毕业设计 基于51单片机的自动火灾报警系统设计及应用

序
🔥 毕业设计和毕业答辩的要求和难度不断提升，传统的毕设题目缺少创新和亮点，往往达不到毕业答辩的要求，这两年不断有学弟学妹告诉学长自己做的项目系统达不到老师的要求。
为了大家能够顺利以及最少的精力通过毕设，学长分享优质毕业设计项目，今天要分享的是：基于51单片机的自动火灾报警系统设计及应用

1系统硬件设计

1.1 AT89C52的选择

在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对这两种信号分别进行处理，以控制后续电路进行相应动作;与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些工作的过程中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况进行相应的处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用ATMEL公司的AT89C52 单片机作为控制器。

AT89C52是一个低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片内含4kBytes(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89C52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。根据本次设计的具体情况，采用双列直插DIP-40封装。AT89C52 的引脚图如图1-1所示：

图1-1 DIP-40封装AT89C52引脚图

单片机的种类很多，有一种型号AT89C52的单片机较普遍的作为火灾自动报警器的元件。这款单片机具有低压、高性能的特点，系统内通过ATML公司提供的高密度、非易失性存储技术以及MCS-51的指令系统作为核心技术，使得单片机本身就可以广泛应用于许多场合。此型号的单片机在使用时，既可以采用常规的编程方式，又可以融合在线编程的优势。AT89C52 单片机中微处理器和FLASH存储器的完美结合，使得它在工作时利用可以反复擦写的FLASH的优点，可以降低它的成本，如图1-2所示。

图1-2 AT89C52单片机

1.2温度传感器的选择

温度传感器的选择。温度传感器选择中，我们将铂电阻作为温度传感器的第一基础需求。铂电阻本身具有测量范围大、复现性好以及稳定性强的特点，将铂电阻的挑选性能区间归置在温度系数为3.9*10-3,零摄氏度的电阻为100度，电阻的变化率在0.381摄氏度左右。这样的铂电阻温度传感器在工作中具有很高的精密性，在中低温区的性能非常良好，在火灾自动报警器中的应用也十分的科学合理，它不仅可以胜任工业上的要求，也可以应用在一些标准温度计的制作中。

1.3 AD转换器的选择

AD转换电路采用了常用的8位8通道数模转换常用芯片ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端分别接到ADC0809的IN0和IN1。ADC0809的通道选择地址由AT89C52的P0.0~P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。当P2.7=0时，与信号WR共同选通ADC0809。其中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。图中ADC0809转换结束状态信号EOC接到AT89C52的INT1引脚,当AD转换完成后,EOC变为高电平,表示转换结束，产生中断。在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。由于ADC0809片内无时钟，故利用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHZ，则ALE信号的频率为1MHZ，经二分频后为500KHZ，与ADC0809的典型值吻合。电路图如1-3所示。

图1-3 ADC0809电路图

1.4数码管显示电路

数据采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，就被传送到系统的显示模块，让人们更直接地观察到相关数据。在本系统中，对LED进行的是动态扫描，除了给显示器提供段的输入之外，还要对显示器进行位控制。显示器的第一位显示所选择的通道号，而后三位则显示该通道传送进来的相应的数字量。

本系统显示用的4位七段数码管由数码管专用驱动芯片ICM7218A驱动,27、3、1、25、2、24、26脚分别接数码管的a、b、c、d、e、f、g,15、16、23、20脚为位选，分别控制4位数码管的亮灭，ID0~7为数据线，接单片机P0口，WRITE、MODE是写控制位和模式控制位，分别接单片机P3.6、P2.6。其电路图如1-4所示。

图1-4 数码管显示电路图

1.5电源电路设计

在整个电源电路的设计中，火灾报警器的控制器需要在24V的电压下工作，扬声器也需要在24V的电压下工作,单片机硬件需要一个3.3V的电压环境，而各种的其它芯片都需要置于5V的工作环境中。因此，将电源电路的总电压设计为24V,在电路中接入稳压器，把总电压转换成各部件所需要的电压，单片机火灾自动报警系统接入的电压是来源消防用电，可以避免火灾引起时工作电路断电。

1.6固态继电器的选择

固态继电器又名固态开关。是一种新颖的四端以弱控器的无触点功率控制元件。固态继电器为一个四端组件:两个输入控制器,两个输出受控端。它由三部分组成:输入控制部分、隔离部分及输出受控部分。输入控制部分一般由限流电阻或恒流电路及光电二极管组成；隔离部分一般由光电隔离器组成,也有用变压器隔离的。输出部分一般由光敏控制器、电压过零控制器、驱动器、可控硅及阻容吸收部分组成。

1.7报警器故障自诊断

判断传感器电源连接情况。在传感器的地端串联一个电阻R，当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P2.1口检测到。如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。其电路图如1-5所示。

