基于单片机的火灾远程监控系统设计方案Word文档下载推荐.docx
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起火过程曲线如图1-1所示[2].
图1-1起火过程曲线
火灾发生后初期阶段，首先会伴随产生烟雾、接着产生高温和火光。
火灾探测器能将这些烟、光、热信号转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，安装了消防控制联动技术的还可以及时采取灭火措施来扑灭火灾，有的还可以将火灾信号传输给消防控制室。
第2章火灾报警器方案设计
2.1火灾报警器的功能需求
社会科技不断进步，人们物质精神生活也得到了极大的提升，对各种产品出现了多样化，个性化的需求。
因此，传统的火灾报警器只能够实现一般的声音报警，这已经远远不能够满足于市场的要求。
为了更好的满足市场需求，我们课题研究的主要方向为多功能的火灾报警系统。
传统的火灾报警器报警方式是声音报警，响声引起人们注意。
传统的火灾报警往往只能报警而不采取迅速的抢救，或者人不在现场时声光报警也不能引起人们注意，导致火势变大造成巨大损失。
对火灾现场伴随火灾而产生的烟雾进行多点检测，实时监控来进行短信报警，并告知消防队火灾发生的地点，消防队员可以在第一时间得到火灾报警的通知，这一类的报警系统可以大大减轻人员负担，可以最快的的方式给工作中不在家的人报警。
具有准确性和快速性的同时也满足市场的发展要求。
2.1.1火灾报警器的设计方案
火灾报警系统中使用的探测器可以对温度、烟雾浓度、光的强弱程度进行探测，可以针对其中的一种或者几种同时进行探测。
可以将多种探测器组合在一起实现复合型火灾报警系统。
火灾起火的过程一般产物有烟、热、光，在火灾初期，温度往往比较低，各燃烧物都都是处于阴燃的阶段，因此将会有大量的烟雾产生，阴燃阶段过后，光和热的现象才会比较明显。
因此，我们这里主要是烟雾传感器来探测火灾发生的前期烟雾，再辅以温度传感器来检测周边温度，这样就可在火灾发生的早期报警，有的还可以通知消防队进行施救，及时灭火减少损失[3]。
本课题的火灾报警器构成电路主要包括：
烟雾采集检测电路，数模转换电路，温度传感器电路，单片机控制电路，声光报警电路，GSM模块电路，LCD模块电路。
烟雾采集检测电路和单片机控制电路是报警系统的核心电路。
在实际应用中，我们将检测电路放在需要预警的房间。
烟雾传感器采集房间的烟雾浓度，通过物化特性将其处理为模拟电信号，再经过数模转换电路转换后形成数字信号，单片机识别信号后，将信号进行一系列的处理运算，并将结果传递给LCD显示，这样LED就可以直观的显示当前的烟雾值浓度。
当烟雾值达到报警值时，单片机控制蜂鸣器工作，实现声音报警的作用。
周围人员听到火灾报警信号就可以在火灾早期逃离现场，专业人员也可以及时处理火情。
为了使报警器适用各种不同的场合，我们可以根据需求不同来设置报警浓度值。
更重要的是要提高系统的实用性，当报警启动时，单片机控制GSM模块向预存的发送短信，这样可以让主人了解火灾的具体情况。
这样我们就可以在火灾发生时让外界人员了解火灾现场部的具体情况，以便采取适宜的措施来扑灭火灾[4]。
从需求出发，让我们了解了火灾报警器需要实现的功能，这样才能做出符合市场需求的小型火灾报警器。
整体的电路框图如图2.1所示：
单片机
控制模块
温度采集模块
GSM短信发送模块
烟雾探测模块
声光报警模块
LCD显示模块
图2.1硬件模块组成
为了让此设计方案具有实用性，符合小型智能火灾报警器的定位。
我们应该认真针对每一个元器件进行准确的选取，根据报警器功能需求和家庭实用性选择好的元器件。
为了组成一个完好的方案，我们先要选择好探测传感器，这样我们才好有针对性为后续模块选择元器件。
对于烟雾信号采集的烟雾传感器，我们应该选取准确性高，考虑成本问题后还要选用价格低廉的传感器。
温度传感器则要选用准确度高，价格实惠，稳定性高的的传感器。
下面我们来对相关元器件进行选型。
2.2烟雾传感器的选型
通过检测房间烟雾的浓度，烟雾传感器可以在火灾早期探测到火灾险情，可以让相关人员及时发现进行灭火。
它广泛的运用在家庭、企业、学校、公司、仓库等众多的领域中，是报警系统的核心部件。
提高对烟雾传感器的选型要求，可以让课题设计出更实用的报警器。
