公共场所安全报警系统

摘要：本系统采用AT89C51作为控制器，选用温度传感器AD590、烟雾传感器UD-02、红外敏感元件ST178P作为火灾探测的敏感元件，采用声光报警的方式，设计出可以应用于办公室、教室、家庭房屋等场所的简单实用的火灾探测报警器。单片机巡回检测各房间，采集温度、红外辐射、烟雾；当以上任一项发生异常时系统判断具体是哪房间异常，并用数码管显示房间号，同时蜂鸣器发出鸣叫，报警一分钟后继续进行巡回检测。

关键字：单片机AT89C51、AD590、UD-02、ST178P

一、引言

近年来，随着科学技术日新月异的发展，生产力水平达到了前所未有的高度。城市现代化在这样的背景下发展速度越来越快，高层建筑异军突起。

由于高层建筑都有建筑高度高、建筑面积大、用电设备多、供电要求高等特点，这些都给高层建筑的防火问题提出了很高的要求。而最近几年，我国因特大恶性火灾导致的多起群死群伤事件已引起有关部门的高度重视，高层宾馆、大型商场等人员集中地区的防火问题被提上日程。在这些场所内，各种电气电子设备高度集中且处于长期运行状态，电气设备过载、过热、短路的火灾隐患较多。一旦发生火灾将很难及时救助，势必要给国家和个人带来不可估量的损失。

火灾的发生和发展过程是一个复杂的物理化学过程，而且与环境的相关性很强。一般情况下，一场火灾发生过程都伴随着烟、温、光等信号的产生。基于不同环境及不同燃烧物成分的火灾的生成气成分、烟雾的粒径构成、温场分布及光谱均有不同，因此，火灾过程涉及多个物理和化学参数，而且特征性比较强，与一般的扰动有着本质的区别。基于上述特性，早期火灾探测技术应运而生，尤其是各类传感器在火灾探测领域得到广泛采用，如温度传感器

AD590、烟雾粒子传感器UD-02、有害气体传感器TGS-202、红外敏感元件

ST178P以及采用物理参数复合的烟温复合探测器，采用不同波段光传感器复合的双波段火焰探测器等。火灾自动报警器最初是以晶体管继电器为分立元件的产品，80年代末，90年代初随着微型计算机的开发应用，出现了以微机为核心的通用火灾报警器。它的应用使人们对火灾的控制能力大大增强，使危害大大降低。火灾报警器的主要心脏部件就是单片机，通过它接收来自火灾探测器的报警信号，经过确认后，发出声光报警，显示报警位置，并能发出控制信号启动消防设备，迅速灭火。可见，从信号的接收处理到报警消防，完全实现了自动控制，单片机在其中起到了关键的作用。

本文结合单片机传感器技术，基于实用、广泛和典型的原则开发设计了这一公共场所安全报警系统。

二、系统原理及总体方案设计

火灾自动报警系统的设计主要涵盖以下五个方面：单片机的选取、传感器的选取、装置设置、软件的设计。

火灾自动报警系统框图如下图所示。在各个监测点安装有温度传感器、烟雾离子传感器、红外传感器，单片机通过对各监测点巡回检测，对传感器传出数据进行分析判断现场状况。当监测点有火情的其中一种表现（烟雾、温度上升、红外辐射等），单片机接受到传感器变化超出阈值的数据，确定火情信息后，蜂鸣器报警、数码管显示房间号。报警一分钟后，继续巡回检测。

三、系统硬件设计

该报警系统由AT89C51,温度传感器AD590、烟雾传感器UD-02、红外敏感元件ST178P作为火灾探测的敏感元件，采用数码管显示房间号，蜂鸣器报警。

3.1单片机控制中心

本设计是基于单片机的声光火灾报警器，单片机是其中的核心部件，它就像大脑一样，是设计中的枢纽。

1）89C51的简介

AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机、片内带有4K字节

的FLASH可编程，可擦除只读存储器（EPROM），它采用了COMS工艺和ATMEL

公司的高密度非易失性存储器技术。而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51

兼容。片内的FLASH存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机、可方便应用在与本次设计相关的控制领域。

