【《基于单片机火灾报警器设计与实现》8200字（论文）】

基于单片机火灾报警器设计与实现目录摘要 1第1章绪论 31.1课题研究的背景 31.2火灾报警器国内研究现状 31.3火灾报警器国外研究现状 31.4课题研究的意义和展望 41.5本文的结构 4第2章系统需求分析 52.1火灾报警器需求分析 52.1.1系统技术可行性分析 52.2系统结构的总体方案 52.2.1火灾报警器的总设计框图 52.2.2烟雾报警设计框图 52.2.3温度报警设计框图 62.3本章小结 6第3章火灾警器系统的硬件设计 73.1火灾报警器系统的硬件设计 73.1.1MS5100烟雾传感器的工作原理 73.1.2数模转换模块设计 83.1.3ADC0832数据读取流程图 93.1.4单片机模块设计 93.1.5AT89C52单片机的优势 103.2烟雾报警系统的流程设计 103.2.1系统总体功能的介绍 113.2.2报警模块流程图 113.3烟雾报警系统的硬件设计 123.3.1烟雾报警系统的硬件设计 123.3.2DS18B20温度传感器的优点 123.3.3系统设计中温度传感器的工作原理 133.4温度报警系统的流程设计 133.4.1系统总体功能的介绍 133.4.2报警模块流程图 14第4章系统设计的相关程序 154.1实现目的 154.2程序的功能 15仿真测试 21第6章总结 24参考文献 25摘要本文首先提出了火灾报警器的背景，概述了国内外研究现状。然后对系统进行了需求分析，提出了系统的设计方案，通过流程图、程序编码对烟雾和温度传感器、数模转换模块等重要功能进行硬件和软件设计。最后进行仿真测试。本文研究的烟雾报警器采用STC89C52单片机为中介，通过烟雾传感器MS5100进行实时烟雾浓度采集，得到的数据经过ADC0832芯片数模转化后与单片机中的设定值进行比较，决定是否报警。温度报警器将DS18B20温度传感器采集的实时温度直接与单片机中设定值对比，决定是否报警。该设计实现了对人员安全的监控，可以预防和杜绝火灾带来的危害。关键词：烟雾传感器；数模转换；报警系统；温度传感器第1章绪论1.1课题研究的背景复杂城市群落的产生，电器设备先进、房屋豪华内饰、聚会繁多等组成了美好家庭生活的一部分。家庭电力增加的使用导致增加了家庭火灾发生频率，主要原因有使用的不小心、预警效果不好和没有采用有效的补救措施[1]。2017年七月，信阳某旧居民楼因人为因素发生火灾，导致厨房被烧。经过报道得知，缘由是六旬老人在家炖排骨的同时沉迷于某戏曲节目，导致锅烧干而引发厨房电路被烧。火灾发生的主要原因之一是没有安装报警装置来提前预警，家庭内部没有安装火灾报警器，导致老人无法及时发现问题。以此为例，全国每年因电类、火灾等人为造成灾难屡见不鲜，因此设计一款火灾报警器十分重要，它保障着我们的生命和财产安全。1.2火灾报警器国内研究现状我国的火灾报警器系统发展比国外滞后，发展速度也不是飞一般的跨跃，只是近些年有所发展。70年代才开始研发这类产品，到了80年代引进国外技术，90年代随着我国改革开放政策的推行，外企大量进入国内，在一定程度上推进了我国火灾报警器系统的发展和成熟。此时，我国许多企业和国外企业达成好的合作，市场上面增加了许多国家产品，部分技术达到了国际标准。起初的报警器造价很高，许多种类的传感器、报警装置等重要模块只能在特殊场所使用，安装复杂且没有美观性。在2010-2014年期间我国一些科研人员不断创新改造传感器模块、单片机型号、检测芯片等重要的模块，对以后的发展起到重要意义[7]。1.3火灾报警器国外研究现状国外的研究早已于一个世纪之前开始出现，起步较早，技术相对成熟。美国、德国、日本等一些发达国家政府给予大的支持，他们将计算机技术、网络技术和电力技术融合一起，将用户的终端信号采集和计算机相连，报警系统采用有线技术实现网络监控。由于每一个采集器都需要一个独立系统，导致兼容性较差，不便全方面推广，价格昂贵不适用普通家庭使用。随着科技的进步，一些发达国家研制无线技术的火灾报警系统，从应用于特殊场合到家用。无线报警器的出现，很大程度上预防了火灾的发生，减少了人员和财产的损失。