1. 绪论
火灾的发生对人们的安全问题带来一定的威胁，就小区住宅来讲，火灾发生一般来势迅猛，且不易灭火，市面上的灭火设备大都是人为操作灭火，很难及时的发现火情并灭火，如果不能及时的进行灭火处理后果和损失将无法估量，因此拥有一个自动灭火探测的电子警察可见是如此的重要。
在中国人口众多且密集的时代背景下，高层建筑随之也越来越多，人们的住房办公越来越趋于集中化，因而住房的消防安全问题也越来越严峻，一般对于高层建筑，当火灾发生时，浓烟充斥着整栋大楼逐渐向高层蔓延，随着时间的推移，使高层人们的安全撤离形成了严重的威胁。现在的消防栓灭火装置在人为灭火中都存在不同程度的局限性，不能及时有效的灭火。而自动灭火系统的出现，将完全改变这一现状，该装置可以及时的发现火情并发生报警，为人们的及时撤离争取了时间，并且能及时的灭火将人们的财产损失降为最低，将火灾的进一步发生灭于萌芽状态。这将使人们的生命财产安全得到了有效的保障。
本次课题设计的内容主要包括硬件电路设计部分和软件程序控制设计部分。硬件部分实现的功能：将传感器采集的温度或烟雾浓度传入A/D模数转换电路送入单片机，单片机控制相应的显示输出以及负载驱动，实现灭火的目的。在硬件设计过程中，大致可以分为以下几个部分：51单片机控制单元设计，烟雾和温度传感信号检测电路设计，数码管显示电路设计，按键控制电路设计，A/D转换电路设计，蜂鸣报警电路设计以及联动电磁阀灭火单元设计。软件设计部分所控制的功能有：为单片机设置温度检测以及烟雾浓度检测的阈值，浓度温度值判断程序，蜂鸣报警驱动程序，数码管扫描显示程序，电磁阀灭火驱动程序等。
2 .自动灭火系统的总体方案设计
方案一：在进行火灾检测模块中采用DS18B20型号的传感器，该传感器的测温范围较高（—55C~+125C）且灵敏度高，精度为0.5，可以有效的进行温度的检测，但其作为火灾检测模块而言，不能及时的发现火情。
方案二：烟雾传感器MQ-2在进行火灾信号检测时，该烟雾传感器的测量范围为-20℃~+55℃测量浓度范围并不高，但它可以及时有效的发现火情。
通过进行上述两种方案论证后，本次设计综合两种传感器的优缺点进行设计。
本次自动灭火系统的设计主要包含以下几种功能：
1） 火灾探测功能：为了进一步减少系统的误报率，增强系统的及时稳定性，本次设计采用两种火情检测传感器，它们分别为MQ-2，DS18B20传感器，用户在使用的过程中，可以在不同的场所通过按键设置温度和烟雾的阈值，来有效的检测火情。
2） 火灾报警蜂鸣电路功能：当发生火灾时，室内烟雾浓度上升，报警器需要进行灯光报警，当烟雾浓度值大于设置阈值时（本次设计程序默认给的温度值和烟雾值分别为50，45），系统发生蜂鸣报警。
3） 灭火功能： 灭火采用的是联动灭火装置即当传感器测得的数据大于单片机程序预设值时，蜂鸣器发生报警同时启动自动灭火的功能，实现灭火。
2.3 自动灭火系统的组成及设计方案
本次设计主要组成部分包括51单片机主控电路，LED蜂鸣显示报警电路，按键开关控制电路，负载驱动电路，数码管温度或烟雾浓度显示电路以及联动灭火电路。
自动灭火系统设计结构图如图2-2所示:
主要的控制电路实际上就是以AT89C51单片机为控制核心，通过控制单片机不同的端口值或中断口的电平值，从而实现外围电路自动控制的目的。对于89C51单片机而言，它是一个低压CMOS8位的微控制器类似与CPU，它具有4K的程序存储空间以及128位的数据存储器，该芯片所写入的数据易于保存，不容易被丢失与此同时它还可以和MCS-51系列的微控制器兼容，该单片机具有40个端口，8位闪烁字的存储，40个端口包括输入输出口，中端口，RES口，晶振端口以及电源和接地端口。其中P0端口为拉电流控制端口。因为其具有较强的功能所以被常用于微控制领域，它的主控电路外围如图3.1所示：
图3.1
功能特性
AT89C51微控制器具有以下的功能标准：它具有128×8位内部RAM，32个可以编程的I/O端口，4KB的字节闪烁程序存储空间，全静态的工作频率0HZ~24MHz, 具有可以编程的串行数据通道，两个16位的定时/计数器与此同时它还就具有片内的振荡器，掉电保护和时钟脉冲电路等。