图1-5 传感器电路图

2图书馆火灾自动报警系统的设计

2.1 设计概况

此设计是针对我校图书馆的火灾自动报警系统,该楼包括电子阅览室，图书阅览室，收藏室，借阅室，服务大厅，卫生间等。其中收藏室放有贵重资料，电子阅览室放有大量电气设备,其它教室放有大量图书。而且该图书馆作为本校的主楼，楼内来往人员较多，是人数较密集的区域，所以一定要做好防火工作，保证人身安全。根据《高层民用建筑设计防火规范》规定可知该图书馆为一类建筑，防火等级为一级。图书馆的火灾报警控制系统，集火灾报警于一体，通过设置感烟探测器、手动报警按钮，火警电话等达到火灾报警的目的，然后通过设置的消防广播扬声器通报火灾情况，并通过疏散指示灯和应急照明灯指示人员疏散。系统的设计依据《火灾自动报警系统设计规范》(GB50116-98)，《民用建筑设计防火规范》(GB50045-95)。

2.2 系统的工作原理

安装在保护区的探测器不断的向所监视的现场发出巡测信号，监视现场的烟雾浓度等，并不断反馈给报警控制器，控制器将接收的信号与内存的正常整定值比较、判断确定火灾。当火灾发生时，发出声光报警，显示烟雾浓度,显示火灾房号的地址编码，并打印报警时间、地址等。同时向火灾现场发出警铃报警，在火灾发生楼层的上下相邻层或火灾区域的相邻区域也同时发出报警信号，以显示火灾区域。各应急疏散指示灯亮，指明疏散方向。如图所示火灾自动报警系统的工作原理图:

图2-1 火灾自动报警系统工作原理图

2.3火灾探测器的选择及位置

2.3.1火灾探测器的选择

（1）感烟火灾探测器 

感烟火灾探测器是一种响应燃烧或热解产生的固体或液体微粒的火灾探测器，是使用量最大的一种火灾探测器。因为它能探测物质燃烧初期所产生的气溶胶或烟雾粒子浓度，因此，有的国家称感烟火灾探测器为“早期发现”探测器。

常见的感烟火灾探测器有离子型、光电型等几种。

离子感烟探测器由内外两个电离室为主构成。外电离室（即检测室）有孔与外界相通，烟雾可以从该孔进入传感器内；内电离室（即补偿室）是密封的，烟雾不会进入。火灾发生时，烟雾粒子窜进外电离室，干扰了带电粒子的正常运行，使电流、电压有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，探测器就会产生感应而发出报警信号。

光电感烟探测器内部有一个发光元件和一个光敏元件，平常由发光元件发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就会显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化转换成电流的变化，通过放大电路发出报警信号。吸气式

吸气式感烟探测器一改传统感烟探测器等待烟雾飘散到探测器被动进行探测的方式，而是采用新的理念，即主动对空气进行采样探测，当保护区内的空气样品被吸气式感烟探测器内部的吸气泵吸入采样管道，送到探测器进行分析，如果发现烟雾颗粒，即发出报警。

图2-2 感烟火灾探测器

（2）感温火灾探测器

根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用建筑中的感温式火灾探测器有定温式、差温式、差定温式等几种。

定温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时启动报警的火灾探测器。它有线型和点型两种结构。其中线型是当局部环境温度上升达到 规定值时，可熔绝缘物熔化使两导线短路，从而产生火灾报警信号。点型定温式探测器利用双金属片、易熔金属、热电偶热敏半导体电阻等元件，在规定的温度值上产生火灾报警信号。

差温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。它也有线型和点型两种结构。线型差温式探测器是根据广 泛的热效应而动作的，点型差温式探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温器件是空气膜盒、热敏半导体电阻元件等。

差定温式探测器结合了定温和差温两种作用原理并将两种探测器结构组合在一起。差定温式探测器一般多是膜盒式或热敏半导体电阻式等点型组合式探测器。

图2-3 感温火灾探测器

（3）感光火灾探测器

它是用于响应火灾的光特性，即探测火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。

根据火焰的光特性，使用的火焰探测器有三种：一种是对火焰中波长较短的紫外光辐射敏感的紫外探测器；另一种是对火焰中波长较长的红外光辐射敏感的红外探测器；第三种是同时探测火焰中波长较短的紫外线和波长较长的红外线的紫外/红外混合探测器。

图2-4 感光火灾探测器

（4）气体探测器

气体探测器是一种检测气体浓度的仪器。该仪器适用于存在可燃或有毒气体的危险场所，能长期连续检测空气中被测气体爆炸下限以内的含量。可广泛应用于燃气，石油化工，冶金，钢铁，炼焦，电力等存在可燃或有毒气体的各个行业，是保证财产和人身安全的理想监测仪器。

