-

2021年2月12日发(作者：难受图片大全)

自动灭火系统

设计要求

1.

< br>本次设计的自动灭火系统，电路简单，而且易懂，使操作使用者使用非常方便，

成 本较低，灵敏可靠

,

连接简单，具有非常高的实用价值。

2

．合理设计室内温度、烟雾浓度检的采集和显示系统、报警系统、自动控制系统的

总体方案。

3.

设计内容包括报警系统、自动灭火驱动部分、显示部分、键盘的设计思路。

设计进度要求

第一周

选定论文题目

第二周

查找相关资料

第三周

整理资料

第四周

掌握单片机硬件、软件的组成和应用

第五周

完成论文，编程调试

第六周

经老师检查后进行修改毕业论文

第七周

打印论文，完成毕业论文

第八周

答辩

指导教师（签名）

：

I

摘

要

< /p>

随着社会的进步，人们越来越重视火灾的防范工作，许多单位或生产线逐渐引入完善

的防火系统，目前市场上的防火大多处于原始的人为手动的灭火，其效率低下，效果并不

好，因此全新的自动灭火系统这些年也是应用而生，小到家庭的火灾防范，大到整个森林

的火灾防范，这都无疑证明自动灭火在当下甚至未来是一个不可阻挡的发展趋势。

本课题主要是围绕

AT89C51

为设计核心的自动灭火系统，通过烟雾和温度传感器采集

信号，

MCU

的控制来实现自动灭火，应用的范围广泛，可扩展性也是相当的强，针对 不同

的场所可以自行改进相关的部分。本次设计的主要方面是信号的检测和单片机程序的 控制

部分，也是整个自动灭火系统的两个主要方面。

关键词

：

自动灭火系统；

AT89C51

；烟雾和温度传感器

控制部分

II

目

录

设计任务书

.

................................................

错误！未定义书签。

摘

要

< /p>

.

............................ ........................................

II

目

录

.

... .................................................. ............

III

1.

绪论

.

.. .................................................. ................

1

1.1

课题背景

.

.................................... ........................

1

1.2

自动灭火系统设计的意义

< /p>

........................................ ......

1

1.3

自动灭火系统的总体设计方案

.

........................... ...............

2

2.

自动灭火系统中火灾探测器的选择

.

....................................... ...

3

2.1

概述

.

...................................... ..........................

3

2.2

感温探测器选择

.

................................. .....................

4

2.3 DS18B20

............................... ..............................

5

2.4

烟雾浓度探测器

.

................................. .....................

8

3.

火灾探测器输出信号处理和数据的传输

.

.....................................

12

4

自动灭火系统

MCU

控制器

...... .............................................

14

4.1

概述

.

...................................... .........................

14

4.2 AT89C51

的介绍

.

............................. ........................

14

4.3 AT89C51

与上位机的接口电路

.

...................................... ...

20

5.

自动灭火系统外接硬件系统

.

.......................................... .....

22

5.1

报警部分

.

.................................... .......................

22

5.2

自动灭火电路驱动部分

.

.............................. .................

23

5.3

灭火相关的知识一些介绍

.

............................. ................

24

5.4

显示部分

.

.................................... .......................

25

5.5

键盘的设计思路

.

................................. ....................

26

6.

自动灭火系统软件设计介绍

.

.......................................... .....

28

7.

结论

.

.. .................................................. ...............

31

致

谢

< /p>

.

............................ ........................................

32

参考文献

.

.................................... ..............................

33

附录

A

：

< /p>

........................................ ...........................

34

附录

B.

总体电路图

........... ..............................................

51

III

1.

