秸秆禁烧无线监测系统的设计及实现毕业论文.doc

陕西理工学院毕业设计 毕 业 论 文 设 计题 目 秸秆禁烧无线监测系统的设计及实现 毕业论文设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信1102 学生姓名 张 帅 一、毕业论文设计题目 秸秆禁烧无线监测系统的设计及实现 二、毕业论文设计工作自 2014 年 12 月 9 日起至 2015 年 6 月 20 日止三、毕业论文设计进行地点: 物 电 学 院 实 验 室 四、毕业论文设计的内容要求：1、本次毕业设计要求如下： 设计一个秸秆禁烧无线监测系统，要求： 通过基于ZigBee技术的无线传感网络实现农田监测区域的温度/烟度等参数的数据采集； 利用现有通信网络进行远程数据传输； 编写一套上位机监测中心管理软件，通过系统对温度/烟度等环境参数采集并传输，利用管理软件对采集数据进行分析，以实现农田监测区域多个监测点数据实时获取、数据共享及安全预警功能。 2、毕业设计成果要求： 程序代码、硬件实物和论文，论文要求计算机打印（A4纸），论文有不少于3000词的相关英文中文翻译。 3、毕业设计时间安排： 14周：查阅相关资料，熟悉题目内容，掌握设计原理，提交开题报告； 510周：根据设计原理，进行相应软、硬件设计； 1112周：完善设计功能，整理资料并进行结果测试及分析； 1314周：毕业设计验收； 1516周：撰写、修改、提交毕业论文，毕业答辩。 指 导 教 师 系(教 研 室) 系(教研室)主任签名 批准日期 接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名 秸秆禁烧无线监测系统的设计及实现张 帅（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1102班，陕西 汉中 723000）指导教师：张文丽 摘要农田秸秆禁烧无线监测系统是实现农田及农村信息无线监测、无人值守，有效并且可靠管理的重要组成部分，是推动农田及农村智能化管理的重要步骤，具有较大的应用价值。本课题设计一个无线监测系统，选用STC89C52单片机作为主控芯片，分别用DS18B20温度传感器、MQ-2烟雾传感器采集环境温度和烟雾浓度，通过STC89C52单片机处理后实现温度及烟雾浓度显示、越界报警功能，同时，本课题研究开发上位机监测软件。系统对监测信息采集并传输，通过监测软件观察监测点的温度及烟雾浓度。该系统结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、具有一定的实用价值。 关键词监测；上位机；单片机；传感器 Design and Implementation of Straw Incineration Wireless Monitoring SystemZhang Shuai(Grade11,Class2,Major of Communication Engineering,Physical and Telecommunication Engineeringinstitute,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,Shaanxi)Tutor: Zhang Wenli Abstract:Farmland straw incineration wireless monitoring system is very important in application. By effective and reliable management, it can realize the rural information wireless monitoring. Its one of the important steps to promote the farmland and rural intelligent management,so it has great value in application.The issue designs a wireless detection system.In this design,the STC89C52 single-chip microcomputer was choosed as the master control chip and the system collect environmental information from the MQ-2 and DS18B20 sensor respectively.After processing by STC89C52,the system can display temperature and smoke concentration in nixie tube,and the system can also give an alarm when environmental information