图2-5 气体探测器

在选择探测器时，其原则是及早发现和报告火情，把火灾消灭在萌芽状态，这样就要正确的选择探测器，以适用监视现场的环境条件，避免由于环境条件的影响而造成漏报和误报。图书馆主要由计算机房、自习室、藏书室、办公室组成，由于自习室、藏书室和办公室多为木质等固体可燃物材料，燃烧时产生大量的烟雾，故在自习室、藏书室和办公室选择JTY-GD-G3T型点型感烟探测器；计算机房则多为电气火灾，故选择JTY-GM-FW19010型点型感温探测器。

2.3.2火灾探测器的布置

下面分区域布置

（1）大厅

a.确定一只探测器的保护面积及保护半径：

在火灾探测器的适用安装高度范围内，一个探测器的有效保护面积和保护半径除了受房间高度的影响外，还受量顶结构的影响。一般来说，在顶棚高度范围内，顶棚越高，或顶棚坡度越大，其保护面积和保护半径都有一定增加。保护半径R是指以火灾探测器为圆心，能够有效探测的最大水平距离，而保护面积，是指一只探测器在规定时间和规定条件下，能够有效探测的地面面积，即以R为半径的圆的水平面内接正四边形面积来表示。

大厅分一个防火区，不考虑大厅柱子的影响，大厅前半区长21.4m，宽18.4m。保护面积S=18.4*21.4=393.76㎡>80㎡，H<6㎡

查表得探测器最大保护面积A=60，修正系数k=0.9。由于大厅内没有高度超过200mm的梁，所以不用考虑梁高的影响。

b.探测器数目的计算:

根据《火灾自动报警系统设计规范>规定一个探测区域内所需设置的探测器数量，不应小于下式的计算值:

N>S/(K*A)

公式1：式中:N――探测器数量(只)，N应取整数;S――该探测区域面积(m²);A――探测器的保护面积(m²);K――修正系数，该综合楼为一级保护对象，宜取0.8~0.9，在这里取0.9。

故探测器的个数N=S/(K*A)=393.76/(0.9*60)=7.29，取8个，布置图如下

图2-5 探测器布置草图

a=21.4/3=7.13m，a1=(21.4-7.13*2)/2=3.57m

b=18.4/3=6.13m，b1=(18.4-6.13*2)/2=3.07m

此处由于房间特殊结构要求，取4m

c.校验:对于探测器的布置需进行相关校验,校验要求如不满足，需对探测器重新进行布置，直到校验要求满足为止。

①ab=7.13*6.13=43.71㎡<kA=54㎡,满足要求;

②实际最大保护半径r=√a2+b2=3.71m<最大有效保护半径R=5.20m，满足要求;

③通过查书上的感烟、感温探测器的安装间距极限曲线，可知探测器的安装间距a、b的选择范围在3.5~12m之间，故由a、b取值可得，均为超过这一范围，满足要求;

(2)办公室

一共有五个一样的办公室1，2，3，4，5，以办公室1为例。根据房间高h=4m，以及房间内可燃物的燃烧性质，选择感烟探测器。由h=4m<12m，S=5.2*4=20.8㎡<80㎡，房间为平顶，查表可知，一只探测器的保护面积A=80㎡,保护半径R=6.7m。取修正系数k=0.9，由于KA=72㎡>S=20.8m²,所以选用一只感烟传感器即可。感烟传感器的实际最大保护半径r=√5.2²+4²=6.56m<R，且其到相邻墙壁的距离均不小于0.5m，故满足要求。所以在办公室中选用一只感烟探测器，安装在房间的几何中心位置 。

(3)计算机房

长8m，宽5.2m，S=8*5.2=41.6㎡>30㎡，取修正系数k=0.9,H<8m。查表得感温探测器保护面积A=20㎡，kA=18㎡，所以探测器个数n=S/kA=41.6/18=2.31,取四只，布置图如图所示。

图2-6 机房探测器布置草图

a=8/2=4m,a1=(8-4*1)/2=2m

b=5.2/2=2.6m，b1=(5.2-2.6*1)/2=1.3m

校验:ab=4*2.6=10.4㎡<kA=18㎡。

有效保护半径R=:√KA/2=3m。

实际最大保护半径r=√2²+1.3²=2.3m<R=3m。故设计满足要求。

(4)走廊:

走廊长16m,宽1.8m，H<6m,选择感烟探测器，查表得A=80㎡，R=6.7m,k=0.9，据计算，探测器n=S/kA=28.8/72=0.4，取1个，但是实际最大保护半径r=√8²+0.9²=8.05m,故不满足要求，取两只，布置如图

