基于单片机的防火防盗系统.docx
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基于单片机的防火防盗系统
本科生毕业论文（设计）
题 目
基于单片机的防火防盗系统
姓 名
赵吉山学号2012416708
院 系
工学院
专 业
电气工程及其自动化
指导教师
黄金明职称副教授
年月日
曲阜师范大学教务处制
基于单片机的防火防盗系统
电气专业学生赵吉山
指导老师黄金明
摘要：
本文是以STC89C52单片机为核心，辅助以烟雾传感电路、红外传感电路、温度传感电路、声光报警电路、显示电路以及按键电路的一种运行系统可靠、操作也较为简单的智能报警系统。
防火主要以烟雾传感电路检测气体浓度标准，温度传感电路检测温度标准是否符合安全标准达到目的，当烟雾和温度超过标准时声光电路报警提醒用户注意；防盗主要是以红外传感电路检测有无盗窃分子侵入来达到目的，当有不法分子进入时，阻挡红外线传播，产生信号送至单片机，单片机控制声光报警电路报警。
显示电路的主要作用是显示温度及烟雾数据。
关键词：
单片机防火防盗报警
Microcontroller-basedfirealarmsystem
ElectricalMajorsZhaoJishan
TutorHuangJinming
Abstract:
The study is based on STC89C52 microcontroller core, assisted by smoke sensing circuit, infrared sensor circuit, the temperature sensing circuit, sound and light alarm circuit, display circuit and one of the runtime key circuit reliable, the operation is relatively simple smart alarm system. Mainly in smoke fire sensing circuit senses the gas concentration levels, temperature sensing circuit senses the temperature of the standard meets the safety standards to achieve the purpose, when the temperature exceeds the standard smoke and sound and light alarm to alert the user circuit; burglar mainly infrared sensor circuit has detected non-invasive molecules to achieve the purpose of theft, when criminals enter, the block infrared transmission, generates a signal sent to the microcontroller, microprocessor control sound and light alarm circuit alarm. The main role is to display circuit data indicating the temperature and smoke.
Keywords:
MicrocontrollerFireproofTheftAlarmsystem
1绪论
1.1研究背景
我国现代社会经济飞速发展，人们生活水品不断提高，基于国家的十三五发展计划，在党的领导下全面奔小康社会，随着人们不断提高的生活水平，随之而来的使人们对生活质量的提高。
