簡易火災自動報警裝置設計

王沁竹

摘 要： 本文的簡易火災自動報警器是以51單片機為核心控制系統，煙霧傳感器和溫度傳感器信息采集系統，并結合其他電力電子技術來實現功能的。本系統還有硬件顯示電路，采用四位共陰數碼管實時顯示周圍的信息。也有自動報警和手動報警電路，使用蜂鳴器和發光二極管實現需要報警時發出聲光報警。因此本火災報警器功能十分齊全，穩定性強，簡易并且操作簡單，成本不高，具有不錯的實用價值。

關鍵詞： 煙霧；溫度；報警器；STC89c51；傳感器

第1章 系統硬件設計

1.1晶振電路

晶振電路是由電容與晶振構成，其元件分別是30pF的C2和C3以及12M的X1。電容在電路中的作用是為了使晶振更加簡單的起振，其取值最小值是15pF，最大值是33pF。晶體振蕩取值越高（可以取值24M），越容易獲得執行速度更快的單片機。為了使振蕩產生的不良反應不給旁邊的元器件造成干擾，所以要盡可能的靠近單片機，線路也要越短越好。

1.2 復位電路

復位電路在單片機中起到重啟單片機的作用，如同電腦的重啟鍵，每當電腦出現死機現象時，重啟鍵的作用也就凸顯了出來，可以讓電腦重新啟動內部程序。復位電路在單片機中的作用也一樣，每當單片機系統在受到外部或內部干擾出現程序故障的時候，按下復位按鈕就會讓單片機程序重新開始，達到重啟的作用。

復位電路由極性電容和電阻這兩部分組成，分別是10uF的C1和10K的R4。我們知道電容電壓有著不能突變這一性質，所以可以得到，當系統處于接通電源狀態時，復位引腳則會具有較高的電平，而且復位引腳高電平所持續的時間取決于電路的RC值。傳統的51單片機復位條件是復位引腳高電平持續保持兩個機器周期及以上，所以只要合理的組合RC值就能得到可靠的復位電路。80C51的復位電路如圖2.1.2所示。

1.3 顯示與報警電路

1.顯示電路

顯示采用4位共陰數碼管，單片機控制數碼管顯示相對應的字符，P2.4～P2.7選位，P0.0～P0.7選段，顯示電路如圖2.2.3。第一位位顯示煙霧濃度等級，可顯示的濃度等級為0～9；第二位是“-”，將煙霧濃度等級和溫度等級分開；三四位顯示溫度數值，可顯示的范圍為0～99℃。電路圖如下：

2. 報警電路

電路由一個三極管、電阻與蜂鳴器組成。由三極管基極連接電阻組成串聯電路。三極管與單片機P3.6端口連接，當單片機發出報警指令時，蜂鳴器會發出報警。聲音報警電路圖如圖1.2所示：

1.4 按鍵控制及電源電路設計

本電路設計了四個按鍵，第一個是手動報警鍵、第二個是遞增鍵、第三個遞減鍵、第四個是手動設置鍵，當遇到突發狀況時，可按下手動報警鍵，系統會發出報警。如圖1.3所示

系統的供電方式能夠選擇5V的蓄電池和電池供電。蓄電池相較于電池電路驅動能力強，電壓輸出也十分穩定。但是由于它體積太大，在本系統中不太適合。因此我們也可以采取電池供電。但本系統主要采用USB電源供電，這樣操作簡便，器件也能夠正常運行，單片機和傳感器也能正常工作。系統的電源接口電路如圖1.4。

第2章 系統軟件設計

2.1 主程序設計

由于MQ-2煙霧傳感器長時間沒有投入使用，首次通電后，傳感器不能夠正確顯示煙霧濃度，需要進行幾分鐘的預熱。等顯示的煙霧濃度不在跳動時，預熱完成。當程序初始化完成時，系統進入監控狀態。

