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基于单片机的火灾报警器正文大学学位论文
2011级毕业设计（论文）
基于单片机的火灾报警器
年级:
学号:
姓名:
专业:
通信工程
指导老师:
二零一五年六月
摘要
随着火灾事故发生的频率逐渐升高，让很多人开始意识到防火工作重要。
现在很多研发机构都重点开发一些大型场所的火灾报警器，而家庭适用的却很少。
因此，我们有必要研发一种经济实用、结构简单的家庭火灾报警器来满足市场的需求。
文章中设计了一种为提供家庭生活使用的火灾报警器。
它以单片机作为火灾报警器的控制核心器件，采用其它器件配合即可实现声光报警的功能。
火灾报警器主要由信号采集模块、GSM模块、显示模块、模数转换模块、单片机控制模块、声光报警模块构成。
本设计能够对环境进行实时监控，通过液晶屏显示出来，当检测到温度或烟雾浓度超过报警临界值时能发出声光报警和远程报警。
报警器经过信号采集模块采集信号后送入单片机进行判决，如果超过临界值发出报警，否则继续检测。
关键字：
传感器；火灾报警器；单片机；火灾安全；远程报警
Abstract
Graduallyincreasedwiththefrequencyoffireaccident,moreandmorepeoplebegantorealizetheimportanceoftheworktopreventing.NowmanyR&Dinstitutionshavebeenfocusingonthefirealarmforsomelargesites,butrarelyforfamily.Therefore,itisnecessaryforustoresearchakindoffirealarmthateconomicalandpracticalforfamily,ithassimplestructureandlargeneedsformarket.Wedesignedthefirealarmforfamilyanddescribeitinthepaper.thefirealarmusesMCUasthecorecontroldevice,withmatchofotherdevicesitcanalarmofsoundandlight.Thefirealarmismainlycomposedofasignalacquisitionmodule,GSMmodule,displaymodule,ADCmodule,MCUcontrolmodule,asoundandlightalarm.Thisalarmcancarryoutreal-timemonitoringoftheenvironment,anddisplaythroughtheLCDscreen,whenthedetectedtemperatureorthesmokeconcentrationexceedsthealarmthresholditcansendoutsoundandlightalarmandremotealarm.ThealarmsignalgoesintothesignalacquisitionmoduleandthentotheMCUtojudge,ifthealarmexceedsthecriticalvalue,otherwiseitcontinuetotestthesignal.
Keywords:
sensor;firealarm;MCU;Firesafety;Remotealarm
目录
摘要
Abstract
第一章前言1
1.1课题设计研究的背景1
1.2课题设计研究的目的和意义1
1.3课题设计研究的主要内容1
1.4课题设计研究进度计划2
本章小结2
第二章设计功能指标要求3
第三章设计方案4
3.1基本设计思路4
3.2整体方案概述4
3.3关键硬件及电路设计方案介绍5
3.3.1STC89C52单片机5
3.3.2MQ-2烟雾传感器5
3.3.318B20温度传感器5
3.3.4ADC0832芯片5
3.3.5GSM模块6
本章小结6
第四章设计的具体电路7
4.1硬件电路设计7
4.1.1单片机最小系统7
4.1.2时钟电路和复位电路设计7
4.1.3显示模块8
4.1.4声音报警电路9
4.1.5按键控制电路9
4.1.6电源10
4.2元器件选择10
4.2.1单片机选型10