1.4课题研究的意义和展望本次设计的主要内容是火灾报警，有预防和警报作用，可避免人们的生命和财产受到损失。本设计采用火灾报警器中的烟雾传感器和温度传感器采集环境参数并与单片机设定的参数阀值进行比较，决定是否报火灾报警系统在我们日常生活中扮演着越来越重要的角色，具有早期发现火灾和报警的作用，可使事故处于初始阶段就被扼杀，避免人员受伤和减少财产的损失。由于所学知识的不足，本文对报警系统的组成和工作进行了简单的研究，在以后需要深入研究的时候，可以增加与消防部分的连接、增加手动和自动的消防设备连接，更大程度上减少火灾的发生。1.5本文的结构本文研究的目标是设计火灾报警器，对系统进行需求分析、软硬件设计与测试等工作，本文的组织内容如下：第1章：绪论。本章主要阐述了本文的研究意义和背景，查阅参考世界不同国家的研究现状，分析研究的课题内容。第2章：系统需求分析。对火灾报警器的可行性、总体方案等进行需求分析。第3章：烟雾和温度报警器的硬件设计。重点对烟雾传感器、数模转换、温度传感器模块蜂鸣报警器等一些模块的设计与实现。第4章：仿真测试。对两个报警器进行测试仿真，并判断是否可行。第5章：个人总结。对本文所做的工作进行总结，并分析研究过程中存在的问题。第2章系统需求分析本章对火灾报警器的烟雾报警和温度报警两个系统设计需求进行分析，明确烟雾和温度报警的内容，主要是硬件系统的构建。2.1火灾报警器需求分析火灾报警器作为重要的安全工具，主要用于温度和烟雾浓度的监控、报警，设计合理有效的报警器有利于生命和财产的安全。本文主要研究温度、烟雾报警系统，可以在周围的温度和烟雾浓度达到设定值时系统会自动报警。2.1.1系统技术可行性分析技术可行性主要考虑的是现在的技术能否将模型运用在现实中。这个设计需要用到的是STC89C52单片机、温度传感器、烟雾传感器、声音报警装置[13]。使用的开发软件是keil5，仿真软件是proteus，画图软件是AltiumDesigner。2.2系统结构的总体方案2.2.1火灾报警器的设计框图火灾报警器的工作原理是烟雾传感器采集的烟雾浓度数据经过ADC0832芯片转换为数字电压传送到单片机，与此同时，温度传感器测量到的实时数据传送到单片机，经过单片机的计算对比来决定是否报警，显示屏上面将可显示实时的温度和浓度。一个外接按键用来设置阀值。如图1所示。图1火灾报警器的设计框图2.2.2烟雾报警设计框图烟雾报警设计系统采用MS5100烟雾传感器测量烟雾浓度，以STC89C52单片机为中心，当测量的烟雾浓度大于系统设定值时，蜂鸣报警器就会报警。烟雾传感器与单片机之间的信息传递过程是数模转换。烟雾浓度为模拟信号，经过数模转换器ADC0832变成数字信号储存到单片机中，将得到的浓度值与设定值进行对比，来决定是否报警。烟雾报警框图如图2所示。图2烟雾报警设计框图2.2.3温度报警设计框图温度报警设计系统采用DS18B20温度传感器来测量实时温度，此温度传感器具有断电不丢失功能，即使由于特殊情况断电，显示器上面也会记录前一刻数据[9]。以STC89C52单片机为中心，当测量的温度高或低于设定值时，蜂鸣器会产生报警。温度传感器输出的是数字信号，当数字信号传给单片机储存后，经过程序计算，它会和设定的温度对比，决定是否产生报警。温度报警框图如图3所示。图3温度报警设计框图2.3本章小结本章主要对火灾报警器的设计框图以及烟雾报警与温度报警两个系统的设计框图，明确系统的技术可行性，确定了系统设计原则、系统设计框图。第3章火灾报警器系统的硬件设计火灾报警器的主要功能为烟雾报警和温度报警，下面将分别介绍两个报警的硬件设计和报警流程图。3.1烟雾报警系统的硬件设计烟雾报警器重要电路图如图4所示。主要包括复位电路、时钟电路、STC89C52单片机、烟雾传感器采集电路、蜂鸣器报警电路。其中时钟电路是单片机稳定工作的前提，负责提供计时功能，决定系统工作的快慢。复位电路是任何一个微处理器都必须具有的功能，当程序或者寄存器数据有误时，需要复位操作让微处理器重新正常工作[4]，蜂鸣器报警电路负责提供声音报警装置，烟雾传感器采集电路负责采集烟雾数据，ADC0832转换芯片可将传感器采集的数据变成数字信号，STC89C52单片机提供嵌入式控制应用系统。