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基于单片机的烟雾检测报告报警系统,基于,单片机,烟雾,检测,报告,报警,系统
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基于单片机的烟雾检测报警系统SMOKE DETECTION AND ALARM SYSTEM BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER摘要随着社会的发展，家庭小型电器的使用增多，防火安全逐渐被重视，烟雾探测器也被广泛运用。本文设计了一款基于单片机且集合了多种传感器的烟雾检测报警系统。本文所设计的烟雾检测报警系统以STC89C52单片机为核心，通过气敏传感器MQ-2、温度传感器DS18B20对周围环境的烟雾浓度、温度进行实时检测，再通过数模转换器ADC0832将信号传给单片机进行处理，最后可以由液晶显示器LCD1602显示实时的烟雾浓度以及温度。当周围的烟雾浓度或温度超过预设的报警值时，便触发声光报警，同时通过短信模块SIM800C发送报警信息，实现远程报警。本文设计的烟雾报警器较之以往的产品更加稳定、方便以及更加的智能化，具有一定的现实意义。关键词 单片机；气敏传感器MQ-2；温度传感器；GSM；火灾报警器IIAbstractWith the development of society, the use of small household electrical appliances increased, fire safety has gradually been paid attention to, smoke detectors have also been widely used. This paper designs a smoke detection and alarm system based on single chip microcomputer and Integrated by a variety of sensors.The smoke detection and alarm system designed in this paper takes STC89C52 single-chip microcomputer as the core, conducts real-time detection of the smoke concentration and temperature of the surrounding environment through the gas sensor MQ-2 and the temperature sensor DS18B20, and then transmits the signal to the single-chip microcomputer through the digital-to-analog converter ADC0832 for processing. Finally, the real-time smoke concentration and temperature can be displayed by the liquid crystal display LCD1602. When the surrounding smoke concentration or temperature exceeds the preset alarm value, it will trigger the sound-light alarm, and send the alarm information through the SMS module SIM800C to realize the remote alarm. The smoke alarm designed in this paper is more stable, convenient and more intelligent than the