cross the border. Simultaneously,the research develops monitoring software for upper computer.The system can transmit monitoring information from the MQ-2 and DS18B20 sensor,and we can observe the temperature and smoke concentration of the monitoring points by the monitoring software.Because of the advantages of simple structure,stable performance,convenient application and low cost,the system would have a certain practical value. Key words:monitor,PC, MCU, sensor 目 录引 言11 研究背景21.1 研究意义21.2 研究现状21.3 本文的主要内容32 方案论证42.1 设计要求42.2 方案设计42.3 方案选择53 硬件设计63.1 单片机最小系统63.1.1 电源供电模块73.1.2 晶振电路73.1.3 复位电路83.2 信号采集电路93.2.1 温度采集电路93.2.2 烟雾采集电路及AD转换113.3 显示电路133.4 报警电路143.5 键盘电路143.6 无线收发电路144 软件设计164.1 主程序设计164.2 初始化程序设计174.3 数据采集程序设计174.4 按键控制程序设计184.5 报警程序设计194.6 上位机软件设计195 系统分析205.1 系统仿真205.2 硬件测试215.3 功能分析23结束语24致 谢25参考文献26附录A 外文文献原文27附录B 外文文献译文33附录C 部分程序清单38附录D 元器件清单41附录E 实物图42V陕西理工学院毕业设计引 言自古以来农民就有焚烧秸秆的习惯，只是近些年焚烧秸秆才被“证实”为雾霾天形成原因，虽然雾霾天并不总是在秸秆焚烧时才出现，将其拿出来做“挡箭牌”有点难以服众，但事实上，焚烧秸秆确实会让空气质量下降。谁是秸秆焚烧的最大受害者？很明显，是距离起火点最近的人。换言之，包括焚烧秸秆者在内的住在秸秆焚烧火点周围的人是秸秆焚烧的最大受害者。有过亲身体验的人知道，秸秆焚烧后，空气中弥漫着一股呛人的味道，叫人喉咙发痒，呼吸困难，全身不自在。焚烧秸秆者不仅要承担身体之苦，若是被抓现行，还要被处以罚款乃至被追究法律责任，代价不可谓不大。不过，焚烧秸秆之害虽大，农民却认为离自己较远；焚烧秸秆之便利虽小，却能让农民看到眼前的好处、解决其当前的难处。在我国的华北平原地区深受秸秆焚烧之苦，每年夏收秋收之际，每至傍晚，到处浓烟滚滚，甚者十米之外不能见人，口鼻喉咙也被这烟火气撕扯着，呼吸都成难事，眼睛也被熏得疼痛不已。每年两次，有些地方还有第三波，年年如此。每每到了此等时节，新闻都对这焚烧秸秆的举动深恶痛绝，同时对焚烧秸秆危害的宣传也铺天盖地。加上近年来对空气质量问题的广泛关注，这种可以瞬间让人窒息的破环空气行为，更让舆论大张挞伐。基层政府为了平息众怒，也下了大力气整治。每次到夏秋收获的季节，乡镇里都要把能派出去的干部全撒出去，天天守在田间地头，禁止乡民焚烧秸秆。同时也会要求村委通知乡民禁烧秸秆，违者从重惩处、罚款多少多少之类，还要组织人到地里严防死守。另外也会在路两旁挂满“秸秆还田，利国利民”焚烧秸秆可耻，利用秸秆光荣“之类的横幅。但是不管宣传有多苦口婆心，措施多严厉，阵势有多大，总没多大用处。白天不让烧，乡亲们会晚上结伴点一把火，风高月黑，火势容易蔓延，人却不易被抓，而守护的人也睁只眼闭只眼，毕竟都是乡里乡亲，抬头不见低头见，谁也不会为了这禁令得罪人。况且，自己家的秸秆也等着烧呢或者是村干部等上边风头一过，且村民已收割完毕，不声不响放一把火，把该烧的都烧了，当然，连带自己家的。镇里县里干着急也没办法。因此，这件事就成了死循环，政府年年强调，媒体年年报道，老百姓该烧的却一次都没落下。由于田地面积广阔，看护和管理也十分不便，这就需要一种有效的手段来实时监测田地的情况，并且可以将信息反映给管理者，节省人力资源。本次设计主要针对农田区域的智能化管理来设计出一套可以实现秸秆焚烧监测的应用系统，解决农田的监测困难问题。1 研究背景1.1 研究意义众所周知，我国是一个农业大国，农村人口占全国的绝大多数。人们在衣食住行等各个方面都要依靠农业来提供需求，农业的发展关系到全国人民的生活。我们在从事农业生产时往往会产生大量的秸秆，这些秸秆将何去何从是我们应该讨论并解决的问题。每到收获的季节，人们常常会把秸秆就地焚烧，然而他们却忽略了秸秆焚烧所带来的危害。秸秆是成熟农作物茎叶（穗）部分的总称。通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和其它农作物在收获籽实后的剩余部分。