绪论

1.1

课题背景

火灾，作为一种具有突发性和强破坏性的灾害现象，严重危害人类生命财产安全和自

然环境。据统计，在众多的灾种中，火灾造成的直接损失约为地震的

5

< br>倍，仅次于干旱和

洪涝，而火灾发生的频度则居于各灾种之首。千百年来，人类和 火灾进行了长期的斗争，

积累了许多防火、

灭火的经验教训。< /p>

随着社会的不断发展，

人们对于火灾的认识不断加深，

< p>
针对火灾初期不同特征的各种探测方法越来越多。人类逐步掌握了火的燃烧机理，燃烧条

< p>
件和燃烧发展的过程，创造了各种各样防火、灭火的方法。

在上世纪

70

年代后期，开始出现一门新兴的多学科 交叉应用基础科学，火灾科学，其

中心内容就是用现代高科技手段研究火灾发生、发展和 防治的机理和规律，为火灾防治提

供新的思想、理论和方法，使得人类对火灾的研究进入 了科学化、系统化的轨道，并促进

了防火、灭火技术的进步。

本文基于上述考虑，通过研发全自动灭火控制系统，满足了用户的不同使用环境的需

要。

通过温度传感器和烟雾传感器检测出信号，

也可通过控制电路使电话自动拨号

（

119

）

，

并报告现场地址。这对有效、快速扑救具有积极意 义。本系统适用于各种消防环境，尤其

适合于不能用水做灭火介质的地方，如图书馆、档 案馆、计算机房等处。因单片机集成度

高，故该装置具有结构简单，可靠性高，成本低等 优点。

1.2

自动灭火系统设计的意义

仓库自动报 警灭火系统。美国现在已制定了相关规范对其推广，英国、澳大利亚、也

在使用，实践证 明仓库内安装该系统能够扑救仓库初期火灾，保护仓库财产安全，降低火

灾损失以及为抢 救货物提供足够的时间并能及时报警。

随着我国自 动报警灭火系统的不断发展，自动报警灭火系统大大的降低了火灾的危害

性，把火灾给人 们带来的经济损失将到了最低，为确保人的生命及财产安全提供了保障。

在本次自动报警灭火系统采用了烟雾传感器之间的互锁模式进行控制，避免了因烟雾

< br>在仓库中的扩散而引起的其他非着火区域的错误报警与灭火，大大减少了系统的误报

率，有很强的实用意义。且在本次设计中还采用了先报警后灭火的报警灭火模式，管

1

理人员提供了有效的火灾确认时间，大大减少了因误报带来 的损失，具有很强的实用

价值。

1.3

自动灭火系统的总体设计方案

报警电路

电

压

比

较

器

信

温度传感器

号

处

理

烟雾传感器

< br>

电

路

A

D

转

换

器

驱动电路

灭火装置的启动

单

片

机

液

晶

显示

< /p>

设

定

阀

值

故障复位

图

1-1

设计原理框图

图

1-1

基本上完整的说明了整个系统硬件部分的设计思路，首先是外界的温度信号和 烟雾

浓度信号被我们采集，然后通过转化，这里需要做一下说明，由于温度传感器选用的 是集

成的

DS18B20

，

< p>
自带

AD

转换，

而烟雾传 感器输出的信号作为辅助判断，

我们为了节约成本，

只需要知道 其是否在危险范围内，因此通过简单的电压比较器即可实现（具体见后文）

，

< p>
输入信号进入单片机后，即可由

MCU

进行判断， 然后通过一系列

I/O

端口发出电平信号，

来驱动外界的灭火设备。我们可以通过连接的键盘，达到故障复位，阀值设定等。我们可

参考附录的总体电路图，键盘部分、声光报警部分、驱动电路部分均是通过软件编程来控

制其运行的。

2

2.

自动灭火系统中火灾探测器的选择

2.1

概述

对于一个自动灭火系统更而言，火灾探测器像是整个系统的一扇窗户，是对外界信息就行

读取的渠道，它的重要性也就不言而喻了。如何正确有效的选取火灾探测器，对于整个自

动灭火系统有着实质性的影响。

下面我们现对火灾发生的相关 特征进行简单的了解，以确定我们需要从哪些方面来进

行火灾的检测。火灾初期有阴燃阶 段，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射，

火灾中期发展迅速，产生大量热、 烟和火焰辐射。我们针对现场的这些信息收集，诸如温

度、烟雾浓度（产生的气体）

、火焰等，来判断火灾是否发生，这是火灾探测基本思路。

因此，我们可以很清楚的知道了探测器需要完成的任务，即对温度、烟雾浓度、火焰

< p>
等相关信息的获取。鉴于本次自动灭火系统主要适用于计算机房、通讯机房、配电房、

油浸变压器、自备发电机房、图书馆、档案室、博物馆及票据、文物资料库等场所，

< br>我们可以通过对温度和烟雾浓度的检测来判断火灾是否发生。

< br>由于场所的不定性，在不同高度的建筑物设置火灾探测器时可参照表

2-1

的规定。

表

2-1

点

型

感

烟

、

感

温

火

灾

探

测

器

的

实

用

< br>高

度

感

温

探

测

器

房

间

高

度

(m)

12



20

8



12

6



8

4



6

h



4

感< /p>

烟

探

测

器

一

级

不

适

合

适

合

适

合

适

合

适

合

不

适

合

不

适

合

适

合

适

合

适

合

二

级

不

适

合

不

适

合

不

适

合

适

合

适

合

三

级

不

适

合

不

适

合

不

适

合

不

适

合

适

合

通过上表的了解，若是对于一般高度的房间，感烟和感温基本上能满足要求；同时我

们需要考虑另一个问题，即探测器所能覆盖的范围，通过参照一些规范和本系统的要求，

对火灾探测器的设置如下：

(1)

一个探测区域内至少应布置一只火灾探测器。

(2)

在宽度小于

3m

以内的过道顶棚上设置探测器时宜居中布置。感温探测器的安装

间距

L

不应超过

10m

，感 烟探测器的安装间距

L

不应超过

15m

，探测器至端墙的距离不应

3

大于探测器间距的

1/2

。

(3)

感烟探测器、感温探测器的保护面积和保护 半径应该通过现场的测试检验可知。

(4)

探

测

器

至

墙

壁

、< /p>

梁

的

水

平

距

离

不

应

< p>
小

于

0.5m

，

并

且

探

测

器

的

周

围

< br>0.5m

内

不

应

有

遮

挡

物

。

(5)

探

< br>测

器

宜

水

平

安

装

，

如

必

须

倾

斜

安

装

时

，

倾

斜

角

不

应

大

于

45

。

当

屋

顶

坡

度

θ

大

于

45

时

，

应

加

木

台

或< /p>

类

似

方

法

安

装

探

测

< p>
器

。

火灾探测器数量的计算：

一

个

探

测

区

域

内

所

需

设

置

的

探

测

器

< br>数

量

，

应

由

下

式

计

算

：

S

(2.1)