单片机的引脚及功能：
P0口：P0口总共包含8个数据传送端口，分别为P0.0~P0.7口。在单片机的位置是39引脚~22引脚。如果单片机的P0口没有搭接任何的扩展的I/O口和外部存储器时，它就可以作为8位的数据I/O的准双向口。如若相反，P0口将会将可以作为地址或者数据的分时复用端口使用。
P1口：P1口与P0口功能基本相同，也具有8个数据传送端口，可以作为准双向的I/O口。就MCS-52子系列单片机来讲，除与P0口基本相同的功能外，它的P1.0和P1.1口还具有第二功能分别是：定时器或计数器2的脉冲输入端T2和外部控制的端口。
P2口：P2口8位数据传送端口P2.0~P2.7准双向I/O口，当它的外部程序存储器或者I/O输入输出口的寻址范围超出256个字节时，P2口的高8位地址数据将会被送出。
P3口：P3口可以作为双功能的端口，它可以作与P2相同的准双向I/O口，P3口除了做通用的I/O口外还可以作第二功能口，它的第二功能口对应功能为：P3.1口可以作为TXD的串行输出口，P3.2 INT0可以作为外部中断0，P3.3可以作为外部中断1，P3.4可以作为定时器0的计数输入端，P3.5 可以作为TI的计数输入，P3.6 WR口，P3.7RD口，P3.0串行输入。
烟雾探测电路最重要的部分是烟雾传感器检测烟雾模块，该模块的工作原理是将传感器测得的电压信号传给ADC0832芯片，A/D转换电路将测量的模拟电压信号转化为数字信号以高低电平（0 1）的方式传给单片机，单片机将读取到的A/D转换模块的数字信号进行分析判断，并进行处理。仿真电路如下所示。
在仿真的过程中，烟雾传感器可以用电位器代替，因为传感器在检测的过程中实际上就是电阻值的变化。
(1) MQ-2是以气体性检测为主的气体传感器，该传感器检测的成分主要是以氢气为主要核心，例如：城市的天然气，煤气，液化石油等等。除此之外它的抗干扰能力非常强，水蒸气等干扰气体对该传感器的测试性能影响微步足到。
(2) MQ-2具备以下特点：应用探测的范围很广，灵敏度非常高可以迅速的做出应答，响应恢复所需要的时间很短，具有良好的稳定性，使用的工作年限很长以及具有简单的外围驱动电路
(3) MQ-2的应用领域：它可以对家庭的煤气泄露以及工厂的有害气体泄漏进行准确有效的实时监测，它适于液化气体，CH4，C4H10，C3H8，H2，乙醇，烟雾等气体的检测。MQ-2传感器的规格如下表3-2-1所示:
表3-2-1
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适用气体 |
可燃气体，烟雾 |
加热电流 |
≤180mA |
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探测范围 |
300 to 10000ppm |
加热电压 |
5.0V±0.2V |
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特征气体 |
1000pm异丁烷 |
加热功率 |
≤900mW |
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灵敏度 |
air/gas≥5 |
测量电压 |
≤24V |
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响应时间 |
≤10s |
贮存条件 |
温度: -20℃～+70℃ |
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湿度:≤70%RH |
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恢复时间 |
≤30s |
工作条件 |
环境温度：-20℃～+55℃ |
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湿度：≤95%RH |
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环境含氧量：21% |
