火焰检测报警器-课程设计

广州学院广州学院 嵌入式技术应用项目说明书嵌入式技术应用项目说明书 火焰检测报警器火焰检测报警器 院 系 院 系 机械工程学院 专专 业业 机械电子工程 班班 级级 12 机电 2 班 学生姓名学生姓名 利齐帅 徐杰龙 林辉 梁庆堂 指导老师指导老师 王蕊 成成 绩绩 2015 年 10 月 10 日 1 课 程 设 计 任 务 书 兹发给 12 机电 2 班学生利齐帅 徐杰龙 林辉 梁庆堂 课程设计任务书 内容如下 1 设计题目 火焰检测报警器 2 应完成的项目 1 设计说明书计算准确 书写工整 字数不少于 3000 字 图纸正确清晰 符合制 图标准及有关规定 2 分组实现原理图设计及相关元器件的设计 按要求完成总体电路 3 基于相关电路完成电路设计 程序设计与实物 4 完成总体内容 实现具体功能 3 参考资料以及说明 1 电子线路 CAD 与实训 电子工艺出版社 2 电子工艺技术与实践 机械工程出版社 3 单片机原理及应用 清华大学出版社 4 集成电路数据手册查询网 5 新概念 51 单片机 C 语言教程 入门 提高 开发 拓展全攻略 电 子工业出版社 4 本设计任务书于 2015 年 11 月 16 日发出 应于 2015 年 11 月 27 日前完 成 然后进行答辩 指导教师 签发 2015 年 11 月 16 日 2 评语 总评成绩 指导教师签字 年 月 日 3 目 录 摘 要 4 第一章第一章 绪论绪论 5 第二章第二章 总体内容及设计总体内容及设计 6 2 1 总体内容设计及目标 6 2 2 组员及任务 6 第三章第三章 电路设计及元器件选型电路设计及元器件选型 7 3 1 AT89C52 单片机控制模块电路原理图设计 7 3 2 晶振起振模块电路与功能 8 3 3 1602 液晶屏显示模块电路原理图设计 9 3 4 声音报警模块电路原理图设计 11 3 5 红外火焰传感器功能及电路 11 第四章第四章 程序设计程序设计 13 4 1 输入部分程序 13 4 2 输出部分程序 14 4 3 定时应用与功能 16 第五章第五章 电路设计及结果电路设计及结果 17 第六章第六章 总结总结 19 参考文献参考文献 20 4 摘 要 本论文以红外火焰检测传感器和单片机技术为核心并与其它电子技术相结合 设计出一种技术水平较好的红外火焰检测报警器 用于火焰检测 可检测 760 纳米 1100 纳米范围内的热源 火焰探测角度为 60 范围 以 STC89C52 单片 机和 Realplay 火焰检测传感器为核心设计的火焰检测报警器可实现声光报警 1602 液晶屏显示报警等功能 是一种结构简单 性能稳定 使用方便 价格低廉 智能化的火焰检测报警器 其中选用红外火焰检测传感器实现各种火焰的检测 具有灵敏度高 响应快 抗干扰能力强等优点 而且价格低廉 使用寿命长 选 用的 STC89C52 单片机 具有高速 低功耗 超强抗干扰等优点 是目前同类技 术中性价比较高的产品 本报警装置具有一定的实用价值 关键词 火焰传感器 声光报警器 液晶屏 STC89C52 5 第一章第一章 绪论绪论 随着经济的发展 高层建筑 地下建筑以及大型综合性建筑日益增多火灾隐 患也随之增加 火灾发生的数量及其造成的损失都呈逐年上升趋势 因此 火灾 报警系统成为保障人生命财产安全的重要因素 火灾报警系统在国内的发展情况是我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十 年 从上世纪 70 年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品 进入 80 年代后 国内厂家也多是模仿国外产品 或是引进国外技术进行生产 没有真正意义上的 核心技术 并且市场也刚刚开始发育 火灾报警产品真正开始发展是在 90 年代 以后 随着政府逐渐开放国门 国外企业开始大量进入中国消防市场 带来先进 技术的同时也促进了市场的成熟 这时期 我国生产火灾报警产品的企业也得到 了快速发展 部分企业进行了合资生产 技术合作 取得了不菲的成绩 也造就 现今市场上许多有实力的商家 部分技术已接近赶上了国际水平 本设计采用红外火焰检测传感器 AT89C52 单片机以及 1062LED 液晶屏显 示模块设计的一种智能火灾报警器 可以实现声光报警 液晶屏显示有无火源等 功能 是一种结构简单 性能稳定 使用方便 价格低廉 智能化的火灾报警器 具有一定的实用价值 6 第二章第二章 总体内容及设计总体内容及设计 2 1 总体内容设计及目标 报警系统主要由数据采集模块 单片机控制模块 