K



A

式

中

：

N

—

一< /p>

个

探

测

区

域

所

需

设

< p>
置

的

探

测

器

数

量

(

只

)

，

N



1(

取

整

数

)

；

N



S

—

一

个

探

测

区

域

的

面

积

< br>(m

2

);

A

—

一

个

探

测

器

的

保

护

面

积

；

K

—

修

正

系

数

，

重

点

保

护

建

筑

K

取

< br>0.7

～

0.9

，

普

通

保

护

< br>建

筑

K

取

1.0

。

< br>可以根据所处房间的大小和保护级别来合理安排探测器的数目和位置。

2.2

感温探测器选择

测量温度的关键是温度传感器，本次设计中，我考虑了两种设计方案。

（

1

）方案一

采用热电偶温差电路测温，温度检测部分使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起不

同金属导线组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组

成。通过将参考节点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测节点的温度。数据采

集部分使用带有

A/D

通道的单片机，将随温 度变化的电压或电流采集过来，进行

A/D

转换

后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，将被测温度显示出来。

热电偶电路的优点是测温范围广，且体积下。但是存在输出电压小、容易受到来自导

线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且需要设计

A/D

转换电路，因此可靠性较差、

测量温度准确率低。

（

2

）方案二

采用数字温度传感器，将温度直接转化成数字信号经单片机输出。数字温度传感器的

内部都包含温度传感器、

A/D

转换器、信 号处理器、存储器

(

或寄存器

)

和接口电路

,

其特点

4

是能直接输出数字化的温度数据及相关的温度控制量，自动 适配各种微控制器

(MCU)