图2-7 走廊探测器布置草图

a=8m;a1=4m

b=b1=0.9m

故校验:ab=7.2㎡<kA=72㎡

实际最大保护半径r=√a1²+b1²=4.1m<R=√KA/2=6m

设计满足要求。

2.4火警电话和疏导照明系统设计

2.4.1火警电话的布置

消防控制室设置对内联系、对外报警的电话是我国目前阶段的主要的消防通信手段。根据《火灾自动报警系统设计规范》规定，消防专用电话网络应为独立的消防通信系统，也就是说不能利用一般电话线路代替消防专用电话线路，应独立布线。根据规范要求,设有手动火灾报警按钮等处宜设置电话塞孔。电话塞孔在墙上安装时，其底边距地面高度宜为1.3~1.5m。大厅靠近出口,不考虑安装消防电话。其他每个房间考虑按一部消防电话。在教学楼F楼1层两端各设一部火警电话，安装高度为1.5m。

在走廊里设计安装疏散指示灯，以及应急照明灯，走廊长16m，宽1.8m，设计安装两个疏散指示灯 。针对人群进出的不同方向，在大厅的四面均安上疏散指示灯，且应安装应急照明灯。

2.4.2疏散诱导照明的设计

建筑物内的人员密度大，一旦发生火灾或某些人为事故时，室内动力照明线路可能被烧毁，为了避免线路短路而使事故扩大，必须人为切断部分电源线路，这时候就需要通过应急照明系统来保证建筑物内的正常照明。

所谓应急照明，是指在正常照明系统因故障熄灭后，不再提供正常照明的情况下使用的照明，主要包括备用照明、安全照明和疏散诱导照明三种。应急照明中的疏散照明灯具(出口指向标志灯)应兼顾照亮通道的任务，因此，国际照度委员会CIE-49号技术文件推荐，通道中心线地面水平照度为0.2-1Lx,照度均匀度不超过1/40。我国规定确保地面照度在0.5Lx,一般设计要求不小于1Lx。

在此设计中，楼道两边错开各设置一个疏散诱导指示灯，大厅东西两面墙上各设置两个疏散诱导指示灯。具体布置图详见火灾自动报警系统平面图 。参照国家《安全标志》(GB2894-82)中一般提示标志的规定，根据观察距离确定矩形标志灯具的灯面图形尺寸为:

b=√2L/100

l=2.5b

式中L――最大视距，l――图形长边，b――图形短边

根据计算得，走廊安装2个疏散指示灯。

2.4.3手动报警按钮的设计

手动报警按钮设计原则:

①主要通道等经常有人通过的地方;

②大厅、过厅、主要公共活动场所的出入口;

③餐厅、多功能厅等处的主要出入口;

④各楼层的电梯间、电梯前室。

⑤从一个防火分区到邻近的一个手动报警按钮的距离不应大于25m。

因此在走廊的一边设置一个手动报警按钮，大厅 的东西两面的墙上各设一个手动报警按钮。

2.5火灾应急广播警报器的布置

火灾发生后，为了便于组织人员的安全疏散和通知有关救灾的事项，对本层楼设置火灾事故广播系统。根据《火灾自动报警系统设计规范》规定，建筑内扬声器应设置在走道和大厅等公共场所，每个扬声器的额定功率不应小于3W，其数量应能保证从一个防火分区的任何部位到最近-个扬声器的距离不大于25m。走道内最后一个扬声器至走道末端的距离不应大于12.5m。

火灾应急广播系统主要由传声器、扩音机、警报器等组成，并且在消防控制室应设置对火灾应急广播系统的监控装置，另外还应具有遥控开启扩音机和采用传声器播音的功能。火灾紧急广播系统可与平时背景广播系统共用，火灾时能自动切换到紧急广播。为了便于人员疏散，传播系统的设置十分必要。

警报器发出的声波辐射为以警报器为圆心的圆，通常取该圆的内接正四边形面积作为警报器的保护面积；警报器的保护半径是指在保护区域内的人们活动的平面上，警报器在规定声压范围内所能有效保护的最大水平距离。

层高4m,接听高度1m,扬声器选3W,特性灵敏度等级为90dB,要求接收点L1=75dB故L0max=90+101g³=94.8dB，声波辐射球面半径为1=10(L0max-L1)/20=9.8m，则扬声器有效保护半径r=［9.8²+(4-1)²］1/2=9.33m。

大厅:则最大保护半径r’=14.12>r=9.33m；不满足要求;故选两只。a=21.4/2=10.7m，a1=5.35mb=b1=9.2m此时最大保护半径为r'=9.00<r=9.33m，设计满足要求:

走廊:高4m,则扬声器有效保护半径r=［9.8²+(4-1)²］1/2=9.33m 走廊1=16m,最大保护半径为r′=√(16/2）²+1=8.05m<r=9.33m故在走廊正中安装一只吊装式警报器满足要求。

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