其中，防火防盗是重中之重。
防火关系到人们自身的生命安全，防盗关系到人们的财产安全。
现在市面上的防盗措施仍然是以防盗门、防盗窗为主的传统防盗措施，主要以增加盗贼进入的难度来达到防盗的目的，但是它们不仅笨重，不容易安装，还会影响美观，更为出现事故时人们的逃生带来诸多不便，因此这种防盗方式因为会影响美观还有及时性差已经渐渐不能满足人们对它的要求了。
同理，防火也应为人工的及时性差渐渐面临淘汰。
随着科学技术的飞速发展，防火防盗的智能化渐渐登上社会舞台。
本文论述的报警系统就是基于这样的一个目标而作出的一种基于单片机的，能满足人们日前生活所需的一种能够自动检测火灾和盗窃信息并报警的设备。
1.2前景展望及意义
窗体底端
智能住宅小区住宅产业化发展是现代，便捷，高效的物业管理的必然选择，以实现居住环境的安全舒适、信息通讯的方便快捷，达到智能家居和智能社区建设的目标，这也是IT行业发展的必然结果，是向人民生活和传统的住宅产业化的信息技术渗透，是科学技术发展和开拓更广阔的市场的必然结果，人工智能最近几年在世界以及在中国都在飞速发展。
可以预见的是随着人们生活水平奔小康，生活质量越来越高，家居的智能化会越来越普遍，不久的将来，人工智能将成为人们生活中不可或缺的部分。
而设备的智能化是一方面，还有一方面是设备的实用性和价格也是人们选择的一个参考，本文的核心采用的是STC89C52这种单片机，它性价比高，易操作，且本文系统侧重于报警的及时性，在灾情即将开始之前发出警报，以便于用户能及时做出反应，避免受到人身伤害或财产损失，对于智能报警装置的普及有一定的意义。
2防火防盗报警系统的方案设计
2.1设计要求
现如今人们的生活品质都相比较于以往时候大大提高了，个人住户的防火防盗意识也渐渐增强，就目前市场上来讲，所拥有的最基本的防盗设备，像防盗门防盗窗等产品已经远远满足不了人们目前的需求了，所以，新型防火防盗设备的出现也是十分必要的。
本次设计的目的就是希望设计出一款基于单片机的，能够满足人们日前生活所需要的一种能够防火防盗报警的这样的一种设备。
功能要求：
（1）能够检测温度，若温度超出了指定值时警报；
（2）能够检测烟雾浓度，若烟雾浓度超标时警报；
（3）能够红外检测遮挡信号，若检测出非法入侵则警报。
2.2设计思路
本次设计的目标是通过单片机的控制，烟雾、温度、红外传感电路对外界环境的信息采集来完成对周围环境防火、防盗的预警以及对环境温度、烟雾浓度的信息显示。
并且可以通过按键电路来控制设备的工作状态。
本次设计由硬件系统及软件系统共同组成，主要分为四部分：
信息采集部分、中心处理控制部分、外部显示部分及外部管理部分。
从设计的要求来剖析须包罗如下构造:
温度传感电路、烟雾传感电路和红外传感器电路、报警电路、单片机、复位电路及相干的控制管理软件,他们之间的形成框图如下图2.1所示:
图2.1防火防盗报警系统结构框图
首先给单片机STC89C52设定好声光报警信号的临界值，安装好各模块，使用按键电路开启设备工作。
设备工作后由检测传感电路检测并发送检测到的信号发送到单片机，当检测到有不法分子入侵的信号或者温度及烟雾浓度信号超过设定的报警值时（我的这个设计中温度界值是50度，烟雾浓度界值是百分之十五），单片机发送报警信号至声光报警电路模块与显示电路模块，实现显示电路的温度浓度显示并实现报警电路的声光报警功能。
如果检测到的信息没有超过设定的界值，则单片机只发送信号至显示电路，只显示当前的温度和烟雾浓度。
设计中当单片机接收到信号时设定了10ms的延时，主要是为了防止信号不稳及按键时出现抖动导致出现错误信号。
所以单片机首先经过10ms延时，再接收DS18B20和MQ-2的数据信号，再经过10ms延时，处理发送至LCD1602液晶显示器。
2.3设计方案
2.3.1硬件设计方案
硬件系统有以下几个部分组成：
