的過程中才能更加安全。1、報警裝置須注意防塵,且防塵帽須在工程人員正常投入使用之后才可摘掉;2、當裝設在屋頂上時,報警器安裝的在屋頂角度要保持一定間距當坡度低于30°時,距離0.3m~0.5m為宜；3、不能放置在一般狀況下呈煙霧滯留的地點,因為煙霧報警裝置對煙的高感應性,所以對像在廚房,或抽煙處這樣易生成煙霧的區(qū)域,很可能會誤報警。2.5本章小結本文重點介紹了煙霧報警儀的基本設計方案,以及感應器的選擇和報警器的設計。傳感器通過在以下幾個方面：類型、選定、工作原理、基本特點進行介紹。采用的MQ-2型半導體電阻式煙氣敏感器件是根據(jù)本系統(tǒng)設計特點和應用環(huán)境、生產(chǎn)成本等原因。對報警器進行了詳盡地闡述還需要從構造、功用、技術指標等三個方面,測量氣體中煙霧或可燃成分液體蒸氣的含量需要在較寬的溫度范圍內(nèi)工作。氣體中煙霧或可燃成分液體蒸氣的含量顯示在該報警器儀表盤上,含量超過規(guī)定濃度范圍時,快速啟動重復檢測和延時告警功能,能夠區(qū)分出是否是管路中煙氣的大量泄露,還是由于開啟閥門而形成的可燃煙氣的微量散失,從而避免了誤報。如果確定為煙霧泄露時,可產(chǎn)生聲、光等報警信號,并能在發(fā)出報警的同時自動驅(qū)動相應安全裝置,而且具備了故障自動檢測功能。

第3章煙霧報警系統(tǒng)的硬件電路3.1單片機的最小系統(tǒng)要讓單片機運行起來,最基本的集成電路構成就是單片機最小系統(tǒng),如圖3-1。圖3-1信號處理模塊單片機、復位回路、時鐘電路等組成的是單片機的最小控制系統(tǒng)。在復位電路中，當單片機操作系統(tǒng)正在正常管理工作中,但遭受外部環(huán)境影響而發(fā)生程式跑飛的時刻,按下恢復鍵盤后的程式自動從頭開始運行。本設計使用的是外自動鍵盤復位電路,必須通過接上拉電阻來增加機器輸出高電平的數(shù)量。時鐘系統(tǒng)就好比單片機的大腦,它掌控著整個單片機的操作節(jié)奏。而時刻集成電路也就是振蕩集成電路,是給單片機提供的一種以正弦波信息為基礎,確定了單片機的運動速度。XTAL1和XTAL2各自是相反擴大器的輸入和輸出,該相反擴大器也可設置為片內(nèi)振蕩器。3.2單片機的時鐘電路和復位電路的設計本系列使用了內(nèi)部方式的時鐘電路和加電后自動復位方式的復位電路,如下圖3-2圖3-3所示:圖3-2時鐘電路圖3-3復位電路因為在單片或微型計算機PO口內(nèi)并沒有上拉電阻,且為高阻態(tài),因此無法順利地傳遞高/低電平,所以這群I/零接口在實際應用中都需要另外接上拉電阻。3.3煙霧采集電路煙霧測量可以通過MQ-2傳感器。當通過ADC0832采集后,就能夠獲取在不同煙氣濃度下的電壓差值。以便設計出理想的煙氣強度報警值。圖3-4煙霧采集電路圖3-5ADC傳感電路MQ-2傳感器的4腳、6腳的大電流為輸出信號,而Rs則為傳感器的本體大電流。其中如果氣體含量增加,必引起Rs變化。而氣體Rs的溫度下降,又會使得MQ負二的4腳、6腳,相對地輸出的電流增加。所以當氣體的溫度增加了,它輸出的的電流也就會增加,并通過ADC0832變換使數(shù)值上升。3.4控制程序1.比較器電路處理的檢測信號只有高和低兩種狀態(tài)；當濃度低于閾值時，信號為高電平；濃度高于閾值時，信號為低電平。監(jiān)控該信號的高低電平即可。2.AD信號采集程序?qū)崿F(xiàn)了對MQ-2煙霧濃度信息的采集后,僅需要實現(xiàn)ADC8032采集函數(shù),便能實現(xiàn)信息的收集。最后得出實際的濃度數(shù)值，見附錄二智能煙霧報警器的源程序A1。圖3-6仿真中的煙霧傳感器3.5數(shù)碼管顯示電路模塊技術參數(shù)包括:工作電壓:2.7~,5.5V每段工作輸出電壓10ma字高度:約十一點四mm環(huán)境相對濕度:<百分之八十五視角:6:00工作溫度:-10~+50°C接口方式:8線并行接口圖3-7數(shù)碼管顯示器電路圖3-7數(shù)碼管顯示電路LCD顯示電路采集程序：見附錄二智能煙霧報警器的源程序A2。3.6溫度檢測電路DS18B20獨特的一線接口，與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊能力，簡化了分布式溫度傳感應用無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V無需備用電源測量溫度范圍為-55°C至+125℃。它與控制系統(tǒng)的連接方式如下圖3-8所示。圖3-8溫度傳感器的連接電路DB18B20溫度信號采集電路程序，見附錄二智能煙霧報警器的源程序A4。3.7本章小結產(chǎn)品的設計特點和微電腦STC51性能、價格和所需的空間需要詳細考慮引進集成電路設計技術、煙霧報警器，包括收集資料和前置放大器電路、微機接口電路STC89C51單片機,報警電路、電路的指明燈的狀態(tài)和鍵盤的檢測。