。采

用数 字温度传感器以实现温度数字化，既能以数字形式直接输出被测温度值，具有测量误

差小 ，分辨力高，抗干扰能力强，能够远程传输数据，带串行总线接口等优点。

< p>
本此感温探测器选用的是

DS18B20

芯片。< /p>

DS18B20

是美国

Dallas

公司最新推出的一种

单总线系统的数字温度传感器。与传统的热敏电 阻温度传感器不同，它能够直接读出被测

温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现

9

～

12

位的 数字值读数方式，可以分别在

93.75ms

和

750ms

内将温度值转化

9

位和

12

位的数字量。

因而使用

DS18B20

可使系统结构

更简单，可靠性 更高。芯片的耗电量很小，从总线上“偷”一点电存储在片内的电容中就

可正常工作，一 般不用另加电源。最可贵的是这些芯片在检测点已把被测信号数字化了，

因此在单总线上 传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。

2.3 DS18B20

2.3.1 DS18B20

特点：

（

< p>
1

）单线接口，只有一根信号线与

CPU

连接单总线器件，具有线路简单，体积小的

特点；

（

2

）不需要备份电源，可通过 信号线供电，电源电压范围从

3.3

～

5V

；

（

3

）传送串行数据，不需要外部元件；

（

4

）温度测量范围从

-55

℃～

+125

℃；

< /p>

（

5

）通过编程可实现

< br>9

～

12

位的数字值读数方式（出厂时被设置为

12

位）

；

（< /p>

6

）零功耗等待；

（

7

）现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大 提高了系统的抗干扰性，

适合于恶劣环境的现场温度测量，

如环 境控制、

设备或过程控制、

测温类消费电子产品等。

< p>

2.3.2 DS18B20

的内部结构

DS18 B20

内部结构主要由四部分组成：

64

位激光

ROM

，温度敏感元件，非易失性温度

报警触发器

TH

和

TL

，高速暂存器。

64

位激光

< br>ROM

是出厂前被光刻好的，它其中保存着该

DS18B 20

的产品信息和产品系列编码，可以看作是该

DS18B20

的地址序列号。单总线上所

有

DS18 B20

器件可以通过检索器件的

ROM

中的内容进行识别。

DS18B20

的管脚排列如图

< p>
2-1

所示。

5

图

2-1 DS18B20

管脚排列

引脚功能如下：

VDD

：可选电源脚，电源电压范围

3~5.5V

。工作于 寄生电源时，此引脚应接地；

DQ

： 数据输入

/

输出脚，漏极开路，常态下高电平。

2.3.3 DS18B20

测温原理

DS18B 20

内含两个温度系数不同的温敏振荡器，其中温敏振荡器

1< /p>

相当于测温元件，

温敏振荡器

2

相当于标尺，通过不断比较两个温敏振荡器的振荡周期，得到两个温敏振荡

器在测量温度下的振荡频率比值，根据频率比值和温度的对应曲线，得到相应的温度值。

其原理图如图

2-2

所示：

具体测温过程如下：首先由预置器

2

将温度寄 存器预置为对应于温度下限（

-55

℃）的值。

然后，由预置器

1

对计数器

1

也预置一个对应于温度下限（

-55

℃ ）的计数值，计数器

1

接收温度振荡器

1

的输出信号并进行减法运算。计数器

6

2

接收 温敏振荡器

2

的输出信号得到实际温度值并送给温度寄存器作为 比较标尺。如

果计数器

1

首先递减到< /p>

0

，那么将向温度寄存器输出一个信号，温度寄存器的值将增加一

位，对应温度值增加一个分辨率的值（如分辨率为

0.5

℃时，对应温度值增加

0.5

℃）

< p>
，说

明实测温度高于

-55

℃。随后，斜率累加器根据两个温敏振荡器的温度特性曲线计算出下

一个温度位置处计 数器

1

的预置计数值，对计数器

1

再次进行预置。计数器

1

和计数器

2

再次开始计数。如果计数器

2

先于计数器

1

到达

0

，完成一次测温。温度寄存器中的值为

测量所得的当前温度值。通过这个 过程不仅完成了测温，而且将完成了温度值的数字化，

省去了

A /D

转换器。

图

2-2 DS18B20

测温原理

DSl8B20

中的数字温度传感器的分辨率可配置为

< br>9

、

10

、

11

和

12

位，出厂默认设置为< /p>

12

位分辨率，

对应的温度值分辨率分别 为

0.5

、

0.25

< br>、

0.125

和

0.0625< /p>

。

温度信息的低位、

高位字节内容中，还 包括了符号位

S(

是正温度还是负温度

)

和二进制小数部分，具体形式

为：

低位字节

:

7

2

3

MSB

2

2

2

1

2

0

2

-1

2

-2

2

-3

2

-4

LSB

高位字节

:

S

MSB

S

S

S

S

2

6

2

5

2

4

LSB

这是

12

位 分辨率的情况

,

如果配置为低的分辨率

,

则其中无意义位为

0

。

在

DSl8B20

完成温 度变换之后

,

温度值与储存在

TH

和

TL

内的告警触发值进行比较。

由于是

8

位寄存器

,< /p>

所以

9~12

位在比较时忽略。

TH

或

TL

的最高位直 接对应于

16

位温度寄

存器的符号位。 如果温度测量的结果高于

TH

或低于

T L,

那么器件内告警标志将置位

,

每次

温度测量都会更新此标志。只要告警标志置位

,DSl8B20

就将响应告警搜索命令

,

这也就允

许单线上多个

DSl8B20

同时进行温度 测量

,

即使某处温度越限

,

< p>
也可以识别出正在告警的器

件。

2.3.4

与单片机的接口电路

本次设计中采用的是外部供电方式，其与单片机接线方式如图

2-3

所示：

图

2-3 DS18B20

的接线方式

2.4

烟雾浓度探测器

烟雾传感器属于气敏传感器，是气

-

电变换器，它将 可燃性气

体在空气中的含量

(

即浓

8

度

)

转化成电压或者电流信号，通过

A/D

转换电路或者

LM339

比较器将模拟量转 换成数字

量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度

处理及报警控制等工作。传感器作

为烟雾检测报警器的信号采集 部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选

型是非常重要的。

< p>

2.4.1

烟雾传感器介绍

(1)

烟雾传感器的分类

(a)

利用物理化学性质的烟雾传感器：

如半导 体烟雾传感器、

接触燃

烧烟雾传感器等。

(b)

利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传

感器、红外传感

器等。

< p>
(c)

利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气

体传感器等。

(2)

烟雾传感器应满足的基本条件

一个烟雾传感器可以是单功能的，

也可以是多功能

的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个

完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：

(a)< /p>

能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低

响应；

(b)

对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾

浓度；

(c)

对检测信号响应速度快，重复性好；

(d)

长期工作稳定性好；

(e)

使用寿命长；

(f)