人们现在对秸秆处理方式最直接的印象就是在田里大量焚烧，人们为了加快农忙的进程，就地焚烧大量的秸秆，却不知这样做他们将会付出更为严重的代价。尽管这些年来，相关部门采取了一些措施遏制了秸秆就地焚烧，但这些措施却未能从根本上消除此类事件的发生，这一现象在我国的东部地区更加常见。每年到了农作物丰收的时候，就会在田地里产生很多秸秆，对于农民来说最方便快捷的办法就是就地焚烧，焚烧产生的滚滚浓烟几乎可以使人窒息，秸秆焚烧还会给我们的生活带来严重的影响，比如机场停运、高速公路封闭等事故给我们带来诸多不便，造成的损失也不计其数。据统计，我国目前耕地面积有15亿亩，每年产出的农作物秸秆多达6亿吨，其中稻草约占1.8亿吨，玉米2.2亿吨，小麦1.1亿吨，还有甘薯蔓、油菜秸、大豆秸、甘蔗梢、高粱秸、花生秧及壳等农作物产出的秸秆都超过千万吨，而在每年大约有80的秸秆都被直接焚烧，农作物秸秆得不到有效利用反而成为一大公害。为了改善农业生产带来的害处，农业部等国家六部联合发布，提出了加强秸秆综合利用和禁止禁烧的政策。秸秆焚烧给我们生活带来极大危害，应该引起我们高度重视。一是焚烧的烟雾会污染空气，进而影响人的健康。根据研究表明，秸秆焚烧的过程中，产生的二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物会严重影响空气质量，使空气中这三种有害气体的含量严重超标，被污染的空气会刺激人的眼睛、鼻子和咽喉等器官，使人出现咳嗽、胸闷、流泪等不适，严重时可能诱发支气管炎等呼吸道病变，对老年人和少年儿童危害最大。二是容易出现安全隐患，比如火灾，会威胁到人们的生命财产安全。秸秆焚烧，极易引燃周围的易燃物，尤其是在村庄附近，因施救难度大，一旦引发火灾，后果不堪设想。三是容易造成交通安全隐患。焚烧秸秆产生大量的烟雾，烟雾弥漫会降低空气能见度，使司乘人员的可见视野范围下降，使交通事故的发生率大大增加。四是焚烧秸秆会改变土壤结构，造成土壤孕育植物的能力下降。焚烧秸秆产生的高温会杀死土壤中的微生物，影响植物对土壤中养分的充分吸收，因而会造成农业收成的严重减产，同样影响农作物的质量。为了早期发现和通报秸秆焚烧现象，防止和减少火灾危害，避免环境污染，减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度和周围温度，及早发现事故隐患，并及时制止，采取有效措施，避免事故发生和环境污染，才能确保农业生产安全和环境的保护。因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。1.2 研究现状国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，使得烟雾传感技术发展迅速，这一发展趋势之快是因为随着人们对火灾安全的意识增强，追求更高的生活舒适性和安全性1。据有关统计，美国1996年至2002年烟雾传感器年均增长率为27%30%。随着传感器技术的发展，人们对他的制造工艺也有了显著的提高，现今传感器的体积不断减小，而集成度却提高了很多，制造工艺也复杂化，传感器的综合性能更加稳定，应用也更加灵活2。 1963年5月，日本成功开发并完成了第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，同年12月将此产品做了改进，改进的报警器可以检测一氧化碳等可燃气体，最多应用于家庭厨房中3。我国在70年代初期也开始了对烟雾传感器的研究，并且生产型号多样、品种也更加齐全，从最初的单一对炼油系统开发的可燃气体传感器到应用于各种生产生活中的安全场所监控，开始出现各种安全监控报警器，每年的生产产量也在不断上升，这些成就主要是在引用了国外先进的传感器技术和先进的生产制造基础之上，做进一步研究来开发出具有自己特色的产品技术。近些年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步4。1.3 本文的主要内容本设计针对经常发生的秸秆焚烧事故，主要采用传感器采集信号并对信号做处理，实现远程监控，最终使系统具有温度和烟雾浓度检测及报警功能的秸秆焚烧自动检测报警系统。报警系统由硬件和软件两个部分组成。本设计在硬件设计方面主要对单片机芯片、烟雾传感器和温度传感器的功能和使用方法进行研究并掌握，并且选择合适的型号应用在本设计中。以单片机作为中央处理器，对硬件电路进行设计和驱动。软件部分主要是报警系统控制程序，按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始化子程序、键盘处理子程序、报警子程序。本文的第一章主要介绍课题的研究意义，介绍了秸秆禁烧无线监测系统的发展状况。此外，还介绍了论文的主要内容及章节安排；第二章介绍了秸秆焚烧探测的实现方法，给出秸秆禁烧无线监测系统的总体设计构架，并且介绍了设计应用到的基本技术；第三章介绍了秸秆禁烧无线监测系统硬件设计，详细介绍了传感器信号采集电路、单片机处理电路及报警电路，并给出相应模块的设计原理图；第四章介绍了秸秆禁烧无线监测系统程序设计，介绍数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等；第五章主要介绍本设计方案的具体实现及调试，其中包括故障监测和检测和功能分析。