2）89C51外围接口电路

AT89C51单片机外围接口电路如下图所示，主要包括：

1.晶振电路：内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHZ~12MHZ之间

（该设计选用12MHZ），外接两个谐振电容。该电容的典型值为30pF,该设计选

用33pF。

2.复位电路：单片机复位采用按键高电平复位

3.直流电源

3.2信号采集处理模块

信号采集包括烟雾、温度、火光信号的采集，分别采用温度传感器

AD590、烟雾粒子传感器UD-02、红外敏感元件ST178P。每个房间的各传感器

分别通过比较电路与对应的设置的初始值作比较，输出数字“1”或“0”信号，

输出信号通过“或门”，若有一项指标超过设定值，或门输出“1”，则为有火情。各房间“或门”输出端接至P1口及剩余P0口和P3口。循环检测语句可通过

对各口输入信号的检测，分析是否有火情，进而进行相应的处理。

信号采集处理电路如下图所示：

3.2.1烟雾信号采集模块

离子感烟传感器是应用放射性同位素组成的火灾报警专用传感器，其传感灵敏度高，可靠性好，目前已经得到广泛应用。

离子感烟传感器由两个电离室组成，外电离室与外界相通，烟雾可进入电离室，而内电离室是密封的，烟雾不能进入。由于烟雾进入外电离室，使内外两电离室离子电流不同，传感器就输出与烟雾成正比的传感信号。

在正常工作状态下，放射源发出的射线电离了电离室的空气，便有电流从A经B流向C，这时电离室是一个典型的电阻元件。初始条件下，在B点的电位Vb是相对稳定的，烟雾进入AB之间的检测室时，电离状态发生变化，导致AB 之间的电阻阻值变化，而BC间组成的参照室因不感觉烟的存在，基本保持阻值初始状态不变，根据欧姆定律，在B点上分压值发生相应的变化，这一变化经过电路放大，做为火警信号输出，从而实现烟信号到电信号的转变。在电极之间放有α放射源241镅，由于它持续不断地放射出α射线，α粒子以高速运动，撞击空气分子，从而使极板间空气分子电离为正离子和负离子(电子)，这样电极之间原来不导电的空气具有了导电性，实现这个过程的装置我们称它为电离室。

如果在极板P1和P2间加上一个电压E，极板间原来做杂乱无章运动的正

负离子，此时在电场的作用下，正负离子做有规则的运动。正离子向负极运动，负离子向正极运动，从而形成了电离电流I。施加的电压E愈高，则电离电流

愈大。当电离电流增加到一定值时，外加电压再增高，电离电流也会增加。

皖西学院机械与电子工程学院微机原理课程设计

一般离子感烟探测器的电离室均设计成单极性的（单极性电离室是指电离室局部被α射线所照射，使一部分形成电离区，而未被a射线所照射的部分则为非电离区）。因为当发生火灾时烟雾进入电离室后，可以得到较大的电压变化量，从而可以提高离子感烟探测器的灵敏度.在实际的离子感烟探测器设计中将两个单极性电离室串联起来，一个作为检测电离室，结构上做成烟雾容易进入的型式;另一个作为补偿电离室，做成烟粒子很难进入，而空气又能缓慢进入的结构型式.电离室采用串联的方式，是为了减少环境温度、湿度、气压等自然条件的变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境使用能力和稳定性。

当外电离室进入燃烧生成物或者烟雾时，部分正离子和负离子被吸附到燃烧生成物和烟雾颗粒上，所以它们在电场中的速度就比原来要慢的多，并且在移动中还有部分正负离子中和，这样到达正负极板的离子数量想对减少，即离子电流变小。烟雾数量越多，离子电流就越小。而内电离室是封闭的，无烟尘离子进入，离子电流是恒定的。内电离室与外电离室是串连的，如下图所示。无烟雾时，A点电位约为1/2E。若有烟雾，外电离室的离子电流减小，等效电阻增加，A点电位下降，其下降程度与烟雾数量成正比。有烟雾和无烟雾时其电位差可达1V以上。