可以让我们设计出更加灵敏，更加实用的报警装置。
烟雾传感器的甄选是设计火灾报警系统的一个重要环节。
2.2.1.烟雾传感器应满足的基本条件
市面上可供选择的烟雾传感器很多。
但是，要选择一款符合小型火灾报警器使用的烟雾传感器，我们必须要仔细挑选，它必须具备以下条件：
（1）能够对某一种或者两种特性的烟雾进行检测，对烟雾中其他成分不响应或低响应；
（2）能有效地检测规定围的烟雾浓度并对被测烟雾具有较高的灵敏度；
（3）对检测信号响应速度快，能不断实时检测；
（4）长期工作稳定性好；
（5）使用寿命长；
（6）制造成本低；
2.2.2常见烟雾传感器
烟雾传感器的种类很多，常见的有半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器、红外传感器、电流型烟雾传感器、电势型气体传感器、热导烟雾传感器、光干涉传感器等。
气体烟雾的种类繁多，而一种烟雾传感器不可能对每一种烟雾都进行准确检测，通常只能检测检测莫一种特定性质的烟雾。
例如氧化物半导体烟雾传感器对还原性烟雾比较敏感，可用于检测如H2、CH3OH、CO、C2H5OH等还原性的烟雾。
有的对无机烟雾比较敏感，固体电解质烟雾传感器可用于对无机烟雾的检测如CO、CO2、H2、C12、SO2等。
常见烟雾传感器可检验烟雾种类如表2.1[7]。
表2.1常见烟雾传感器对气体的敏感程度
2.2.3烟雾传感器的选定
火场会产生大量有毒气体。
一般装修材料里含有硫，所以物体会燃烧得更快。
燃烧会产生大量的SO2。
另外，在大火中会燃烧周边很多可燃物，木质物品不完全燃烧会产生大量的一氧化碳，塑料制品会产生焦油等，致使人被呼进体，造成呼吸道污染肺部坏死。
大火中毒气远不止这些，我们没有做好防护措施，稍不注意，就会有生命危险。
要利用烟雾传感器对一些有毒气体浓度进行检测。
根据一般火灾产生的烟雾种类传感器要能敏感检测，传感器体型要符合体型小、性能稳定、价格实惠的特点。
一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。
使用接触燃烧式传感器探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。
这要求人经常要对其清理和维护，不然会影响探头的灵敏性，变得反应迟钝。
这样火灾报警器的准确性和及时性都将大大折扣。
而且这里设计的火灾报警器是小型化的针对家庭的。
不可能经常进行专业的检查。
半导体烟雾传感器检测气体是家庭火灾发生时常见气体，它不仅有着成本低廉、响应速度快、抗干扰性强的特点，而且灵敏度高、体积小，操作简单便捷。
这无疑非常适合小型化的家庭使用。
在这里我选用半导体型MQ-2烟雾传感器，它具有响应速度快、稳定性高、抗干扰性强、使用寿命长等优点[8]。
2.3温度传感器的选型
温度探测器能够探测环境的温度，当环境温度超出或低于设置值时发出报警。
它的主要原理是利用热敏方式来检测环境温度，将温度的变化转换为电信号后再交给主控芯片进行处理。
这样就达到了火灾报警的目的。
2.3.1温度传感器的发展
一是模拟集成温度传感器。
这种温度传感器也称为单片集成温度传感器或者硅传感器,因为它主要用硅半导体集成工艺制成。
模拟集成温度传感器功能非常单一，只能测量温度不能实现控制功能。
这种传感器的主要特点是测温误差很小、体积小、价格低。
因为模拟集成温度传感器的外围电路非常简单所以适合远距离测量温度。
在国外这一种低成本、测量误差小的传感器应用最为普遍，代表产品有TMP17、LM135、AD590、AD592等。
二是模拟集成温度控制器。
这种温度控制器主要由可编程温度控制器和温控开关二部分构成，某些增强型集成温度控制器中有A/D转换器，这就不需要外联A/D转换器，还可以固化好智能程序实现一些智能功能。
这与智能温度传感器有某些相似之处。
但这一部分在工作时并不受微处理器的控制，是集成温度控制器自带的，这是二者的主要区别。
主要代表产品有AD22105、LM56和MAX6509等。
三是智能温度传感器。
这种温度传感器可以直接受单片机控制从而实现很多智能功能。
部都包含有A/D转换器、温度传感器、信号处理器、存储器和接口电路。
这种智能温度传感器可以实现多种智能功能。
甚至有的增强型产品还带多路选择器、CPU、RAM和ROM。
