宿舍防火防盗系统

摘要目前在高校中，常常发生学生寝室被盗的情况，造成寝室中的手机、电脑等贵重物品丢失，影响了学生的学习生活，对高校的安全管理提出了挑战。针对寝室防盗这一问题，本文设计了基于单片机的寝室防盗系统。本文研究的宿舍防火防盗系统包括红外人体感应控制模块，火灾探测器、报警控制器硬件及其相关的软件设计。宿舍防火防盗系统以单片机为STC89C52单片机为核心，包括电源模块、时钟电路、LCD显示电路、蜂鸣器控制电路、按键电路、烟雾传感器和温度传感器。该设计可以利用红外传感器，监测宿舍是否有人闯入，同时可以监测宿舍是否发生火灾，宿舍防火防盗系统首先通过烟雾传感器对烟雾进行实时检测，然后通过模数转换芯片将采集到的模拟信号转换为数字信号，接着单片机对数字信号进行处理，并结合温度传感器采集到的温度信号，综合分析。最后当可燃易爆气体的浓度或者现场的温度超出阈值，单片机通过蜂鸣器发出警报。通过实物实验，验证了本系统对陌生人闯入进行报警的有效性。利用该系统可以有效防止寝室被盗，保护学生财产，具有一定的实用价值和经济市场效益。关键字：单片机；红外感应；烟雾检测；宿舍防火防盗

AbstractFireisoneofthemostcommonandfrequentdisastersthreateningpublicsafetyandsocialdevelopmentinmodernhumansociety.Theoccurrenceoffirehasthecharacteristicsofconcealment,suddennessandrapidity,whichwillbringhugeeconomiclossesandcasualtiestothesociety.Therefore,theconstructionof"smartfirefighting"isofgreatsignificance,andfirealarmisakeypartofit.Inviewoftheseveresituationoffrequentandhigh-frequencyfire,thispaperdesignsafirealarmsystembasedonsingle-chipcomputertomonitortheoccurrenceoffireandissueanalarm.Thefirealarmsystemstudiedinthispaperincludesthehardwareandsoftwaredesignoffiredetector,alarmcontroller.ThefirealarmsystemisbasedonsinglechipcomputerSTC89C52,includingpowermodule,clockcircuit,LCDdisplaycircuit,buzzercontrolcircuit,keycircuit,smokesensorandtemperaturesensor.Thedesignfirstlydetectsinflammableandexplosivegasessuchascarbonmonoxideinrealtimebysmokesensor,thenconvertstheanalogsignaltodigitalsignalbyanalog-to-digitalconversionchip,andthenprocessesthedigitalsignalbysingle-chipcomputer,andsyntheticallyanalysesthetemperaturesignalcollectedbytemperaturesensor.Finally,whentheconcentrationofflammableandexplosivegasesorthetemperatureinthefieldexceedsthethreshold,thesingle-chipcomputersendsoutanalarmthroughthebuzzer.Throughthephysicalexperiment,theeffectivenessofthesystemtoalarmthefireoccurredisverified.Keywords:Single-chipmicrocomputer;Firealarm;Combustiblegasdetection;Temperaturedetection