previous products, which has a certain practical significance.Keywords：single chip microcomputer gas sensor mq-2 temperature sensor gsm fire alarmVI目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1论文选题背景11.2论文选题的意义11.3 烟雾报警器的国内外现状21.4本论文研究的主要内容22 系统总体设计方案及选型32.1 烟雾检测报警器设计思路32.1.1系统的功能要求32.1.2 系统的技术要求32.1.3 系统的组成及方案设计32.2 单片机的选型42.3 LCD1602显示模块介绍62.4 烟雾传感器的选型72.5 DS18B20温度传感器的选型92.6 ADC0832介绍102.8 SIM800C模块简介113 系统的硬件电路133.1总体电路133.2 AT89S52单片机最小系统电路133.3 烟雾探测电路的设计143.4 温度采集电路设计153.6 液晶显示电路设计153.7 声光报警提示电路163.7.1 灯光提示电路163.7.2声音报警电路163.8 按键电路173.9 SIM800C短信模块电路设计184 系统的软件设计194.1 主程序初始化流程图194.2 按键控制子程序流程图194.3 报警子程序流程图204.4系统程序流程图215 火灾报警器的测试结果235.1 调试23结论24致谢25参考文献261 绪论1.1论文选题背景烟雾报警器已经有百年的历史，它诞生在1902年，由一位叫做乔治达比（George Darby）的英国工程师用简单的电路以及黄油的融化作为判断依据制作而成的，虽然巧妙，但也非常的简陋。后来的发明家们也想着改进烟雾报警器，但一直没有进展。直到30年后，一位瑞士的物理学家怀特杰格（Walter Jaeger）误打误撞发明出了真正的烟雾报警器，他设计了一个电室，将其中的空气电离，电离出的离子将两端的电路导通，当有烟雾的时候就会干扰离子减小电流，触发报警。经过一段时间的改进，于1951年投入市场，但其价格昂贵、体积巨大、安装困难，只能用于大型工业。随着时代的发展，居民生活质量有了巨大地提升，人们也越来越重视火灾带来的危害。但在过去几年中，许多家庭，因不能及时发现火灾，或者没有足够的救火知识，造成了极其严重的后果。因此，将烟雾报警器改造得更加小巧、便宜已刻不容缓，也将带来更大的利益。基于此，企业家皮尔萨奥（Duane Pearsall）研发出了早期的烟雾报警系统。其具有更小的电离室以及干电池供电，这也意味着其具有更小的体积，安装更加方便，也更适合家庭的使用。现在，建筑越来越坚固，但给火灾救援带来了更大的困难，因此，有必要研发出新型的，适合现代建筑的烟雾报警器。为了满足现代建筑物防火的要求，就必须对火灾进行实时的监控，严密监测环境中的烟雾浓度和温度分布，及时发出警报，将火源扼杀在摇篮之中。人们需要更加稳定、智能的烟雾报警系统。1.2论文选题的意义随着现代家庭用火、用电增加，家庭火灾频发。家庭火灾，容易扑灭不及时，有着在场人员惊慌失措、消防设备不完善等多种不利因素，将导致生命和财产的重大损失。消防部门统计结果表明，家庭火灾占全国火灾的30，是所有火灾比例中最高的3。但损失最严重、影响最大的还是森林火灾。不久前的凉山大火，令人印象深刻，不仅让我国的森林资源以及环境损失惨重，还让我们永远失去了我们的救火英雄。悲剧已经发生，但我们不能让悲剧再次重演，所以说,人们需要无时无刻警惕火灾的发生，现代化高科技的运用有利于人们发现火灾隐患。研发烟雾报警器，主要是为了让人们能够在火灾发生初期及时发现，给人们争取更多更宝贵的救火、救援时间，来采取简单有效的措施及时扑灭火源，减少人身、财产损失，避免悲剧的发生。基于此，火灾自动报警技术便应运而生，该系统能够24小时不间断地检测火灾，并且能够对初期地火灾做出有效预警。因此，研制出高效，稳定的的烟雾报警系统具有重大的现实意义。