智能温度传感器的特点是能适配各种单片机，还能输出数字温度信息。
软件的开发水平越高这种传感器智能化程度也越高[9]。
2.3.2温度传感器的选定
综合价格，实用，便捷和可靠性的要求，在查找大量资料，反复甄选后我最终选用高精度数字式温度传感器DS18B20。
在火灾发生前期，DS18B20温度传感器可准确的测量火灾前期房间温度变化，测量分辨率为0.0625℃，这能给单片机精确传输温度数据，让外界人员了解火灾详情。
这种智能温度传感器测量精度高，测量围广。
而且很方便的是，此传感器与单片机相连时只需要一条数据线进行数据传输，不需要再添加A/D模块，它与单片机连接简单，这大大简化了硬件电路同时降低了生产成本。
第3章系统硬件的设计
3.1控制芯片的选择
在火灾火灾报警器的设计中，单片机扮演着大脑，是系统的控制中心。
一边接受烟雾传感器和温度传感器发来的信号进行接受处理，另一方面还要控制各种其他的部件进行相应的操作。
比如在显示适配器上显示实时的浓度值，是否执行声音报警，还有是否发送短信给用户进行火灾报警等等。
在单片机处理一系列的复杂信号的过程中，执行的软件指令比较繁琐，比如单片机将接收到的浓度与预设的浓度值进行比较，判断浓度是否超过预设值，是否声音报警和发送短信，并将数值送入液晶显示屏来显示。
所以对单片机芯片的选择十分重要，我们还必须考虑到的是，在处理器能完成各种指令处理的同时，还应该考虑产品开发的成本和运行时的功耗等各个方面。
因此要选用价格比较低廉的芯片，低功耗的单片机芯片作为控制芯片。
综合上面各个因素，最终在这里我选用了宏晶公司的产品STC89C51RC单片机作为控制器。
STC89C51RC的引脚图分布情况如图3.1所示。
图3.1为STC89C51RC的引脚图分布情况
STC89C51RC的主要特点是采用Flash存储技术，降低产品的制造成本，而且指令代码完全兼容传统8051单片机。
STC89C51RC的工作电压是比较宽松的，一般可从2.7V-6V之间正常工作,是新一代的高速、抗干扰、低功耗的单片机，这有利于我们的小型化设计；
STC89C51RC单片机的工作温度围广，可在-40℃-85℃温度下工作；
有4组I/O控制端口，可适当进行对外拓展[10]。
可以从图3.2看出STC89C51RC是40引脚的双列直插芯片，它有P0，P1，P2，P3四个8位I/O口，这四个八位I/O口都能够独立作为输出或者输入。
其中一般将P0.0-P0.7作为一般I/O口引脚或数据引脚，本论文中所讲述的火灾报警系统将用P0口来做数据输出口，这样就可以外连液晶显示屏来实时显示烟雾浓度，还可以和GSM模块相连；
P2.0-P2.7口做温度传感器和电铃部分的连接；
P3.0-P3.7做接收数据使用，在本设计中将其与TLC549A/D转换器连接进行烟雾浓度值的接收。
这里对单片机的引脚作用做出分析，我们对单片机的选择时很严谨的[11]。
图3.2单片机最小系统图
3.2温度传感器DS18B20
温度的变化最开始是靠人的感觉来感受，早期的温度测量是利用金属（物质）的热胀冷缩引起的形变来测量，水银温度计的研制成功大大提高了温度测量的准确性。
到了现在温度传感器的应用已经非常普遍了。
几乎所有的温度传感器的原理都是是基于温度变化引起其物理参数（如电阻值，热电势等）的变化，进而引起其它的参数变化，来感应温度的。
3.2.1温度传感器DS18B20介绍
DS18B20的性能特点[12]：
（1）DS18B20仅用一条线路连接就可以进行通信,独特的单总线接口可以大大简化电路设计。
通信端口可以是串行口也可以是其他I/O口，无须变换，直接输出数字化温度值。
DS18B20还有一个重要特点是，它可以多个并联在一条总线上，很简单就实现了多点温度采集功能；
（2）可测温度围为-55～+125℃，测量分辨率为0.0625℃；
（3）含64位ROM；
（4）含寄生电源，可以不用专门接一根电源线，直接通过数据总线供电；
（5）待机功耗几乎为零；
（6）用户可自主通过编程设置报警温度值；
（7）适配各种单片机和单片机连接非常简单；
（8）在电源接反时，传感器不会因发热而烧毁，但不能正常工作；
（10）可检测距离远，能检测到很远距离的温度变化，最远测量距离为150m。
图3.3DS18B20部结构
温度传感器DS18B20的测温原理如图3-4所示。