晶振起振模块 声光报警 模块 液晶屏显示模块 电源模块组成 图 2 1 为火焰检测报警器的系统结构框 图 图 2 1 系统结构框图 AT89C52 单片机控制模块用于实时监测外部中断的电平变化 当红外火焰传 感器检测到有火焰时 火焰传感器会输出低电平数字信号 单片机将数据转换为 相应的数字显示在液晶屏上或声光报警 晶振起振模块为系统提供基本的时钟信 号 USB 下载 电源模块为单片机的电源接口 为单片机提供电源及程序烧录 2 2 组员及任务 组员 徐杰龙 利齐帅 林辉 梁庆堂 任务分配 徐杰龙 负责总体电路的原理图完善 程序流程图设计和编写程序 利齐帅 负责 AT89C52 单片机控制模块 电源模块原理图绘制 AT89C52 原理图 元件 林辉 查找集成电路数据手册 查找资料 梁庆堂 负责晶振起振模块 1602 液晶屏显示模块原理图绘制 火焰传感 器 信号放大 电路 A D 转换电 路 电源模块 STC89C52 单片机 声光报警 液晶屏显示 报警 7 第三章第三章 电路设计及元器件选型电路设计及元器件选型 3 1 AT89C52单片机控制模块电路原理图设计 单片机控制模块采用 AT89C51 芯片作为主控芯片 所谓的单片机是将计算机 的基本部件微型化并集成到一块芯片上 具备独特功能的微型计算机 通常片内 都含有 CPU ROM RAM 并行 I O 串行 I O 定时器 计数器 中断控制 系统 时钟及系统总线等 单片机全称为单片微型计算机 又称微控制器或嵌入式控制 器 是一种可通过编程控制的处理器 如图 3 1 所示 单片机的 VCC 引脚需要接入 5V 电源电压正极 GND 引脚需 要接入电源电压的负极 图 3 1 AT89C52 单片机芯片 EA 引脚 外部程序存储器访问控制端 是单片机的外部程序存储器访问控 制端 如果它接高电平 VCC 则单片机执行片内部程序存储器中的程序 从 000H 开始终止于 0FFFH 并在读取完单片机内部程序存储器的 0FFFH 后自动转向读取 8 外部的程序存储器 一般只用单片机的内部程序存储器 故接高电平 如果接低 电平 则单片机访问的全部是外部程序存储器 从 0000H 开始终止于 0000FH AT89C51 单片机共有 P0 P1 P2 P3 这 4 组 I O 口 每组有 8 个 I O 口 单片机复位时 这 4 组 I O 口都默认作为输出端口使用 51 单片机上电后 如果 没有人为地控制其 I O 口的状态 它所有未控制的 I O 口都默认为高电平 P0 口是一个开漏型双向 I O 口 其内部没有上拉电阻 为高阻状态 所 以不能正常地输出高 低电平 使用该 I O 口要接 100 的上拉电阻 P0 口具有 除一般 I O 口外的第二重功能 作为低 8 位地址线 P1 口是一组准双向 8 位 I O 口 每个口可独立控制 内带上拉电阻 这 种接口输出没有高阻状态 输入也不能锁存 故不是真正的双向 I O 口 之所以 称它为 准双向 是因为该口在作为输入使用前 要先向该口进行写 1 操作 然 后单片机内部才能正确读出外部信号 也就是要使其有个 准备过程 故称其 为准双向口 P2 口是一组准双向 8 位 I O 口 每个口可独立控制 内带上拉电阻 与 P1 口相似 P2 口具有除一般 I O 口外的第二重功能 作为高 8 位地址线 3 2 晶振起振模块电路与功能 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 如图 3 2 所示 XTAL1 XTAL2 为时钟信号端 XTAL1 为片内 振荡电路的输入端 XTAL2 为片内振荡电路的输出端 8051 有两种工作方式 一 是片内时钟振荡方式 另一种是外部时钟方式 片内时钟振荡电路需在 XTAL1 XTAL2 这两个引脚外接石英晶体和振荡电容 典型的晶振取 11 0592MHz 因为可以准确地得到 9600 波特率和 19200 波特率 用于有串口通讯 的场合 12MHz 产生精确的 us 级时间 方便定时操作 振荡电容的值一般取 10pF 30pF 的瓷片电容 9 图 3 2 晶振起振模块电路原理图 3 3 1602 液晶屏显示模块电路原理图设计 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性 通过电压对其显示区域进行控制 有电就有显 示 这样即可以显示出图形 液晶显示的分类方法有很多种 通常可按其显示方式分为段式 字符式 点阵式等 本设计字符式显示 用 LCD 显示一个字符时比较复杂 因为一个字符 由 6 8 或 8 8 