1.3 烟雾报警器的国内外现状得益于人们安全意识的增强，对财产安全的重视，国外很早就已经开始了烟雾传感器的研究及开发，且发展迅速。据统计，美国从1996年到2002年烟雾传感器年均增长率为27%30%1。美国松柏公司（ITI）成立于1981年，到目前为止仍是世界上最大的烟雾报警器制造时间，其产品具有体积小、稳定性高、易安装的特点。由于传感器趋于小型化、集成化，烟雾传感器的体积也随之变小，体积变小带来的改变是巨大的，更加方便批量生产以及运输，进一步控制了生产成本，也意味着更加容易推广。1963年5月，日本研发出了世界上第一台可以家用的接触式可燃气体烟雾报警器，等到1964年12月，便改进制造出了新一代的烟雾报警器，不仅可以检测一氧化碳，还可以检测各种可燃气体，使烟雾传感器的功能更加多样化。国内虽然发展的比较晚，只有到70年代初期才开始研制生产烟雾报警器。到上世纪90年代，国内市场逐渐开放，许多外资企业进入，一定程度上促进了国内烟雾报警器的发展的同时也带来了巨大的挑战。但国内的厂商并没有因此一蹶不振，而是努力学习、研发新技术，发展至今，已经有了非一般的飞跃，产品的型号多样、品种也已较为齐全，产品线已覆盖各行各业，市场占有率提升巨大。1.4本论文研究的主要内容本文所设计的烟雾报警器，主要采用MQ-2烟雾传感器检测烟雾浓度，DS18B20温度传感器来检测温度，AT89C52单片机控制相应的声光报警。再通过LCD1602显示屏显示实时检测到的温度值及烟雾值，键盘电路设置烟雾和温度的报警值。完成后的产品具有声光报警以及短信通知的功能。本文主要分为以下几个章节：（1）第一章：绪论介绍了论文选题的背景、意义、国内外现状及主要内容。（2）第二章：系统总体设计方案，包括各传感器、模块的介绍及选择。（3）第三章：硬件设计部分包括总体电路的设计，烟雾、温度电路的接线设计，声光报警、短信报警电路的设计。（4）第四章：软件设计部分包括主程序、初始化子程序、键盘处理子程序、报警子程序的编制和原理图的绘制。（5）第五章：系统的综合调试与分析包括在设计完软硬件后，对烟雾报警器的可用性、稳定性做出测试、调整，达到设计的要求。2 系统总体设计方案及选型本课题主要是实现烟雾及温度的实时监控以及发生火灾时的声光报警和短信报警，接下来的部分分析了本设计对系统功能的要求，系统技术的要求及总体的设计方案。2.1 烟雾检测报警器设计思路2.1.1系统的功能要求本设计主要研究以下几个功能：(1)探测火灾：为了及时发现并应对火灾，烟雾报警器必须灵敏且稳定，当然探测火灾也是烟雾报警器最基础也是最重要的功能，为了准确的探测到火灾，本设计同时从温度、烟雾及可燃气体多个角度比较；(2)声光报警：如果检测到室内烟雾超过报警值或是温度超过报警值，就发出声光报警，LED灯亮起同时蜂鸣器鸣叫。(3)当室内有火情报警，实现短信提示报警。2.1.2 系统的技术要求熟悉了本烟雾探测器的运行原理以及各种基础的功能后，就可以对该探测器的技术要求进行设定。本设计所使用的单片机成本都比较低廉，可以实现大批量的流水线生产。想要进行推广就需要满足实用性高、价格低、寿命长等特点。具体的指标和参数如下:(1)占用空间小：体积越小，运输成本就小，在价格上就比同类产品更有优势。而且方便安装，可以实现隐藏式安装，使家庭整体装潢更加美观；(2)功耗低：因为本产品设计的目的是24小时不间断监控火灾，因此功耗一定要小，安装完后一般不会移动且更换电池比较麻烦，所以使用5V直流电源供电；(3)稳定性高:由于工作的环境会比较恶劣，火灾易发地都有高温的特点，且不确定的干扰因素也较多，还需要长时间工作，因此尽量选择稳定性高的元器件，用多个LED灯，表达不同的情况。2.1.3 系统的组成及方案设计本产品主要有烟雾传感器、数模转换电路、温度传感器、红外传感器、显示电路、声光报警电路、短信报警电路、按键电路八大部分组成16。系统的组成结构如下：图2-1 系统的组成结构2.2 单片机的选型STC89C52单片机具有高速、低功耗、抗干扰能力强的特点，而且完全兼容51单片机的各种指令，并适应多个机器周期4。该单片机的flash、RAM、I/O口线、定时器都采用较高标准，且内置多个电路，使设计电路更加简单，众多电子产品都会选择该单片机作为控制核心。