制造成本低，使用与维护方便。

（

3

）常 见烟雾传感器可检测烟雾种类

由于烟雾的种类繁多，一种类 型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测

某一种或两种特定性质的烟雾。例 如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，

如

CO< /p>

、

H2

、

C2H 5OH

、

CH3OH

等。

固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，

如

O 2

、

CO2

、

H2

、

Cl2

、

SO2

等。

2.4.2

离子型烟雾传感器

综合考虑本次选用的是离子型传感器，型号为

HIS-07

< p>
或者

NIS-07

，以下为

NIS-07

的技术参数：

DC:9V

；输出电压

5.6+0.4V

；电流损耗：

< p>
27+3pA

；灵敏度

0.6+0.1V

；湿

度：

90%

以下 。

下面介绍下离子型传感器的工作原理：

9

离子烟雾传感器单电离室的工作 原理，如图

4-2

所示。

图

2-4

电离室工作原理图

图

2-4

是单电离室的结构图，

P1

和

P2

是一对电极，在电极之间 放有放射性物质

241Am

，

不断放出

α

射线，

高速运动的

< br>α

离子撞击极板间的空气分子，

将其电离为正离子和负离 子，

从而使电极之间原来不导电的空气具有了导电性。如果在极板

P1

和

P2

之间加上一个电压

E

，

极板间原来杂乱无章的正负离子，在电场 的作用下作有规则的运动，从而在极板间形成电

离电流

I

h

，施加的电压越高，则电离电流越大，当电离电流增加到一定值时， 将不再增

加，此电流称为饱和电流

I

s

。实际使用的离子烟雾传感器电路如图

2-5

< br>所示。

为了减少温度、湿度等环境条件变化对电离电流 带来的影响，以提高传感器工作的

稳定性，将两个电离室串接起来与电源相接，上面的一 个为补偿电离室，下面的一个为检

测电离室，在结构上检测电离室做成烟雾容易进入的型 式，而补偿电离室做成烟雾很难进

入、而空气又能慢慢进入的型式。当有火灾发生时，烟 雾进入检测电离室，由于烟离子的

阻挡作用，一方面使电离后的正负离子在电场中的运动 速度降低，另一方面使

α

射线的电

离能 力降低，从而使检测电离室的电离电流减小，这一现象，相当于补偿电离室的等效电

阻未 变，而检测电离室的等效电阻变大，从而使

A

点的电位升高。显 然烟雾浓度越大，烟

离子的阻挡作用越强，

A

点电位越高。这一电压信号经由

T1

、

T2

组成的跟随电路，传送给

模

/

数转换电路，实现对烟雾浓度的采样。采用离子源作为烟敏元件的突出特点是电流消

耗极低，适合在系统中使用。

10

图

2-5

离子烟雾传感器电路

11

3.

火灾探测器输出信号处理和数据的传输

我们都知道火灾探测器的输出信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，而单片机所

能 识别只有

TTL

电平的数字信号，高于

2.2V

为逻辑

1

，低于

0.8V

为逻辑

0

，这就需 要我

们对传感器的输出信号进行转换。同时，由于现场的各种干扰因素会导致信号的失真 ，频

率的混叠，这也就要求我们对输出的模拟信号进行处理，以最大程度地原始地复现外 界信

息的变化。

从前面的对于

DS18B20

的介绍，它是一个集成的可编程的温度传感器，体积小 小，数

字化，网络化，精度高、接线简单，输出的直接为数字信号，传输串行的数据，不 需外部

设备，下面简单的说明下

DS18B20

与单片机信号处理的顺序：初始化单总线系统；执行某

种

ROM

操作指令；执行存储器操作指令；处理数据。如果测温现场需要多个温度传感器 ，

PC

与

DS18B20

的连接可使用

DALLAS

提供的单总线到

PC

串口或并口的适配器，常用的有

DS909 7

串行口适配器和

DS1410

并行口 适配器，这样只需要一条双绞线（一条为信号线，

一条为地线）从控制器引入测温现场， 然后将多个

DS18B20

挂在其上就行了。

< br>

由于本次信号的核心还是温度，对于烟雾浓度是用来辅助判断，为了节约成本， 将不

采用

AD

转换，用一个简单的电压 比较器

LM339

来与预设定的电压值比较输出一个电压信

号直接传输到单片机，即无需对烟雾浓度的具体值进行精确的了解，只是判断是否在危险

范围内，这样可以省去很多信号处理电路，具体离子型烟雾传感器的输出信号的处理电路

如下：

图

3-1

离子烟雾传感器信号处理电路

可以根 据测试现场的环境来设定参考输入电压或者通过调动滑动变阻器即可实现简

单的浓度预设 值，需要进行现场的调试。

输出直接接到单片机的端口

P1.0

， 低电平为安全，高电平为处于危险情况。下面对上述电

12

路进行简单的分析：

如图

< p>
3-1

选取

LM339

为 电压比较器，比较器电路本身也有技术指标要求，如精度、响应

速度、传播延迟时间、灵 敏度等，大部分参数与运放的参数相同在要求不高时可采用通用

运放来作比较器电路。< /p>

电压比较器是对两个模拟电压比较其大小

(

也有两个数字电压比较的，这里不介绍

)

< br>，

并判断出其中哪一个电压高。当“＋”输入端电压高于“－”输入端时，电压比 较器输出

为高电平；当“

+

”端电压低 于“－”输入端时，电压比较器输出端为低电平。

由于比较器 与运放的内部结构基本相同，其大部分参数

(

电特性参数

)

与运放的参数项

基本一样

< br>(

如输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流等

)< /p>

。所以计算时直接把它当做

运放，离子烟雾传感器的电压输出在< /p>

5.6+0.4v

的范围左右波动，设为

U

，输出为

U

0

。参考

电压可以取

5V

，设为

V

cc

，则输出

< /p>

R

f

1

'

u

0



R

< p>
f

1

u



V

cc

R

f

< br>2

'

R

f

2

13

4

自动灭火系统

MCU

控制器

4.1

概述

控制器是整个灭火系统的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎。在众多的

51

系列单

片机中，要算

ATMEL

公司的

AT89C51

更 实用，因他不但和

8051

指令、管脚完全兼容，而

< p>
且其片内的

4K

程序存储器是

FLASH

工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间

擦除、改写，一般专为

ATMEL AT89Cx

做的 编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片

机对开发设备的要求很低，开发时间也大大 缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，

这又很好地保护了你的劳动成果。单对

AT89C51

来说，在实际电路中可以直接互换

< br>8051

和

8751

。由于内部

RAM

的存在，可以减少

I/O

扩展芯片、锁存器及片外

RAM

等等，使整个

设计显得简单明了，所以我们选择

AT89C51

。

4.2 AT89C51

的介绍

4.2.1< /p>

关于

AT89C51

单片机

AT89C51

单片机的结构框图如图

< p>
3.1

所示。它主要由下面几个部分组成：

1

个

8

位中

央处理单 元（

CPU

）

、片内

< br>Flash

存储器、片内

RAM

、

4

个

8

位的 双向可寻址

I/O

口、

1

个全

双工

UART

（通用异 步接收发送器）的串行接口、

2

个

16

位的定时器

/

计数器、多个优先级

的嵌套中断结构，以及一个片内振荡器和时钟电路。

TXD

RXD

P0 P2 P1 P3

地

址

/

图

4-1 AT89C51

单片机的结构框图

外部

中断

片内

Flash

存

储

ETC

定

时

器

1 < /p>

中

断

控

片内

RA

计数器

输入

CP

振

荡

总

线

控

4I/O

端口

串

行

端

14

4.2.2

主要性能

1.

与

MCS-51

兼容

2. 4K

字节可编程闪烁存储器

寿命：

1000

次写

< br>/

擦循环

数据保留时间：

10

年

3.

全静态工作：

0Hz-24Hz

4.

三级程序存储器锁定

5. 128*8

位内部

RAM

6. 32

可编程

I/O

线

7.

两个

< p>
16

位定时器

/

计数器< /p>

8. 5

个中断源

9.

可编程串行通道

10.

片内振荡器和时钟电路

另外，

AT89C51

是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到

0Hz

，并提供两种可用

软件来选择的省电方式 ——空闲方式（

Idle Mode

）和掉电方式（

Power Down Mode

）

。在

空闲方式中，

CPU

停止工作，而

RAM

、定时器

/

计数器、串行口和中断系统都继续工作。在

< br>掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”

，使一切功能都暂停，故 只保存

片内

RAM

中的内容，直到下一 个硬件复位为止。

4.2.3

引脚功能说明

AT89C51

引脚图如图

4-2

所示

15

图

4-2

VCC

：供电电压。

VSS

：接地。

P0

口：

P0

口为一个

< p>
8

位漏级开路双向

I/O

口，每脚可吸收

8

个

TTL

< p>
门电流。当

P0

口

的管脚 第一次写

1

时，被定义为高阻输入。

P 0

能够用于外部程序数据存储器，它可以被定

义为数据

/

地址的低八位。

在

F IASH

编程时，

P0

口作为原码输 入口，

当

FIASH

进行校验时，

P0

输出原码，此时

P0

< br>外部必须被拉高。

P1

口：< /p>

P1

口是一个内部提供上拉电阻的

8

位双向

I/O

口，

P1

口缓冲器能接收输出

4TTL

门电 流。

P1

口管脚写入

1

后，被内部上拉为高，可用作输入，

P1

口被外部下拉 为低电平

时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

P2

口：

P2

口为一 个内部上拉电阻的

8

位双向

I/O

口，

P2

口缓冲器可接收，输出

< p>
4

个

TTL

门电流，当< /p>

P2

口被写“

1

”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作

为输入时，

< br>P2

口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。

P2

口当用

于外部程序存储器或

16

位地址外部数据存储器进行存取时，

P2

口输出地址的高八位。在

给出地址“

1

”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，

P2

口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2

口在

FLASH

编程和校验时接收高八位地址信号和控制

信号。

P3

口：

P3

口管脚是

8

个带内部上拉电阻的双向

I/O

口， 可接收输出

4

个

TTL

门电

流。当

P3

口写入“

1

”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外 部

下拉为低电平，

P3

口将输出电流（

ILL

）这是由于上拉的缘故。

16

P3

口也可作为

AT89C51

的一些特殊功能口，如下表所示：< /p>

口管脚

备选功能

P3.0 RXD

（串行输入口）

P3.1 TXD

（串行输出口）

P3.2 /INT0

（外部中断

0

）

P3.3 /INT1

（外 部中断

1

）

P3.4 T0

（记时器

0

外部输入）

P3.5 T1

（记时器< /p>

1

外部输入）

P3.6 /WR

（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD

（外部数据存储器读选通）

P 3

口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST

：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持

RST

脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG

：

当访问外 部存储器时，

地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在

FLASH

编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，

ALE

端以不变的频率周期输出正

脉冲 信号，

此频率为振荡器频率的

1/6

。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的 是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个

ALE

脉冲。如想 禁止

ALE

的输

出可在

SFR8EH

地址上置

0

。此 时，

ALE

只有在执行

MOVX

，

MOVC

指令时

ALE

才起作用。另

外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外 部执行状态

ALE

禁止，置位无效。

/ PSEN

：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器

周期两次

/PSEN

有效。但在访问外部数据 存储器时，这两次有效的

/PSEN

信号将不出现。

< p>

/EA/VPP

：当

/EA

保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（

0000H-FFFFH

）

，

不管是否 有内部程序存储器。注意加密方式

1

时，

/EA

将内部锁定为

RESET

；当

/EA

端保持

高电平时，此间内部程序 存储器。在

FLASH

编程期间，此引脚也用于施加

< p>
12V

编程电源

（

VPP

）

。

XTAL1

< br>：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2

：来自反向振荡器的输出

[6]