（1）温度传感器电路：
使用DS18B20温度传感器作为防火系统的其中一个部分，未设置时报警温度显示为0℃，可自行设置报警温度，上限为95℃。
当温度变化时，芯片内部的高温度晶振也随着变化，从而引起一系列内部变化产生震荡信号，再经过DS18B20计算，输出数字信号给单片机。
（2）烟雾传感器电路:
使用MQ-2烟雾传感器作为防火系统的其中一个部分,未设置时报警浓度值为百分之0,可自行设置报警浓度,上限为百分之100。
其主要材料为二氧化锡。
当MQ-2工作时,器件内的SnO2材料会因为吸附氧离子或释放吸附到的氧离子来调节器件的阻值大小。
利用这一点,MQ-2与烟雾接触时,电导率就会变大,烟雾浓度越大,电导率越大,输出电阻越低,经过信号的调整输出当前浓度值,发送至单片机。
（3）显示电路：
使用LCD1602液晶显示器。
单片机每过10ms延迟，处理从温度传感器，烟雾传感器发来的数字量，再经过10ms延迟发送至显示电路。
（4）声光报警电路：
采用蜂鸣器加LED灯实现报警工作。
预设报警温度和烟雾浓度值，当发生火灾，超出所设置的报警值时，单片机发送高电平信号给报警电路，蜂鸣器和LED灯同时工作。
（5）红外传感器电路：
采用光电传感器作为防盗系统的其中一个部分。
当防盗系统开启时，传感器发射一道检测距离在5~30cm的光束，接收器接收到稳定的光信号。
当有人入侵时，接收器接收到的红外信号发生改变，提取这一段变化，经过放大和适当处理，发送至单片机。
2.3.2软件设计方案
⑴C语言及其调试环境
本次课题选用的编程语言时C，C语言是一种使用广泛的程序设计语言，它拥有丰富数据结构、结构化的流程控制和较高效率的目标代码。
C是一种既有高级语言功能又有许多低级语言功能，相对于其他高级编程语言功能更强大的高级语言，因此既可以用于编写系统软件，又可以用于编写应用软件作为工作系统设计语言[1]。
C语言可在KeilC51中进行调试，C在功能、结构性、可读性以及可维护性上都具有相对于汇编来讲很明显的优势，容易掌握。
3防火防盗报警系统的硬件设计
传感器技术在当今社会各个领域都有重要的作用。
本文中防盗系统使用光电传感器，由于它是不可见光，因此用它做防盗监控器有非常好的隐蔽性，无论是白天还是黑夜均可使用，并且它的抗干扰能力也非常强。
防火系统使用烟雾传感器、温度传感器配合完成，以确保火灾发生时，使用者可以在最短的时间内发现火情并处理，令损失降至最低。
3.1单片机STC89C52
本文的主控制核心使用STC89C52单片机。
之所以选用STC89C52单片机当作该设计的主要控制核心部件，是因为它具备了51单片机的功能，同是是一种性价比很高的微控制器，处理方案也相对灵活。
而且可编程容量大足以可以应对本次设计中的程序，指令简单容易编写，可在线编写，也适用于传统编程器。
性能上具有8位的CPU与在系统可编程存储。
3.1.1使用的管脚及其作用
VCC为电源输入引脚。
连接电源电路为单片机提供工作所需的电源，GND接地。
XTAL1、XTAL2为外接晶振引脚。
两个引脚用于连接时钟电路，为单片机提供时钟脉冲信号。
P0.0~P0.7为一组可编程8位双向I/O口。
连接液晶显示器的D0~D7引脚，8位双向数据线并连接一个上拉电阻。
P1.0~P1.7为一组准双向I/O口。
P1.0~P1.3口连接4个独立按键[3]，当键盘按下时，发送一个高电平至相应的I/O口。
P2.0~P2.7为一组准双向I/O口。
P2.0端口连接报警电路，用于发送信号触发报警电路，发送的是高电平，系统需要报警时，从P2.0口输送对应高频率的电平信号，通过NPN三极管放大来触发蜂鸣器，从而产生报警。
P2.1端口连接红外线传感器的DATA引脚。
P3.0~P3.7为一组准双向I/O口。
P3.0、P3.1连接USB接口的DATA引脚。
P3.4~P3.6连接ADC0823的时钟引脚的两个DATA引脚。
