基于单片机的火灾报警器设计毕业论文doc.docx

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基于单片机的火灾报警器设计毕业论文doc

基于单片机的火灾报警器设计毕业论文

1绪论

1.1概述

近年来，全国可燃气体泄漏事故频繁发生，造成了巨大的人员伤亡和物力损失，随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。

家庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。

探讨家庭火灾的特点及防火对策，针对多起气体泄漏事故的分析，排除监测系统老化等因素外，气体泄漏监测系统精度不高、响应慢、稳定性能不好都是事故发生造成损失的重要原因。

无线传感器网络是由大量体积较小、能源受限，具有一定计算、存储和无线通讯能力的传感器节点组成的网络，其综合了传感器、嵌入式、无线网络、分布式信息处理等技术。

NRF24L01无线模块是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的单向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中。

整个火灾报警器报警系统由电源模块、可燃气体检测模块、温度检测模块、数据通信模块、报警显示模块五个模块组成。

通过有线传感器网络实现数据的聚集传输，通过无线传感器网络实现采样数据的传输。

该系统由多个终端节点（无线传感器）与汇集节点决定检测区域的范围，各终端节点监测数据通过自组织的多跳路由网络传送至网关节点并将接收的数据进行初步处理，然后通过单片机处理（或者串行通信接口--有线网络，传送至监测预警终端服务器）由它来对接收到的数据进行分析和报警处理。

单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域。

产品功能、精度和质量大幅度提升，且电路简单，故障率低，可靠性高，成本低廉。

基于上述原因，根据要求制作出了一套高精度、高效率、低功耗的气体泄漏监测报警系统。

本气体监测报警系统运用无线传输技术，具有低功耗、低成本的优势，主要应用于家庭，也可引用于工厂、矿井等各种场合。

1.2火灾报警器技术现状及发展趋势　

消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动。

是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。

依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。

在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，象消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。

在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：

类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的消防报警市场。

二十多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。

国外的产品和品牌一统天下，占领中国的大部分市场。

由于中国的建设正在飞速发展，市场大的惊人，难道这由中国发展带来的成果只能由外国企业来瓜分？

可幸的是中国企业抓住了机遇，顶住了挑战，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之功，这是典型的自力更生，走自己的路。

当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚启动。

中国企业正虎视眈眈，准备进军海外市场。

1.3毕业设计任务及要求

一、主要内容

采用较为熟悉且实用的Atmegal-16单片机和温度传感器、烟雾传感器、无线传输模块，设计一种火灾报警器。

按照功能和技术指标要求，采取“自顶向下”的方式开展设计工作：

1）拟定总体设计方案（硬件、软件）。

2）单元电路和软件功能模块设计。

3）单元电路和软件功能模试验调试。

4）整体试验调试、功能和技术指标检验。

二、主要功能和设计要求

1、温度检测范围：

-50℃～100℃，检测精度：

±1℃。

2、烟雾传感器检测范围及灵敏度：

达到消防报警有关标准要求

3、温度传感器检测范围及灵敏度：

达到消防报警有关标准要求

4、报警方式：

声音报警，显示报警状态。

三、文献资料收集

1、温度传感器、烟雾传感器、无线传输资料；

2、火灾报警相关标准；

3、所选单片机硬件和软件设计资料；

4、相关器件数据手册（含应用实例）等。

2火灾报警器总体设计

2.1火灾报警器组成

火灾报警器总体方案设计思想：

此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。

其中包含了我们大学五年中所学到的相关知识，运用我们所学的电子技术、计算机技术、传感器技术、单片机技术去设计基于单片机的火灾报警器。

整个火灾报警器报警系统由电源模块、可燃气体检测模块、温度检测模块、数据通信模块、报警显示模块五个模块组成。

通过无线传输来实现数据发送与接收，由烟雾传感器MQ-2检测可燃气体或烟雾浓度，当达到浓度范围之内，由无线传输模块把单片机主机的数据传给接收部分由单片机从机处理，并且发出报警及显示地址。

我们把温度作为辅助报警条件，当监测温度达到预设温度时即发生报警。

根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了火灾报警系统的总体框图如图2-1所示。

图2-1火灾报警系统的总体框图

1、电源模块：

供给火灾报警器的各个模块电路提供直流稳压电源（+5V，0V）。

2、可燃气体检测模块：

由MQ-2可燃气体检测传感器组成的可燃气体检测电路，对液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等进行检测。

