基于Zigbee的森林火灾监测系统设计

题目基于ZIGBEE的森林火灾监测系统设计学生姓名常乐学号1113024057所在学院物理与电信工程学院专业班级通信工程专业1102班指导教师郑争兵完成地点物理与电信工程学院实验室2015年6月3日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班学生姓名常乐一、毕业论文设计题目基于ZIGBEE的森林火灾监测系统设计二、毕业论文设计工作自_2015_年_1_月_10_日起至_2015_年6月_10日止三、毕业论文设计进行地点物理与电信工程学院实验室四、毕业论文设计的内容要求森林对于人类来说至关重要，它是生态平衡的保护着。但是近年来，随着气候变化，人为活动等因素，森林安全受到了巨大的威胁。这其中，森林火灾是威胁森林的最大原因之一，它不仅会造成很大的人力物力的流失，关键的是，我们会更多的失去原本就在减少的森林资源。所以，森林火灾的实时监测与防治迫在眉睫。本课题构建了基于ZIGBEE无线传感器网络的森林火灾监测系统，具体要求如下1掌握ZIGBEE技术的相关知识；2通过监测烟雾浓度实现火灾防范，完成一定范围内的监测报警；3系统集成，完成功能调试。成果形式实验样机一套。毕业设计进度安排110320查阅资料（参考文献不少于10篇），进行方案论证，完成开题报告。完成不少于3000字的外文翻译；320430设计硬件电路，编写相关软件、完成电路仿真及样机调试；51520完善系统调试，撰写论文，准备毕业设计验收等工作；521610整理资料，修改论文，准备毕业答辩。指导教师系教研室通信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I基于ZIGBEE的森林火灾监测系统设计常乐（陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业2011级2班，陕西汉中723003）指导教师郑争兵摘要随着经济的快速发展，地下建筑、高层建筑以及大型综合性的建筑日益增多,火灾隐患也随之增加,火灾发生的数量及其造成的巨大损失都呈现逐年上升的趋势。而传统的报警系统采用了有线连接，线路容易磨损或遭到腐蚀、老化，系统造价高、耗材多、扩展能力差、功耗大、设计、施工与维护复杂。在火灾发生前后不能有效地发挥其作用。为了有效的降低火灾带来的损失，本论文利用ZIGBEE技术设计了一种火灾报警系统。该系统由主模块和从模块构成。主模块主要包括单片机最小系统、时钟模块、显示模块和ZIGBEE模块，完成系统的监测功能。发送模块主要包括单片机最小系统、烟雾检测模块、温度检测模块、报警模块和ZIGBEE模块，完成系统的检测与报警功能。实验测试结果表明系统通过监测烟雾的浓度，能够实现一定范围的森林火灾监测报警。关键词ZIGBEE；单片机；烟雾检测电路；报警电路；温度检测电路IIDESIGNOFFORESTFIREMONITORINGSYSTEMBASEDONZIGBEECHANGLEGRADE11,CLASS2,MAJOROFCOMMUNICATIONENGINEERING，SCHOOLOFPHYSICSANDTELECOMMUNICATIONENGINEERING,SHAANXIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY,HANZHONG723003,SHAANXITUTORZHENGZHENGBINGABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFECONOMY,UNDERGROUNDBUILDINGS,HIGHRISEBUILDINGSANDLARGESCALEBUILDINGSAREINCREASING,FIREHAZARDSALSOINCREASED,THENUMBEROFFIRESANDTHELOSSESAREONTHERISEYEARBYYEARANDTHETRADITIONALALARMSYSTEMUSESAWIREDCONNECTION,LINESEASYWEARORCORROSION,AGING,THESYSTEMHASHIGHCOST,HIGHMATERIALCONSUMPTION,POOREXPANSIONABILITY,POWERCONSUMPTION,DESIGN,CONSTRUCTIONANDMAINTENANCECOMPLEXBEFOREANDAFTERTHEFIRECANNOTPLAYITSROLEEFFECTIVELYINORDERTOREDUCEFIRELOSSES,USINGZIGBEETECHNOLOGYTODESIGNAFIREALARMSYSTEMTHESYSTEMISCOMPOSEDOFTHERECEIVINGMODULEANDTHESENDINGMODULETHERECEIVINGMODULEMAINLYINCLUDESTHEMCUMINIMUMSYSTEM,THECLOCKMODULE,THEDISPLAYMODULEANDTHEZIGBEEMODULE,ANDTHEMONITORINGFUNCTIONOFTHESYSTEMISCOMPLETEDTHESENDINGMODULEMAINLYINCLUDESTHEMINIMUMSYSTEM,THESMOKEDETECTIONMODULE,THETEMPERATUREDETECTIONMODULE,THEALARMMODULEANDTHEZIGBEEMODULE,ANDTHEDETECTIONANDALARMINGFUNCTIONOFTHESYSTEMISCOMPLETEDTHEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEMONITORINGANDALARMINGOFFORESTFIRECANBEREALIZEDTHROUGHMONITORINGTHECONCENTRATIONOFSMOKEKEYWORDSZIGBEEMCUSMOKEDETECTIONCIRCUITTHEALARMCIRCUITTHETEMPERATUREDETECTIONCIRCUITIII目录1绪论111课题背景112课题研究现状和前景113课题研究意义314论文结构32系统方案选择321设计要求322方案选择4221主控芯片的选择4222时钟芯片的选择4223显示模块的选择4224烟雾传感器的选择5225无线模块的选择53硬件设计631单片机最小系统的设计732时钟电路设计833显示电路设计1034烟雾检测电路的设计1135DS18B20外围电路的设计1236报警电路的设计1337无线模块电路的设计14IV4系统软件设计1841仿真环境介绍1842ZIGBEE模块的数据传输原理1843主模块软件设计2044从模块软件设计225系统调试2451单片机最小系统电路的调试2452烟雾检测电路的调试2453软件调试2554测试结果27总结与展望28致谢29参考文献30附录A英文文献原文31附录B英文文献译文38附录C程序44附录D元器件清单54附录E整体电路图5511绪论11课题背景随着经济的快速发展，地下建筑、高层建筑以及大型综合性的建筑日益增多，火灾隐患也随之增加。火灾发生数量及其造成的损失都呈现逐年上升的趋势。美国消防协会强调烟雾报警器在消除火灾、拯救生命方面发挥着越来越重要的作用，美国消防协会指出美国家庭火灾死亡人数的40是由于没有安装报警器造成的。所以用来保障生命和财产安全的火灾报警系统便显得越来越必要。但是火灾报警系统设置之后,往往会发现系统有些不如人意的地方。比如探测器误报警,常演绎“狼来了”的故事,使消防人员饱受困扰。排除了一些设备的质量不过关等因素之后,我们发现这些情况往往是因探测设备受到干扰造成的1。因此，有效的火灾报警系统成为保护人身生命财产安全的重要设施。根据它的发展过程又可以将它分为以下三种类型多线型，总线型以及无线型。多线型的报警系统顾名思义布线较多，且电路比较复杂，所以导致误报率较高，可靠性较差，它已经逐步被总线型的报警系统所取代。总线型的自动报警系统采用微处理器控制，通过总线来与控制器实现信号传送，它和以前的产品比起来有了很大的飞跃，布线方面工作显著减少，安装调试变得容易，降低了安装和维修费用，目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品。但随着社会的发展，这一系统已逐渐暴露出它的问题。由于它采用了有线连接，线路容易磨损或遭到腐蚀、老化，系统造价高、耗材多、扩展能力差、功耗大、设计、施工与维护复杂，在火灾发生前后不能有效地发挥其作用。而解决这些问题的最佳方法就是取消有线连接，使用可以即插即用的无线系统。国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的角度、不同的层次对无线传感器网络进行了研究和开发。目前，国外在无线传感器网络方面的研究已经取得了一些积极的研究成果，他们已经成功地开发了全功能传感器。极少数企业也已经开始使用无线传感器网络技术2。在中国，这种新兴无线通信革命也在悄然发生。2007年9月29日，中科院的上海微系统与信息研究所联合多家研究所、高校所共同承担的“无线传感器网络的关键技术攻关及其在交通中的应用示范研究”项目完成了验收。该项目研究了远程高速传输的传感网端机、基站；传感网超轻量化IPV6协议栈；传感网数据流的特征和模型等无线传感器的网络在交通信息领域的关键技术；交通传感网协同模式的识别算法体系以及多元数据源交通综合信息的融合技术。国内有关于无线传感器网络研究还处于刚起步的阶段，但由于无线传感器网络是门新兴的技术，国内与国际之间的水平的差距并不是很大，及时开展这项对人类未来生活有深远影响的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济都将有重大的战略意义。12课题研究现状和前景世界上的一些较发达的国家，像日本、加拿大、美国、德国，他们就具有非常成熟和完善的消防组织体系，包括火灾的预防、报警以及处理等。这些国家进行了非常有益的尝试，在公共报警研究工作中引入火灾自动报警，然后再对火灾报警及其相关方面的监控系统进行整合，做到了统一管理，这样便给消防部门开展工作带来了很大便利，消防人员可以快速并准确地判断火灾现场，从而可以有效进行火灾处理工作。这些无线的火灾报警系统通常采用专用网络来实现，它们主要侧重作为楼宇自控系统附属的子系统或者是专业的火灾报警场合，不符合我国关于火灾报警必须自成一个系统的设计原则，所以目前国外无线火灾自动报警的系统在我国的消防领域的应用受到了限制。我国烟雾超标报警技术实现了较快发展，但由于在实际应用中，烟雾超标报警系统的通讯协议不一致，烟雾超标报警自动排气工程技术水平还相对落后，还存在着一些比较突出的问题。如智能化程度低、网络化程度低、适用范围过小、组件连接方式有待改善、漏报问题较多、烟雾超标报警系统误报、超早期烟雾探测报警技术应用还几乎处于空白。在我国采用无线通信方式的火灾报警系统也日渐受到重视，因其方便安装、灵活性较好以及容易扩展等特点，能适用很多公共场所，所以成为现代火灾自动报警的发展方向。