低温度系数振荡器的振荡频率受温度影响很小可以稳定的发出脉冲信号，高温度系数晶振的振荡频率受温度影响大。
低温度系数晶振可以产生固定频率的脉冲信号送给计数器1，计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法记数器1和减法计数器2都对晶振产生的脉冲信号进行减法运算。
当计数器1减到零时温度寄存器值就加1，一直到减法记数2减到零时，2个计数器同时停止，此时房间里的温度值就在寄存器中。
测温的过程是不断重复运算的。
置位/清零
停止
图3.4DS18B20的测温原理图
3.2.2DS18B20与微处理器的接口技术
DS18B20与单片机的有两种方法，一种是GND接地，VDD接外部电源，I/O口与单片机的任一条I/O线相连；
另一种是用寄生电源供电，此时GND、VDD并联接地，I/O口接单片机的任一条I/O。
这2中方法都可行。
3.2.3DS18B20的访问
主控器对DS18B20的访问流程时，首先对DS18B20进行初始化，再发ROM操作命令，最后才能对存储器和数据进行相应的操作。
这里每一步都要和DS18B20的通信协议一一对应。
一般要进过3个步骤，第一步是复位，第二步是发送ROM命令，第三步是发送RAM命令。
每一次读写之前都要对它进行复位。
图3—7是DS18B20程序流程图。
图3.5DS18B20程序流程图。
表3.1DS18B20暂存器命令
表3.2ROM操作命令
3.3烟雾传感器MQ-2
MQ-2气体烟雾传感器是一款适用性很广的低成本传感器。
其使用的主要材料是二氧化锡（SnO2），利用了二氧化锡（SnO2）在清洁空气中电导率较低，当空气中可燃气体浓度增加时电导率会增大的特性。
利用这一特点就可以将该烟雾在空气中浓度变化量转变为电信号，再通过A/D转换为单片机能识别的数字信号，这样我们就可以监测到房间该气体浓度。
MQ-2气体烟雾传感器对一氧化碳、氢气、硫化氢、氨气、液化气的灵敏度高。
MQ-2可检测多种可燃性气体，是一款非常适合小型火灾报警器对烟雾检测的需求[13]。
表3.3MQ-2标准工作条件
表3.4环境条件
表3.5灵敏度特性
图3.6MQ-2的结构、外形、测试电路
图3.7给出了MQ-2的灵敏度特性曲线。
在温度为20℃，相对湿度为65%的条件下，MQ-2的实测电阻值Rs会随着CO、H2、CH4等气体浓度的增加而减少。
图中R0是传感器在洁净空气中的电阻，竖轴显示的是Rs/Ro的比值随着烟雾浓度变大的曲线，根据这个曲线值所对应的烟雾浓度值，我们就可以知道测量区域的烟雾浓度实现火灾报警[14]。
图3.7MQ-2的灵敏度特性曲线
因为烟雾传感器MQ-2输出的是模拟信号，要让单片机能处理烟雾浓度信号，我们必须要添加一个A/D转换电路，通过A/D转换电路将烟雾传感器MQ-2输出的模拟的烟雾信号转换为数字信号。
单片机再对该数字信号进行处理、计算、分析后，数据如果超过了预设的报警值，则启动报警电路发出声光报警，并通过GSM模块发送短信到指定手机。
TLC549是美国仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，他有8个外接口，通过CLK、CS、DOUT三条口线与微处理器进行通信连接，AIN口接收MQ-2输出的模拟型号。
TLC549具有4MHz片系统时钟，可以实现高效转换，转换时间最长17us，TLC549为40000次/s。
而且运行时功耗低、误差很小、抗干扰的能力也很强，可用于较小信号量的采用[15]。
TCL549片系统时钟与I/OCLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。
CS端可以实现控制功能，当CS为高时，DOUT端处于高阻状态，此时I/OCLOCK不起作用。
这种控制作用是为了减少多路A/D并用时的I/O控制端口，比如同时使用多片TLC549时，我们可以共用I/OCLOCK，大大简化了电路设计。
图3.8烟雾传感器MQ-2与TLC549连接电路图
3.4LCD1602液晶显示器
LCD1602液晶显示器是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，它显示质量高、体积小、重量轻、功耗低等特点。