第4章智能煙霧報警器的軟件設計4.1STC51系列單片機調(diào)試及開發(fā)工具編程系統(tǒng)采用KeilC51系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用與51系列兼容的微控制器C編程語言開發(fā)系統(tǒng)。與匯編語言相比，C編程語言在功能、結構、可讀性和保護方面具有顯著的優(yōu)勢。KeilC51軟件引入了大量的庫功能和功能改進的集成設計調(diào)試開發(fā)工具，全Windows界面。4.2主程序設計及流程圖主程序流程圖,如圖4-1所顯示。首先要把感應器加熱至三分鐘,但由于MQ-2的零點五導體電阻式煙霧感應器,斷電放置一會,再接通電源時,感應器不能夠立即正常收集煙氣信號,再進行一段時間的高溫加熱。完成初始化程序初,系統(tǒng)進入下一階段了，該階段叫做監(jiān)控階段。在該論文中的主要程序設計是能夠?qū)鞲衅骷訜嶂寥昼娞剿?并且在預熱同時,可以對傳感器進行發(fā)熱絲故障檢查,并通過軟件方法檢查傳感器發(fā)熱絲以及電纜線有無斷線和接觸不良。圖4-1程序流程圖STC89C51單片機在對傳感器所測量的煙氣濃度信息進行A/D變換、平均值法的過濾、線性化處理之后,再將濃度值與報警量限的設定值相比較后,確定是否報警。同時送入二段式的液晶顯示煙氣濃度數(shù)值。同時主程序中還包含了狀態(tài)指明燈以及按鍵功能設定,中斷子進程等,使報警裝置的功能更為齊全,給使用者提供了方便，如圖4-2是煙霧報警器的安全報警流程，通過傳感器，單片機，傳感器根據(jù)煙霧濃度輸出電壓，判定電壓是否超過安全數(shù)值，單片機發(fā)指令給GSM模塊，發(fā)送短信給主人報警，如圖4-2安全報警流程圖。圖4-2安全報警流程智能煙霧報警器仿真中的整體電路圖見附錄一仿真運行圖。智能煙霧報警器的總的程序代碼，見附錄智能煙霧報警器的源程序A3。4.3本章小結這一章節(jié)主要介紹了煙霧報警器中軟件設計。通過對軟件程序的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具的選用,選擇合適的STC51系列單片機,使用KEILC51編程器完成軟件開發(fā)已經(jīng)完成。

總結最傳統(tǒng)的火災自動報警控制系統(tǒng),但最先前的煙霧報警系統(tǒng)最明顯的優(yōu)點是:創(chuàng)造簡便快捷、制造成本低。但存在明顯的不足:一是抗干擾能力差、誤報率較高。煙氣監(jiān)測報警器既能確保生產(chǎn)和生活環(huán)境的安全,防止火災和爆炸事件和煤氣中毒物的產(chǎn)生,同時也是防火、防爆和安全生產(chǎn)所需要的重要器具,具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。判斷火災,僅僅是通過檢測的特定火災現(xiàn)象參數(shù)是否超過設定值(閾值)的問題可以用來判斷是否有警報，但不能排除環(huán)境和其他原因。如果選擇靈敏度低，會延遲或錯過報警，如果選擇靈敏度高，會產(chǎn)生假陽性。據(jù)國外統(tǒng)計，假火災報警時間與真火災報警時間之比為20∶1。其次，功能小而低效本論文希望可以在煙霧傳感器與報警技術能夠進行更深一步的研究,將國外同類產(chǎn)品的技術優(yōu)缺點進行合并總結，能夠全面優(yōu)化升級產(chǎn)品,并科學合理地制定了系統(tǒng)的設計方案。并對儀器的總體設計以及各個部分做出了詳盡的系統(tǒng)分析與方案設計。

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