如今我国报警系统2在借鉴国外的先进技术基础上，同时积极运用新技术以及新材料来改进系统的性能，使无线火灾报警器向误报率低、可靠性高、多功能化、无线网络化、自动化以及智能化的方向发展。随着ZIGBEE技术的逐渐成熟，国内多家单位已经将基于ZIGBEE的无线传感器网络应用于煤矿安全、环境监测、智能家居、远程抄表等领域，从理论和实践上获得了突破。火灾报警系统无线化的时代即将到来3。下面对ZIGBEE协议加以介绍。121ZIGBEE协议概述ZIGBEE一词来自于蜂群在找到了花粉位置的时候，用跳ZIGZAG的舞蹈来告诉同伴，以此来进行信息的交换,这是一种简便的用来实现“无线”交流的方式。人们便借此来称呼一种专注于成本小、功耗低、速率低以及复杂度低的近距离的无线网络通信技术，也包括了这种寓意。ZIGBEE的协议基础是IEEE802154，这是IEEE无线个人区域网（PAN）工作组的一个标准，被称为IEEE802154（ZIGBEE）技术标准；ZIGBEE联盟对它的网络层协议和API进行标准化是由于IEEE只处理低级的MAC层和物理层的协议。ZIGBEE联盟还开发了安全层，用来保证这一种便携设备不会轻易的泄漏它的标识，而且其它的节点不会获得这一种利用网络的远距离的传输4。122ZIGBEE设备类型及其网络拓扑结构（1）ZIGBEE的设备类型IEEE802154标准定义了两个类型的物理设备全功能设备（FFD）以及简单功能设备（RFD）。这两种物理设备功能的描述如表11所示。表11ZIGBEE设备功能设备类型设备类型适用拓扑结构功能描述全功能设备（FFD）星型网络网状网络簇树状网络具有转发与路由能力，其处理控制能力较强，拥有足够的存储空间存放路由信息。可作为协调器或设备与任何设备进行通讯简单功能设备（RFD）星型网络内存小，功耗低，功能简单。在网络中为源节点，只能和全功能设备通讯。（2）ZIGBEE的网络拓扑结构ZIGBEE主要采用了三种组网方式，对等网、星型网及混合网5。在星型网络中，所有设备都与中心设备网络协调器通信。网络协调器一般在这种网络中会使用持续的电力系统供电，而其他设备则采用电池供电。网络的协调器只能用FFD设备。对等网是由主器件连接在一起而形成的，它又可以分为簇树结构和点对点结构。任意两个设备只要彼此在对方的无线辐射范围内，收得到对方的无线的信号，就能进行通信，而且不需要其他设备的转发。这种网络的结构支持ADHOC网络，它允许用多跳路由的途径在网络中传送数据。这种网络结构适合用于设备分布范围较广的应用，比如在货物库存的跟踪、工业上的检测与控制以及农田的监管等方面。星型网与对等网相互结合便形成了混合网。混合网各个子网的内部以星型连接，而它的主器件又以对等的方式相互连接。信息流首先传至同一个子网内部的主节点上，然后通过网关节点再到达更高层的子网，随后继续上传一直到其到达中心采集节点为止。混合网可以用在覆盖的范围比较大的区域，比如智能楼房的控制网络。但是由于任何的控制和同步信息都要通过多重的链路来到达接收点，所以要实现同步和控制会比较困难。123ZIGBEE的技术特点目前的无线通信技术主要有蓝牙、移动通信、无线局域网WIFI等几种模式。由于ZIGBEE具有3功耗低、价格低、数据传输速率低、传输范围小和支持的节点众多等优点，因此它和其他的同类型无线通信技术相比之下，优势尽显无疑6。数据的传输速率低ZIGBEE技术的数据传输速率仅有10K字节/秒到250K字节/秒，专注于传输速率低的应用；功耗低在待机的模式下，两节普通的5号干电池就能使用6个月到2年，省去了充电或者频繁更换电池的麻烦。而这也是ZIGBEE的支持者们一直以来比较自豪的独到优势。成本低ZIGBEE数据传输的速率低，协议简单，因此很大程度的降低了成本，且ZIGBEE协议免收专利费。时延短一般时延是在15毫秒至30毫秒之间；安全ZIGBEE提供了数据完整性的检查和鉴权功能，加密算法采用AES128，还可以灵活的确定它的安全属性；有效范围小ZIGBEE有效覆盖范围为1075米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同应用模式而定，基本上可以覆盖普通家庭环境或者办公室的环境；随着研究进一步的深入，传感器将会变得更小，而且功能也会越来越完善。最终他们有可能会缩小至尘埃大小。那时将会释放更多的微小传感器到大气中去检测任何东西。13课题研究意义无线传感器网络技术在工业自动化生产线的实时监测、核电厂的安全检测、实时数据采集以及井矿中的应用，正变得日渐成熟。在工厂安装这种基于无线传感器网络技术的监测系统必然会大大的改善工厂运作的条件，降低设备的维护成本。无线传感器网络技术还在工业自动化的领域中应用，与其他的领域有所不同，它主要表现在不同传感器的节点传输的数据量不同，且传感器的节点往往是固定安装在生产线上，其网络节点一般是静态的。因此，本设计将致力于研究一种基于ZIGBEE的无线传感器网络系统，利用通信模块组建小型无线传感器网络，并进行传感器网络的软硬件设计。烟雾超标报警器的意义在于可以实现对普通环境中烟雾浓度进行实时检测，以减少烟雾有毒气体对人体的伤害，通过报警来警示人们所处环境的烟雾浓度过高。现在家具产品多种多样，智能化、小型化的节能、绿色、安全产品越来越受到普通大众的青睐。该设计以其智能化、小型化并且设计的电路系统简洁明了、电路构成简单、实用性强、易于维护等特点能够广泛的应用于居民、企事业单位等多方面的安全防范。14论文结构本课题主要是研究并实现一个基于ZIGBEE协议的无线网络的火灾监控系统，这个系统由两个部分组成发送端和接收端。