目录第一章 绪论 51.1背景与意义 51.2国内外研究现状 51.3主要研究内容 71.4论文结构 8第二章 系统方案设计 92.1 系统总体方案 92.2 主控制器选型 92.3传感器选型 102.4 液晶显示器选型 132.5本章小结 15第三章 硬件电路设计 163.1单片机最小系统 163.2烟雾传感器电路设计 173.3红外传感器电路设计 173.4液晶显示器电路设计 183.5报警电路设计 193.6按键电路设计 193.7电源电路设计 203.8继电器消防电路 213.9本章小结 22第四章 软件程序设计 234.1编程语言和keil开发环境 234.2系统总体程序设计 244.3 报警电路程序 244.5 传感器程序 264.6 本章小结 26第五章 系统调试 275.1硬件调试 275.2软件调试 295.3联合调试 29第六章 总结和展望 31第七章 致谢 32

绪论1.1背景与意义目前在高校中，常常发生学生寝室被盗的情况，造成寝室中的手机、电脑等贵重物品丢失，影响了学生的学习生活，对高校的安全管理提出了挑战。针对寝室防盗这一问题，本文设计了基于单片机的寝室防盗系统。随着人们对自己的私有物品的保护意识不断加强，人们对于物品防盗技术的研究也是越来越进步，特别是对贵重物品的保护更是重中之重。现在很多学生都拥有了自己的电脑、相机、手机等贵重物品，对寝室的防盗便是校园管理中十分值得关注的问题。在这种情况下，设计开发一套寝室防火防盗报警系统是有现实意义。1.2国内外研究现状随着技术和经济的发展，人们越来越关注宿舍防火防盗网络，为居住者提供舒适，方便和安全的环境[3]。为了提高居住者的便利性和安全性，家庭安全系统是宿舍防火防盗网络领域不可或缺的。家庭安全系统的要求包括低成本，低功耗，易于安装。与此同时，由于家居网络对警报事件的快速响应的特性，越来越多的研究者将它与宿舍防火防盗系统联系起来，基于家居网络，在房间任意位置布置传感器可以迅速发现并响应火灾事故。根据连接方式，家庭网络可分为两种：无线网络和非无线网络[4]。与非无线技术相比，无线技术具有一些显着的优势。例如，它使安装和维护更容易，并降低了系统成本。蓝牙，ZigBee，802.11和无线USB是家庭无线网络领域最受欢迎的技术。Tajika等人[5]介绍了一种形成家庭网络的方法，该家庭网络通过蓝牙提供灵活和动态的服务。然而，该方法中提到的系统功耗高，成本高，因此在安全系统中使用不方便。Gutierrez等人[6],[7]介绍了如何应用ZigBee/IEEE802.15.4建立一个具有成本效益和低功耗的家庭网络的方法。但是，该方法没有具体进行试验。基于IEEE802.11标准的无线家庭网络（也称为WiFi）为许多家庭网络需求提供了良好的解决方案，例如传输文件和媒体日期[8]，但该标准也是高成本和高功耗的。Kim等人[9]介绍了使用无线USB控制器的家庭网络设计，该控制器具有多种优势，如低成本，可扩展性和出色的性能。无线USB也可用于家庭安全系统。Yusekkaya和Alheraish提出一种使用GSM/GPRS网络进行远程控制的家庭系统的例子。然而，Yusekkaya[10]仅说明GSM是远程用户和家庭网络服务器之间的通信方法，但不适用于家庭安全系统。Alheraish[11]中的系统仅将GSM/GPRS技术应用于入侵检测，并且其通信是非无线的。1999年，美国消防工程师协会研究了不同类型检测系统在不同环境下的报警成功率，但未给出可靠性计算模型[12]。2011年，邢等人[13]以购物中心宿舍防火防盗系统为研究对象，获得了宿舍防火防盗系统的可靠性模型。但他没有考虑系统各个单元的影响。Yanghou[14]分析了宿舍防火防盗系统，这是学生公寓中典型的SIS应用。