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1 緒論
1.1 課題的研究背景
火災作為一種在時空上失去控制的燃燒所引發(fā)的災害，對人類生命財產(chǎn)和社會安全構成了極大的威脅。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。
火災早已成為我國常發(fā)性和破壞性以及影響力最強的災害之一。隨著經(jīng)濟和城市建設的快速發(fā)展，城市高層、地下建筑以及大型綜合性建筑日益增多，火災隱患也大大增加，火災發(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，人類不得不進行專題研究火災過程中爆發(fā)，截至目前，已形成一個較為成熟的概念?；馂牡陌l(fā)生和發(fā)展過程是一個復雜的物理和化學過程，但也與環(huán)境很強的相關性。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參數(shù)，特點是強大的，一般的騷亂有著本質(zhì)的不同。基于上述特點，早起的火災探測技術應運而生，特別是多的火災探測技術被廣泛采用在火災探測領域，如復合材料的物理參數(shù)復合煙氣溫度探測器，使用不同的帶光傳感器的復合雙波段火焰探測器。
在我國，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，工業(yè)與民用建設日趨增多，火災發(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用使火場內(nèi)外部的求援行為困難重重?，F(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，對于火災報警系統(tǒng)也提出了更高的要求。一旦發(fā)生火災將很難及時救助，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，家庭火災發(fā)生的頻率越來越高。家庭火災，很容易撲滅不及時，有著缺乏消防設備和在場的人戰(zhàn)斗驚慌失措逃離緩慢的不利因素，最終導致的生命和財產(chǎn)的重大損失。消防部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，所有的火災比例中，家庭火災占全國火災的30％。家庭火災的原因是多方面的，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事故，使好端端的幸福家庭眼間毀于一旦,有的導致家破人亡,而且一旦發(fā)生居民家庭火災,處置不當、報警遲緩,是造成人員傷亡的重要因素。所以說,人們應該積極了解家庭火災的主要起因，還有預防火災的發(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，所以每一個家庭必須始終關注防火。如果能根據(jù)你家的實際情況，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，對減少火災損失具有現(xiàn)實意義。
一系列悲劇性的損失，由國家從社會各界意識到，聲光報警對火災的報警的必要性。據(jù)調(diào)查，在最近的火災大部分的房子里還沒有安裝報警器。因此聲光報警，對發(fā)生火災預防具有重要意義。
1.3 火災報警器的發(fā)展與現(xiàn)狀
近年來，無線火災報警系統(tǒng)在國外已被開發(fā)，并走向?qū)嵱谩Ｆ鸪?，無線火災報警系統(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)督檢驗測試中心”的監(jiān)測，該系統(tǒng)可作為火災報警系統(tǒng)，但也可作為一個安全的系統(tǒng)，兩者的結合，是一個高科技的無線安全系統(tǒng)。
火災報警系統(tǒng)在中國相對較晚，與發(fā)達國家相比， 20世紀70年代末的十年間，中國開始研制生產(chǎn)的火災報警系統(tǒng)。 20世紀80年代后，國內(nèi)各大廠商也大多是模仿國外產(chǎn)品，或引進國外技術生產(chǎn)的，沒有真正意義上的核心技術，市場剛剛開始發(fā)展。真正的火災報警產(chǎn)品的發(fā)展也促進了市場的成熟，政府逐步開放的大門，在同一時間，外國公司開始進入中國的防火市場，帶來先進的技術在20世紀90年代。此期間，中國生產(chǎn)的火災報警產(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)造了許多強大的企業(yè)，有些技術已接近或趕上國際標準。
1.4課題的研究內(nèi)容
火災報警器，主要檢測溫度和煙霧，再通過單片機控制相應的報警和驅(qū)動負載。通過液晶顯示當前的煙霧值和溫度值，通過按鍵設定相應的閥值。
該項目主要是為了完成任務，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)換電路的設計，報警驅(qū)動電路的設計。
（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)進行綜合的測試與實驗，分析系統(tǒng)的可靠性與實用性，調(diào)整系統(tǒng)的不足。
2 火災報警器的總體方案設計
本課題主要是實現(xiàn)煙霧報警和火災發(fā)生時的報警及控制，下面分別對系統(tǒng)功能要求、系統(tǒng)技術要求及系統(tǒng)實現(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功能：
(1)火情探測功能：為了提高火災報警的準確性和及時性，火災報警系統(tǒng)需要使用各種方法進行火災探測。在實際使用中，根據(jù)不同的防火場所，用戶可以選用溫度探測法、可燃氣體檢測法及煙霧探測法等合適的火災探測方法，來有效的探測火災；
(2)燈光報警功能：當室內(nèi)煙霧濃度過大、有火情產(chǎn)生、故障等異常情況發(fā)生時，報警器要進行燈光報警。當煙霧超過最大設定值時，可以蜂鳴器報警。
2.2 系統(tǒng)的技術要求
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)的技術要求。系統(tǒng)采用的單片機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)應符合體積小、功耗低、數(shù)傳性能可靠和成本低廉等技術要求。具體指標和參數(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)的組成及方案設計
本設計主要由煙霧探測傳感器電路、單片機、燈光報警電路、負載驅(qū)動電路、控制程序和編解碼程序等組成。
系統(tǒng)的組成結構如下：
圖2.1
3 系統(tǒng)的硬件設計
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。