本课题具体的研究内容大致有以下几部分，分别如下第一部分绪论简单的介绍选题的背景，课题所用技术ZIGBEE发展的国内外相关的研究现状，随后讲述了本课题要完成的任务以及所要实现的功能。第二部分方案选择主要论述了本课题总体的设计思想及系统框图，对系统各个模块所用芯片进行了选择。第三部分硬件设计主要介绍了系统所用芯片的功能和特点，以及芯片之间连接的方法，并给出了详细的设计电路图。第四部分系统的软件设计描述了无线模块各个节点之间数据传输的原理以及主从模块软件设计流程。第五部分系统调试主要论述了系统的软件调试和硬件部分各个电路的调试。42系统方案选择21设计要求森林火灾不仅给人类经济的建设造成了巨大的损失，破坏了生态环境，而且也威胁到了我们人类的生命以及财产安全。传统的森林防火方式不是很完善，只能做一些简单的防备措施，而不能主动的实时的监控森林具体的情况。只要了解了森林火灾发生的条件，防火系统的设计也就有迹可循。ZIGBEE无线传感网络具有功率小、成本低的优点，因此，本文基于ZIGBEE无线传感网络，构建了森林火灾监测系统，并通过监测烟雾对数据浓度实现火灾防范，完成一定范围内的监测报警。22方案选择根据设计要求，主模块具体分为主控芯片、时钟模块、显示模块、传感器模块、无线模块这五个部分，系统框图如图21所示STC89C52模块STC89C52模块CC2530模块CC2530模块温度检测模块烟雾检测模块LCD显示模块显示模块时钟模块从模块主模块图21基于ZIGBEE的火灾报警系统原理框图221主控芯片的选择AT系列和STC系列单片机的选择AT89C系列单片机不能进行在线编程，AT89C系列和STC系列都可以ISP在线编程，但是STC可通过串口在线编程，而AT系列采用并口编程方式，相对来说，STC的编程方式更为简单也较为普遍，基于这一点，本设计选择STC系列。51和52系列的选择51系列具有4KROM存储空间，而52系列有8KROM存储空间，容量较51来说大一些。根据以上分析，本次毕业设计采用STC89C52芯片，STC89C52是一款功耗低，高性能的8位CMOS微控制器，具有8K可编程FLASH存储器，方便下载程序，性价比高，能较好的适应本实验要求。222时钟芯片的选择方案一采用单片机内部定时计数器实现时钟功能，通过计算可以知得，使定时器每25MS产生一次中断，当产生40次中断后秒单元将加一，依次类推，进而实现时、分和秒的计时，并通过LCD1602对时间加以显示。方法较为简单，简化硬件电路，但在时间精度上必然与实际时间有一定的差距，不符合设计中对实时显示精度的要求，故不采用此方案。方案二采用DS1302实时时钟芯片，DS1302可提供精准的秒、分、时、日、星期、月和年等时间信息，耗电低，工作电压较宽，有专用的内部寄存器用于存放定时信息，可实现对开关的定时控制要求。故采用DS1302来作为时钟芯片。5223显示模块的选择方案一采用LED数码管显示。LED数码管具有亮度大，接口电路简单，价格便宜等优点，但它只能显示数字和简单字母，而设计中要求显示时、分、秒、年、月、日等多个信息，使用数码管的话会使硬件电路设计庞杂，而且连线复杂，单片机接口欠缺，不够使用，故不采用此方案。方案二采用LCD1602液晶屏显示。LCD1602使用非常普遍，在生活中很多地方都能见到LCD1602液晶显示屏，例如计算器，遥控器，家用电器等，它主要用来显示数字，字母，专用字符和图形，具有显示质量高、功耗低、体积小等优点，此外，LCD1602采用数字式接口，与单片机连线简单，故采用LCD1602来显示时钟。224烟雾传感器的选择烟雾传感器的主要分为离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感和气敏式烟雾传感器。（1）光电式烟雾传感器光电式烟雾传感器烟雾传感器内部有一个光学迷宫，安装有红外对管，没有烟雾时红外接收管接收不到红外发射管发射出的红外光线，当烟雾进入光学迷宫时，通过折射、反射后，接收管接收到红外光线，报警电路判断是否超过阈值，超过则发出警报，反之则不然。（2）离子式烟雾传感器离子式烟雾传感器是一种采用先进技术，工作稳定可靠的传感器，广泛的运用到各种消防报警系统中，它的性能远远优于由光电式烟雾传感器构成的火灾报警器。（3）气敏式烟雾传感器该烟雾传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时其阻值随着气体浓度的增大而减小，P型阻值随气体浓度的增大而增大。当温度在200300时半导体气敏元件让空气中的氧吸附在元件表面，当氧负离子吸附在半导体气敏元件表面可以形成氧负离子吸附，氧负离子的减少就会使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当遇到空气中可燃气体时，由于可燃气体能够提供给电子，可燃气体中就会有正离子附着在金属氧化物半导体的表面，氧负离子放出电子使可燃性气体也以正离子的吸附而放出了电子，阻值下降就是因为半导体电子密度的增加。此次使用的气敏式烟雾传感器选择的具体型号为MQ2。该传感器常用于家庭以及工厂的气体泄漏装置，适宜于烟雾、酒精、丁烷、丙烷、甲烷、液化气、氢气等的探测。本设计选用的MQ2型气体传感器，这种型号的传感器的特点是灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长、价格低廉等优点。225无线模块的选择方案一基于红外线强度的火灾报警系统基于红外线强度的火灾自动报警系统，其核心是利用51单片机作为控制中心，火焰传感器作为信号采集工具，键盘作为系统配置红外信息中介，数码管作为信息显示器，蜂鸣器和LED灯作为声光报警装置。