她主要考虑了火灾探测器的影响，没有考虑其他因素。2012年，徐等人[15]利用系统可靠性理论建立了宿舍防火防盗系统可靠性模型。但计算模型没有考虑人为因素。邵等人[16]采用故障树分析方法对宿舍防火防盗系统故障进行风险评估，但仅对定性分析进行定量评估。Bhardwaj[17]利用与模糊理论相结合的传统故障树分析方法来评估火灾探测器系统的可靠性，但他没有考虑人为因素的影响，也没有给出宿舍防火防盗系统可靠性的清晰计算模型。Vijayalakshmi和Muruganand[18]使用DS18B20数字温度-湿度传感器进对温度和湿度行测量，在MSP430微控制器上使用Dempster-Shaffer理论进行火灾探测，优化DST算法得到最适应于火灾检测的算法，并将检测到的信息通过XBeepro无线短距离传输到计算机系统，缩短了从发现火灾到火灾报警的时间。Morin等人[19]建立了计算机支持的救援行动可视化模型，通过可视化模型，可以根据不同用户的需求制定对应的救援方案，并通过将其应用于救援行动来证明该模型的有效性。王等人[20]提出了一种基于多感官技术的新型概念火灾危险等级分配系统，旨在协助建筑管理人员进行消防应急管理，消防队进行消防救援或灭火。Konstantinous等人[21]详细介绍了SFEDONA系统架构，讨论了关键设计和实施问题，并提供了相关实验室验证活动的试验和演示结果的信息。还分析了经过现场验证的多传感器数据融合算法，这些算法广泛应用于防火领域。Fatih等人[22]提出了一种基于差分PIR传感器的火焰检测系统。该系统使用一组马尔可夫模型（MM）对人类的火焰和普通活动进行建模。同时，对传感器信号在小波域中进行分析，小波信号被馈送到一组MM。之后根据产生最高概率的MM做出是否发生火灾的判断。Tan等人[23]设计了一种称为WMSS的基于无线传感器网络的矿井安全系统，该系统实现了对矿井下环境实时监控，并且还可以为火灾提供预警。张等人[24]针对当前全球森林火灾和荒地火灾的严峻形势，提出了一种基于ZigBee无线传感器网络和GPRS网络的实时火灾探测系统，该系统具有结构简单，功耗低，节点灵活等优点，可实现数据采集和远距离传输，大大降低了火灾报警器的部署成本与难度。Ibrahim等人[25]提出了一个使用无线传感器网络进行森林火灾探测和监测的综合框架，该框架能够尽早检测火灾威胁，同时考虑了传感器节点的能耗和可能影响网络所需活动水平的环境条件，减短了火灾发生到报警的时间，能够大大减小火灾所带来的损失。1.3主要研究内容在本文中，设计了一种基于单片机的宿舍防火防盗系统。该系统包括三部分：火灾监控单元、报警控制单元与软件分析单元。它具有以下功能：（1）成本低。传感器节点和网关中使用的所有微处理器都是廉价的8位微处理器，所有其他设备都很便宜。（2）功耗低。所有安全传感器节点均由电池供电。（3）安装方便。由于整个报警系统体积小，因此它们可以安装在家庭内的任何位置。（4）快速反应。之前的三个特性决定了该宿舍防火防盗系统可以安装在室内任意环境，可以更近距离接触到火灾源，因此可以提供更快的响应速度。（5）紧急报警功能。当火灾发生时，布置在室内的宿舍防火防盗系统检测器一旦检测到环境变化，就会对传感器收集到的数据进行判断，判断是否发生火灾，如果发生火灾会立即发出警报通知用户。1.3.1火灾监控单元的研究内容：该部分的研究内容为将火灾情况转换成为电信号，传送给单片机。首先，建立温度传感器和烟雾传感器模块与单片机的物理连接，由于传感器感应环境变化会出现电阻值的改变，因此，可以将外部环境变化转换为电信号，输入给单片机，由软件分析单元对环境变化进行判断，判断是否为火灾情况。1.3.2报警控制单元的研究内容：该部分的研究内容为单片机与各个模块之间的物理连接和软件控制。首先，通过单片机上预留的接口，对LCD显示屏、蜂鸣器、按键等模块进行物理连接，然后使用C语言，编写控制命令，包括显示屏如何显示，蜂鸣器如何发声以及各个按键对应的功能等。最后通过软件分析单元以及火灾监控单元传输过来的电信号，进行火灾报警。