4.2.2烟雾传感器的选型11
4.2.3温度传感器的选型11
12
4.4软件流程设计方案12
本章小结12
第五章设计调试及遇到的问题处理13
5.1设计调试的方案及安排13
5.2遇到问题及处理13
本章小结13
第六章结果分析14
6.1测试方案14
6.2测试数据14
6.3结果分析14
本章小结14
第七章结论及展望16
致谢17
参考文献18
附录1总原理图19
附录2程序20
第一章前言
1.1课题设计研究的背景
近年来随着社会的发展，电器设备逐步进入家庭，火灾安全隐患也随之而来。
有时因为人们平时生活中的不细心或者购买了劣质家电，而埋下的火灾安全隐患随时威胁着人们的生命财产安全。
为了有效减少火灾事故的发生，我们就必须要对环境进行实时的监测，及时了解环境动态。
采用先进的火灾检测系统，密切监测环境中的烟雾浓度和温度，提早发现火灾安全隐患。
采取有效防护措施，尽量避免事故的发生，才可以有效确保人们的人身安全和财产安全。
1.2课题设计研究的目的和意义
生活中因为一些人缺乏火灾安全防范意识而引发火灾，火灾发生后不能在第一时间知道情况，最后酿成事故让原本幸福美满的家庭瞬间毁于一旦。
因为一旦发生家庭火灾，处置不当没有及时报警，这些都会造成人员伤亡[1]。
由此可见,让人们学习火灾安全常识，了解家庭火灾的主要起因已经是一个迫切的工作了。
提前做好预防火灾的工作，做到未雨绸缪。
但百密一疏，再好的防范工作都不可能完全杜绝火灾发生，只有利用火灾报警器才可以最大程度的减少因火灾带来的损失或火灾事故发生的概率。
在整个神州大地上，几乎每一天都有家庭火灾发生，因此每一个家庭都应该在平时做好防火工作。
如果每个人都能根据自家的实际情况，提前采取切实可行的防火措施，一些因火灾引发的悲剧是完全可以避免的。
火灾报警器可以在火灾发生的第一时间通过声光报警和远程报警通报给家庭主人和消防单位，让人们有更多的时间来处理火灾，这对于减少因火灾给人们的损失和生命安全威胁具有极其重要的意义。
1.3课题设计研究的主要内容
本设计是用STC89C52作为控制核心，它控制一个信号采集模块和报警模块构成了一个火灾报警器。
系统主要工作流程为：
首先通过传感器获取环境中的温度信息和烟雾信息，收集信息完毕后送入AD芯片进行AD转换。
转换后得到的数字信号并通过单片机进行判断，并且同时在LCD1602液晶屏上显示出来[2]。
如果判断到环境中信息超过报警临界值则触发报警模块报警，否则继续检测。
在遇到突发情况使环境烟雾浓
度或温度瞬间升高触发报警，在不需要人为处理的情况下，带环境温度和烟雾浓度都处于正常状态下时自动取消报警。
1.4课题设计研究进度计划
2014.12.15-2015.3.1：
查找资料、搜集相关素材
2015.3.2-2015.3.6：
完成需求分析
2015.3.7-2015.3.12：
完成概要设计
2015.3.13-2015.4.1：
完成详细设计
2015.4.2-2015.4.8：
完成编码
2015.4.9-2015.4.16：
完成报警器组装
2015.4.17-2015.4.19：
完成软件测试
2015.4.20-2015.4.25：
整理资料、撰写设计报告
2015.4.26-2015.4.30：
完善设计报告
本章小结
火灾带来的危害已经让人们意识到提前预防和早期报警的重要性了。
提前预防是要人们在平时的生活中学习好火灾安全常识，做好火灾安全防范工作。
但是百密一疏再好的防范工作都不可能完全避免火灾发生，防范工作只能降低火灾发生的概率。
要想在火灾中减少危害降低损失，就需要火灾报警器在火灾发生的早期发出报警。
在火灾发生时就把它扑灭，从而保障人们的生命财产安全。
第二章设计功能指标要求
主要功能要求：
（1）报警器能适应多种环境工作，它可以根据不同的环境自由设定报警临界值。
（2）报警器能对所处环境的温度和烟雾浓度进行实时检测并将其显示在液晶屏上。
（3）报警器能够在发生火灾时实现手动报警和系统误报时手动取消报警。
（4）报警器在发出报警时可以同时实现声音报警，灯光报警，远程报警。
（5）在远程报警GSM模块中可设定两个报警电话号码并能随意更改号码。
（6）报警器能在一些特殊情况下触发报警后，待环境恢复正常时自动取消报警。
第三章设计方案
3.1基本设计思路
报警器由单片机、报警模块、显示模块、信号采集模块四部分构成硬件系统[4]。
