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1 緒論
1.1 課題的研究背景
火災(zāi)作為一種在時空上失去控制的燃燒所引發(fā)的災(zāi)害，對人類生命財產(chǎn)和社會安全構(gòu)成了極大的威脅。由此引發(fā)的重大安全事故比皆是，所以人類一直也未停止過對它的研究。
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。隨著經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市高層、地下建筑以及大型綜合性建筑日益增多，火災(zāi)隱患也大大增加，火災(zāi)發(fā)生的數(shù)量及其造成的損失呈逐年上升趨勢。
在過去的很長一段時間，人類不得不進(jìn)行專題研究火災(zāi)過程中爆發(fā)，截至目前，已形成一個較為成熟的概念。火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展過程是一個復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，但也與環(huán)境很強(qiáng)的相關(guān)性。正常情況下，發(fā)生火警，伴隨著煙霧，溫度，光照，信號產(chǎn)生的過程。產(chǎn)生不同的環(huán)境和不同的火燃燒成分，煙霧粒度組成，溫度分布和光譜的氣體成分是不同的，所以火過程中涉及多個物理和化學(xué)參數(shù)，特點(diǎn)是強(qiáng)大的，一般的騷亂有著本質(zhì)的不同。基于上述特點(diǎn)，早起的火災(zāi)探測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，特別是多的火災(zāi)探測技術(shù)被廣泛采用在火災(zāi)探測領(lǐng)域，如復(fù)合材料的物理參數(shù)復(fù)合煙氣溫度探測器，使用不同的帶光傳感器的復(fù)合雙波段火焰探測器。
在我國，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，工業(yè)與民用建設(shè)日趨增多，火災(zāi)發(fā)生的可能性也隨之大幅提高。另外，現(xiàn)代建筑物中塑料制品和玻璃的大量應(yīng)用使火場內(nèi)外部的求援行為困難重重。現(xiàn)代建筑，尤其是在大型酒店，賓館，商場，圖書館，博物館，檔案館和辦公樓及其他公共場所，對于火災(zāi)報警系統(tǒng)也提出了更高的要求。一旦發(fā)生火災(zāi)將很難及時救助，勢必要給國家和個人帶來不可估量的損失。
1.2 課題的研究目的與意義
目的：隨著現(xiàn)代家庭用火，用電增加，家庭火災(zāi)發(fā)生的頻率越來越高。家庭火災(zāi)，很容易撲滅不及時，有著缺乏消防設(shè)備和在場的人戰(zhàn)斗驚慌失措逃離緩慢的不利因素，最終導(dǎo)致的生命和財產(chǎn)的重大損失。消防部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，所有的火災(zāi)比例中，家庭火災(zāi)占全國火災(zāi)的30％。家庭火災(zāi)的原因是多方面的，可能把我們的注意力，也可能隱藏在我們沒有注意到的地方。
綜上所述，許多人因不懂家庭安全常識引起火災(zāi)事故，使好端端的幸福家庭眼間毀于一旦,有的導(dǎo)致家破人亡,而且一旦發(fā)生居民家庭火災(zāi),處置不當(dāng)、報警遲緩,是造成人員傷亡的重要因素。所以說,人們應(yīng)該積極了解家庭火災(zāi)的主要起因，還有預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。這就是我們研究聲光報警器的目的。
意義：在中國的一些大、中型城市，幾乎每一天發(fā)生家庭火災(zāi)，所以每一個家庭必須始終關(guān)注防火。如果能根據(jù)你家的實(shí)際情況，提前采取簡單的防火措施，有些悲劇是完全可以避免的。聲音和視覺的報警，對減少火災(zāi)損失具有現(xiàn)實(shí)意義。
一系列悲劇性的損失，由國家從社會各界意識到，聲光報警對火災(zāi)的報警的必要性。據(jù)調(diào)查，在最近的火災(zāi)大部分的房子里還沒有安裝報警器。因此聲光報警，對發(fā)生火災(zāi)預(yù)防具有重要意義。
1.3 火災(zāi)報警器的發(fā)展與現(xiàn)狀
近年來，無線火災(zāi)報警系統(tǒng)在國外已被開發(fā)，并走向?qū)嵱?。起初，無線火災(zāi)報警系統(tǒng)不僅是價格貴，還必須連接布線，這是只適合一些特殊的地方，檢測設(shè)備的一部分。今天，幾乎所有的電氣裝置，可以通過無線遙控改變，可廣泛應(yīng)用于各類建筑和場所。美國松柏公司（ITI）成立于1981年，是美國最大的無線報警系統(tǒng)制造商制造，其產(chǎn)品占90％的無線報警器在北美市場的年銷售額已接近一億美元。該公司生產(chǎn)的無線火災(zāi)報警系統(tǒng)還通過了中國的“國家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心”的監(jiān)測，該系統(tǒng)可作為火災(zāi)報警系統(tǒng)，但也可作為一個安全的系統(tǒng)，兩者的結(jié)合，是一個高科技的無線安全系統(tǒng)。
火災(zāi)報警系統(tǒng)在中國相對較晚，與發(fā)達(dá)國家相比， 20世紀(jì)70年代末的十年間，中國開始研制生產(chǎn)的火災(zāi)報警系統(tǒng)。 20世紀(jì)80年代后，國內(nèi)各大廠商也大多是模仿國外產(chǎn)品，或引進(jìn)國外技術(shù)生產(chǎn)的，沒有真正意義上的核心技術(shù)，市場剛剛開始發(fā)展。真正的火災(zāi)報警產(chǎn)品的發(fā)展也促進(jìn)了市場的成熟，政府逐步開放的大門，在同一時間，外國公司開始進(jìn)入中國的防火市場，帶來先進(jìn)的技術(shù)在20世紀(jì)90年代。此期間，中國生產(chǎn)的火災(zāi)報警產(chǎn)品的企業(yè)也得到了快速發(fā)展，在一些企業(yè)中，技術(shù)合作，合資生產(chǎn)，并取得了不菲的成績，但今天在市場上創(chuàng)造了許多強(qiáng)大的企業(yè)，有些技術(shù)已接近或趕上國際標(biāo)準(zhǔn)。
1.4課題的研究內(nèi)容
火災(zāi)報警器，主要檢測溫度和煙霧，再通過單片機(jī)控制相應(yīng)的報警和驅(qū)動負(fù)載。通過液晶顯示當(dāng)前的煙霧值和溫度值，通過按鍵設(shè)定相應(yīng)的閥值。
該項(xiàng)目主要是為了完成任務(wù)，包括：