图4部分重要原理图3.1.1MS5100烟雾传感器的工作原理MS5100是一种半导体烟雾传感器，具有灵敏度高、稳定性强、反应敏捷等优点。此传感器运行工作原理如下:当检测到外部环境有烟雾时,传感器的电阻Rs会发生变化，引起输出电压Vout发生变化，得到的变化数据同浓度一电压转换关系曲线和公式进行查阅可得到环境中烟雾的浓度。可以根据电压值算出对应的浓度值，从而得出合适的阀值[2]。浓度采集电路图如图5所示。图5烟雾浓度采集电路图当上拉电阻RL=200kΩ时，烟雾传感器电阻为Rgas，通过公式可得：Rgas=20000（5-V）/Vout。当有烟雾时Rs设为阻值Rgas，无烟雾时为Rair，有烟雾和无烟雾是有比例关系的，首先确定Rair为900kΩ，计算可得公式为：烟雾浓度值=（Rgas/0.53Rair）/（-1.55/20000）3.1.2数模转换模块设计本设计采用的是模数转换芯片ADC0832。该芯片采用八位分辨率能够很好地显示出内容,可以提供双通道A/D转换功能。这种类型的芯片占用空间小，能够兼容不同的操作系统和环境，具有很强的兼容性，性能好、价格低等优点[14]。转换模块的主要功能是将烟雾传感器中采集到的烟雾模拟值转换成可以与单片机中阈值做比较的数字值。ADCO832引脚图如图6所示。图6ADC0832引脚图在本次设计中和单片机的接口是四条线，分别是CS、CLK、DO、DI。由于DO和DI与单片机的接口是双向的，可以在连接一根线上，当ADC0832没有工作时CS端是高电平，此时芯片禁止使用。当要A/D转换的时候，首先CS端口需要为低电平且一直保持低电平到转换结束，进行单片机向芯片输入端输入时钟脉冲，DO端接收数据信号，在一个脉冲结束之前一直保持高电平状态。烟雾传感器和ADC0832芯片的CH1端口连接。烟雾传感器中有受光和发光两个器件，当烟雾达到一定浓度时，发光器件的发射光强度会受到烟雾的影响，此时受光器件接收的光强度减少，光电流就会降低。通过A/D转换为电压采样，单片机通过CH1端口的电压值就会变化，CH1的工作模式会传给ADC0832芯片，信号传输给单片机的21端口连接的声光报警装置，从而达到报警的目的。3.1.3ADC0832数据读取流程图ADC0832芯片的开发过程采用的是C语言汇编，支持硬件芯片代码的编写，可以为芯片指令执行提供底层程序。ADC0832数据读取程序流程如图7所示，使能芯片产生时钟信号，输入通道控制字，读取并校验数据，将数值送入指定寄存器。图7数据读取流程图3.1.4单片机模块设计STC89C52单片机芯片包含8KB(可承受1000次写入周期)可编程可重写的程序内存，其输出引脚和指令系统与MCS-51兼容。单片机芯片内的闪存处理器允许程序在系统内进行调用,并且可以使用常规的固态内存编程器编程[3]。STC89C52RC是一种功耗低，且工作性能突好的单片机，可以通用地应用于各种控制领域[4]。STC89C52单片机芯片原理图如图8所示。图8单片机原理图3.1.5ST89C52单片机的优势优势原因集成度高因为中央处理器、存储器、I/O接口都集成在一块芯片上芯片可靠性高因为单片机内部采用总线结构,减少了各芯片间的连线，主要功能都集中在一块芯片上面。低功耗、低电压因为单片机的供电电源主要是直流,产品便携外部总线丰富因为单片机内部结构简单，需要多功能需要在外部扩展多个结构。功能扩展性强因为单片机的系统外部扩展容易和多样化,可以构成各种规模和不同类型的应用系统图9单片机的优势3.2烟雾报警系统的流程设计3.2.1系统总体功能的介绍本系统的软件功能主要是检测烟雾浓度，将它进行分析并决定是否发出预警，具体功能如下:(1）烟雾浓度的实时采集和检测，可以及时地掌握和分析烟雾情况，对超标情况进行报警。（2)采集的烟雾浓度通过ADC0832芯片转化为数字信号。（3）蜂鸣器进行报警。流程图如图10所示。图10烟雾报警器系统流程图3.2.2报警模块流程图系统报警模块在单片机STC89C52有效读取了周围环境烟雾浓度的数据后，将当前浓度值跟程序设定报警值进行比较，当条件符合的情况下，系统传输信号让蜂鸣器报警。