不仅如此，该单片机还具有多种工作模式：正常工作模式；省电模式，除了CPU停止工作，ROM、中断等继续工作；掉电模式，功耗会小于0.1A，只能由外部中断来唤醒，等中断返回之后，就继续执行原来的程序。STC89C52主要功能如表2-1所示，其DIP封装如图2-2所示：表2-1 STC89C52主要功能主要功能特性可以兼容51单片机的指令ROM大小4K端口数共32个256个8位RAM3个计数器24Hz的时钟频率中断数为2个可以进行编程的通道外部的中断源共2个总共有6个中断读写中断口线一共有2个加密位数一共有3级多种运行模式可以用程序控制运行模式STC89C52引脚介绍： 构成电源回路的2个引脚：VCC(P40)引脚：接5V直流电源正极；GND(P20)引脚：接入地线；两个引脚构成一个完整的电源回路，给单片机供电。用于连接外接的晶振的2个引脚:XTAL1(P19)引脚：单片机内集成的震荡电路输入的引脚；XTAL2(P20)引脚：单片机内集成的震荡电路输出的引脚。用于控制的4个引脚：RST(P9)引脚：这个引脚用于外接复位电路，当按下复位按键时，复位电路输出2个高电平，单片机收到信号后，执行复位程序；ALE/PROG(P30)引脚：可以接收允许地址锁存的信号的引脚；PSEN(P29)引脚：读取外部存储器信号的引脚；EA(P31)引脚：该引脚主要用于选择内外部存储器，当接收到低电平时就选择外部的存储器，接收到高电平则反之。可以进行编程的32根引脚：STC89C52单片机的I/O口一共可以分为4组，每组各有8个引脚，即一共有32根引脚。P0口（P39P32）引脚：8位双向I/O口线，可以实现信号的双向通信，名称为P0.0P0.7；P1口（P1P8）引脚：8位准双向I/O口线，可以实现信号的双向通信，名称为P1.0P1.7；P2口（P21P28）引脚：8位准双向I/O口线，可以实现信号的双向通信，名称为P2.0P2.7；P3口（P10P17）引脚：8位准双向I/O口线，可以实现信号的双向通信，名称为P3.0P3.7。 图2-2 STC89C52 DIP封装图STC89C52单片机简单、稳定，且具有较高的信息处理能力，对于此次设计的烟雾报警器完全够用，同时相对其他产品来说成本也较为合理，所以此次设计的产品选用该单片机。2.3 LCD1602显示模块介绍本系统的显示部分采用了LCD1602显示模块，1602LCD大部分都由HD44780控制，市面上的LCD大致上分为背光不背光两种，但区别不大，为了较好的人机交互界面，选择带背光的显示屏有更好显示效果。图2-3为LCD1602显示屏的引脚图。LCD1602主要有以下几点技术参数： 1.该显示器一共可以显示两行字符，每行可以显示16个字符；2.该显示器需要5V直流电源供电，耗电量很小；3.该显示器需要的电流为2A；4.该显示电路最适合在5V电源下工作；5.每个字符的大小为:2.954.35(WH)mm。图2-3 LCD1602引脚图LCD1602引脚功能说明：1号引脚：VSS为地电源。 2号引脚：VDD接电源正极。 3号引脚：VL引脚接入一个103卧式可调电阻后，就可以通过调整电阻接入电源的亮来调整显示器的对比度，接入的电源越多对比度越高，反之则低，可能会出现模糊重影的问题，可以根据个人的喜好调整字体显示的清晰程度。4号引脚：RS 引脚主要用于选择内外部存储器，当接收到低电平时就选择指令存储器，接收到高电平则反之。5号引脚：R/W引脚主要是判断信号的读写，当接收到高电平时，读取信号，接收到低电平时，写入信号。6号引脚：E引脚为使能引脚，当该引脚的电平从低变高时，显示器执行程序。714号引脚：这几个引脚的作用都是作为双向的信号线。15号引脚：背光源正极。 16号引脚：背光源负极。LCD显示屏一定要根据个人的设计进行初始化才能使用，有两种情况会初始化：开机通电，自动初始化；按下复位按钮后。下面是初始化的步骤:（1）清屏。顾名思义，就是清除屏幕上内容的意思，在单片机中可以将显示内容全部替换为空格来实现，再将光标移回到初始的位置。计数器全部清除。（2）功能设置。本设计将LCD设置为显示两行文字并且显示8位数据，因为这样设置的字体大小较为合适。