点阵组成 既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字节 还要使每字节的不同位为 1 其它的为 0 为 1 的点亮 为 0 的不亮 这样一来 就组成某个字符 但由于内带字符发生器的控制器来说 显示字符就比较简单了 可以让控 制器工作在文本方式 根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数找出显示 RAM 对应的 地址 设立光标 在此送上该字符对应的代码即可 其电路原理图如图 3 3 图 3 3 1602 液晶屏显示模块电路原理图 1602 采用标准的 16 脚接口 其中 第 1 脚 VSS 为地电源 第 2 脚 VDD 接 5V 正电源 第 3 脚 V0 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地电源时对比度最高 对比度过高时会产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 第 4 脚 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 第 5 脚 RW 为读写信号线 高电平时进行读操作 低电平时进行写操作 当 RS 和 RW 共 同为低电平时可以写入指令或者显示地址 当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号 当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据 第 6 脚 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 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 第 15 16 脚 空脚 10 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 如表 3 1 所示 表 3 1 控制命令表 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 指令 1 清显示 指令码 01H 光标复位到地址 00H 位置 指令 2 光标复位 光标返回到地址 00H 指令 3 光标和显示模式设置 I D 光标移动方向 高电平右移 低电平左移 S 屏幕上所有 文字是否左移或者右移 高电平表示有效 低电平则无效 指令 4 显示开关控制 D 控制整体显示的开与关 高电平表示开显示 低电平表示关显 示 C 控制光标的开与关 高电平表示有光标 低电平表示无光标 B 控制光标是否闪烁 高电平闪烁 低电平不闪烁 指令 5 光标或显示移位 S C 高电平时移动显示的文字 低电平时移动光标 指令 6 功能设置命令 DL 高电平时为 4 位总线 低电平时为 8 位总线 N 低电平时为单 行显示 高电平时双行显示 F 低电平时显示 5x7 的点阵字符 高电平时显示 5x10 的点阵 字符 指令 7 字符发生器 RAM 地址设置 指令 8 DDRAM 地址设置 指令 9 读忙信号和光标地址 BF 为忙标志位 高电平表示忙 此时模块不能接收命令或 者数据 如果为低电平表示不忙 指令 10 写数据 指令 11 读数据 11 3 4 声音报警模块电路原理图设计 该设计使用的是无源蜂鸣器 如图 3 4 所示 由于蜂鸣器的工作电流一般比较大 以致于单 片机的 I O 口是无法直接驱动的 所以要利用放大电路来驱动 一般使用三极管来放大电流 就可以了 声报警电路由单片机的 P3 4 引脚进行控制 当 P3 4 输出的电平为高电平时 三 极管导通 蜂鸣器的电流形成回路 发出声音报警 否则 三极管截止 蜂鸣器不发出声音 图 3 4 声音报警电路 3 5 红外火焰传感器功能及电路 火焰传感器是机器人专门用来搜寻火源的传感器 当然火焰传感器也可以用来检测光线 的亮度 只是本传感器对火焰特别灵敏 火焰传感器利用红外线对对火焰非常敏感的特点 使用特制的红外线接受管来检测火焰 然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号 输入 到中央处理器中 中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理 如图 3 5 所示 12 图 3 5 火焰传感器电路原理图 用途 用途 各种火焰 火源探测 模块特色 模块特色 1 