单片机作为控制核心，各模块的控制信息也都存储于单片机中。
系统通过温度传感器和烟雾传感器采集环境中的温度和烟雾浓度，然后把采集到的模拟信号送入AD芯片中进行模数转换，将转换得到的数据送入单片机中进行判决，如果低于设定的报警临界值则不产生报警继续检测，如果超过报警临界值则驱动声光报警模块产生声光报警[3]。
报警的同时将报警情况通过GSM模块发送到手机终端上。
3.2整体方案概述
火灾报警器是可以同时对环境中的烟雾浓度和温度进行检测，把检测到的信息处理后实时显示，并能实现声光报警功能的系统。
该报警系统的组成部分包括：
信号采集模块、AD转换模块、单片机、报警模块[4]（声光报警和远程报警）等。
报警器是用延时的工作方式。
选用MQ-2烟雾传感器和18B20温度传感器构成信号采集模块、蜂鸣器，报警指示灯和GSM模块构成了报警模块、再用单片机配合辅助电路就构成了火灾报警系统[5]，报警器检测得到相关数据通过1602液晶屏显示出来。
按照设计的要求来看该设计又包含如下结构，电路框图如下所示：
图3-1总体设计框图
处理器用了51系列的单片机STC89C52。
整个系统的控制工作是在单片机调用相关软件来完成的。
传感器把检测到模拟信号，送入AD芯片进行AD转换。
在单片机内调用相应程序对送入的信号做出判决如果超标则驱动报警模块报警[6]，否则继续检测。
3.3关键硬件及电路设计方案介绍
3.3.1STC89C52单片机
STC89C52是一种能处理8位，带有8K的可编程Flash存储器的高性能低功的耗控制器[7]。
它和工业中的80C51产品指令和引脚都是完全兼容的。
在单片机芯片中，有灵巧的8位CPU与可以在系统编程Flash[8]。
STC89C52具有以下功能标准：
RAM大小为256字节，32位I/O口线。
STC89C52可下降到0Hz静态逻辑操作。
3.3.2MQ-2烟雾传感器
MQ-2传感器的工作原理则是通过电路把电导率做出相应的变换而得到烟雾浓度相对应的信号输出[9]。
该传感器具有以下优点：
灵敏度高、抗干扰能力强、电导率变化大、响应和恢复用时较短、输出信号大、寿命长和工作状态稳定[10]等。
这种传感器凭借其优越的性能在市面上得到了广泛的应用。
3.3.318B20温度传感器
DS18B20作为温度传感器。
DS18B20的数字温度输出通过一条总线输出，降低了传感器的安装复杂程度，能让多个DS18B20很容易的组成传感器网络，为整个检测系统的建立和组合提高了可行性[11]。
它在检测精度、转换时间、传输距离、分辨率等都要比其它温度传感器有的优势大[12]。
因为它的制造工艺简单，使其生产成本低。
3.3.4ADC0832芯片
ADC0832芯片是8位分辨率，采用双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；一般功耗仅为15mW；8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装[13]。
它的最高分辨可以达到256级能够用于一些简单的模数转换。
芯片电压一般在0V--5V之间。
芯片转换时间是32μS。
具备双数据输出能够作为数据校验，从而降低数据误差。
转换速度快且稳定性好，独立使能输入[14]。
3.3.5GSM模块
TC35是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块。
单电源3.3V～5.5V发射功率为2W（GSM900MHzClass4）1W（DCS1800MHzClass1）。
工作温度一般在-20°Cto+55°C储存温度一般在-30°Cto+85°C[15]。
通话模式下的工作电流损耗是300mA、空闲模式下的工作电流损耗是.5mA（最大值），省电模式下的工作电流损耗:
100μA（最大值））。
本章小结
报警器是用信号采集模块采集数据送入单片机进行判决是否该驱动报警模块发出报警，如果判决产生报警单片机同时调用相关程序驱动GSM模块产生远程报警。
由于报警器是由几个模块构成，设计时要注意不同模块间的兼容问提，充分了解各模块的参数及其他特性。
第四章设计的具体电路
4.1硬件电路设计
4.1.1单片机最小系统
单片机最小系统是单片机正常的工作起来关键部分，它的基本的电路构成如图4-1示。
图4-1信号处理模块
单片机最小系统由单片机、复位电路、时钟电路三个部分构成[16]。