（3）设置是否闪烁。本设计设置：当光标移动到某一位上时，原本显示的内容，会随着光标一起闪烁，提示用户光标所在的位置。（4）设置输入的方式。本设计的光标本不需要左右移动。本产品选用LCD1602作为显示模块的理由，是因为相对于传统的数码管能够显示更多更清晰的内容，从而带来更好更方便的人机交互界面，成本上却不会增加太多。2.4 烟雾传感器的选型烟雾传感器是烟雾检测电路的核心部分，所以烟雾传感器的选定显得尤为重要。烟雾传感器属于气敏传感器，能够将烟雾的种类、浓度转换成单片机可以识别的电信号，再根据电信号的强弱判断周围环境的烟雾信息，从而达到对周围环境检测监控的目的。烟雾传感器根据检测原理大致可以分为三种：一、利用传感器物理化学性质的；二、利用物理性质的；三、利用电化学性质的。而本文选用的MQ-2属于第三种，利用气敏材料二氧化锡在清洁空气中导电率低，当有可燃气体或是烟雾时吸附其中的电子增加导电率的原理制成。该传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，其灵敏度与可燃气体的关系如图2-4所示。其中纵坐标表示传感器的电阻比（RS/R0）,横坐标表示气体的浓度，R0为传感器在不同的气体中的阻值，RS为在氢气中的阻值。图2-4 阻值灵敏度与气体关系该烟雾传感器，有非常多的特点，例如：检测的范围广、非常灵敏、恢复速度也很快、电路简单、也可以长时间使用，在检测是否发生火灾的同时也可检测液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等可燃气体，完全能够满足一般家庭甚至一部分工厂对于烟雾报警器的需求，在成本低廉的条件下，还具有非常高的灵敏度、稳定性，是烟雾报警器的不二选择，因此本设计最终选定MQ-2作为烟雾检测的核心传感器。下图为MQ-2烟雾传感器外形结构图：图2-5 MQ-2外形结构如图2-5所示，MQ-2传感器的结构非常简单小巧且一体化程度高，这就意味着该传感器坚固耐用，可以胜任各种复杂苛刻的环境，也可以放置在一些人进入不了的地方进行监测，非常方便。2.5 DS18B20温度传感器的选型温度传感器发展至今，已经向数字化、集成化的方向发展，现在更是与网络结合，更加的智能。本文所选用的DS18B20是一家美国公司生产的，用金属外皮包裹，非常的坚硬，可以防止一些轻微的磕碰。而且该传感器占用空间非常小，可以设置在一些小角落里，进行温度监控。并且，该传感器支持总线组网，完成后就可以实现测量多处温度的目的。该传感器可以在5V直流电源下工作，耗电非常小，而且它可测量的温度范围也非常广，低的可以测零下55，高的可以测试125的高温，对于本次设计而言，这个温度测量范围是非常合适的。DS18B20有以下几个优点：（1）只需要一条连接线就可以与单片机相连并进行信息交流； （2）不需要添加任何其余元器件，就可以使用；（3）耗电小，可以由5V直流电源供电；（4）可测范围：该传感器可以测量的范围十分广，低至零下55温度，搞得可以测试125的高温，而且该传感器的测量精度也较高，误差不会超过1，即使在零下55或125这种极限温度下误差也不会超过1.5；（5）可以读取1012位的数字；（6）使用者可以设置一个报警值；（7）支持多点的组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温（8）负压特性，当组建好电路后，用户最担心的就是线路连接错误导致传感器或元器件烧毁，此电路内有保护电路，即使发烫也不会烧坏；（9）DS18B20的反应速度非常高，将温度模拟信号 转换成电信号的过程，只需要90ms左右；（10）兼容多种多样的单片机；（11）该传感器的序号只占用非常少的ROM，可以空出更多单片机的ROM空间给其他传感器组件，或是可以允许多个DS18B20传感器连接，组成一个温度测控网，同时监控多个区域的温度。图2-6 DS118B20结构图因为本文所设计的产品所处的环境较为恶劣，所以稳定性非常重要，而DS18B20能适应的温度范围十分广，并且在此前提下还能有较高的灵敏度，可以准确地测得当前温度，非常适合本文所设计的产品。