2 方案论证2.1 设计要求秸秆禁烧无线监测系统是能够检测环境中的温度和烟雾浓度，并具有报警功能的仪器。设计要求通过基于ZigBee技术的无线传感网络实现农田监测区域的温度/烟度等参数的数据采集，利用现有通信网络进行远程数据传输；编写一套上位机监测中心管理软件，通过系统对温度/烟度等环境参数采集并传输，利用管理软件对采集数据进行分析，以实现农田监测区域多个监测点数据实时获取、数据共享及安全预警功能。设计完成的秸秆禁烧无线监测系统应该具有以下功能：(1)环境数据实时显示功能，显示环境当前的温度和烟雾浓度。(2)报警上限值调节功能，设置温度和烟度的报警上限值。(3)异常报警功能，当环境出现异常(如烟雾浓度过大或是温度较高)时，能发出异常报警信号，引起人们注意，尽可能避免事故的发生。(4)远程无线传输功能，将温度和烟度数据利用无线收发模块传送给PC端实现上位机监控，实现数据的查询和存储。2.2 方案设计(1)方案一：基于单片机的系统设计本设计方案主要由单片机最小系统、显示电路、按键电路、传感器电路、报警电路、无线数据传输电路和上位机系统等模块组成，其中采用STC89C52单片机为主控制系统来控制各模块并且将各模块功能组合在一起形成秸秆禁烧无线监测系统，设计思路如图2.1所示。图2.1 基于单片机的系统框图单片机是整个监测系统的核心，系统的工作原理是：先通过传感器 (包括温度传感器和烟度传感器)将田地温度、烟雾等非电信号转化为电信号，经由模数转换器将传感器输出的模拟信号转换为单片机可以直接处理的数字信号,完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换5，单片机处理采集到的信号控制显示电路显示温度和烟度参数并判断现场是否发生秸秆焚烧，如果发生秸秆焚烧，系统将控制报警电路报警，在整个过程中利用无线收发模块将采集到的数据发送给PC端上位机系统。(2)方案二：基于FPGA的秸秆禁烧图像监测系统设计本设计方案主要是采用FPGA来实现秸秆焚烧图像的检测方法，首先采用从秸秆焚烧现场所传回的视频中按每隔几帧抽取出一幅图像，然后通过Matlab软件读取出相应的图像数据，再将读出的图像数据通过FPGA存储在ROM中。然后通过读取ROM中存储的图像数据，根据秸秆焚烧火焰图像的特征进行火灾的监测，最后将检测的结果显示出来。通过采用图像的边缘检测的方法对秸秆焚烧的火焰图像进行边缘检测，根据边缘检测的结果来判断是否发生秸秆焚烧。当上述的检测取得较好的结果后，可以模拟秸秆焚烧的场景进行检测，系统的整体设计通过硬件实现。其硬件电路设计的整体框图如图2.2所示。图2.2 基于FPGA的系统框图此方案应用CMOS图像传感器实现图像数据的采集，通过初始化设置这一模块来实现图像传感器的初始配置。将图像数据采集到之后，经过颜色空间相应的转换，然后将转换完成的图像数据传送给SDROM并进行存储，通过图像数据获得相应信息而实现秸秆焚烧的检测，最后将检测到的数据信息传给输出控制模块而显示出监测数据。通过FPGA实现的硬件系统处理速度快而且实时性比较高。2.3 方案选择方案一采用STC89C52单片机作为主控芯片，利用温度和烟度传感器采集环境参数并送给单片机做数据处理实现显示和报警功能，整个系统是以单片机为核心，控制各单元模块协调工作，使用的单片机和外围器件都不是特别复杂，并且成本也不会太高，基本能控制在农田应用的可接受范围以内。方案二采用图像传感器采集环境信息并应用基于FPGA的硬件电路进行图像处理获得环境信息并实现显示和报警功能。系统通过COMS图像传感器来采集环境信息，并且对图像进行处理获得有效信息，通过基于FPGA的硬件电路识别图像信息并控制外围电路实现相关功能，通过CMOS传感器获得数据信息会更加准确，并且稳定性很高。相比方案一来讲，方案二采用的COMS图像传感器虽然获取数据更准确稳定一些，但比起温度烟度传感器来说成本要高很多，而且考虑到传感器要布置在无人看守的田地里，采用更廉价的传感器更现实一些，加上基于FPGA的图像采集技术比较复杂，因此选用方案一更贴切实际，而且容易实现。3 硬件设计本系统选用基于单片机的系统设计方案来实现系统功能，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。下面对系统的各模块电路分别做具体设计。3.1 单片机最小系统单片机的全称为单片微型计算机，是嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）中最典型的一种，英文中通常会用MCU来表示单片机，单片微控制器也表示单片机5。单片机是秸秆禁烧无线监测系统的心脏，用来接收秸秆焚烧信号并启动报警装置显示和执行相应的保护和预防动作。