数字式接口和单片机系统的连接更加简单可靠，操作更加方便。
满足了我们对烟雾浓度显示的需求。
如图3.9和3.10分别是LCD1602的正反面图。
图3.9LCD1602的正面图
图3.10LCD1602的反面图
3.4.1LCD1602引脚功能
选用的LCD1602采用标准的16脚（带背光）接口，比没有背光的多出2个引脚。
图3.11LCD1602的接口图
表3.6LCD1602的引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
VSS为地电源。
2
VDD
VDD接5V正电源。
3
VL
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最强，对比度过高时会产生“鬼影”。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
5
R/W
6
E
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
7-14
D0
D0—D7为8位双向数据线。
15
BLA
背光源正极
16
BLK
背光源负极
3.4.2LCD1602的指令说明
LCD1602液晶模块部的控制器共有11条控制指令，如表3.7所示。
表3.7LCD1602部控制指令
1602液晶模块的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
（说明：
1为高电平，0为低电平）根据上表我们就可以控制显示器，显示我们想要显示的烟雾浓度，让我们可以直观的了解到房间的烟雾浓度[16]。
图3.12仿真电路的LCD1602连接图
3.5TC35i短信收发模块
3.5.1GSM基本介绍
随着现代化技术的飞速发展，让远在千里的2人可以语言通话。
移动通信促进了信息的交流，让我们能随时随地的迅速传达与获取信息，GSM中文表达为全球移动通信系统，在经过多年的发展与完善后，GSM已经成为了世界上最成熟稳定的蜂窝系统之一。
作为火灾报警器的无线模块TC35i的工作温度围和电压围广，而且功耗低、性能稳定，可以稳定的进行短信报警。
因此选用了TC35i作为我们这里的无线报警模块。
3.5.2TC35i的介绍
TC35i模块是西门子工业生产的一款优秀的工业级GSM模块。
TC35i的集成度很高，所以体积小、功耗低、功能很全面，类似于一个手机，可以实现打和发短信的功能，但价格相对于手机来说低廉了很多。
又因为体积小，可以很方便的嵌入到其他需要安装无线通信功能的系统中，因此在无线通信模块中得到了广泛的应用。
例如GSM控制门禁系统、GSM控制广告牌的关闭、GSM远程定位追踪等。
图3.13是TC35i的实物展示。
图3.13TC35i的实物图
TC35i模块部结构如图3-15所示，主要由6部分组成：
天线插口、GSM射频部分、Flash、GSM基带处理器、电源A-SIC、ZIF连接器组成。
图3.14TC35i模块部结构
如图3-16所示TC35i模块有40个引脚，通过一个ZIF连接器引出。
这40个引脚功能可以划分成5大类，有连接电源的电源接口，SIM卡接口，音频接口，有实现控制功能的，最后就是数据的输入/输出。
TC35i的最小连接图如图3-16所示。
模块设有8个外接通信接口，分别是这八个DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0与外面通信。
连接电源的电平匹配引脚BAT+、启动控制引脚IGT、复位引脚RST、来电信号引脚Ri、RXD、TXD、GND。
在与单片机通信时只需要连接TXD/RXD即可发送指令信息。
图3.15TC35i的最小连接图
3.5.3TC35i的指令
TC35i的短信收发都是以AT命令的形式进行的，TC35i的AT命令集是在业界标准贺氏（Hayes）命令的基础上形成的，还增加了一些SIM卡处理和有关短消息处理的命令。
AT指令共有150多条，TC35i操作都是通过AT命令来实现的，表3.8是一些常用的AT指令：
表3.8常见的AT指令
控制端发送的AT指令
指令的功能
AT
通讯握手
AT+CMGL=0
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