火灾报警器论文.docx
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火灾报警器论文
综合课程设计论文
火灾报警系统
二级学院
机械与电子工程学院
专业
电子信息工程
年级
2010级
学号
1010612050
学生姓名
覃超
指导教师
黄杰
职称
讲师
完成时间
2013年12月29日
目 录
火灾报警系统的设计
作者覃超
指导老师黄杰
摘要：
本文设计了一种基于AT89S52单片机，集成温度传感器DS18B20和气体传感器MQ3等的火灾报警系统,主要用于对火灾的探测、监控以及报警。
整个系统利用AT89S52单片机为主控制器,DS18B20检测温度,烟雾模块检测烟雾浓度，LCD液晶屏显示温度,蜂鸣器声音报警，LED灯光报警。
该系统可以通过LCD液晶显示实时温度，当感应到烟雾时，LED发光预报警，通过按键设定或修改温度报警值，当温度达到温度报警值且感应到烟雾警时，蜂鸣器响鸣报警，该系统具有结构简单，可靠性好，功耗低，成本低，实用性强等优点。
关键词：
AT89S52；DS18B20；火灾报警；传感器；LCD液晶屏
引言
随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活得四周到处潜伏着火灾隐患。
为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。
在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。
人类能够对火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。
所以说人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史是相伴相生的，人们在用火的同时，不断总结火灾发生的规律，尽可能地减少火灾及其对人类造成的危害。
火灾，几乎是和火的利用同时发生的，随着现代社会的不断发展，现代家庭用火、用电量正在逐年增加，火灾发生的频率越来越高，火灾不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接或间接危害生命，给人们的心灵造成极大的危害。
每年都有许多人被火灾夺去生命。
由于人们的疏忽而发生的火灾与爆炸，不仅造成人员的大量伤亡，还承受着严重的经济损失。
正是由于火灾的巨大危害，报警器才得以应运而生，报警器在火灾报警方面发挥人类本身无可比拟的优势，而声光报警器更是其中的佼佼者。
本设计是以Atmel公司的AT8952单片机为主控核心，提出基于DS18B20和QM3的烟雾报警系统。
单片机通过DS18B20和MQ3实时监控环境，通过LCD显示实时温度值，当MQ3探测到烟雾时，发光预报警，当温度超过设定报警值时，蜂鸣器响鸣报警，这种监控系统，成本低廉，且应用广泛与家庭，工厂和各种公共场所，前景相当可观。
1设计要求及方案选择
1.1设计要求
（1）实时显示出环境参量值（如，温度、烟雾浓度等）；
（2）发生火灾时，系统自动报警；
（3）可通过按键设定系统的报警阈值。
（4）其它的扩展功能
1.2方案选择
1.2.1温度采集模块的设计方案
对于温度温度检测模块的选择有采用传统的温敏电阻和DS18B20来检测温度。
方案一：
采用传统的温敏电阻。
温敏电阻价格低，复杂性及工艺性好，低温下用热电阻来测温度，具有线性度好和灵敏度高的特性，在将随被测温度变化的电压值或电流值采集过来，进行A/D转换电路，感温电路比较麻烦。
方案二：
采用数字温度传感器DS18B20。
DS18B20是一种改进型智能温度传感器，该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成芯片上，它只有三个管脚，温度通过一线总线以数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰能力。
因此，选择DS18B20.