2.6 ADC0832介绍ADC0832是由一家美国公司研制的，该芯片是用来将模拟信号转换为电信号的，一般要配合单片机使用。该芯片可以兼容当前市面上几乎所有单片机，因此，使用范围十分广，市场占有率非常高，没有替代品。而且其占用的空间非常小，运输成本极低，因此其售价也十分低廉，对于产品的推广有着关键的正面作用。ADC0832分别具有以下几个特点：分辨率为8位，这各分辨率非常高，可以快速的转换信号，减少响应时间；5V单电源供电；可以接收0-5V电压的模拟信号，也就是说在单片机标准下几乎兼容其他的任何传感器；符合TTL端口和CMOS端口的信号传输协议；频率为250KHz；有两个通道，且都可以用来转换信号，意味着可以连接两个传感器，更加便利；功耗低，15mW。图2-6所示为ADC0832的各引脚图。图2-7 ADC0832引脚图各引脚的作用为：8号引脚接5V正电源，4号引脚接电源地线，这两个引脚构成一个回路给ADC转换器供电；1号引脚只能够接收低电平信号，而2号和3号引脚的作用分别是信号转换的输入端，而5号和6号引脚则是将转换后的电信号输出给单片机的端口，这几个引脚组成了信号的输入及输出过程；而7号引脚的作用则是接入时钟电路，是ADC转换芯片的必要功能。ADC0832一般有四个引脚与单片机相连，分别是1号、5号和、6号和7号引脚。其中1号引脚的作用类似于开关，当其接收到一个低电平时，ADC转换器就工作，当收到高电平后，则关闭该转换器。7号引脚，主要是接收单片机的时钟信号，这是ADC转换器最基础也是非常必要的功能；5号和6号引脚，前文也有所提到，是AD转换器电信号的输出引脚，与单片机相连是为了将信号传输给单片机。5号引脚可以选择哪个通道输入，其功能项见表2-2。表2-2 ADC0832通道选择配置位输入形式 配置位选择通道CH0CH1CH0CH1差分输入00+-01-+单端输入10+11+如表2-2所示，当2号和3号引脚接收到的信号都为0时，两个通道只开启一个CH0通道；当2号引脚接收到的信号为0，而3号引脚接收到的信号为1时，CH0通道关闭，CH1通道开启；当2号引脚接收到的信号为1，3号引脚接收到的信号为0时，CH0通道开启，CH1通道关闭；当2号和3号引脚接收到的信号都为1时，CH0关闭，CH1通道开启。当这个过程全部都完成时，也就意味着，AD转换器将信号从输入到输出的过程全部进行完毕。ADC转换器只能够在5V直流电源下工作，其能够接收的电压也最高是5V,虽然能够通过一些方法将此电压范围宽度增加，但此实验涉及的各传感器都是在5V电源下工作的，所以并不需要更改。ADC0832可支持两个传感器同时进行转换，兼容性好，功耗低而且电压等标准也非常适合本文所设计的产品，所以选择此器件作为本设计的数模转换器。2.8 SIM800C模块简介GSM模块是本设计短信报警电路的核心模块，SIM800C非常可靠，且接线简单。SIM800C可以提供四种频段的通信，而且非常小巧，性能稳定，性价比极高，具有很大的扩展空间。其具备多个可供用户自由扩展的串口。SIM800C使用了TCP/IP协议，此协议使得用户能够非常容易上手，对于需求数据传输的用户也有很多便利。该模块只能在3.5V4.5V的电压范围内运行。该模块可以使用AT命令集，且可以支持中文转PDU形式发送短信。有多个工作模式例如：正常工作的模式；比较省电的最小功能模式等。SIM800C的使用范围非常广，现在人们运用越来越多的智能家居，通过加入此模块便可以实现远程通讯；一些危险的工厂监控设备也可以加入此模块实现远程监控，防止意外发生。表2-3 SIM800C引脚功能引脚名称功能T_RX连接单片机的UART_RXT_TX连接单片机的UART_TXGND连接单片机的GNDV_MCU连接单片机的电压为5V，则TX、RX的逻辑电平一致且都为5V；该引脚只能用来调整逻辑电平，并不能给GSM模块供电。此模块功耗非常低，且具有非常多的功能，安装方便，信号稳定，对于烟雾报警器所需的收发短信功能绰绰有余，且相较于同类产品性价比高，完美符合本设计的需求，所以选择此模块作为远程报警的组件。