在本系統中，單片機作為核心器件，監控著系統的一舉一動。煙霧傳感器和溫度傳感器將采集的信息以電信號的形式傳給數模轉換芯片，然后芯片將信息傳遞給軟件系統，單片機判斷是否報警。本系統主要由四位共陰數碼管溫度和煙霧濃度字符顯示功能，手動報警、溫度和煙霧濃度設定、煙霧濃度和溫度報警、中斷子程序等5個主程序。

煙霧傳感器預熱后，程序就進入初始化子程序，初始化起到對I/O口輸入和輸出狀態設定、 寄存器的初始化、程序中斷等功能。第一步，定時初值設定為50ms，利用IAP將初值 寫入EEPROM，當做取值的間隔。第二步，設置定時器0，選擇方式1。當處于方式1時，定時器的TH1、TL1是全16位參與操作的工作寄存器。第三步，定時器0中斷的允許位置1，此時定時器0打開，蜂鳴器關閉，綠燈開啟，然后設置報警的限初值。

2.2 濾波子程序設計

傳感器對周圍環境氣體濃度和溫度采樣時。有時會被有些脈沖影響。這些現象往往會使某個數據不準確，與周圍其他采樣點差很多。因此就需要設計濾波子程序。子程序采用的方法是中位值平均濾波法。首先會采集很多的數據，然后去掉最大值和最小值，然后求剩余值的算術平均值。采用這樣的方法就能去除個別脈沖或者其他因素帶來的影響。使火災報警器能采集到采集到準確的信息，降低誤報、亂報的幾率。

2.3 線性化處理子程序設計

在使用之前，單片機的控制系統應進行靜態標定，主要是得到輸出信號與被測信號的輸出關系，以此作為系統中計量的憑據。他們之間往往不是標準的線性關系。需要有線性化處理子程序。采取一條近似的直線來代替曲線。本報警器系統主要針對煙霧濃度和溫度檢測，在處理時，主要以這2曲線作為計量依據。

本系統采用的是MQ-2型煙霧傳感器，煙霧濃度升高，電阻值反而是降低的，此時單片機的輸入電壓也隨之降低。電壓值與煙霧濃度的關系也是非線性變化的，為了達到實時顯示煙霧濃度的功能.必須進行線性化處理。，根據獲取曲線的形狀，單片機的處理能力，并且在誤差許可范圍內，把曲線進行線性化處理。

2.4 報警子程序設計

當煙霧濃度超過系統預設值時，系統會發出報警指令，蜂鳴器響起，對應的紅燈亮起，報警完成。相關人員發現后就能有所反應，快速消除隱患，避免災情擴大。在系統的程序設計中，也有對傳感器的快速復測和延時報警的程序，避免誤報。

結論

本論文主要介紹以51單片機為核心的智能火災報警器，它相比市面上其他產品，具有性能穩定，靈敏度高，操作簡單，價格便宜等許多優點。本文系統的介紹了此火災報警器的核心元件、工作原理極其核心電路。

本文所研究的智能火災報警器主要包含2大部分：單片機控制系統和信號采集電路。考慮到環境因素，成本情況，滿足設計需求，本系統采用DS18B20溫度傳感器和MQ-2煙霧傳感器來實現對信息的采集。這兩個傳感器相較于同類產品，性價比高，十分適合本系統的體系。

單片機作為此系統的核心控制器件，我使用了性能穩定，功能齊全的STC89C51芯片。STC89C51芯片處理數據能力十分高效，能很快的處理所收集的信息，保證報警迅速，更及時的發現火災。它的體積也十分小，價格低廉，實現了系統的小型化。

本系統信息采集依靠DS18B20溫度傳感器和MQ-2煙霧傳感器所采集的數據。煙霧傳感器能夠采集周圍氣體的濃度，溫度傳感器采集周圍的溫度信息他們將采集的信息通過A/D數模轉換將信息傳遞給控制系統，然后發出報警。需要注意的是，煙霧傳感器需要預熱才能準確的采集信息，所以要給其加5V的加熱電壓。傳感器采集的信息也會在4位共陰數碼管上顯示。當達到系統的預設值時，蜂鳴器報警，指示燈亮起，報警完成。

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