可以检测火焰或者波长在 760 纳米 1100 纳米范围内的光源 打火机测试火焰距离为 80cm 对火焰越大 测试距离越远 2 探测角度 60 度左右 对火焰光谱特别灵敏 3 灵敏度可调 图中蓝色数字电位器调节 4 比较器输出 信号干净 波形好 驱动能力强 超过 15mA 5 配可调精密电位器调节灵敏度 6 工作电压 3 3V 5V 7 输出形式 DO 数字开关量输出 0 和 1 和 AO 模拟电压输出 8 设有固定螺栓孔 方便安装 9 小板 PCB 尺寸 3 2cm x 1 4cm 10 使用宽电压 LM393 比较器 模块使用说明 模块使用说明 1 火焰传感器对火焰最敏感 对普通光也是有反应的 一般用做火焰报警等用途 2 小板输出接口可以与单片机 IO 口直接相连 3 传感器与火焰要保持一定距离 以免高温损坏传感器 对打火机测试火焰距离为 80cm 对火焰越大 测试距离越远 4 小板模拟量输出方式和 AD 转换处理 可以获得更高的精度 13 第四章第四章 程序设计程序设计 4 1 输入部分程序 程序流程图如图 4 1 所示 通电时寄存器初始化 单片机 I O 口初始化 液晶屏初始化 完成后停留在一个设定状态 等待信号驱动 N Y 图 4 1 输入程序流程图 以下为系统初始化过程后显示子程序 void lcd pos BYTE pos 设定显示位置 lcd wcmd pos 0 x80 void lcd wdat BYTE dat 写入字符显示数据到 LCD while lcd bz LCD RS 1 开始 寄存器初始化 单片机 I O 口初始 化 主函数循环 检测是否有火焰 等待处理 显示 14 LCD RW 0 LCD EP 0 P0 dat nop nop nop nop LCD EP 1 nop nop nop nop LCD EP 0 void lcd init LCD 初始化设定 lcd wcmd 0 x38 16 2 显示 5 7 点阵 8 位数据 delay 1 lcd wcmd 0 x0c 显示开 关光标 delay 1 lcd wcmd 0 x06 移动光标 delay 1 lcd wcmd 0 x01 清除 LCD 的显示内容 delay 1 4 2 输出部分程序 程序流程图如图 4 2 所示 程序开始运行时 定义液晶屏显示的数组 程序 进入主函数 执行显示指令 当有火焰时 火焰传感器输出低电平信号 0 单片 机根据数据信号传送到液晶屏的相应 I O 口 显示相应的数组 15 图 4 2 输出程序流程图 以下为液晶屏显示函数内容 if warning 0 有光照时传感器输出低电平 delay 300 if warning 0 i 0 while Fire i 0 lcd pos 0 x43 i lcd wdat Fire i i delay 30 for i 0 i 3 i beep 0 开始 初始化液晶屏 电源 灯亮 从火焰传感器采集信 号 是否检测到火焰 蜂鸣器不响 液晶显示 TEST Safe LED 灯不亮 蜂鸣器报警 液晶显示 TEST Fire LED 灯亮 16 delay 200 beep 1 delay 200 if warning 1 delay 300 if warning 1 i 0 while Safe i 0 lcd pos 0 x43 i lcd wdat Safe i i delay 30 beep 1 delay 300 break 4 3 定时应用与功能 此次设计主要使用了 nop 延时来实现定时功能 它的作用为 对于延时很 短的 要求在 us 级的 采用 nop 函数 这个函数相当汇编 NOP 指令 延时 几微秒 NOP 指令为单周期指令 可由晶振频率算出延时时间 对于 12M 晶振 延时 1uS 对于延时比较长的 要求在大于 10us 采用 C51 中的循环语句来实现 17 第五章第五章 电路设计及结果电路设计及结果 如图 5 1 为本设计的总体电路原理图 该图是采用 Altium Designer 电子线路绘图软件完 成的 图中的各种元器件都是根据设计电路严格选定的 并且其参数大小跟设计电路完全一 致 图 5 2 为无火焰时的实物显示 图 5 3 为有火焰时的实物显示 图 5 1 总体电路原理图 18 图 5 2 无火焰时的实物显示 图 5 3 有火焰时的实物显示 现象 现象 当给板子供板子的时候 蜂鸣器不响 液晶显示 TEST Safe LED 灯不亮 当出现火焰时蜂鸣器响进行报警 液晶显示 TEST Fire LED 红 灯亮 19 第六章第六章 总结总结 本次课程设计对于我们有很大的帮助 