P3.7连接DS18B20的DATA引脚。
它的实物图如图3.1所示。
图3.1STC89C52实物图
图3.2单片机最小系统图
3.2温度传感电路
3.2.1温度传感器的介绍
我的这次设计使用DS18B20数字温度传感器作为测温元件。
这种传感器可以显示九位读数，从现场采集到温度读数后可以直接转换为数字信号，并且通过单线传递给单片机，可以实现实时获得现场温度的效果。
温度器与外界交换信息可以通过一条单线与传感器进行信息传递，并且不需要电源进行外部供电，只需要这条单线就可以完成。
3.2.2温度传感器的工作原理
本设计DS18B20的DATA接口与单片机的P3.7相连，当温度变化时，DS18B20内部的高温度系数晶振也随温度的变化而变化，从而使其内部的振荡频率也随之发生大幅度的改变，因而产生的震荡信号，经过DS18B20计算，输出数字信号给单片机。
单片机每10ms就与温度预设报警值比较，如当前温度大于温度预设报警值时，则发送高电平信号给P2.0连接的报警电路。
LED灯点亮，蜂鸣器发声报警，显示器接收单片机发来的当前温度，给予显示。
如图3.4所示为DS18B20的硬件原理图。
图3.4DS18B20硬件原理图
3.2.3温度传感器的作用
本设计使用DS18B20为温度传感器为了实现火灾报警，本设计测温范围为0~95℃，工作电压为3~5.5V/DC。
本设计中DS18B20采集当前的室内温度，内部高温度系数晶振随温度发生改变，产生的震荡信号经过处理，由DS18B20直接输出发送至单片机，当室内温度大于设定的报警温度50度时，单片机经过处理，控制蜂鸣器和LED报警，使人们意识到出现非正常情况，及时做出相应的处理。
3.3烟雾传感电路
3.3.1烟雾传感器MQ-2及其工作原理
我在烟雾传感电路中采集坏境气体浓度采用了烟雾传感器。
当现场的传感器检测到烟雾中一些特有的气体时,影响着传感器内部的电阻大小,从而输出大小不同的电压,并且通过电路将电压信号输送到单片机内部,再通过单片机内部程序响应发出信号,能够不断对现场的火灾状况进行实时监测。
在这次设计中烟雾传感电路中的传感元件我选用了一种气-电转换器—MQ-2型烟雾传感器，因为其工作稳定不易出现偏差、灵敏度高、反应速度快以及成本低等优点，所以选用了它作为这次报警系统烟雾传感电路中烟雾采集的主要元件。
MQ-2气体传感器，此传感器的检测原理为SnO2吸附氧离子情况可以随空气中可燃气体的浓度的变化而变化,从而可以引起气体传感器电导率的改变，从而可以对现行烟雾浓度进行实时监测，这种传感器电路比较简单，适用范围比较广。
对各种气体都比较敏感,在传感器中有很大的应用范围，通过不同的气体浓度引起不同的电导率的改变。
如图3.5为烟雾传感器的结构图，图3.6为烟雾传感器的实物图。
图3.5烟雾传感器的结构图
图3.6烟雾传感器的实物图
3.3.2烟雾传感器的作用
实物中烟雾传感器是为了小范围（100~10000PPM）起火时，检测环境中烟雾的非正常情况（烟雾浓度增加到百分之15），通过A/D转换电路发送信号给单片机，单片机处理数据，使蜂鸣器和LED工作，进行声光报警。
使人们在火势扩大之前，及时做出反应，避免更大的损失。
3.4ADC0832介绍
3.4.1ADC0832的功能
我的这次设计选用的数模转换器是ADC0832，它可以与三线接口接通，但是需要通过单片。
和别的数模转换器相比，它的优势在于价格不贵，较为稳定，功耗不高且速度较为可观，它最适宜用来作的智能仪表是袖珍式的。
它作为A/D转换芯片具有8种分辨率且最高可达256，很多的数模转换的要求都可以适应。
双数据输出也是他的功能之一，正因为这样，此转换器可使误差变小到可接受的范围从而使数据传输更加精确。
多器件沟通且更容易控制处理器是独立芯片的使能输入。
为更加简单的选择通道可使用DI数据输入端，其不同之处在于：