1.3.3软件分析单元的研究内容：该部分的研究内容为调整设定报警的阈值，如烟雾电信号大于X，且温度电信号大于Y时，为发声火灾，因此，报警阈值为X和Y；然后对火灾监控单元传送过来的电信号进行分析，分析其是否超过阈值；最后是报警控制，如果发现电信号值超过火灾报警阈值，则将分析结果传送给报警控制单元，由报警控制单元进行报警。1.4论文结构本文的结构如下：第一章为绪论，主要讲解了火灾报警器的研究背景意义以及国内外的研究现状和大体的研究内；第二章为系统方案设计，首先讲解了一下本论文的总体设计思路，然后对本设计所采用的物理硬件系统进行了详细描述；第三章为硬件电路设计，首先介绍了整个系统的运行原理，然后对整个物理硬件系统的各个功能单元的具体设计进行了详细解读；第四章为软件程序设计，首先介绍了本设计采用的开发语言及环境，然后介绍了软件的整体流程和框架，最后单独对每个软件功能及实现进行了详细介绍；第五章为系统调试，从硬件、软件以及软硬件联合三个角度讲解了本设计过程中的调试历程；第六章总结了本文存在的不足以及对后续工作的展望；第七章为致谢；第八章为参考文献

系统方案设计系统总体方案宿舍防火防盗系统由火灾监控单元与报警控制单元及其相应的软件分析单元构成。火灾监控单元完成对信号的采集、变换与传输；报警控制单元负责接收、处理、显示数据，并通过声音发出警告；软件分析单元负责分析火灾监控单元采集的数据，并通过控制器执行相关指令。本系统的总体设计方案如下图所示：图2-1系统总体设计方案主控制器选型在整个系统中，微处理器是最重要的核心部件，其不仅处理由火灾监控单元传来的信号，还需对蜂鸣器与LCD显示器进行有效地控制以期进行人机交互，另外还需要运行嵌入式程序进行数据处理与输出控制指令。因此，微处理器的选择对系统的性能与表现起至关重要的作用。根据上面所述，本课题对市场上常见的微控制器进行了列表分析：表2-1常见微控制器的对比型号字长最大时钟频率定时器个数程序存储器STC89C52RC8位33MHZ4个8KBAtmega168位16MHz3个16KBMSP43016位8MHz2个60KBSTM32F0332位72MHz8个512KB由上表数据分析可知，STC89C52RC单片机在运行速度，定时器个数与存储器大小等方面符合本课题需求，同时不存在性能过剩造成资源浪费的问题。进一步地，考虑到系统需要长期在复杂环境中工作，并且数据采集电路又是由电池来供电，因此系统对低功耗的要求十分严格，在微处理器选择时要充分考虑低功耗等方面的原因。因此选用了STC公司生产的STC89C52单片机。STC89C52是STC公司51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于增强的51HCMOS产品。STC89C52RC的主要片上资源如下表所示：表2-2STC89C52RC片上资源中央处理单元(CPU)8位内部数据存储器(RAM)512字节片内程序存储器(ROM)8KB输入/输出(I/O)口32个双向定时/计数器3个中断结构5个、两级中断串行通信口支持全双工工作模式时钟振荡电路片内起振低功耗模式空闲和掉电模式2.3传感器选型火灾监控单元是整个系统的重要组成部分，是系统的数据来源。火灾监控单元所采用传感器的性能将极大程度影响采集到数据的真实性、实时性和准确性。而数据的真实有效是系统保持良好运行的重要前提，系统需要根据数据来进行相关警报的发出。烟雾传感器在火灾监控单元中，烟雾传感器是重要的部分，用来检测有没有烟雾等易燃易爆气体。本课题采用MQ-2型烟雾传感器。MQ-2烟雾传感器采用在空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)作为气敏材料。检测方式主要为高低温循环检测，传感器的电导率随空气中烟雾烟雾浓度增加而增大，高温（5.0V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。其电导率的变化转换为电信号较为简单，传感器中串联负载电阻与其上电压信号的关系为： (1)图2-2MQ-2烟雾传感器受温度、湿度影响的典型曲线图中纵坐标是传感器电阻比(Rs/Ro)。