本文主要负责软件部分的设计，主要完成了整个系统的软件设计及实现。整个系统共分为四个模块，有A/D转换模块，键盘输入模块，数码管显示，声光报警模块。方案二基于蓝牙设计的火灾报警系统蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，用于替代数字设备和计算机外设间的电缆连线，以及实现数字设备间的无线组网7。首先由单片机通过蓝牙模块接收数据，然后将该数据导入LCD屏进行显示，同时单片机对烟雾值进行分析处理，将烟雾值与设定值进行比较，若烟雾值大于设定的值即刻启动报警。方案三基于ZIGBEE的火灾报警系统ZIGBEE是一种用于近距离无线连接的无线通信技术。ZIGBEE传感器网络由大量具有不同功能的微小传感器来实现组网，这些传感器只需很少的能量就能以接力的方式将数据从一个节点传到下6一个节点，所以ZIGBEE网络具有很高的通信效率8。ZIGBEE模块接受到来自传感器的数据后显示数值，并根据事先定制好的规则判断烟雾是否超标，如果有烟雾超标则发出报警信息，并驱动报警电路发出报警。几种无线传输方式的比较如表21所示。表21几种无线传输方式的比较蓝牙红外ZIGBEE系统开销较大小小电池寿命较短长最长网络节点2255/65000物理范围（有效）10M定向1M1100传输率1MBPS16MPBS20/250MBPS传输介质24GHZ射频980NM红外24GHZ射频根据国家相关标准，火灾报警系统应具有故障修复的功能来保证系统正常运行。系统除了具有比较好的稳定性、实时性和可靠性外，我们也希望低成本，这样方便于我们较大规模地在森林内布置节点。除此之外系统也应该做到较节能，以便于系统长时间的运行，这样就避免了频繁得更换电池给用户所带来的不便。所以在选择用来构建无线火灾报警系统的无线技术时，必须考虑到火灾报警系统的这些需求9。因此，综合考虑成本、易操作性、系统性能等因素，最终选择方案三。73硬件设计本次设计的森林火灾监测系统硬件部分主要由ZIGBEE模块、主控芯片（STC89C52）、时钟部分DS1302、显示部分LCD1602、温度传感器电路、烟雾检测电路和报警电路部分组成。各部分相互协作，构成有机统一的整体，从而实现通过烟雾浓度实现火灾防范的功能。31单片机最小系统的设计STC89C52具有的特点是40个引脚，128比特随机存取数据存储器（RAM），4KB片内程序存储器，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，32个外部双向输入/输出（I/O）口，2个16位可编程定时计数器，片内时钟振荡器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路。STC89C52可以通过硬件设置振荡频率为0HZ，也可以通过对软件的设置来进入省电模式。在空闲的模式下，单片机的CPU就会停止工作而RAM定时计数器、串行口以及外部中断系统继续去工作，这样就可以在掉电的情况下使振荡器冻结，将数据保存在RAM中，掉电的时候系统会停止芯片的其它功能，直至外部中断响应或硬件电路进行复位。STC89C52芯片有三种封装形式PDIP、TQFP和PLCC，这三种不同的封装形式适应不同产品的需求。特别注意31脚EA/VPP是选择片内外存储器的引脚，当EA/VPP接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行；当EA/VPP接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。单片机外围需要一个复位电路，单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各个电路的状态都处于一个确定的初始状态，并且从这个初始状态开始工作。复位后PC0000H，使单片机从第个单元取指令。当振荡器稳定且系统处在正常的工作状态，如果RST引脚上有一个保持2个机器周期以上的高电平，则CPU便能响应并复位系统10。单片机最小系统的复位方式有上电复位和手动按钮复位。为了保险起见，电源稳定后还得经过一定时间的延时再撤除复位信号，以防止电源的开关或电源插头分合的过程中所引起的抖动对复位的影响。最小系统中复位电路的电容C1的大小会直接影响单片机的复位时间，通常采用10UF左右极性电容，单片机最小系统的电容值越大复位时间就越短。单片机最小系统中晶振的振荡频率会直接影响到单片机的处理速度，频率越大则处理速度越快。时钟电路单片机引脚18和引脚19外接晶振及电容，STC89C52单片机的工作频率在233MHZ范围内，单片机工作频率取决于晶振XT的频率，通常选用110592MHZ晶振。两个小电容通常取值30PF，以保证振荡器电路的稳定性及快速性11。此设计中P0口作为输出口用来驱动LCD显示，而P0口内部又没有上拉电阻，所以加上10K上拉电阻。最小系统电路图如图31所示8VCCR210KS1GNDC230PFC330PF110592MC110UFVCCT2/P10T2EX/P11P12P13P14MOSI/P15MISO/P16SCK/P17RSTRXD/P30TXD/P31INT1/P33WR/P36T0/P34T1/P35INT0/P32RD/P37XTAL2XTAL1GNDVCCP00/AD0P01/AD1P02/AD2P03/AD3P04/AD4P05/AD5P06/AD6P07/AD7ALE/PROGEA/VPPPSENP27/A15P26/A14P25/A13P24/A12P23/A11P22/A10P21/A9P20/A8STC89C52R1470图31单片机最小系统电路图在单片机的最小电路系统上分别设计主模块和从模块。