3 系统的硬件电路3.1总体电路图3- 1为Altium Deigner所画原理图。电路被设计为可以实时查看被传感器测得的烟雾值以及温度值，一共可以设置两个值，分别是温度和烟雾的报警值，当温度超过该值时第一个灯亮起，蜂鸣器鸣叫；当烟雾超过该值时，第二个灯别亮起，蜂鸣器声音警报。同时，单片机通过控制GSM模块发送短信到预设的手机上，达成远程报警的目的。图3-1 总体电路3.2 AT89S52单片机最小系统电路如图3-2最小系统包括了：52单片机以及必要的电源、时钟、复位等，保证单片机能够保持最低限度的运行。可将该最小系统视为该系统的核心部分，通过与其他部分合作，可以使单片机实现更多更复杂的功能。STC89C52内部已经集成了ROM/EPROM，所以，设计的最小系统电路简洁明了并且非常稳定可靠，因为集成度非常高，导致其拓展能力相对较低，只能够作为基础电路的核心控制器。电源电路：该电路作用是向单片机供电。STC89C52单片机只能够在4.0V5.5V的电压范围内工作，因此一般会接上5V的电源17。单片机的40脚接电源电路的VCC端，20脚接电源电路的地端。时钟电路：由晶振与两个陶瓷电容组成，给最小系统提供一个像时钟一样准确重复运动的震荡电路。给其他电路工作提供一个标准。复位电路：连接到单片机的RST引脚，当按下按键时，复位电路接通，电容充电，给单片机一个信号，单片机复位。图3-2 AT89S52单片机最小系统电路3.3 烟雾探测电路的设计烟雾采集电路如图3-3所示，该电路共分为两部分：第一部分是烟雾传感器将检测到的烟雾浓度信号转换为电压信号并将其输送到ADC0832中；第二部分AD转换器再将模拟信号转换成数字信号并发送给单片机，再由单片机处理该信息。图3-3 烟雾采集电路3.4 温度采集电路设计DS18B20温度传感器的1号引脚接入地线，2号引脚数据端接单片机的P11端口，因为此传感器本身就可以将模拟信号转为电信号，所以2号引脚可以将采集到的温度信息直接传输到单片机，3脚接VCC电源与1号引脚构成电源电路，为了确保DS18B20工作可靠，2脚要接4.7K的上拉电阻。图3-4温度采集电路3.6 液晶显示电路设计将单片机的31到39号引脚与LCD1602显示器的715号引脚相连，因为STC89C52单片机的40号引脚是没有接入上拉电阻的，所以在单片机与显示器之间接入一个10K大小的排阻，用来实现传输数据以及通讯。单片机的2628号引脚与LCD1602的46号引脚相连，用来选择寄存器的以及读写功能操作。图3-6是LCD1602与单片机连接的电路图：图3-6 显示电路接线图3.7 声光报警提示电路3.7.1 灯光提示电路本设计使用三个LED灯，用来发出不同的指示信号，分别是：手动报警指示灯，烟雾报警指示灯以及温度指示灯。LED简单易用只要将其与一个1K电阻串联接入电源再分别与单片机的P24、P23、P22端口相连便可使用。图3-7 灯光报警电路3.7.2声音报警电路本文采用有源蜂鸣器，由蜂鸣片振动来发声，接上5V直流电源便可以工作，由于其体积小工作稳定，很多电子产品都会用到其作为发声器件。因为单片机输出的电流较小，是无法用来直接供给蜂鸣器电源的，需要由三极管来放大并且驱动，因此蜂鸣器电路必须要有蜂鸣器、三极管以及一个保护电阻。蜂鸣器通过三极管与单片机的P21端口相连，当单片机输入一个低电平给三极管的基极时，三极管导通，蜂鸣器工作；反之当单片机输出一个高电平时，三极管关闭，蜂鸣器不工作。图3-8 声音报警电路3.8 按键电路按键接地，当按下按键时，整个电路就与地线接通，同时输出一个低电平。而单片机的端口初始值设定为高电平，因此电路有一个电势差，意味着电路导通，输出一个电信号给单片机进行处理。报警上限值通过键盘电路设置，K1按键为设置键与单片机的P32端口相连，按一下进入设置界面并且可以通过K2、K3设置调整烟雾报警值，再按一下设置键，光标跳到温度行，再按K2、K3就可以设置报警值。K4按键是手动报警按键，当有人被困在火场时，可以通过该按键报警。3-9 按键电路3.9 SIM800C短信模块电路设计GSM模块通过串口与单片机连接，实现单片机的控制与通信。