其中Rs表示在含100ppm烟雾、各种温/湿度下的电阻值，Ro表示在含100ppm烟雾、20℃/65%RH下的电阻值。我们可以看到其关系近似为线性。图2-3MQK-2型元件外形结构图MQ-2气敏元件的结构和外形如图2-3所示,内部主要由AL2O3微型陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成。敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的元件腔体内，必要的工作条件由加热器为气敏元件提供。封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号传输，２个用于加热电流。MQ-2传感器的特点和工作参数如下：⑴探测范围广⑵灵敏度高／响应恢复快速⑶良好的稳定性⑷驱动电路简单下表展示了MQ-2传感器的主要参数：表2-3MQ-2传感器重要参数响应时间Tr≤10s恢复时间Tn≤60s加热电压5V加热功率约0.7W工作环境-10℃~+50℃湿度≤85%RH温度传感器结合实际需要，考虑成本与复杂度，本课题采用应用较为广泛的温度探测方式来进行火灾温度的检测。考虑到热敏电阻的感温特性曲线并不是完全线性，在测量过程中误差较大，所以本课题中对温度的测量使用DS18B20传感器，其具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强的特点。DS18B20传感器的主要特征如下：1.全数字温度转换及输出2.先进的单总线数据通信3.4排引脚封装，连接方便4.测量范围0-50℃5.温度分辨率1℃，测量精度+-2℃液晶显示器选型本课题设计的系统通过显示模块对外输出当前的温度与烟雾气体的浓度。目前常见的显示模块有LED数码管、点阵式数码管与LCD液晶显示模块等。其中LED数码管只可以显示数字与某些字符，限制了其应用范围。点阵式数码管由八行八列的发光二极管组成，价格相对较高。在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个优点：1.液晶显示器画质高且不会闪烁。液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持色彩和亮度，恒定发光，无需像阴极射线管显示器（CRT）不断刷新新亮点。2.接口更加简单可靠。液晶显示器以数字式为主，和单片机系统的I/O接口连接简稳定靠，操作更加便利。3.重量轻。液晶显示器通过控制液晶分子状态来显示数据，重量相比传统CRT显示器更加轻便。4.能耗低，更加环保。与CRT显示器相比，液晶显示器的功耗主要来源于内部电极和驱动IC上，耗电量比其它显示器急剧下降。引脚说明：表2-4液晶显示器引脚说明序号作用说明第1脚地电源VSS/第2脚VDD接电源+5V第3脚VL为对比度调整端通过10K电位器调整对比度第4脚RS为寄存器选择高电平为数据寄存器、低电平为指令寄存器第5脚R/W为读写信号线高电平时进行读操作，低电平时进行写操作第6脚E端为使能端E端电平跳变时，液晶模块执行命令第7-14脚D0～D7为8位双向数据线/第15脚背光源正极/第16脚背光源负极/（2）LCD1602的RAM地址映射以及标准字库表LCD1602液晶模块中固化的字符发生存储器中存储有160个点阵字符图形，包括阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每个字符都与一个固定代码一一对应，LCD1602液晶模块通过把地址中的点阵字符图形显示出来，打印出字母。液晶模块的操作是通过一定的指令编程实现的，指令如下表所示：表2-5液晶显示器引脚说明序号指令作用指令1清显示指令2光标复位指令3光标和显示模式设置指令4显示开关控制指令5光标或显示移位指令6功能设置命令指令7字符发生器RAM地址设置指令8DDRAM地址设置指令9读出忙信号和光标地址指令10写数据指令11读数据由于LCD1602液晶显示模块是慢显示器件，所以在执行每条指令之前要确认其忙标志为低电平，代表不忙，否则此指令无效。显示字符时，首先要输入显示字符地址，即在LCD1602液晶显示模块中何处显示字符。LCD1602液晶显示模块内部显示地址如下图所示：图2-4LCD1602内部显示地址综上所述，本课题采用LCD1602液晶显示模块作为系统的显示输出。2.5本章小结本章详细介绍了宿舍防火防盗系统的总体方案设计，然后依次对控制器、烟雾传感器、温度传感器和显示模块等主要功能组成部分进行了选型，为下一步的软硬件设计提供了设计依据。