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加热电阻 |
31Ω±3Ω |
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ADC0832它是由1959年美国成立的NS公司生产的具有8位分辨率的双通道A/D模数转换芯片，该芯片的分辨率可以达到256级，因其具有较高的性价比，因此备受广大单片机爱好者的喜爱及企业的欢迎。
ADC0832具备以下的特点：
1） 具有8位分辨率
2） 具有双通道A/D转换；
3） 具有与TTL/CMOS相兼容的输入/输出电平；
4） 功耗范围一般不超过15mw;
5） 工作的频率f=250KHZ，A/D转换的时间t=32us等。
数码管实际上就是一种半导体发光器件，它的工作原理是给予单片机I/0端口不同的电平值（高电平为1低电平为0，单片机端口的电平值取决于数码管的类型），点亮不同段码的LED灯从而实现我们要显示的数字。 数码管也称LED数码管，它可以分为七段数码管和八段数码管，两者通过相比而言，八段数码管比七段数码管多了一个发光二极管即DP小数点位，依照显示几个（8）可分为1位，2位一直到7位等数码管。此次设计的显示单元用的是七段四位共阳数码管，通常共阳接高电平，其它管脚接到单片机的I/O口，当I/O口为低电平时该二极管属于选通状态，通过不同的选通口可以使数码管显示不同的数字。
警电路主要包含两个部分，分别是LED显示模块，蜂鸣报警电路，该模块设计主要通过单片机软件编程，当实际中通过传感器测得的数据大于单片机中预设的温度或烟雾浓度值时，该模块发生声光报警功能。
蜂鸣报警器是结构简单且不可拆分的电子讯响器，它的供电方式为直流电压形式， 它可以作为打印机，电子玩具，报警器等电子产品的蜂鸣发生器件。蜂鸣器可以分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。对于压电式蜂鸣器而言它的组成部分大致可以分为三个模块：多谐振荡器电路模块，阻抗匹配器电路模块，压电蜂鸣片和共鸣箱模块，有的一部分的压电式蜂鸣器中还自带发光二极管。
DS18B20温度采集电路
如今市场上的温度传感器种类非常多，但在高精度和高可靠性的要求上还是有所差异，本次设计使用温度采集模块为DS18B20芯片，该传感器不仅体积小，精度高，附加功能强并且抗干扰能力强，对于一般的电子爱好者而言，DS18B20的长处更是我们学习单片机温度测试的不错选择。
BS18B20传感器它具有以下特征：全数子温度转换输出，单总线数据通讯，它的分辨率最高可以达到12位，精度保持在0.5摄氏度左右，检测的温度范围较高（-55C~+125C），内部有EEPROM，限温度报警功能，可以适应不同的硬件系统。
DS18B20引脚如图3-5-2所示
图3-5-2
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DS18B20引脚说明如下表所示 |
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引脚 |
说明 |
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VDD |
可选的+5v电源 |
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DQ |
数字输入/输出 |
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GND |
电源地 |
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NC |
无连接 |
当信号线DQ的输入为高电平1时，信号线DQ为芯片供电。
如图所示为按键控制电路模块，该电路部分采用3个按钮开关进行实现，其开关的一边接地线，另一边通过接单片机的P1.6,P1.7和p3.2(INT0)端口来进行按键控制，单片机端口默认值为低电平，当开关被触发时开关电路导通，该电路模块实现的功能为，当INT0口被触发时，分别按别的按键从而对单片机设置的当前温度或烟雾浓度值进行修改，达到实时性的信号检测目的。