SIM800C模块提供了许多信号接口，但本设计只需要用到TXD与RXD两条控制线并且分别和单片机的RXD、TXD端口相连，在给模块供上电以及接入地线后，便可实现通讯。在进行串口设计时，尽管SIM800C模块输出的是CMOS电平，而单片机只能识别TTL电平，但由于单片机的高电平和低电平的逻辑判断电平可以实现SIM800C的引脚连接，因此SIM800C模块可以直接与单片机引脚进行连接。SIM800C模块的NETLIGHT管脚用来指示GSM模块的信号的状态，其自带一个指示灯慢闪指示无信号或是信号不稳，快闪则说明信号稳定，且有网络，可以进行收发短信，或者进行通话。以下为SIM800C模块的电路连接图。3-10 短信模块电路4 系统的软件设计4.1 主程序初始化流程图图4-1所示为主程序的初始化流程图。初始化的目的是：使单片机以及其扩展芯片达到工作运行的状态，包括了各I/O端口的初始化、寄存器的初始化、各种中断的优先级的设定。图4-1 主程序初始化流程图4.2 按键控制子程序流程图按键电路的原理是：按键接地，当按下按键时，电路就接地，同时输出一个低电平，而单片机的端口设定初始值为高电平，因此电路导通，输出一个电信号给单片机。按键电路本来是一个非常简单的电路，但运用到实际中时就会发生一个问题，就是当人按下按键，在到达临界区时会有一个无法避免的抖动。这种抖动一般会持续10毫秒左右，对于人来说是非常短暂的，但对于敏感的电子元器件来说，就是一个非常大的误差了。因此，可以设置一个延时时间，延迟按键信号的识别，来避免抖动，本设计设置的延时时间为20毫秒。设置的这个值，对于人类的反应来说，仍旧非常的短暂，几乎无法感觉出来，同时也能使系统更加精确、稳定。当跳过抖动后，按下按键，则调用相对应的程序。 图4-2 按键控制流出图4.3 报警子程序流程图当传感器检测到的烟雾浓度值或是温度超过设定的报警值后，单片机判断是否报警，如果不则继续监控周围温度及烟雾浓度；如果报警则启动声光报警并发送短信远程报警。 图4-3 报警程序流程图4.4系统程序流程图上图为烟雾报警器的主程序流程图。当接上电源后，烟雾传感器采集周围环境中的烟雾浓度信息，再将检测到的模拟信号通过 AD转换器转换成电信号，传给单片机进行分析判断；温度传感器则检测周围环境中的温度，将温度信息直接传输给单片机分析判断；红外热释电传感器负责检测周围是否有人。当温度或烟雾浓度其中之一超过设定的报警值时，或是检测到有人经过就启动声光报警以及发送短信远程报警。本系统提供了一个LCD显示屏，不需要外连设备就可以很方便的直接在产品上设置警报值以及查看当前的温度、烟雾浓度等信息。图4-4 主程序流程图5 火灾报警器的测试结果5.1 调试调试首先要注意的是线路连接有没有虚焊、短路等问题，以防开机便把万用板上的元器件烧坏了，当检查完线路并且确认没有问题后，通上电源，查看显示屏显示内容无误，灯、蜂鸣器正常运行。按下各按键，设置键可以进入设置界面，加、减键也都可以加减报警值，在测试按键是否正常的同时设置好报警值。最后模拟测试了烟雾传感器以及温度传感器在火灾发生时的反应，表5-1为测试结果：表5-1 模拟火灾测试结果 模拟环境测试结果正常环境打火机只产生可燃气体打火机只测试火焰温度点燃的纸巾设定的阈值温度26657545烟雾浓度09457035灯光显示不显示LED2亮LED1亮LED1和2亮蜂鸣器不报警蜂鸣器鸣叫蜂鸣器鸣叫蜂鸣器鸣叫发送的短信不发送短信发送短信发送短信发送短信据表可知：正常环境内，不会触发报警，而当烟雾传感器接触到打火机发出的可燃气体后，显示烟雾浓度值超过警报值，立即触发第二个LED灯及蜂鸣器并且发送短信，此实验证明烟雾传感器可运行且非常灵敏；当用打火机火焰加热温度传感器，温度超过设定的阈值时，第一个LED亮，蜂鸣器鸣叫且发送短信，证明温度传感器可用；当点燃纸巾，并将烟雾报警器靠近燃烧物时，第一及第二个LED都亮起，且蜂鸣器鸣叫，发送短信。测试结果表明，火灾及燃气泄漏均可以触发声光报警以及远程报警，本次设计的产品是可靠、有效的。结论火灾一旦发生，给人们带来的损失已不言而喻，因此
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