报警模块流程图如图11所示。图11报警模块流程图3.3温度报警系统的硬件设计3.3.1温度报警系统的硬件设计温度报警重要原理图如图12所示。主要包括复位电路、时钟电路、STC89C52单片机、温度传感器、蜂鸣器报警电路。通过温度传感器DS18B20对周围温度的实时监控，得到的温度数字信号后，传输到单片机的特定储存器与设定值比较后决定是否报警。本次设计选择是DS18B20温度传感器的主要原因为：体积小、精度高、适用和测温范围广等特点。图12温度报警重要原理图3.3.2DS18B20温度传感器的优点本文设计的检测系统是基于温度传感器,要求能实现小距离间隔的垂直多点测量，选用的是尽可能的体积小、精度高、电路简洁和价格低[6]。在此基础上，我们选择了美国DALLAS半导体公司新一代的数字传感器DS18B20。DS18B20的最大优点之一是采用单总线的数据传输方式[8]。1-wire单总线是DALLAS公司的一项专有技术，在结构和功能上与传统的串行数据通信传感器件存在较大差异。内部不仅具有传统传感器所具备的元件，还能够通过独立的信号线实现双向数据传输，节约了大量的IO口和线路资源，具有成本低，维护性强，扩展性高等优势[5]。3.3.3系统设计中温度传感器的工作原理温度检测采用DS18B20传感器,采用单线与单片机的一个1/0口相连进行数据的双向传输,该温度传感器转换的过程是:在每一次使用时,都要进行重置,在这之后,需要向DS18B20发送两个指令,分别是ROM指令和RAM指令[16]。DS18B20在连接一个电阻的同时需要连接一个RP1上拉电阻，因为传感器的输出电压值太低，不足以数字接口读取到高电平，需要一个上拉电阻来弥补不足的电压。温度传感器在低温度时晶振的振荡频率产生的脉冲信号发送给计数器1；在高温度时晶体振荡的频率产生的脉冲信号发送给计数器2，计数器1和计数器2会对产生的脉冲信号进行累加，当温度寄存器的数值停止计算时，产生的温度就是所测的温度。温度传感器连接单片机的P10引脚（串信通信数据接收引脚），传输数据给单片机。在单片机的P0引脚连接一个显示器来显示传感器的温度。DS18B20与AT89C52相结合，实现温度的采集功能[2]。3.4温度报警系统的流程设计3.4.1系统总体功能的介绍本系统的软件功能主要是检测温度度数，将它进行分析并决定是否预警，具体功能如下:(1）温度度数的实时采集和检测，及时地掌握和分析实时情况，对温度过高情况进行报警。（2)单片机发送指令控制DS18B20传感器检测温度。（3）蜂鸣器进行报警。流程图如图13所示。图13温度报警流程设计3.4.2报警模块流程图报警模块在单片机STC89C52有效读取了周围实时温度度数的数据后，将当前度数跟程序设定报警值进行比较，当符合报警的条件时，系统会传输信号让蜂鸣器报警。报警模块流程图如图14所示。图14报警模块流程图第4章系统设计相关程序4.1实现目的单片机读取温度值和烟雾浓度数模转换之后的数字信号。当温度传感器温度值大于预设温度值时会向单片机传输数据，导致打开蜂鸣器报警；温度值小于预设值时，单片机发送指令关闭报警灯，关闭蜂鸣器报警。当烟雾报警器的烟雾浓度大于预设浓度时，蜂鸣器会报警；当浓度小于设定值时报警器不会报警。4.2程序的功能本文采用KEIL5和PROTEUS相结合的调试方法对基于单片机的控制部分进行调试。KEIL5是美国KEIL公司开发的软件，可以用于单片机STC89C52的调试，该平台支持C语言软件开发，相对于汇编开发，C语言具有更强的可读性和可维护性，系统的结构也更稳定。因此，KEIL5软件在嵌入式开发领域得到了非常广泛的应用[12]。图15参数预设值设置各项参数预设值：设置温度的预设值为usher_t=50，设置烟雾的预设值为usher_yank=100,定义温度值的全局变量，读取烟雾、光照的ADC数据，变量times计数，用于液晶切换显示，设置用于切换显示烟雾预设值的变量标志位，设置运行模式：mode=1时处于设置温度阈值状态，当mode=2时，处于烟雾值设置状态，mode=0时，处于正常监控模式。参数预设值程序如图15所示。