。

4.2.4

时钟振荡器

AT89C51

中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚

XTAL1

和

XTAL2

< br>分

17

别是该放大器的输入 端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振

器一起构成自激振荡 器，振荡电路参见图

4-3

。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容

C1

、

C2

接在放大器的反馈回路中构成并联振荡

电路，对外电容

C1

、

C2

虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频

率的高 低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我

们推荐 电容使用

30pF

（±

10pF

）

，而如使用陶瓷谐振器建议选择

40pF< /p>

（±

10F

）

。

用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如下图所示。 这种情况下，外部时钟

脉冲接到

XTAL1

端，即内部时钟发生器的输入端，

XTAL2

则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个

2

分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟

信号的占空比没有特 殊要求，电脑最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产

品技术条件的要求。

图振荡电路

图

4-3

时钟振荡电路

4.2.5

编程方式

< br>编程前，须设置好地址，数据及控制信号，编程单元的地址加在

P1

口和

P2

口的

P2.0-P 2.3<11

位地址范围为

0000H-0FFFH>

，

数据

P0

口输入，< /p>

引脚

P2.6,P2.7

和

P3.6,P3.7

的电平设置见表

3-4

，

PSEN

为低电平，

RST

保持高电平，

EA/

V

pp

引脚是编程电源的输入端，

按要求加上编程 电源，

ALE/PROG

引脚输入编程脉冲（负脉冲）

。编程时，可采用

4

—

20MHz

18

的时钟震荡器，< /p>

AT89C51

编程方法如下：

1

在地址线上加上要编程单元的地址信号。

2

在数据线上加上要写入的数据字节。

3

激活相应的控制信号。

4

在高电压编程方式时，将

EA/

V

pp

端加上< /p>

+12V

编程电压。

5

每对

Fl ash

存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，

加上一 个

ALE/PROG

编

程脉冲。改变编 程单元的地址和写入的数据，重复

1

—

5

步骤，直到全部文件编程结

束。

< /p>

每个字节写入周期是自身定时的，通常约为

1.5ms

< p>
。

4.2.6

数据查询

AT89C51< /p>

单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束，在一个写周期中，如需

读取最后写入的那个字节，

则读出的数据的最高位

（< /p>

P0.7

）

是原来写入字节最高位的反码 。

写周期完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，此时，可进入下一个字节写周期 ，

写周期开始后，可在任意时刻进行数据查询。

4.2.7 Ready/Busy

字节编程的进度可通过“

RDY/BSY

”输出信号监测，编程期间，

< br>ALE

变成高电平“

H

”

后

P3.4(RDY/BSY)

端电平被拉低 ，表示正在编程状态（忙状态）

。编程结束后，

P3.4

变为

高电平准备就绪状态。

4.2.8

复位电路

在振荡，有两个机器周期

（

24

个振荡周期）

以上的高电平出现在此引脚时，将使单片

器运行时机复位，

只要这个脚保持高电平，

51

芯片便循环复位。

复位后

P0

－

P3

口均置

1

引

脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器

SFR

全部清零。当复位脚由高电平变为低

电平时，芯片 为

ROM

的

0000H

< p>
处开始运行程序。该芯片的复位脚为

9

脚，所以复 位电路接

STC89C52RC

的

9< /p>

脚，

具体电路如下图所示。

当采用的晶体 频率是

6

MHZ

时，

可取

C=22UF

，

R=1K

；

当采用的晶体频率为

12MHZ

时，可取

C=10UF

，

< br>R=8.2K

。不过这都是最佳的组合，也可以有

其它大 小的电容电阻，只要符合电路要求就可以，如本文就采用

22UF

的电容和

10K

的电阻。

19

图

4-4

复位电路

4.3 AT89C51

与上位机的接口电路

本次的串口通信的设计主要是考虑到其可扩展性进行设计的，由于灭火系统可

能用于多点 和网络型的实时监测，

这对于数据的处理要求较高，

需要接到上 位机

PC

，

为此我们设计了一个基于< /p>

RS232

的串口通信，以备扩展需要，下面就基于

RS232

的

串口通信做简单的介绍。

232

协议标准

RS232

信号在正负电平之间摆动

,

在发送数据时

,

发送端驱动器输出正电平在< /p>

+5V

～

+15V

，负电平在

-5V

～

-15V

电平。当无数据传输时，线上为

TTL

电平， 从开始数据传输到

结束，

线上电平从

T TL

电平到

RS232

电平再返回

TTL

电平。

接收器典型的电平在

+3V

～

+12V

与< /p>

-3V

～

-12V

。由于发送电平与接收电平的差仅为

2

～

3V

左右，所以其共模抑制能力差，

再加上双绞线上的分布 电容，其传输距离最大为约

15m

，最高速率为

20kbps

。

232

简介

RS232

用正负电压来表示逻辑状态，

与

TTL

以高低电平表示逻辑状态规定不通，

因此

< p>
要用

RS232

总线进行串行通信时需外接电路以 实现电平转换。在发送端用驱动器将

TTL

电

< br>平转换成

RS232

电平，

在接 收端用接收器将

RS232

电平再转换成

TTL

电平。

MAX232

内部有< /p>

电荷汞电压转换器，可将

+5V

电源变换 成

RS232

所需的±

10V

电压，以实现电压的转换，

既符合

RS232< /p>

的技术，又可实现

+5V

单电源供电，所 以

MAX

收发器电路给短距离串行通信

带来极大的方便。

3.