主模块主要由单片机控制DS1302时钟芯片，从模块主要由单片机控制DS18B02温度传感器和MQ2烟雾传感器，主从模块同时由单片机控制LCD1602显示器和ZIGBEE模块。32时钟电路设计DS1302是一种低功耗，高性能的实时时钟芯片，它是由美国DALLAS公司推出的。它附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口和单片机同步通信，且可以采用突发方式来一次性传送多个字节的时钟信号和RAM数据。DS1302实时时钟能给单片机提供年、月、日、星期、时、分和秒等信息，一个月小于31天能自动调节，其工作电压宽达2555V。它采用两个电源供电（主电源与备用电源），可以设置备用电源的充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力，DS1302可以用于数据记录，尤其是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，基于这一点，DS1302可以实现定时功能，通过记录的定时时间与实时时间比对，实现定时时间到后，发出信号。DS1302与单片机之间进行通信可以采用同步串行方式，且仅需用到三个口线RES复位、I/O数据线和SCLK串行时钟。DS1302工作的时候功耗较低，保持数据和时钟信息的时候功率小于1MW。DS1302内部管脚图如图32所示。各管脚功能描述如表31所示。图32DS1302内部管脚图9表31DS1302内部管脚引脚号名称功能1VCC1备份电源输入2X132768KHZ晶振输入3X232768KHZ晶振输出4GND地5RST控制移位寄存器/复位6I/O数据输入/输出7SCLK串行时钟8VCC2主电源输入DS1302的数据读写方式有两种，一种是多字节操作方式，另一种是单字节操作方式。每次对时钟/日历的8字节或31字节RAM进行全体写入或读出的操作，称其为多字节操作方式，而每次仅写入或读出一个字节数据称为单字节操作。当以多字节方式写时钟寄存器时，必须按数据传送的顺序依次写到8个寄存器中。但是，当以多字节方式写RAM时，则不必写所有31个字节。不管是否写了全部31个字节，所写的每一个字节都将传送至RAM。DS1302是SPI总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。为了启动数据传输，CE引脚信号应由低变高，当把CE驱动至逻辑1状态时，SCLK必须为逻辑0，数据在SCLK的上升沿串行输入。在开始的8个时钟周期将命令字（具有地址和控制信息的8位数据）装进移位寄存器之后，其余的时钟在读操作的时候输出数据，在写操作的时候输入数据，所有数据在时钟的下降沿变化。不管是读周期亦或是写周期，也无论是多字节传送还是单字节传送的方式，都要通过控制字指定40字节中的哪个会被访问。对于单字节操作，包括命令字节在内，每次为2个字节，需要16个时钟；对于时钟/日历多字节模式操作，每次为7个字节，需要72个时钟；而对于RAM多字节模式操作，每次则为32字节，需要多达256个时钟。所有写入或读出操作都是先向芯片发送一个命令字节。控制字节最高的有效位（位7）必须为逻辑1，如果为0，就不能将数据写进DS1302中。位6为0，表示为存放或取出日历时钟的数据，为1表示为存放或取出RAM数据。操作单元的地址由位5至位1（A4A0）标示，而最低有效位（位0）若为1时表示要实行读操作，为0时表示要实行写操作。控制字节一般从其最低位来开始传输。在控制字指令输入之后的下一个SCLK时钟上升沿时，DS1302中写入数据，数据的输入从最低位（0位）开始。而同样的，在紧跟8位控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。表32为DS1302的控制字表32DS1302控制字RAMRD1CKA4A3A2A1A0WRDS1302中与时间、日期有关的寄存器共有12个，其中7个存放数据的格式为BCD码格式，其读写地址如表33所示。10表33DS1302寄存器读写地址第一行为秒寄存器，CH是时钟暂停标志位，CH位为1的时候时钟停止，为0的时候时钟运行；第二行为分寄存器，BIT0BIT6表示分钟数，因采用BCD编码，所以低四位所能表示的最大数字为9，计数满则向高三位进1；第三行为时寄存器，12/24用来定义DS1302小时的运行模式，12小时的模式下BIT5若为1表示PM下午），BIT5若为0表示AM上午；第八行为控制寄存器，BIT7为写保护位WP，当WP为1时，写保护位可以防止对任何一个寄存器的写操作，在任何对时钟和RAM的写操作之前，WP位必须为0；DS1302分别有SCLK、I/O、RST与单片机连接，X1与X2之间接32768KHZ晶振，具体电路如图33所示读寄存器写寄存器BIT7BIT7BIT7BIT7BIT7BIT7BIT7BIT7范围81H80HCH10秒秒005983H82H10分分0059121002385H84H240AM/PM时时11287H86H10日日13189H88H10月月1128BH8AH00000周178DH8CH10年年00998FH8EHWP0000000XTAL1XTAL2RSTPSENALEEAP10P11P12P13P14P15P16P17P00/AD0P01/AD1P02/AD2P03/AD3P04/AD4P05