图16管脚定义管脚定义：定义p2.4引脚为控制黄灯的控制引脚，定义p2.0引脚为蜂鸣器的控制引脚，定义p2.3引脚为总开关，定义延时函数：延时时长为1ms。管脚定义程序如图16所示。图17ADC0832函数ADC0832相关函数：定义ADCS由引脚P1.5控制片选，ADCCLK由引脚P1.2控制时钟，为节省单片机引脚，简化电路，选用引脚P1.3控制数据的输入输出。定义函数unsignedintAdc0832(unsignedcharchannel)，temp=AdC0832(0)；读取0通道的AD值，channel选择数据通道0和数据通道1。返回值为选取的通道AD值。程序如图17所示。图18DS18B20定义图19DS18B20定义图20读取温度图21校准温度DS18B20相关函数：定义引脚P1.0为DS18B20的数据引脚，定义DS18B20的延时程序。定义字节的读写函数。读取温度值函数，获取温度值函数，其中获取的温度值需要减去DS18B20的温漂误差。定义按键函数。定义设置键Key1控制引脚P1.6，定义加按键Key2控制引脚P。相关程序如图18、19、20、21所示。图22按键定义1.7，定义加减按键由引脚P3.2控制。定义按键扫描函数，该函数可扫描函数值，并返回函数键值，并设置有消抖程序，松手检测返回数值。无按键按下时返回0。读取温度值，读取光照值，读取烟雾值，当温度值大于预设温度值时，打开蜂鸣器报警，打开温度报警灯，温度值小于预设值时，关闭报警灯，关闭蜂鸣器报警。相关程序如图22所示。图23主函数定义主函数main函数初始化时调用温度读取函数，防止开机温度过高，调用初始化函数，读取光照值，烟雾值、温度值，然后进入主循环进行按键扫描时，然后进行模式判断，当处于监控模式时，计数，大于500时清零，小于等于300时显示光强和温度，液晶显示器显示预设的温度和烟雾等信息，设置预设温度模式，指定位置，隐形闪烁，当加按键按下，预设温度值加1，大于99时，显示99，显示预设温度，当按下减键时，预设阈值减1，显示预设温度和烟雾与温度类似。推出后，屏幕初始化，打开显示，无光标，无光标闪烁，恢复正常模式。相关函数如图23所示。第5章仿真测试本次设计所使用的仿真坏境是proteus7.5，相比较其他的仿真环境proteus7.5更加的方便，操作更加的简单。火灾报警器包括烟雾报警和温度报警两个功能。下面是对两个报警的分别仿真，首先的是在设置一个阀值，然后再通过模拟改变条件，产生报警的装置。如图24所示，先设置温度的阀值。图24温度的阀值如图24所示，是将温度降低；如图25所示，将温度升高。图24温度值调低图25温度值调高温度值的降低和升高，将会产生温度的单方面报警，如图26所示。图26温度蜂鸣器报警烟雾报警系统的报警，只会对烟雾浓度高产生报警，无烟状态无法报警，如图27所示，设置烟雾浓度的阀值。图27烟雾浓度的阀值如图28所示，模拟增加烟雾浓度来代表烟雾浓度的真实变化。图28烟雾浓度超过阀值如图29所示，烟雾浓度超过阀值，产生报警效果。图29烟雾报警火灾报警系统有温度和烟雾报警两个系统组成，只有当一起报警才算是火灾的发生，如图30所示，整体仿真图。图30火灾报警第6章总结无论是生产还是日常生活中，火灾报警器都可以保障人民的生命和财产安全，使人们远离火灾、煤气等灾害。它不仅可以在生产中预防重大灾难的发生，也是生活中人们保护自己的武器。本篇文章是对火灾报警器技术深入研究的基础上，合理设计了本系统，对整个设计展开了分析和研究。本文研究的火灾报警器由烟雾报警和温度报警两个方面组成，主要由烟雾报警的采集和数模转化单元、温度报警与单片机控制电路部分构成，系统适用于短距离的无线技术传输，可以较长时间实时对目标的监控。当硬件的功能多样性、实用性发生变化时，只需要对处理程序部分参数稍加变化，可以适用于遥控信号的操控，节约了研究的资源开销，为新型的报警器做出有益的帮助。由于本人所学知识有限，研究的深入有待提升，在未来的研究中会继续努力。现在的火灾报警器在市场上面有良好的发展空间，多样性和实用性日新月异，本人会持续关注和进行研究。参考文献[1]晏小庆,阮云兰,文志诚.基于无线红外通