⑴硬件部分：包括傳感器的選擇，顯示模塊的選擇，煙霧信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，報警驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。
（3）系統(tǒng)的綜合調(diào)試與分析：在軟硬件完成以后，要對系統(tǒng)進(jìn)行綜合的測試與實(shí)驗(yàn)，分析系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性，調(diào)整系統(tǒng)的不足。
2 火災(zāi)報警器的總體方案設(shè)計(jì)
本課題主要是實(shí)現(xiàn)煙霧報警和火災(zāi)發(fā)生時的報警及控制，下面分別對系統(tǒng)功能要求、系統(tǒng)技術(shù)要求及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案總體闡述。
2.1系統(tǒng)的功能要求
本系統(tǒng)的研制主要包括以下幾項(xiàng)功能：
(1)火情探測功能：為了提高火災(zāi)報警的準(zhǔn)確性和及時性，火災(zāi)報警系統(tǒng)需要使用各種方法進(jìn)行火災(zāi)探測。在實(shí)際使用中，根據(jù)不同的防火場所，用戶可以選用溫度探測法、可燃?xì)怏w檢測法及煙霧探測法等合適的火災(zāi)探測方法，來有效的探測火災(zāi)；
(2)燈光報警功能：當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度過大、有火情產(chǎn)生、故障等異常情況發(fā)生時，報警器要進(jìn)行燈光報警。當(dāng)煙霧超過最大設(shè)定值時，可以蜂鳴器報警。
2.2 系統(tǒng)的技術(shù)要求
在了解這個系統(tǒng)的工作原理以及功能之后，我們就可以基本確定系統(tǒng)的技術(shù)要求。系統(tǒng)采用的單片機(jī)處理器成本都比較低，可以滿足批量生產(chǎn)和各類工程的需求。對于完整的一個系統(tǒng)而言，為提高市場的競爭力，這個系統(tǒng)應(yīng)符合體積小、功耗低、數(shù)傳性能可靠和成本低廉等技術(shù)要求。具體指標(biāo)和參數(shù)如下:
(1)體積?。禾綔y器的體積要盡可能的小，這樣占用的空間才能減少，使用和更換才會方便；
(2)功耗低：系統(tǒng)可以采用三節(jié)5號干電池供電或5v電源供電。
(3)可靠性高:由于不確定的電磁干擾可能存在在系統(tǒng)工作環(huán)境中，為了保證系統(tǒng)長時間的可靠工作，以及減少誤報次數(shù)，所以選擇多指示燈，指示不同的狀態(tài)。
2.3 系統(tǒng)的組成及方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)主要由煙霧探測傳感器電路、單片機(jī)、燈光報警電路、負(fù)載驅(qū)動電路、控制程序和編解碼程序等組成。
系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如下：
圖2.1
3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
總體電路
圖3.1
如圖3.1所示，上面的圖為protel99se所畫，下面的圖為proteus仿真所畫。
實(shí)時顯示當(dāng)前的煙霧值和溫度值，共有2個報警值（可以通過按鍵設(shè)定），分別是溫度的上限和煙霧的上限報警值，當(dāng)煙霧超過的時候紅燈和蜂鳴器聲光報警，當(dāng)溫度超過時候黃燈和蜂鳴器聲光報警。
3.1 主控電路
STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個16 位 定時器/計(jì)數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89X51 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35Mhz，6T/12T可選。STC89C51主要功能如表1所示，其DIP封裝如圖2所示
MQ-2型氣體傳感器用于以氫氣為主要成分的城市煤氣、天然氣、液化石油的測量，而且它抗干擾能力強(qiáng)，水蒸氣、煙等干擾氣體對它的影響小。
MQ-2型氣敏元件具有以下特點(diǎn)：
(1) 采用燒結(jié)半導(dǎo)體所形成的敏感燒結(jié)體，具有穩(wěn)定的R (即器件在純潔空氣中的阻抗)阻值，從而保證了長期工作的穩(wěn)定性。
(2) 單電源供電，其功耗僅0.7W左右。
(3) 對所測試的氣體有極高的靈敏度和信噪比。
MQ-2型氣敏元件有兩種型號。MQ-2A型適用于天然氣、城市煤氣、石油液化氣、丙丁烷及氫氣等;MQ-2型適用于煙霧等減光型有害氣體。
器件的靈敏度：S=Ro/Rx為10~30。常見為QM系列的S值僅8左右。Rx為器件在丁烷濃度為0.2%時的阻抗。
電路如右圖所示：
器件的主要參數(shù)如下:
響應(yīng)時間：Tr≤10s
恢復(fù)時間：Tn≤60s
加熱電壓：V﹢=5+0.2V
加熱功率：:約0.7W
抗干擾能力：丁烷濃度在0.2%時在濕度小于85%RH，在-10℃~+40℃溫度下不會引起誤報。
工作環(huán)境：溫度-10℃~+50℃???? 濕度≤85%RH
下圖是元件外形結(jié)構(gòu)圖，基座采用耐高溫酚醛塑料壓制，引腳為鍍鎳銅絲，上罩采用雙層密紋不銹鋼網(wǎng)壓制，有較高的強(qiáng)度和防爆能力。
MQK-2型元件外形結(jié)構(gòu)圖
MQ-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如上圖所示, 由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有６只針狀管腳，其中４個用于信號取出，２個用于提供加熱電流。
上圖是MQ-2型元件典型氣體濃度測試特性曲線，在丁烷濃度0.6%以下有極高的靈敏度。
上圖是MQ-2型元件通電時間特性曲線?？煽闯?，通電后60~90s，元件即進(jìn)入穩(wěn)定待測工作狀態(tài)。
MQ-2的特點(diǎn)和工作參數(shù)如下：
特點(diǎn)：
⑴ 廣泛的探測范圍
⑵ 高靈敏度／快速響應(yīng)恢復(fù)
⑶ 優(yōu)異的穩(wěn)定性／長壽命
⑷ 簡單的驅(qū)動電路
3.2.2 ADC0809介紹
ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說明各引腳功能。
IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。
2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。
ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路
ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。
START： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。
EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。
OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。
CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。
Vcc：電源，單一+5V。
GND：地。
首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。
轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。
（1）定時傳送方式
對于一種A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時間為128μs，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機(jī)共64個機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已 經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
（2）查詢方式
A/D轉(zhuǎn)換芯片有表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
（3）中斷方式
把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。
3.3 液晶顯示電路設(shè)計(jì)
（1）引腳說明：
第1腳：VSS為地電源。
第2腳：VDD接5V正電源。
第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。
第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。
第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平
R/W為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。
第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。
第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。
第15腳：背光源正極。
第16腳：背光源負(fù)極。
（2）1602LCD的RAM地址映射以及標(biāo)準(zhǔn)字庫表
LCD1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符圖有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母。
它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的（說明：1為高電平，0為低電平）。
指令1：清顯示，指令碼01H，光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。
指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H 。
指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移 。S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效 。
指令4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示。 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo)。 B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍 。
指令5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo) 。
指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線。????? ?N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示。 F：低電平時顯示5X7的點(diǎn)陣字符，高電平時顯示5x10的點(diǎn)陣字符 （有些模塊是 DL：高電平時為8位總線，低電平時為4位總線）。
指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置 。
指令8：DDRAM地址設(shè)置 。
指令9：讀出忙信號和光標(biāo)地址。 BF為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙，模塊就能接收相應(yīng)的命令或者數(shù)據(jù)。
指令10：寫數(shù)據(jù) 。
指令11：讀數(shù)據(jù) 。
液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。
1602 內(nèi)部顯示地址如圖3-6所示：
圖3-6 1602內(nèi)部顯示地址
例如第二行第一個字符的地址是40H，那么是否直接寫入40H 就可以將光標(biāo)定位在第二行第 一個字符的位置呢？這樣不行，因?yàn)閷懭腼@示地址時要求最高位D7恒定為高電平1，所以實(shí)際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H) 。在對液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標(biāo)是自動右移的，無需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形，如下圖所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H 中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。
通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域。
3.4 聲光報警提示電路
3.4.1 燈光提示電路