STC89C52单片机的用5V电源作为工作电压。
单片机在通电的时候会产生一个复位信号，对单片机进行初始化。
复位电路可以分为上电复位电路和按键复位电路。
通常在程序进入死循环后就可按复位键来对单片机进行初始化，让程序从新执行。
本设计是采用按键复位电路来产生复位信号。
时钟电路可以把它看成是一个振荡电路。
单片机的运行快慢就是用该电路产生的正弦波信号来作为参考的。
4.1.2时钟电路和复位电路设计
本设计用的是STC89C52单片机。
因为他的资源比较多，运行速度也很快。
通常都经过串口把程序写入单片机的，这样烧写程序也比较方便。
本报警器采用内部时钟电路和按键电路，如下图4-2图4-3所示：
图4-2图4-3
烟雾检测AD采集电路
烟雾检测采用MQ-2传感器。
传感器所得到的模拟信号经过AD转换后就能得到了烟雾浓度值。
电路如图4-4所示
图4-4烟雾浓度采集电路
4.1.3显示模块
系统所产生的各种数据通过1602液晶屏显示，如图4-5：
图4-5LCD1602液晶显示
4.1.4声音报警电路
电路在三极管b极串连一个电阻和c极连接蜂鸣器来控制报警器在检测值超过报警临界值是产生声音报警。
如图4-6所示
图4-6声音报警电路图
4.1.5按键控制电路
该电路有四个按键，其中分别为设置键、加键、减键和紧急报警键，紧急情况时，可直接按下紧急报警键，让LED灯和蜂鸣器进行报警。
如图4-7所示
图4-7按键电路图
4.1.6电源
因为电池供电比较方便且更换方便所以采用6节1.5V干电池共9V做电源，经过计算系统工作时该电源工作电压稳定能够满足系统的设计要求。
电源接口电路如图9，其中P1为电池接口，SW1是电源开关。
D1是电源指示灯。
图9电源接口图9电源电路
图4-8电源
4.2元器件选择
4.2.1单片机选型
单片机它不仅作为整个系统存储器还作为系统的大脑，协调各模块之间执行相应的工作。
单片机应该以一个很快的运算速度来执行各种控制任务，进而保证系统的实时性。
让人们能随时了解环境中的烟雾浓度和温度值。
如果出现紧急情况，能够快速调用对应模块做出相应处理。
在同类型单片机中如果计算速度和接口功能都能够满足报警器系统设计要求。
那么就应该考虑使用价格低便宜，体积轻巧的型号。
51单片机高性价比,I/O口多,程序空间大非常适合用于测控系统中。
在51系列中属STC89C52单片机性能较好，所以本设计选用STC89C52单片机。
4.2.2烟雾传感器的选型
MQ-2能广泛的适用于烟状，雾状等气体的检测。
其性能比较稳定，价格便宜、运用简单、体积小有利于系统的小型化[17]。
它能较准确的检测出可燃性气体，这有利于提前发现火灾隐患。
一般情况下这种传感器的检测范围相较于其他型号传感器更宽。
在有效范围内对烟雾气体有较好的灵敏度，非常适合用在家庭火灾报警器中。
所以MQ-2是最佳的选择。
4.2.3温度传感器的选型
PT100传感器是一种抗干扰能力强、稳定性好、耐高压的温度传感器，但使用起来比较复杂。
DS18B20作为温度传感器。
DS18B20的数字温度输出通过一条总线输出，降低了传感器的安装复杂程度[18]。
这样能让多个DS18B20很容易的组成传感器网络，为整个检测系统的建立和组合提高了可行性。
它在检测精度、转换时间、传输距离、分辨率等都要比其它温度传感器有的优势大[19]。
因为它的制造工艺简单，使其生产成本低。
从性能和价格等因素的综合考虑用DS18B20是一个最佳的选择。
4.3程序流程图
4.4软件流程设计方案
本设计主要由单片机控制子程序、GSM模块子程序、报警子程序、信号采集子程序组成[20]。
首先由单片机里的控制程序对系统进行初始化，然后调用信号采集程序对环境进行信号采集，信号采集到后送入AD芯片进行模数转换。
把得到的数字信号送入单片机进行判决，如果没有超过报警临界值系统继续采集环境中的信息，如果超过报警临界值则产生报警，并且通过GSM模块将报警信息发送到手机终端上。
本章小结
报警器是由多个模块构成的，在设计报警器时首先应该确定好需要元件的种类及其参数。
然后按照种类和参数进行选材。
在选材过程中既要满足设计要求，又要保证系统的性能不受影响。
系统性能满足后要尽可能的简化报警器的操作方法，让更多的人能够使用，同时还应该考虑设计成本和报警器的体积大小等因素。
第五章设计调试及遇到的问题处理
5.1设计调试的方案及安排