實時顯示當前的煙霧值和溫度值，共有2個報警值（可以通過按鍵設定），分別是溫度的上限和煙霧的上限報警值，當煙霧超過的時候紅燈和蜂鳴器聲光報警，當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用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 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復位電路，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，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?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率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，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：
(1) 采用燒結半導體所形成的敏感燒結體，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:
響應時間：Tr≤10s
恢復時間：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
下圖是元件外形結構圖，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，有較高的強度和防爆能力。
MQK-2型元件外形結構圖
MQ-2氣敏元件的結構和外形如上圖所示, 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。可看出，通電后60~90s，元件即進入穩(wěn)定待測工作狀態(tài)。
MQ-2的特點和工作參數(shù)如下：
特點：
⑴ 廣泛的探測范圍
⑵ 高靈敏度／快速響應恢復
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～IN7：8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復位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。
EOC： A/D轉(zhuǎn)換結束信號，輸出，當A/D轉(zhuǎn)換結束時，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A/D轉(zhuǎn)換結束時，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)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結果的數(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)應及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。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)換時間作為一項技術指標是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時間為128μs，相當于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期?？蓳?jù)此設計一個延時子程序，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)，即可確認轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進行數(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，供單片機接受。
3.3 液晶顯示電路設計
（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，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平
R/W為高電平時可以讀忙信號，當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：背光源負極。
（2）1602LCD的RAM地址映射以及標準字庫表
LCD1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符圖有：阿拉伯數(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、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的（說明：1為高電平，0為低電平）。
指令1：清顯示，指令碼01H，光標復位到地址00H位置。
指令2：光標復位，光標返回到地址00H 。
指令3：光標和顯示模式設置 I/D：光標移動方向，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：顯示開關控制。 D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示。 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標。 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍 。
指令5：光標或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標 。
指令6：功能設置命令 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的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符 （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地址設置 。
指令8：DDRAM地址設置 。
指令9：讀出忙信號和光標地址。 BF為忙標志位，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模塊的忙標志為低電平，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 就可以將光標定位在第二行第 一個字符的位置呢？這樣不行，因為寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平1，所以實際寫入的數(shù)據(jù)應該是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H) 。在對液晶模塊的初始化中要先設置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預。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個不同的點陣字符圖形，如下圖所示，這些字符有：阿拉伯數(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、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領域。
3.4 聲光報警提示電路
3.4.1 燈光提示電路