具有八位分辨率，串行输出；双通道A/D转换；电源和参考电压复用；具有单独的片选引脚；外部提供时钟源，工作频率为10~400kHz。
在这次设计中我将CLK、DI、DO作为ADC0832与单片机串行通信的数据口，由CLK来提供时钟信号，DI用来做数据输入选择通道，DOU用作转换数据的输出。
其中由于DI和DO引脚通信时没有同时工作，而且与单片机的接口还是双向的，所以我将它们并联在一根数据线上了。
当/CS引脚置低电平时，ADC0832工作进行A/D转换，在前三个脉冲中DI输入数据选择通道功能，脉冲输入结束后/CS置高电平，ADC0832结束工作，然后单片机处理转换好的数据。
3.4.2A/D转换电路的作用
烟雾传感器MQ-2是电阻型元件，所以需要一个参考电阻串联，然后信号再通过一个放大电路的放大才发送到ADC0832进行采集，经过转换模块A/D转换后送到处理单元单片机中经行处理，电路图如图3.7所示：
1
图3.7A/D转换电路
3.5蜂鸣器
在我的这个设计中我选用了蜂鸣器作为声报警装置。
它主要是通过接收来自于烟雾传感器、红外传感器和温度传感器的数据来判断是否需要报警。
实物图如图2.8所示。
实物图如图3.8所示。
硬件原理图如图3.9所示。
图3.8蜂鸣器的实物图图3.9蜂鸣器报警电路
我设定的温度报警值是50度，当单片机接收到大于等于温度（50度）信号或气体浓度（百分之15）信号又或者光电传感器检测到人员信号时，输出脚输出高电平，使蜂鸣器工作，发出报警声，使人们得到报警信号，及时处理异常。
3.6按键电路
按键电路的作用是认为控制设备，这次设计中我共预留了四个按键位。
如图3.10所示：
图3.10按键电路
在实物中，按键电路是人与单片机互动的核心。
按键电路直接连接单片机引脚上，通过通断控制向单片机发出相应的指令，指导单片机程序的运作。
我设置的按键功能分别为：
S1为设置按键，当S1输出一个高电平时，单片机向LCD1602发出指令，使其转换至设置页面，使用S2、S3控制控制参数以5为单位的加或减，让其报警的数值处在一个合理的位置上（温度报警设定为50度，浓度报警设定为百分之15），然后由S4键确定保存，最后通过S2键开始执行操作或S3键停止执行操作。
3.7显示电路
3.7.1液晶显示器介绍
这次设计中显示电路的核心元件是LCD（液晶显示器），它是一种平面超薄的显示设备。
我选用的是字符LCD—LCD1602。
工业字符型液晶显示器LCD1602，显示位数16*2（32位）。
通过STC89C52单片机把烟雾传感器模块和温度传感器模块传来的数据，由D7~D0引脚输入LCD1602，在液晶屏中显示出来。
配合键盘，可看见设置的报警值，方便人为操作。
显示电路硬件原理图如图3.11所示：
图3.11显示电路
3.8红外传感电路
3.8.1光电传感器
光电传感器是为了实现防盗功能所选择的部件，光电传感器通过检测不同光信号的大小然后通过内部电路转化为大小不等的电信号。
光电检测方法具有精度高，反应快速，非接触等优点，而且可以测量参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电传感器有非常广泛的应用在检测和控制方面。
实物中光电传感器为了实现防盗功能。
采用发射型光电传感器，有效检测范围为5到30厘米。
主人离开时，手动设置开启防盗系统，若有人员进入，阻挡红外线的直线传播，光电脉冲电路产生一个电脉冲信号，该信号经放大，整形后便形成脉冲列，传递给单片机，单片机发送指令使蜂鸣器和LED进行声光报警。
4
防火防盗报警系统的软件设计
在我的这次设计中，软件需要解决额问题主要是检测温度传感器、烟雾传感器以及红外传感器输出的信号，然后将这些信号与预先设定值进行比较，若这些信号超出了设定值则单片机输出信号使报警电路进行声光报警。
主程序流程图如图4.1所示。
.