联动灭火装置在本设计中占据了重要的地位，在本次设计中联动灭火装置是通过电磁阀控制，它的工作原理简单，操作容易且经济实用，用51单片机来实现电磁阀的自动转动。
系统在调试的过程中电源电压为+5v即可驱动电路，在联动灭火装置中给予电源端口+5v的电压，在系统正常工作的过程中当温度传感器和烟雾传感器正常工作时，按住开关按键即可设置当前的温度和烟雾的浓度值，在读取到传感器返回的值时，发生灭火报警，按下复位按键后，显示器回到当前的温度或浓度值。
软件的设计环境中主要使用了以下软件：protuel99se, proteus软件和keil编译软件，用proteul99se进行仿真图和原理图的绘制，用Keil软件将控制的程序写入编译运行，生.hex文件载入仿真图中进行调试，分析结果即可。
软件的说明：
（1）.keil软件：本次编译用的是Keil c51版本，该软件为程序的调试编译提供了丰富的工具，大多数的命令都具有快捷工具栏，除了代码的程序窗口外，还添加了其它多种窗口，供编程人员观察。Keil c51软件为编程人员提供了大量的库函数以及良好的集成开发调试环境，它的生成的目标代码效率非常快，大大减少了编程时间，与此同时，它的代码可读性十分高，生成的汇编或C代码很紧凑，易于了解。Uvision和Ishell,可与实现整个开发程序的编译，编辑，调试，仿真等开发流程。
（2）protuel99se软件：该软件的开发环境是基于windows操作系统，使用功能强大，简单易学。该软件主要由两部分组成分别为：电路原理图的绘制以及多层PCB板的布线，而在电路原理图设计方面又可以分为原理图编辑和元件图封装编辑。
在硬件的测试中首先要检测设计的硬件电路原理是否正确，布线是否符合标准的规则，设计是否达到预期的目的，焊接实现是否简单可行，在焊接电路时采用分模块逐点测试的方式，以确保焊接的可靠性及正确性，在分块焊接完成后对温度探测电路，烟雾探测电路，单片机控制电路，数码管显示电路，按键电路以及联动电磁阀灭火电路分别进行调试。最后将各个模块拼接到一块进行整体测试，在给予电源端口和电磁阀端口5v的电压时，打开总开关，读取当前显示器的值，通过按键电路设置烟雾浓度及温度的初值，通过设置不同的初值检测整个电路是否正常运行即可。
软件测试主要借助与keil软件，通过编程实现单片机对电路的整体控制，编程主要包括对数码显示电路的控制，蜂鸣报警显示单元的控制，电磁阀灭火单元的控制，按键中断电路的控制，在编程完成后对程序进行编译运行，查看是否存在错误或者警告，查看程序运行中是否存在bug并对进行优化处理，最后将生成的.hex文件加载到单片机中通电编译运行即可。
在实际的测试过程中发现，实物测试和软件调试之间还存在一些差别，例如：测试中发现烟雾浓度值总是显示的很高，最终经过查阅资料发现，烟雾传感器在初次使用的时候应该提前通几个小时的电才能够正常使用与此同时还要做老化处理，在软件测试的过程中发现有的编程部分写的过于的繁琐，最后也做了代码优化处理。通过硬件和软件的测试发现，设计的产品与当初的设计方案基本吻合，整个系统可以达到设计要求实现自动灭火功能。
火灾的发生在很大程度上影响着人们的生命财产安全，对社会的稳步发展造成了极大的威胁，在当今的社会中火灾的发生事故比比皆是，因此如何有效迅速的灭火一直是人们研究的课题。
本次设计主要是针对住房安全问题进行的自动灭火设计，自动灭火在今后必将成为灭火领域的发展走向，因此本次设计有着极大的研究意义。
本次的毕业课题设计基本已经结束，但在设计的过程中我发现，将自己所学的理论与实际结合起来还是有一定难度的，这主要是自己以前练习的太少。在本次的设计中我查询了大量的资料，通过整体的设计方案，去查询各个模块的资料，分析原理以及可实施性，设计出各个模块的原理图，将设计好的各个模块进行整体化布局，最终实现完整的系统功能设计。设计的过程中实际上就是从整体到局部再到整体的过程，只有完全熟悉了各个功能模块，才可以设计出总体想要的效果。