1.2.2温度显示模块的设计方案
对于温度显示模块，可以选择数码管显示或LCD液晶显示。
方案一：
采用数码管显示，但是数码管显示内容单一，功耗高，且耗电，还要外加驱动电路，造成系统电路机构复杂，不利于系统的设计。
方案二：
采用LCD1602显示温度。
1602不需要外加驱动电路，具有低耗能，散热小的优点，直接降低了电路的功耗，屏幕显示质量高，不像数码管一样需要不断刷新亮点，因此，显示画面不闪烁，而且液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单，操作更加方便，给电路设计带来很多方便。
通过比较，1602更为合适。
1.2.3烟雾模块的设计方案
烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：
（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。
（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。
通过比较发现，半导体烟雾传感器的优点更加突出：
灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，寿命长，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。
因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。
而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-3型气体传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长同时还能用于于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、烟雾等的探测。
1.2.4系统设计方案框图
根据方案选择，确定设计方案，设计框图包括如下几个电路组成：
图1.1系统框图
3 单片机芯片介绍
在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件（如下图3.1）。
它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的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，比较温度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温度，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AT89S52单片机作为控制器。
AT89S52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单片机部分管脚说明如下：
P0口：
为双向8位三态I/O口。
在不接片外存储器或不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口；在接片外存储器或扩展I/O口时，P0口是地址总线低八位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。
一般作为扩展时地址数据总线口使用。
P1口：
P1口是一个内部提供上位电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写1后，被内部上位拉高，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。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备；在接片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用做高8位地址总线。
一般作为扩展时地址总线的高8位使用。
P3口：
P3口管脚8个带内部上拉电阻双向I/O，可接收处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。
RST/VPD（9脚）：
RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。
当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。
XTAL1（19脚）：
接外部石英晶体的一端。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2（18脚）：
接外部晶体的另一端。
在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。
对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。
P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。
图3.1单片机内部管脚图
4 硬件电路设计
4.3系统原理设计图
经过Protel99SE软件设计，最终系统原理总图各个模块接线布局如下图4.1所示：
图4.1原理图
4.4各单元电路的设计
4.3.1温度采集电路设计
DS18B20温度传感器是一种改进型智能温度传感器，其引脚介绍如下图4.1，它有超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加能力强的优点。
与传统热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出全数字温度转换及输出被测温度，并且根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数值读数方式。
它具有独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通讯，无需外部元件，可通过数据线供电，温度以9位读出等特性。
其接线如下图4.2所示。
图4.1DS18B20引脚图图4.2DS18B20接线图
4.3.2烟雾感应电路设计
烟雾信号采集电路由烟雾感应模块电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。
模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。