图4.1软件流程图
4.1温度采集处理模块
我的这次设计因为使用的是集成数字式的温度传感器，它不需要A/D转换，所以它的工作流程比较简单。
首先将DS18B20初始化，然后写入控制字，将报警温度限度设定为50度，读取当前温度送至单片机，当超过报警温度时发送报警信号。
温度采集转换流程图如图4.2所示：
图4.2温度采集流程图
4.2烟雾采集处理模块
⑴标度变换概念
智能仪器检测的物理量，在不同的智能仪器中一般是不同的数字量代表。
因为物理量一般是由传感器转换，然后通过数据采集系统的作用后得到和被测量相对应的数字量，所以会采纳一定的处理技术来将代表不同物理量的数字量转换为代表不同纲量达物理量相同的数字量,这样的技术称为标度变换。
⑵数据采集
数据的采集是由中断程序完成的，首先运用芯片ADC0809的IN0、IN1进行A/D转换转换为电信号，然后由单片机接收并处理已转换好的数据信号，存到已经指定好的存储单元中。
每进行一次转换都等待外部中断0，如果中断到来则说明转换已经完成了，最后经过中断服务程序读取经过变换到的数据信号并对数据进行标度变换。
在A/D转换时需使用ADC0809的IN0、IN1；数据被单片机查收，转换并存储到预设的储存器单元，这一系列动作都是由中断服务程序来实行的。
无论哪一次驱动A/D转换完成都需等待外部中断0，转换完成的表示就是外部中断0的出现。
由此读取且转换的数据需有标度变换这个动作。
注意：
当cs的电平由高变低时。
需使用ADC0832。
若此时为上升沿，ADC0832的多路地址移位寄存器需得到DI端口的数据输出。
刚出现CLK时，表示启动位的是DI高电平，随后，会输入2位配置位。
若是配置位和启动位都得到了输入，使用模拟通道，进行转换。
等待延迟1个时钟周期，使被选的通道稳定下来。
在第4个时钟下降沿时，ADC0832会把转换的数据输出。
最高位D7是最先输出的，次序为：
D7~D0；完成后，需使用最低位重新输出，顺序为D7~D0，最低位在这两次的输出是共享的。
若cs是高电平，则ADC0832内部寄存器会清0，输出会是高阻态。
假如要再一次的A/D转换，cs的电平需要再次由高变低，接下来才对配置位和启动位进行输入。
烟雾采集转换流程图如图4.3所示：
图4.3烟雾转换流程图
4.3显示电路模块
LCD初始化经过10ms延时，先设置显示第一行内容：
温度；再设置显示第二行内容：
烟雾浓度；在执行每条指令开始之前都要确认模块的“忙”标志是为低电平，表示“不忙”，那么指令失效，要求显示字符时应该先行输入显示字符的地址，然后在输入的地址写入主要数据并且地址会自动加1。
如图4.4为液晶显示流程图设计。
图4.4液晶显示流程图设计
结论
防火防盗技术智能化、数字化是它未来的发展方向，随着信息产业的快速发展，智能防火防盗系统也在快速发展，也许不久的将来会实现无人值守，只需数字化、程序化就可进行防火防盗。
可以预见的是在未来防火防盗智能家居必将登陆居民家中，以提高居民的生活水平。
本文根据防火防盗的要求，对防盗信号和防火信号分别进行了分析处理，叙述了它们的处理程序和流程，分别给出了硬件和软件模块，细分为了：
防火模块（温度检测电路与烟雾检测电路）、防盗模块（红外线传感电路）、中央处理及控制模块（STC89C52单片机及按键电路）和报警模块（声光报警电路及显示电路）几个模块，实现了一定程度上的对防火防盗信息的处理及报警。
经过这么长时间的毕业设计的准备，我感觉到了自己对四年来学到的知识掌握的不扎实，因为种种原因设计也没有进行详细的测试，设计中也因此存在了很多的不足。
在今后的生活中我会继续学习，努力将系统完善，用知识充实自己。
致谢
转眼间到了毕业的时候，在大学的最后的时光里我完成了大学最后的一次任务—毕业设计。
这次毕业设计是在我的指导老师黄金明老师的悉心教导下完成的，感谢黄金明老师在我毕业设计中无私的帮助。
感谢黄金明老师在百忙中对我的设计提出了宝贵的建议和意见，感谢老师对我的付出和培养。
在此谨向黄老师表达我崇高的敬意和谢意。
参考文献
[1]徐香坤，
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