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的温度值和烟雾浓度等级，并进行相应处理。同时，在能够满足系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了系统的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。单片机作为最典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。由于其微小的体积和极低的成本，开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和编程语言也大大简化，因此被广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具6。由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，Atmel公司单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。根据多方面的比较，本设计采用STC89C52单片机。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。按照功能，STC89C52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等7。STC89C52单片机的管脚排列如图3.1所示。图3.1 STC89C52单片机管脚图STC89C52单片机主要特性如下：(1)增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.(2)工作电压：5.5V3.3V（5V 单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）(3)工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可48MHz(4)用户应用程序空间为8K字节(5)片上集成512字节RAM(6)通用I/O口（32 个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。(7)ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片(8)具有EEPROM功能(9)具有看门狗功能(10)共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2(11)外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒(12)通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART(13)工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）(14)PDIP封装3.1.1 电源供电模块对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础，如图3.2所示，图中1K电阻为LED的限流电阻，电源电路中接入了电源指示LED，S1 为电源开关。图3.2 电源供电模块电路图此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。3.1.2 晶振电路单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率，其电路图如图3.3所示。图3.3 晶振电路图STC89C52使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间，在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器(VCO)。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。3.1.3 复位电路单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期，具体数值可以由RC电路计算出时间常数。复位电路图如图3.4所示。图3.4 复位电路图复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。(1)开机复位：STC89C52单片机复位电平为高电平，复位引脚接在电阻和电容串联的节点处，电阻的另一端接地将RST拉向低电平，电容的另一端接高电平，电容和电阻共同组成了一个RC充放电回路，单片机在加上电源的瞬间RST端因为电容的充放电过程产生一段时间的高电平使单片机复位，电容放完电后RST恢复为低电平，复位电阻和复位电容通常取10K和10uF。