单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值（也就是报警限），如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。
烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器的两大核心，其与单片机的接线如下图4.3图所示。
图4.3烟雾模块接线图
4.3.3声音报警设计
用一个蜂鸣器，三极管和电阻接到单片机P37引脚上，其接线如下图4.4所示，数字电路中的三极管工作在饱和或截止状态,起开关作用。
三极管有基极b、集电极c、发射级e三极，在数字电路中三极管一般都做“开关”用，做开关时“基极b”的电压如高于“发射级e”0.7V就导通，我们叫“Vbe>0.7V”导通。
反之“截止”，电流无法再通过，这就是“开”和“关”即产生“1”和“0”，即当单片机的引脚P37脚被置高电平后蜂鸣器响，反之蜂鸣器不响。
系统检测到信号时，P37置高，蜂鸣器发出报警声，实现了报警的功能。
图4.4声音报警电路接线图
4.3.4LED发光报警设计
如下图4.5所示由一个电阻连接发光二极管接上单片机的P12引脚，外接VCC。
当单片机的P12引脚被置低电平后，发光二极管导通，被点亮，高电平时，发光二极管熄灭，实现了发光报警作用。
图4.5LED发光报警电路接线
4.3.5液晶显示电路设计
LCD1602引脚介绍如下所示：
图4.5LCD1602液晶显示器引脚
带字型LCD1602液晶显示屏引脚及功能如表3所示：
表3LCD1602液晶显示屏引脚定义及功能
引脚号
引脚名称
功能说明
1
VSS
电源接地。
2
VCC
电源正极。
3
V0
LCD驱动电压输入端。
4
RS
并行的指令/数据选择信号，串行的片选信号。
5
R/W
并行的读写选择信号，串行的数据口。
6
E
并行的使能信号，串行的同步时钟。
7-14
D0—D7
双向数据端口。
15
LED_A
背光源正极。
16
LED_B
背光源负极。
LCD1602是带字符型的液晶显示器，具有8位数据总线D0-D7和RS、R/W、E三个控制端口，可以显示2行16个字符。
可用3.3V或5V电源供电，驱动电路简单，并且带有背光设置和字符对比度调节，它可以显示简单的数字、英文字符。
LCD1602不需要外加驱动电路，显示相较于传统的LED显示器件，体积更小、功耗更低、显示内容更丰富，显示画面不闪烁，而且液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单，操作更加方便，给电路设计带来很多方便。
目前，在单片机应用设计中，液晶显示模块已经成为最常用的显示器件之一。
STC89C52RC与LCD1602的连接如图4.6所示：
图4.6LCD接线图
4.3.6按键控制电路设计
系统通过按键控制，控制键电路采用独立式按键设计，5个按键与单片机的接线和功能如下图4.7所示：
key5为复位按键，通过该按键使系统复位。
key4为温度值加1按键，每按一次，温度值加1。
Key3为温度值减1按键，没按一次，温度值减1。
Key2为设置温度按键，按键该键，设置温度报警值。
Key1为温度设置完成按键，当设置温度完成，按下该键，则报警温度设置完成。
图4.7按键接线图
4.3.7单片机最小系统电路
单片机最小系统主要由电源、振荡电路、复位电路以及扩展电路等部分组成，用5V电源供电。
简介如下：
（1）晶振电路为单片机提供时序使单片机能够正常工作，在图4.8中采用单片机的内部振荡方式。
此时，只要在外部接上两个电容和一个晶振即可起振。
电容的大小影响着振荡的稳定性和起振的快速性，通常选用10~30pF的相同的两个瓷片电容。
（2）电容C4和电阻R1构成了复位电路。
刚开始上电时，C4瞬间相当于短路，C4两端保持0V电压，VCC的电源电压就都加在了R1上，此时在单片机9脚RST上变成了高电平，此后C4上逐渐充电，即在C4两端出现了电压，R1上的电压开始逐渐下降，最后单片机9脚RST上变成了低电平。
在此过程中只要满足单片机9脚RST上的高电平持续24个振荡周期即可使单片机复位。
图4.8单片机最小系统
5系统软件设计
为了便于系统维护和功能扩充，采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。
本系统主要包括数据采集子程序、火灾判断与报警子程序、温度显示等模块实现，其中温度转换流程图如图5.1所示。
Y
N
N
图5.1DS18B20温度转换软件流程图
6系统测试
系统的调试主要分为硬件调试和软件调试两大部分。
首先要完成单元功能模块的检测，然后进行系统调试。
在制作硬件电路的同时，调试也在穿插进行，有利于及时发现问题，从而节约调试时间。
6.1硬件调试
硬件的制作调试在整个系统设计占有非常重要的地位，有许多细节上的问题需要注意，很多情况软件测试没有问题，到硬件上却实现不了，就是因为在制作硬件电路时忽略了某个细节，导致数据不对，无法准确的显示，影响系统的整体效果。
所以在制作硬件电路时要特别细心，对几个方面要多加注意。
6.1.1电路板的制作
制作电路板之前，参照实际的元器件，在Protel99SE中画好合适的元件封装图，在布线时着眼整体，力求美观，元件摆放，存同去异，排列整齐，布线简洁大方，减少跳线的条数，当然若是为了整个电路更完善，一两根跳线是可以接受的。
打印时，注意检查焊盘的大小是否合适，很多同学就是没有注意到这个小细节，焊盘的尺寸设置太小，打印出来才发现腐蚀后根本焊接不了，又得重新改过，如此重复，既浪费时间，也在一定程度上打击个人信心。
电路板采用热转印技术来制作，在制作的时候需要注意以下几点：
（1）印板预处理，将无锈蚀的敷铜板用沙纸或洗洁球等擦去油污、斑点，清洗干净，为后面印制PCB图打下良好基础；
（2）不要使电熨斗过热或者过凉，最佳温度在140～170之间，在这个温度范围内，塑料碳粉的转移特性最佳；
（3）热转印时间不宜过长，否则过犹不及。
视需要转印的面积大小而定，一般约五分钟。
转印时，应稍加用力压住电熨斗在铜板上缓慢地来回移动；
（4）要等温度低一些以后再将转印纸慢慢揭下，切不可过急。
如转印质量较差盖上再次加温加压进行热转印。
（5）腐蚀铜板时，配制的腐蚀液浓度不要太高，过高容易把铜线腐蚀掉，铜线的断裂给后面的硬件调试带来很多不便。
所以在腐蚀的过程中一定随时查看，发现不对，马上用筷条把铜板拿出来，重新腐蚀。
（6）腐蚀完成后，可以先把孔钻好，等焊接元件时再用沙纸把焊盘清洗干净。
这样能防止焊盘氧化，焊接时焊锡容易粘住焊盘。
6.1.2元件的焊接
焊接的工艺水平直接影响整个设计的质量。