硬件连接

单

片

机

有

一个

全

双

工

< p>
的

串

行

通讯口

< p>
，

所

以

单

片

机

和计算

机

之

间

可

以

方

便

20

地进行串口通讯。

进行串行通讯 时要满足一定的条件，

计算机的串口是

RS232 < /p>

电平的，

而单片机的串口是

TTL

电平的，

两者之间必须有一个电平转换电路，

采用专用芯片

MAX232

进行转换，虽然也可以用几个三极管 进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。采

用三线制连接串口，也就是说和计算 机的

9

针串口只连接其中的

3

根线：第

5

脚的

GND

、

第

2

脚的< /p>

RXD

、第

3

脚 的

TXD

。电路如图

4-4

< p>
所示，

MAX232

的第

11

脚和单片机的

11

脚连

< p>
接，第

12

脚和单片机的

10

脚连接，第

15

脚和单片机的

20

脚连接。

图

4-5

基于

rs232

串口通信电路

21

5.

自动灭火系统外接硬件系统

5.1

报警部分

本次报警部分分

2

个部分，一个是

LED

灯光的闪烁，一个是蜂鸣器的报警。

< br>LED

报警：

由

2

个不同颜色的二极管组成，

分别接到单片机的

P0. 5

和

P0.6

，

其中

P0.5

为黄色，预警，即烟雾浓度指示灯，当烟雾浓度 不满足测试值时便开始发光；

P0.6

端口接

< br>红色

LED

，即温度超过阀值便开始不停的闪烁（闪烁容 易引起人们的注意）

，发出火灾警

告。

蜂鸣器报警

下图

5-1

为声音报警部分的电路图，

通过简单的三极管

Q9014

驱动电路和蜂鸣器构成，

其中一个 电阻是偏置电阻，给三极管提供偏置电压。这个电路的工作过程可简单的描叙如

下：驱动 电路的输入端与单片机的

I/O

口相连，当

I/O

口输出一个高电平，三极管

Q

的基

极

B

得到高电平，

三极管导通，

电流从

VCC

经集电极

C

流向发射极

E

，

并流入蜂鸣器

BP

，

这样蜂鸣器

BP

得到工作电流而发出“滴滴 ”的提示音。

图

5-1

蜂鸣器报警电路

22

5.2

自动灭火电路驱动部分

5.2.1

概述

本部分由两组构成，一组用来作为初级阶段的火灾驱动，一组作为下一阶段的火灾驱

动，具体的灭火设备和选用的物质和现场紧密相关的。

5.2.2

固态继电器

SRR

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。一般

< p>
施加输入信号后其主控回路呈导通状态

,

无信号时 呈阻断状态

,

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

,

固态继电器的如图

6-2

所示。

恒流< /p>

电路

过零控制器

与

门

发光二极管

光敏检测器

驱

动

器

可

控

硅

图

5-2 SRR

的结构组成示意图

5.2.3

固态继电器特点

(1)

< p>
输入控制电压低

(3

～

1 4V) ,

驱动电流小

(3

～

15mA) ,

输入控制电压与

TTL

、

DTL

、

HTL

电平兼容

< br>,

直流或脉冲电压均能作输入控制电压

;

(2)

输出与输入之间采用光电隔离

,

可实现在以弱控强的同时

,

做到强电 与弱电完全

隔离

,

两部分之间的安全绝 缘电压大于

2kV ,

符合国际电气标准

UL

的器件

;

23

(3)

输出无触点、无噪音、无火花、开关速度快

;

(4)

输出部分内部一般含有

RC

过压吸收电路

,

以防止瞬间过压而损坏 固态继电器

;

(5)

有多种规格可选择

:

输入有电阻限流 直流、恒流直流、交流等类型。输出有直流

输出方式和交流输出方式。输出额定电压有< /p>

(220

～

380V)

交流电压及

(30

～

180V )

直流电

压。交流输出中有过零触发型和非过零触发型

(

移相型

)

(6)

过零触发型固态继电器对外界的干扰非常小

;

(7)

采用环氧树脂全灌封装

,

具有防尘、耐湿、寿命长等优点。

5.2.4

驱动电路部分

< p>
如下为图

6-3

，当

AT 89C51

输出为高电平信号时，经过或非门后为低电平信号固态继

电器

SSR

导通，使电磁阀开通，从而达到自动喷淋效果 。相反，输出为低电平信号时，经

过或非门为高电平信号，固态继电器

< br>SSR

截止。

图

5-3 SRR

驱动电路

5.3

灭火相关的知识一些介绍

按照燃烧原理，一切灭火方法的原理是将灭火剂直接喷射到燃烧的物体上。或者将灭

火剂喷洒在火源附近的物质上，使其不因火焰热辐射作用而形成新的火点。以下为几种常

用的方法：

冷却灭火法：

这种灭火法的原理是将 灭火剂直接喷射到燃烧的物体上，以降低燃烧

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