(2)手动复位：手动复位的实现方法是通过开关动作给RST一个短暂的高电平，开关与复位电容并联后按下开关复位电容被短路复位电阻上有电流导通使得RST端有了一个暂时的高电平让单片机复位。3.2 信号采集电路3.2.1 温度采集电路温度采集选用DS18B20数字式温度传感器来采集环境温度。DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点，相比传统的热敏电阻制成的温度传感器它不需要模数转换，可以直接读取出温度数据，并且是以数字信息读取到的，具有使用方便的特点。 DS18B20的性能特点如下：（1）独有的单线接口只需要一个端口引脚便可进行通信；（2）多个DS18B20测量多路数据时无需分开接线，将所有传感器的数据端口接在一起就可以实现多点测量；（3）不需要外围器件；（4）供电电压范围广，适合3.05.5的电源供电，也可以使用USB供电；（5）待机时功耗几乎为零；（6）温度一般为9位数据或者12位数据；（7）用户可以对它定义报警设置；（8）能识别报警的搜索命令，并且可以标志超过预设温度的器件；（9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作8。 DS18B20温度传感器的引脚排列如图3.5所示。图3.5 DS18B20温度传感器引脚图其引脚功能描述见表3.1。表3.1DS18B20引脚功能详细描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装。64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表3.2是一部分温度值对应的二进制温度数据。表3.2 一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90HDS18B20的测温原理是这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，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，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致等于被测温度值。DS18B20温度传感器的1脚接地，2脚数据端接单片机的P3.4，3脚接VCC，为了确保DS18B20工作可靠，2脚要接10K的上拉电阻。如图3.6所示。图3.6 DS18B20温度传感器接线图当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。3.2.2 烟雾采集电路及AD转换烟雾采集选用MQ-2烟雾传感器，烟雾传感器MQ-2将烟雾信号转化为模拟的电压信号，通过一个可变电阻来调节烟雾传感器的灵敏度9，6脚接ADC0832的CH0端，通过CH0进行单通道数据转换。ADC0832的1脚接单片机的P3.7引脚，7脚CLK接P3.5引脚，5脚和6脚并联接在P3.6引脚上。由单片机通过P3.7端口输出低电平，ADC0832开始进行模数转换，P3.5给ADC0832提供稳定的时钟脉冲信号。AD转换选用AD0832芯片实现烟雾信号的数模转换，ADC0832是NS(National Semiconductor)公司生产的串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用。其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。其主要特点如下：（1）8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V；（2）5V单电源供电；（3）输入模拟信号电压范围为05V；（4）输入和输出电平与TTL和CMOS兼容；（5）在250KHZ时钟频率时，转换时间为32us；（6）具有两个可供选择的模拟输入通道；（7）功耗低，15mW。ADC0832有DIP和SOIC两种封装，DIP封装的ADC0832引脚排列如图3.7所示。图3.7 ADC0832引脚图各引脚说明如下：（1）CS片选端，低电平有效。（2）CH0，CH两路模拟信号输入端。（3）DI两路模拟输入选择输入端。（4）DO模数转换结果串行输出端。（5）CLK串行时钟输入端。（6）Vcc/REF正电源端和基准电压输入端。（7）GND电源地。正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以在电路的具体应用中可以把D0和D1连接在一起。ADC0832芯片的CS引脚为片选端，片选段为高电平时，芯片被禁止，CLK和DI的的电平变化共同控制着ADC0832。当电路需要进行A/D转换时，首先将CS引脚改为低电平使芯片有效，这时芯片做好了准备工作，通过单片机I/O口向CLK端写入脉冲时钟，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下降沿DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下降沿DI端应输入2 位数据用来选择通道功能，其功能项见表3.3。