/AD5P06/AD6P07/AD7P20/A8P21/A9P22/A10P23/A11P24/A12P25/A13P26/A14P27/A15P30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P36/WRP37/RD1918929303112345678393837363534333222232425262728211112131415161710R1010KRSC710UFC320PFC420PF32768KHZX1X2X1I/OSCLKRSTVCC2VCC1D122PFC222PF12MHZX1STC89C5211图33DS1302与单片机的接口电路33显示电路设计工业字符型液晶LCD1602指的是显示的内容为162，且能同时显示两行，每行16个字符。常见的LCD1602字符液晶显示器有两种，一种是蓝色背光白色字体显示，另一种是绿色背光黑色字体显示，本课题所用LCD1602液晶显示器模块，显示屏是蓝色背光白色字体，因为白色字体蓝色背光看起来比较清楚。LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。1602LCD所采用的是标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各个引脚的接口说明如表34所示。表34引脚接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极液晶显示器LCD1602与单片机STC89C52的接口由一组8位数据传输线和3根控制线完成。LCD1602的RS、RW、E分别由单片机的P12、P11、P10来控制，数据输入口DB0DB7由P00P07传输数据，因为是接在P0口,所以要接上拉电阻。LCD1602与单片机的接口电路如图34所示D7D6D5D4D3D2D1D0ERWRSVEEVDDVSSLCD1602XTAL1XTAL2RSTPSENALEEAP10P11P12P13P14P15P16P17P00/AD0P01/AD1P02/AD2P03/AD3P04/AD4P05/AD5P06/AD6P07/AD7P20/A8P21/A9P22/A10P23/A11P24/A12P25/A13P26/A14P27/A15P30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P36/WRP37/RD191892930311234567839383736353433322223242526272821111213141516171010K10KSTC89C5212图34LCD1602与单片机的接口电路34烟雾检测电路的设计MQ2气体传感器是SNO2氧化锡半导体气敏传感器属于电阻型气敏元件。它是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化。若气浓度发生变化，其阻值也将随之变化。根据这一变化，可以从阻值的变化得出吸附气体的种类和浓度。MQ2的主要特点1具有信号输出指示。2双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）3TTL输出有效信号为低电平。（当输出为低电平时信号灯亮，可直接单片机）4模拟量输出05V电压，浓度越高电压值越高。5快速的响应恢复特性。6具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。7适宜于烟雾、液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等的探测。烟雾检测电路图如图35所示。主要由烟雾传感器MQ2和相关元器件构成。图35烟雾检测电路图传感器的电导率是随空气中可燃气体浓度的增大而增大，再使用相应的外围电路就可将电导率的变化转变成与该气体浓度变化相对应的电信号。一般情况下，传感器输出的信号会比较弱，而且其中还包括了一些避免不了的干扰，对这种信号的放大就需要有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗的放大电路。当传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整后，输出的信号才能满足单片机对输入信号的要求。烟雾传感器是气电变换器，它属于气敏传感器，它将空气中烟雾或可燃性气体的含量即浓度转化成对应的电压或者电流信号，传感器作为烟雾报警器的信号采集部分，是整个系统的核心组成部分之一。一个烟雾传感器既可以只实现单个功能，也可以实现多种功能的。一个完整的烟雾传感器都必须具有A能够检测到某一种单一的烟雾，且对于其他的共存烟雾不响应或低响应；B对被检测的烟雾应具有比较精准的灵敏度，可以有效地去检测适用范围之内的烟雾浓度；C对被检测的信号应做到响应的速度快且重复性好；D其工作的稳定性长期较好，制造成本比较低且其使用与维护较方便等条件。1335DS18B20外围电路的设计温度传感器我们选择DALLAS达拉斯公司生产的DS18B20。主要是因为它精度高，测量范围广。除此之外，它还具有超小的体积，超低的硬件开消，精度高，抗干扰能力强，附加功能强等优势。它的封装形式比较多样化，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢式，主要根据应用场合的不同而改变其外观。DS18B20数字温度传感器提供912位的摄氏温度测量并有一个报警功能。