+E

+E

外电离室

本实验采用UD—02型离子感烟传感器。UD—02型离子感烟传感器具有灵敏度高、可靠性好，性能符合标准等特点。它有两个电子室及一个放射源

（AM241）,对外有三个引出脚：A电极（接电源正端+9V）、B电极（接地）、C

电极（收集电极即输出端）。

3.2.2红外探测模块

1）LM339比较器的使用简介

由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相

推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。

LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个

输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一

个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端

开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个

输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。

2）ST178的工作原理

本系统的红外检测模块采用单光束反射取样式光电传感器ST178，该传感器是由南平旭光电子科技有限公司开发生产的主要应用于物体运动方向及正反转转速、行程测量等。

其在本系统中的应用原理是，光电传感器接收孔探测到火焰辐射的较强烈的红外线时，接收管导通输出一定的电压，辐射越强烈，则3脚输出的电压也越大，应此把3脚接与比较器LM339，当辐射达到一定时比较器输出高电平，当在无红外辐射或辐射较少时，比较器输出底电平，并且ST178对人体辐射的红外线波长不敏感，对火焰辐射的红外线可灵敏检测，价格实惠，因此本系统采用该传感器作为红外敏感元件。

3.2.3温度采集模块

AD590是美国Analog Devices公司生产的一种电流型二端传感器，电路如图所示。由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，及1 A∕K，，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量，所以在AD590的

负极接出一个10千欧的电阻R1和一个100欧的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC080。通过调节可调电阻便可在输出端V T获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV∕K,温度0℃时输出为0，温度25℃时输出为2.982V。这

样便于A/D转换器采集数据。AD590的应用电路如下图所示。

3.2.4信号处理电路

对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足与阈值比较的要求。信号放大电路图如下图所示，运算放大器接成电压放大电路。从传感器采集过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信号。

3.3声光报警模块

数码显示选用共阳数码管，报警电路选用一片扬声器。

1）声音报警电路

由AT89C51的16脚实现声音报警控制。当可燃性气体浓度或温度或光超过阈值时，将P3.6置为高电平，扬声器发出鸣叫报警。其电路原理图如下图所示。

2）数码管显示电路

由P2口控制BS212共阳数码管，予以进行光报警并显示着火的房间号。LED显示器中发光二极管有两种接法，分别是共阴极接法和共阳极接法。本设

计中选用的是BS212共阳数码管把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接地，这样阴极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。七段发光二极管，加上一个小数点位，共计八段。因此，提供给LED显示器的字型代码正好一个字节。各位代码的关系如下表所示：

代码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dp g f e d c b a

图3-13符号和引脚图3-14共阴极LED显示器用LED显示器显示十六进制数的字型代码如下表所示。

字

型

共阳极C0

123456789灭

F9A4B0999282F88090FF

由P0.0口和P0.1口控制片选其中一个数码管亮，两个数码管以极短的时间间隔轮流亮，依靠人视觉的暂留，看到两个数码管同时显示房间号。数码管连接图如下图所示：

四、系统软件设计及流程图

系统软件对各房间传感器采集到的数据进行巡回检测分析，当发现有火情信号时，控制数码管显示想杨能格房间的房间号、蜂鸣器报警，一分钟后停止报警，继续对各房间进行巡回检测。

根据课题要求，设计出如下流程图：

根据题给要求需对二十个房间的数据进行巡回检测，可用for循环实现。

当发现有火情时转向显示房间号子程序，且使蜂鸣器报警，循环执行一分钟后，使数码管灭、停止报警。跳出循环重新进行巡回检测for循环

五总结与展望

5.1总结

本文所设计的基于AT89C51单片机的火灾自动控制系统，是以宾馆、商场、夜总会等人员密集且有较多易燃物的场所为设计对象的。在该系统的研究和设计中主要做了下列工作：