一个好的焊接电路不仅容易实现硬件的调试，而且过硬的焊接技术能使电路板看起来像一件艺术品，更具观赏性。
元器件的焊接要讲究一些技巧和工夫，才可以达到无虚焊和美观的效果。
移开电烙铁有讲究，移开的时间、方向和速度直接影响焊接点的质量和外形美观。
烙铁从45度角进入，在焊接点上的焊锡接近饱满，焊锡充分浸润焊盘和焊件时，焊锡最光亮，流动性最强时，电烙铁回带一下，然后再迅速离开焊接点。
完成焊接的全过程所需时间约3～6秒。
焊接时间过长易损坏焊接部位及元件性能，过短则易出现虚焊。
另外，元器件安装高度尽可能矮。
过高则稳定性变差，易倒伏或与相邻元件碰接。
焊接元件时应遵守由低到高，由小到大的原则。
先焊接一些比较矮且小的元器件，如电阻、二极管等；再焊接一些较高且体积较大的元器件，如单片机插座、有极性电容、继电器等。
若随意焊接，出现高低不平衡，增加焊接难度，事倍功半。
焊接时还要检查各个元器件的好坏。
如果坏了，要及时更换好的元器件。
这样才能加快调试的速度。
电路焊接好后，首先要先检查电路有没有虚焊、短路、断路等情况发生，否则上电之后重要的元件（如芯片）烧了反而得不偿失，可以用万用表对各个接点进行检查，看看线路是否导通。
6.2软件调试
软件调试主要有温度采集、LCD液晶显示、报警电路模块的调试三大部分。
首先是温度采集模块的调试，调试前需要花一定的时间仔细阅读理解DS18B20的相关知识，包括引脚的配置及功能，工作原理，通信等内容。
在调试DS18B20模块过程中，我自己编写了一个程序，但下载到STC单片机液晶上显示的数据混乱，无法实现所要的功能。
苦思良久也没找到解决办法，后来通过同学介绍，知道有一个电子发烧友网站。
里面可以发贴求助，我迫不及待的加入他们，与烧友们交流折磨我好几个晚上的问题。
经过他们的悉心指导，我才发现自己的错误，原来在数据显示出了问题，接下来，重新改过程序，数据显示终于正常了，那一刻内心的激动之情难以言表。
后面还遇到一些问题，均是通过与人交流虚心求教的途径得到很好的解决。
其次是LCD液晶显示模块的调试，虽然以前就有接触过相关程序，但还是遇到了一点问题。
直接将程序下载到基于AT89S52单片机上的液晶模块程序到STC上，液晶上没显示。
经过反复对比1602时序图，发现是在检查忙信号时没有加延时造成的。
加了两毫秒的延时后，液晶就能在STC上正常显示了。
7总结
在本次制作的过程中，感觉自己收获很多。
首先，通过自己查找资料认识了用途非常广泛的多种传感器，通过学习最终选择了MQ3和DS18B20作为本次火灾报警系统的传感器。
其次，在亲手制作时不仅学到了很多东西，提高了动手能力，和分析问题能力，同时也暴露了自己的不少问题。
这次课程设计让自己认识到各方面的不足，其主要原因是自己理论知识不扎实，动手能力较差。
希望今后不断进步，为毕业打基础。
最后，这次制作，得到了同学的热心指导与帮助，经过不断的学习，请教，讨论，一个个问题，一个个难题都被解决了，心里很高兴，同时对各位同学深表感激。
临近毕业，回想甚多。
在学校里学到的东西大多偏于理论，实践的太少。
想想我们以后走向工作岗位，应该是实践与理论相结合。
所以，我们应该把握现在，好好学习。
综合课程设计，不单单只是设计，还是一次敢于接受新事物的挑战，锻炼你的意志，磨练你的性格。
这是一次再育的机会，所以我们必须珍惜。
设计已接近尾声，我希望大家遇到困难时请不要轻言放弃，要相信自己，努力学习，困难就会迎韧而解的。
参考文献
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电子工业出版社，2009.1.
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清华大学出版社,2003.
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74-80
[6]江思敏、姚鹏翼.PADS电路原理图和PCB设计[M].机械工业出版社，2007.
附录
电路PCB图：
图8.1PCB
Designoffirealarmsystem
Major:
QingChao
Abstract:
ThispaperdesignedabasedonAT89S52singlechipmicrocomputer,integratedtemperaturesensorDS18B20andfirealarmsystem,suchasgassensorsMQ3ismainlyusedfordetectionandmonitoringoffire,callthepolice.ThewholesystemUSESAT89S52singlechipmicrocomputercontroller,temperatureDS18B20detection,smokemoduletestingsmokeconcentration,LCDscreendisplaytemperature,buzzersoundalarm,LEDlightalarm.ThesystemcanthroughtheLCDliquidcrystaldisplayreal-timetemperature,whentheinductiontosmoke,LEDlight-emittingpre-alarm,throughthebuttontosetormodifythetemperaturealarmvalue,whenthetemperaturereachesthetemperaturealarmvaluealarmsoundalarmbuzzerrang,thesystemhassimplestructure,goodreliability,lowpowerconsumption,lowcost,strongpracticability,etc.
KeyWords:
AT89S52devices;DS18B20.Firealarm;Thesensor;TheLCDscreen
致谢
本文是在黄杰老师和同学们的亲切关怀和悉心指导下完成的。
在设计开始阶段，老师我分析了题目，使我审题方向越来越明确，指导了该设计的特点和难点。
在老师的帮助下，我分析问题，发现问题的能有了提高，再次表示对老师深深的谢意！
设计过程，元件的选取，画图，画板，程序调试，黄有清同学给了很多指导，帮助我解决了一个个问题，使我按时完成设计，心里深表感激。
在此次论文撰写过程中，也得到了上一届已经毕业的的师姐指导，如果没有学姐的帮助，我的论文也不会那么顺利完成，
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