对系统进行分模块化调试，首先对检查系统的供电部分是否能正常供电，如果供电正常则为系统供电检查看各模块能否正常通电后再看显示模块是否能正常显示，显示正常后让信息采集模块正常工作观察液晶屏是否显示出当前环境的烟雾浓度和温度值。
然后在看键盘功能是否到达设计要求，如果达标则开始根据当前环境分别对温度和烟雾浓度设定一个合适的报警临界值，一切准备就绪后就开始逐一改变温度和烟雾浓度看能否正常报警，报警后在分别测试能自动取消报警和手动取消报警。
报警模块调试完毕后通过键盘设定好接收报警信息的号码再连接上GSM模块，再重复之前操作看报警情况能否发送到手机终端上。
5.2遇到问题及处理
（1）液晶屏不能按设计要求正常显示。
处理方法：
检查实物的焊接情况，通过实物与原理图一一对比没有发现问题，然后再用万用表对一些关键进行通电检查，在检查中发现是其中一处因焊机不好造成的短路，经过从新焊接后故障排除。
（2）GSM模块不能接受到信号。
处理方法：
首先需要先观察模块之间的电路连接情况，检查发现各部分之间连接完好。
最后通过在网上查阅GSM模块的相关故障处理知识，了解到该模块不支持WCDMA和CDMA2000制式的电话卡，更换电话卡后故障排除。
本章小结
在设计过程中遇到了很多的困难，最终都一一解决了。
出现问题一般都是先检查给端口之间的连接情况，看是否存在连接错误或者连接不好等问题。
如果检查完毕故障没有排除，再在网上查阅相关设计的故障机处理方法，按照查阅的资料再对照设计进行检查，实在无法排除的故障像导师寻求帮助直至排除故障完成设计。
第六章结果分析
6.1测试方案
先在报警器里设定一个远高于正常情况下的烟雾浓度和温度值作为报警临界值，不让报警器产生报警。
然后再分别按照不同的时间段记录下温度和烟雾浓度值。
根据测试得到的数据可以知道一天中房间内的最大烟雾浓度和温度值。
烟雾浓度报警临界值一般是在监测数据中的最大烟雾浓度值上加上5%~10%（它作为测量误差和特殊情况下所产生的浓度值）左右，而温度报警临界值是在最大值的基础上加5℃（它作为测量误差和特殊情况下所产生的浓度值）左右。
根据测试数据设置好报警临界值后开启报警器，再模拟火灾发生测试报警器。
6.2测试数据
时
时刻时刻
8点
9点
10点
11点
12点
13点
14点
15点
16点
17点
18点
烟雾浓度
5%
5%
6%
7%
7%
5%
6%
5%
6%
8%
9%
温度
21℃
23℃
24℃
24℃
24℃
26℃
28℃
27℃
27℃
27℃
26℃
6.3结果分析
本次实验记录了室内11个时刻的烟雾浓度和温度值，在此期间内烟雾浓度呈无规律变化，温度值则呈抛物线变化。
引起烟雾浓度变化的主要原因是室内吸烟的人数不同导致烟雾浓度变化无规律，而室内温度主要是由室外温度变化而变化的，其次还有一些人为习惯（用热水，电吹风等）也会影响室内温度。
本章小结
根据上述实验数据可以得出影响烟雾浓度和温度的原因有很多，因为不是实现监测室内变化的，所以上述值不能够准确代表室内的真实情况。
如果要报报警器应用于实际，就应该根据使用环境的实际情况来设定报警临界值。
一般要考虑的因素有季节变化，南北差异，使用环境（如厨房和卧室）等。
第七章结论及展望
火灾报警器能提前向人们通报火灾情况，延长人们的反应时间从而降低火灾危害和财产损失。
它可以最大程度的防范火灾和因煤气泄漏危及人身安全等事故的发生。
它是人们安全生产和家庭生活所必须的仪器，其具有较大的发展空间和较好的市场前景。
本设计是查阅了大量的自动报警技术和全面对比了国内外同类产品的发展情况的基础上才拟定的设计方案。
报警器是信号采集模块、单片机控制电路、报警模块、显示模块四大部分组成。
在这几个模块之间的协同工作下，报警器能够实时监控环境中的烟雾浓度和温度值并通过液晶屏显示出来。
当烟雾浓度或者温度其中任意一个值超过报警临界值时，都能产生报警同时通过GSM模块实现远程报警。
在报警器里能够预先设定好两个远程报警的电话号码。
报警器虽然能够达到设计的基本要求，但还是存在一些不足的地方。
例如报警时发生误报。
随着科学技术的不断创新和发展，各种高灵敏高智能是元件被制造出来。
让火灾报警器在未来的发展中，将像高智能，低误报，小型化等方向发展。
而制造成本越来越低，使用方法也会更加简单化，逐步的步入千家万户保证人们是生命财产安全。
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