表3.3 ADC0832通道选择配置位输入形式 配置位选择通道CH0CH1CHOCH1差分输入00+-01-+单端输入10+11+如表3.3所示，当读取到的信息为“1”和“0”时，则选择通道CH0 进行A/D转换。当读取到的信息为“1”和“1”时，则选择通道CH1进行A/D转换。当读取到的信息为“0”和“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当读取到的信息为“0”和“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。到第3个脉冲的下降沿DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下降沿始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。烟雾采集电路图如图3.8所示。图3.8 烟雾采集电路图作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是05V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。3.3 显示电路显示电路采用四位一体式共阴数码管来实现数据的显示，在采用单片机系统应用时，通常采用价格低廉并且应用灵活的数码管来作为电路的显示部分。我们经常应用到的48位七段LED显示数码管器件，这里采用的是4位一体数码管。通常我们有多种方法来实现数字显示，不变的是，实现多位数字的显示其基本原理是类似的。本文对数码管的显示呈现了一种常用的显示方法，应用这种方法实现多位数码管的动态显示，其硬件电路结构简单很多，并且廉价和移植方法简单，因此它在各种领域都有广泛的应用10。多位LED显示时，将所有数码管的段选并联在一起，由一个8位I/O口控制，每个数码管的阴极或者阳极连在一起通过8位I/O口输出控制信号控制每一个数码管的显示状态。本设计的显示是利用单片机的两个I/O口实现4个LED数码管的控制的简要方法，图3.9所示是该电路的硬件原理图。其中为了使单片机I/O口有足够的电流驱动数码管，在每个段选端口都加上一个三极管来放大电流，数码管用共阴型数码管11。图3.9 数码管显示电路图显示时，其数据信息会以并行传输方式从STC89C52的P2口输出并且送给段选端的8个管脚，同时用P0口传送位选信息给数码管，实现对数码管LED1LED4的位选控制，这样，4个数码管便以100ms的时间间隔轮流显示。由于人眼的残留效应，这4个数码管看上去几乎是同时显示。3.4 报警电路本系统中采用蜂鸣器报警，通过单片机I/O口发出控制信号来控制蜂鸣器的响应，其电路图如图3.10所示。图3.10 蜂鸣器报警电路图由于单片机输出电流较小，所以用三极管S9013驱动蜂鸣器发出声音12。单片机的P3.3口连接三极管基极，当检测到火灾隐患时，P3.3输出高电平，三极管工作在放大状态，电路导通，蜂鸣器报警。3.5 键盘电路报警数值用按键S2，S3，S4来设置，S2为调整键，通过三个端口分别采集键盘信号，电路图如图3.11所示。图3.11 键盘电路图按一下调整烟雾报警限值，按第二下调整温度报警下限值，按第三下调节温度报警上限值，按第四下取消光标显示，屏幕恢复正常显示。S3、S4、分别为减小键和增大键，和调整键配合使用。3.6 无线收发电路系统采用一对ATK-HC05蓝牙模块实现数据的无线收发，ATK-HC05是一款高性能的主从一体蓝牙串口模块，可以同各种蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等智能终端配对，模块兼容5V或3.3V单片机系统，可以很方便的与其他产品进行连接。这种模块非常小巧，模块通过6个2.54mm间距的排针与外部连接，发射模块电路如图3.12所示。图3.12 基于ATK-HC05蓝牙模块的发射电路图发射模块通过串口与单片机直接实现通信，供电与单片机一致使用5V电压，单片机直接把数据传送给发送模块，发送模块将数据发送出去。接收模块同样采用一片ATK-HC05模块作为无线接收部分，接收部分要实现与单片机的串口通信，这里直接运用CH-340模块实现串口到TTL电平的转换，不再需要通过单片机控制，节省成本的同时结构简单易于实现，其原理电路图如图3.13所示。图3.13 基于ATK-HC05蓝牙模块的接收电路图通过CH-340模块实现串口到TTL电平的转换之后，即接收模块可以直接与PC端进行串行通信，实现接收数据并且传送给PC端，使电路实现功能的同时结构更加简单。4 软件设计软件的设计采用模块化设计，模块化设计的目的是以少变应多变，以尽可能少的投入生产尽可能多的产品，以最为经济的方法满足各种要求13。由于模块具有不同的组合可以配置生成多样化的满足用户需求的产品的特点，同时模块又具有标准的几何连接接口和一致的输