大学已经度过了三年 但是我们还只 是停留在理论的学习上 但通过本次课程设计 使我对 模拟电子技术 这门课程有了 更深入的理解 模拟电子技术 是一门实践性较强的课程 为了学好这门课程 必须在掌 握理论知识的同时 加强软件实践 一个人的力量是有限的 要想把课程设计做的更好 就 要学会参考一定的资料 小组共同努力 让思想有机的结合起来 得出实验结果 在这个过程中 我们也曾经因为仿真失败而纠结 但结果还是很给力的 虽然这只是一 次的极简单的课程制作 可是平心而论 也耗费了我不少的心血 这就让我不得不佩服开发 技术的前辈 才意识到老一辈对我们社会的付出 为了人们的生活更美好 他们为我们社会 所付出多少心血啊 知识上的收获重要 精神上的丰收更加可喜 让我知道了学无止境的道理 我们每一个 人永远不能满足于现有的成就 人生就像在爬山 一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你 挫折是一份财富 经历是一份拥有 这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回 忆 通过这次的课程设计我们对于专业课的学习有了更加深刻的认识 以为现在学的知识用 不上就加以怠慢 等到想用的时候却发现自己的学习原来是那么的不扎实 以后努力学好每 门专业课 让自己拥有更多的知识 才能解决更多的问题 20 参考文献参考文献 1 王国玉 管莉 电子线路 CAD 与实训 M 北京 电子工业出版社 2011 2 林海汀 电子工艺技术与实践 M 北京 机械工业出版社 2011 3 郭天祥 新概念 51 单片机 C 语言教程 入门 提高 开发 拓展全攻略 M 北 京 电子工业出版社 2009 4 黄勤 单片机原理及应用 M 北京 清华大学出版社 2010 5 集成电路数据手册查询网 21 附附 件件 完整程序 include include typedef unsigned char BYTE typedef bit BOOL int i j display 0 t02s sbit LCD RS P2 5 sbit LCD RW P2 6 sbit LCD EP P2 7 sbit warning P3 2 sbit beep P3 4 显示数组 BYTE code dis1 WELCOME TO BYTE code dis2 3W auto ctrl COM BYTE code dis3 TEST BYTE code dis5 WWW auto ctrl COM BYTE code Fire Fire BYTE code Safe Safe void flash void delay int ms 延时子程序 while ms for i 0 i 250 i nop 22 BOOL lcd bz 测试 LCD 忙碌状态 BOOL result LCD RS 0 LCD RW 1 LCD EP 1 nop result BOOL P0 LCD EP 0 return result void lcd wcmd BYTE cmd 写入指令数据到 LCD while lcd bz LCD RS 0 LCD RW 0 LCD EP 0 nop P0 cmd nop LCD EP 1 nop LCD EP 0 void lcd pos BYTE pos 设定显示位置 lcd wcmd pos 0 x80 void lcd wdat BYTE dat 写入字符显示数据到 LCD while lcd bz 23 LCD RS 1 LCD RW 0 LCD EP 0 P0 dat nop nop LCD EP 1 nop nop LCD EP 0 void lcd init LCD 初始化设定 lcd wcmd 0 x38 16 2 显示 5 7 点阵 8 位数据 delay 1 lcd wcmd 0 x0c 显示开 关光标 delay 1 lcd wcmd 0 x06 移动光标 delay 1 lcd wcmd 0 x01 清除 LCD 的显示内容 delay 1 main BYTE i int j 0 lcd init 初始化 LCD delay 10 lcd wcmd 0 x06 向右移动光标 while 1 24 switch display case 0 i 0 while dis2 i 0 lcd pos 0 x80 i lcd wdat dis2 i i delay 300 flash lcd wcmd 0 x01 清除 LCD 的显示内容 delay 20 控制