(1)系统硬件设计：信息采集转化部分，涉及到了传感器、电路等方面的相关知识；单片机应用系统硬件设计，涉及到了单片机I/O口扩展等相关知识；外围电路以及电源部分设计，均涉及到了电子电路方面的相关知识；人机操作控制面板设计，涉及到了画图板等制图软件的应用等知识。

(2)系统软件设计：编程语言主要应用了C语言。其间还涉及到了具体工作方式的状态流程图设计和文本档案的撰写。

此火灾自动报警系统能达到以下几点要求：

①可以检测监测点的火光、温度及烟雾等信号

②任何一种信号超过阈值即可产生报警信号

③可对20个点巡回检测

④有火情时可显示房间号且报警

⑤报警一分钟后停止报警，继续进行巡回检测

5.2展望

(1)系统硬件设计方面：关于信号采集这个环节，本设计采用的是单一的传感器。严格来说，由于作业现场其他信号的干扰，其控制精确性还存在一定的缺陷，突出表现为漏报和误报，需要今后进一步研究。当然，如果采用综合性传感器，譬如感烟感光传感器、感烟感温传感器，肯定能取得更好的报警效果。

(2)系统电路设计方面：如果仅仅完成本设计所要求的功能，则系统电路图是无需改动的。但是为了适应工作环境的变化及系统功能的扩展，系统电路图也有待进一步研究，从而能够实现更多的功能以及适应更为复杂的环境

六、心得体会

我们进行为期两周的课程设计。通过这次课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。

对我们电信专业的学生来说，实践动手能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。这一次是一次预演，为以后毕业课程设计做铺垫。通过课程设计，让我找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为以后走上社会提供坚实的基础。

这次课程设计业进一步提高了和同学间的合作意识和团结合作精神，在此对帮助我的老师和同学表达深深的谢意。

课程设计达到专业学习的预期目的。在结束自己的课程设计后，我普遍感到不仅实际动手能力有待提高，更重要的是对课程设计的步骤、要求、设计成品、调试、理论分析等的了解，进一步激发我对本专业的学习热情，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。

七、致谢

本课程设计是在我的指导老师徐宇宝老师的悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从方案的选择到项目的最终完成，徐老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向徐老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在此，我还要感谢一起搭档的陈晨同学，在我们两人的共同努力下，顺利的完成了任务。正是你的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至答辩的顺利完成。

从开始进入课题到论文的顺利完成，有很多的老师和同学给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

参考文献

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[2]孙传友.测控系统原理与设计.北京:北京航空航天大学出版社,2006

[3]孙传友.测控电路及装置.北京:北京航空航天大学出版社,2003

[4]余发山.单片机原理及应用技术.中国矿业大学出版社,2003

[5]李广弟.单片机基础.北京:北京航空航天大学出版社,2003

[6]郑学坚.微型计算机原理及应用.北京:清华大学出版社,2004

[7]刘文涛.单片机应用开发实例.北京:清华大学出版社,2005

[8]张靖.检测技术与系统设计.中国电力出版社,2002

[9]张毅刚.单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社,2006

[10]陈有卿.报警集成电路和报警器制作实例.北京:人民邮电出版社2005

附录一：程序清单

#include

unsigned table[11]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90, 0xFF};

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit p37=P3^7;

sbit p36=P3^6;

sbit p35=P3^5;

sbit p0=P0^0;

sbit p1=P0^1;

int m,n,i;

void delay_5ms(int t)

{

int j;

for(;t>0;t--)

for(j=666;j>0;j--);//6245

}

void main(void)

{

int i,j;

char a[2];

a[10]=p35;

a[11]=p37;

p36=0;

for(i=0;i<20;i++)

{

if(a[i]==1)

{j=3750;//1min

while(j)

{

m=i/10;

n=i%10;

P2=0xff;

delay_5ms(1);

p0=0;p1=1;

P2=table[n];

delay_5ms(1);

p1=0;p0=1;

P2=table[m];

delay_5ms(1);

p36=1;

j--;

}

p36=0;

P2=0xff;

delay_5ms(2000);//10sec

}

}

}