它接收或者发送信息是通过一个单线接口，因此在DS18B20和中央处理器之间只需一条连接线。此外，DS18B20可以直接从单线通讯线上面摄取能量，所以除去了它对外部电源的需求。每个DS18B20都有一个比较特别的64位序列号，因此它允许多只DS18B20同时连在一根单线总线上。这一个特殊性能在HVAC环境控制、探测仪器或机器的温度、建筑物以及过程监测和控制等方面都非常有用。DS18B20的另一个功能是它能在无外部电源供电的情况下正常工作。由于DS18B20的温度检测和数字数据输出在一个芯片上集成，因此抗干扰力更强。它的一个工作周期可以分为数据处理和温度检测两个部分。DS18B20三种形态的存储器分别为（1）ROM只读存储器。DS18B20共有64位ROM，它用来存放DS18B20的ID编码，单线系列编码（DS18B20的编码是19H）是它的前8位，而芯片中唯一的序列号是后面48位，以上56位的CRC（冗余校验）码是最后8位。用户不能更改数据出产时的设置；（2）RAM数据暂存器，它用于内部的数据存取和计算，数据会在断电后丢失。DS18B20的RAM共有9个字节，每个字节为8位。第1和第2个字节为温度转换之后的数据信息，第3和第4个字节为用户EEPROM（经常用在温度报警值储存）的镜像，它的值在上电复位的时候会被刷新。第5个字节则为用户第3个EEPROM的镜像。第6、第7和第8个字节是计数寄存器，它的设计目的是可以让用户获得更高的温度分辨率，它也是内部温度转换和计算的暂存单元。第9个字节是前8个字节的CRC码；（3）EEPROM非易失性记忆体。它用来存放一些需要长时间保存的数据、上限或者下限的温度报警值和校验数据，DS18B20一共有3位EEPROM，且都在RAM存在镜像，用来方便用户的操作。DS18B20的主要特征有1全数字的温度转换和输出2独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯3最高可达12位分辨率，精度可达05摄氏度4当为12位分辨率时，其最大工作周期为750毫秒5可以选择寄生的工作方式6检测的温度范围为55C125C67F257F7内置EEPROM，限温报警功能864位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接9多样封装形式，适应不同硬件系统温度检测电路图如图36所示。DS18B20VCCVCC47KIOB7VCCDQGND14图36温度传感器电路图36报警电路的设计设计的报警电路如图37所示。当单片机STC89C52的P10脚置1时，三极管Q1导通，则蜂鸣器报警。此报警器采用了单片机的P30功能，若烟雾的浓度达到报警上限，则单片机会控制P10PWM口输出占空比一定的脉冲，报警的时候蜂鸣器会发报警的声音。当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可调节烟雾传感器上面的电位器提高烟雾上限停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。图37报警电路图37无线模块电路的设计371ZIGBEE模块简介ZIGBEE模块是一种物联网无线数据终端，利用ZIGBEE网络为用户提供无线数据传输功能。ZIGBEE模块已经广泛的应用在物联网产业链中的M2M行业，如智能家居、智能电网、智能交通、智能建筑、移动POS终端、供应链自动化、消防、环境保护、公共安全、数字化医疗、气象、遥感勘测、水务、林业、农业、煤矿、石化等领域。采用高性能的工业级ZIGBEE方案，提供SMT与ZIGBEE模块DIP接口，可直接连接TTL接口设备，实现数据透明传输功能；低功耗设计，最低功耗小于1MA；提供6路I/O，可实现数字量输入输出、脉冲输出；其中有3路I/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能。此次设计所选择的DRF1605H型号的ZIGBEE，如图38为ZIGBEE模块实物图。它是基于TI公司CC2530F256芯片，运行ZIGBEE2007/PRO协议的ZIGBEE模块，它具有ZIGBEE协议的全部特点，这有区别于其他种类的ZIGBEE模块。此ZIGBEE模块节点的信息处理单元采用的是CC2530，CC2530芯片具有很多优势，它采用SOC（SYSTEMONCHIP）CMOS工艺生产，结合了符合IEEE802154标准的24GHZ的先进的RF无线收发器的收发功能，同时集成了标准的8051CPU，兼备2个支持多种串行通信协议的USART，具备8路输入和可配置分辨率的12位ADC,，还具备AES安全协议处理器，用以保证网络通信的保密性和安全性。它还具有休眠模式，在休眠模式下电流损耗仅为1UA，发射和接收模式时的电流损耗分别为29MA和24MA，可广泛应用于楼宇/家庭自动化、工业控制、低功耗无线传感器网络、医疗保健等领域12。自动组网，上电即用是DRF系列ZIGBEE模块的主要特点。针对目前产品开发进度要求紧，市场变化快的特点，DTK推出了自动组网，上电即用的ZIGBEE模块，用户不需要了解复杂的ZIGBEE协议，所有的ZIGBEE协议的处理部分，在ZIGBEE模块内部自动完成，用户只需要通过串口传输数据即可，是目前市场上应用ZIGBEE最简单的方式。COORDINATOR从串口接收到的数据会自动发送给所有的节点，某个节点从串口接收到的数据，会自动发送给COORDINATOR。用户可通过串口指令更改15模块的节点类型（COORDINATOR或ROUTER）和模块使用的无线电