3、温度检测模块：

对给定环境进行温度测量。

4、数据通信模块：

由NRF24L01无限传输模块之间一对一发送与接收检测的数据。

5、报警显示模块：

接收到信号，进行报警并显示地址。

2．2火灾报警器工作原理

在初始通电工作状态正常工作，需要对其初始状态复位，由烟雾传感器MQ-2检测可燃气体或烟雾浓度，当达到浓度范围之内，由无线传输模块把数据传给接收部分由单片机处理，并且发出报警及显示地址。

火灾报警器具有实时监测功能，实时监测环境中的可燃气体浓度并且每隔一段时间监测一下所放空间内的温度并在显示屏上显示温度。

我们把温度作为辅助报警条件，当监测温度达到预设温度时即发生报警。

3烟雾传感器选型及烟雾检测电路设计

3.1烟雾传感器的选型

烟雾传感器（smoketransducer）定义：

将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。

烟雾传感器分类：

1离子式烟雾传感器　　

该烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。

它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。

在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。

一旦有烟雾窜逃外电离室。

干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。

烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。

2光电式烟雾传感器　　

光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过发出警报。

光电感烟探测器可分为减光式和散射光式，分述如下：

（1）减光式光电烟雾探测器　　

该探测器的检测室内装有发光器件及受光器件。

在正常情况下，受光器件接收到发光器件发出的一定光量；而在有烟雾时，发光器件的发射光到受到烟雾的遮挡，使受光器件接收的光量减少，光电流降低，探测器发出报警信号。

（2）散射光式光电烟雾探测器

该探测器的检测室内也装有发光器件和受光器件。

在正常情况下，受光器件是接收不到发光器件发出的光的，因而不产生光电流。

在发生火灾时，当烟雾进入检测室时，由于烟粒子的作用，使发光器件发射的光产生漫射，这种漫射光被受光器件接收，使受光器件的阻抗发生变化，产生光电流，从而实现了烟雾信号转变为电信号的功能，探测器收到信号然后判断是否需要发出报警信号。

3气敏式烟雾传感器　　

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。

它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。

它的应用主要有：

一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。

它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

其中气敏传感器有一下几种类型：

1）可燃性气体气敏元件传感器,包含各种烷类和有机蒸气类（VOC）气体,目前大量应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机。

2）一氧化碳气敏元件传感器,一氧化碳气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃烧检测报警。

3）氧传感器,氧传感器应用很广泛,在环保、医疗、冶金、交通等领域需求量很大。

4）毒性气体传感器,主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体。

气敏式烟雾传感器的典型型号有MQ-2气体传感器。

该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置，适宜于液化气、丁烷丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。

本设计主要应用于家庭住宅，由于近年来，全国可燃气体泄漏事故频繁发生，造成了巨大的人员伤亡和物力损失，随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。

家庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。

探讨家庭火灾的特点及防火对策，针对多起气体泄漏事故的分析，排除监测系统老化等因素外，气体泄漏监测系统精度不高、响应慢、稳定性能不好都是事故发生造成损失的重要原因。

因此，我们采用MQ-2可燃气体检测传感器，此传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高寿命长成本低驱动电路简单，是一种非常实用的气敏式烟雾传感器。

3.2MQ-2传感器

1）MQ-2传感器特点：

广泛的探测范围、灵敏度、快速响应恢复、优异的稳定性、寿命长、简单的驱动电路。

表3-1MQ-2可燃气体检测传感器规格

适用气体

可燃气体、烟雾

探测范围

300to10000ppm

特征气体

1000ppm异丁烷

灵敏度

Rinair/Rintypicalgas≥5

敏感体电阻

1KΩto20KΩin50ppm甲苯

响应时间

≤10s

恢复时间

≤30s

加热电阻

31Ω±3Ω

加热电流

≤180mA

加热电压

5.0V±0.2V

加热功率

≤900mW

测量电压

≤24V

工作条件

环境温度：

-20℃～+55℃

湿度：

≤95%RH

环境含氧量：

21%

贮存条件

温度:

 -20℃～+70℃湿度:

≤70%RH

2）灵敏度调整

MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。

因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。

我们建议您用1000ppm气或1000ppm丁烷校准传感器。

当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响

3）MQ-2气敏元件的结构原理

MQ-2气敏元件的结构如图3-1所示,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。

封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。

图3-1MQ-2结构图

3.3基于MQ-2的可燃气体检测电路设计

图3-2MQ-2可燃气体检测电路

当初始上电，由于电容两端的电压不能突变，所以C52处于短路状态，U9B运放输出低电平，D52导通，这时MQ-2处于预热状态。

当C52充电完毕后，D52截止，电路才真正处于工作状态。

当MQ-2检测到有可燃气体后，其内部电阻值发生了变化，使U9A运放输出高电平，Q51三极管导通，输出报警信号。

4温度检测电路设计

4.1温度传感器选型

温度传感器（temperaturetransducer）定义：

利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

1、温度传感器发展趋势

现代信息技术的三大基础是信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。

传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。

温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；

（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；

（2）模拟集成温度传感器／控制器；（3）智能温度传感器。

国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1°C。

国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625°C。

由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125°C，测温精度为±0.2°C。

为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。

以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27us、9us。

进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线（1-Wire）总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。

温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，他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内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

在本次设计中选用DS18B20温度传感器

4.2DS18B20温度传感器

1、DS18B20的主要特性

1）适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

5）温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

8）测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

9）负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

DS18B20的外形和内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

2、DS18B20引脚定义：

1）DQ为数字信号输入/输出端。

2）GND为电源地。

3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

图4-1DS18B20内部结构图

3、DS18B20工作原理

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。

DS18B20测温原理如图3所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

4、DS1820使用中注意事项

DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。

在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。

2）在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。

当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

3）连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。

试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。

当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。

这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。

因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

4）在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。

这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。

4.2基于DS18B20的温度检测电路设计

图4-2温度检测电路图

在此电路中，只有两个元件，一个DS18B20和一个4.7K的电阻。

电阻在电路中是起对数据线上拉作用。

利用单片机的PA0口对DS18B20进行读写操作，就可以读取出当前的温度值。

5报警显示电路设计

5.1报警电路设计

图5-1报警系统电路图

蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。

蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，这一点与家用电器中的功放有相似之处。

学习板采用了一个很简单的电路来实现蜂鸣器的联接，由上所述，一个管脚很难驱动蜂鸣器发出声音，所以增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流，见上方原理图。

蜂鸣器的正极性的一端联接到5V电源上面，另一端联接到三极管的集电极，三极管的基级由单片机的PD7管脚来控制，当PD7管脚为低时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。

用户可以通过程序控制PD7管脚的置低和置高来使蜂鸣器发出声音和关闭。

5.2显示电路设计

显示可用普通数码管显示，显示内容灵活可变，但显示内容简单，样式单一，电路焊接设计复杂。

本小组应用LCD1602液晶显示，电路设计简单，功耗低，显示数字内容灵活多变，足以满足显示要求，并且程序较为简单。

所以选择LCD1602液晶作为该作品显示模块。

LCD1602液晶显示模块（图5-2）具有体积小、功耗低、电路设计（图5-3）简单等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。

图5-2LCD1602液晶显示模块

图5-3LCD1602液晶原理图

6数据通信模块

6.1数据通信模块选型

方案一：

采用CC2430芯片实现无线（Zigbee）传输，软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑算法。

但支持Zigbee的单片机价格比较昂贵，程序较为复杂，电路设计比较麻烦。

如CC2430的天线设计部分使用单级不平衡天线，为了增加天线的性能还需增加巴伦电路，其最佳阻抗、最高抗干扰能力比较难调试。

方案二：

采用NRF24L01模块实现无线传输，价格便宜，单片软件编程自由度大，也可编程实现各种控制算法和逻辑算法。

NRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。

内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

NRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。

抗干扰能力强特别适合工业控制场合，软件编程十分方便。

综合以上方案和论证，我们确定使用方案二。

6.2NRF24L01工作原理

NRF24L01是2.4G无线射频收发模块，具有地址及CRC监测功能，数据传输率1至2Mbps（SPI接口传输速率0至8Mbps）工作电压在1.6至3.9伏，VCC脚接电压范围为1.9V至3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块。

推荐电压3.3V左右（ASM1117-3.3）。

除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连，无需电平转换。

当然对3V左右的单片机更加适用了。

当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗仅为9mA，接收模式时为12.3mA。

掉电和待机模式时更低。

发射数据时，首先将NRF24L01配置为发射模式：

接着把地址TX_ADDR和数据TX_PLD按照时序由SPI口写入NRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启