硬件电路设计硬件电路是整个宿舍防火防盗系统功能实现的基础，硬件电路的设计不仅要能够合理地满足系统各个功能的实现，而且也要考虑到系统在工作环境和成本等方面的因素。整个硬件电路的正确设计，是宿舍防火防盗系统对火灾做到实时、精确、快速地响应的基础。3.1单片机最小系统本课题里，单片机最小系统是控制核心，用来驱动传感器采集数据和处理传感器采集的数据。单片机最小系统一般由单片机(MCU)、时钟电路、复位电路、输入输出设备(I/O)组成。其中时钟电路为最小系统提供基准时钟信号，单片机内部的工作以此时钟信号为基准。STC89C52单片机的18脚和19脚是晶振引脚，本课题采用11.0592MHz的晶振（每秒钟振荡11,059,200次），外加两个20pF电容组成时钟电路，电容帮助晶振起振并保持振荡信号的稳定；复位电路与单片机的9脚RST(Reset)复位引脚相连。当单片机中程序运行时，考虑到意外干扰而导致的程序死机、程序跑飞等特殊情况，通过复位按键，使得单片机程序重新初始化，以此保证单片机每次都从固定的相同的状态开始运作；输入输出设备(I/O)是单片机对外部设备进行控制的主要渠道。典型的单片机最小系统如图3-1所示：图3-1最小系统原理图3.2烟雾传感器电路设计本系统中，通过烟雾传感器采集周围环境的烟雾浓度，监测易燃易爆气体的浓度。在如下图所示的电路中，主要有两个部分：（1）MQ-2烟雾传感器，（2）ADC0832芯片。MQ-2烟雾传感器检测易燃易爆气体的浓度，将气体的浓度信号，通过改变电阻阻值的方式转换为电压信号。ADC0832模数转换芯片将连续的电压模拟信号转换成离散的数字信号，再传输至单片机，单片机再读取相应的数值并处理。图3-2MQ-2传感器与ADC0832模数转换芯片原理图3.3红外感应电路设计选择用红外感应器来进行居室防盗系统的设计，是因为红外线具有一个绝对优势——具有隐蔽性。在需要防护的地方设计一束红外线，既能方便有效的检测到是否有人侵入，也能尽可能地增大防护范围，较之传统的防盗窗、防盗门，方便、美观且便捷。如图所示的热释电人体红外传感器能够在一定距离之内精准地感应到处于运动状态的人体，通过检测人体辐射出的特定波长红外线来辨别生物体和非生物体。因其良好的抗扰能力、精准的敏感度，被认为是目前最值得利用的人体探测技术，加之其具有的稳定性，所以选用热释电红外传感器在本安防系统中进行室内红外防盗设计符合设计要求。图3.3红外传感器3.4液晶显示器电路设计本系统采用LCD1602液晶显示模块作为人机交互界面，显示当前现场温度与易燃易爆气体的浓度等重要信息。液晶显示器是一种功耗较低的显示元件，具有显示内容丰富、体积小、重量轻、安全等优点。液晶显示模块的种类繁多，不同显示模块的性能特点和控制方式区别较大，本课题采用LCD1602液晶显示模块。图3-4为LCD1602的原理图，图3-4LCD1602原理图3.5报警电路设计本课题中，在火灾发生后，蜂鸣器以响铃的方式告知现场人员火灾的发生，以便相关人员及时撤离，减少生命财产损失。本课题选取蜂鸣器作为报警工具。图3-5为蜂鸣器的电路原理图。蜂鸣器电路需要的电流较小，单片机可以通过内部具有上拉功能的I/O接口对其直接控制。本课题设计了一路报警器，火灾发生时，警铃通知现场人员。并持续响铃，直到工作人员按下系统复位按钮。图3-5蜂鸣器原理图3.6按键电路设计本课题通过按键进行烟雾检测预设阈值的设置。其中S0是复位键，S1对预设阈值进行增加操作，S2对预设阈值进行减少操作。目前，单片机键盘主要分为独立键盘和矩阵式键盘两种：独立键盘的特点是单片机每一个I/O口只与一个按键相连，按键另一端上拉或者下拉。这种接法程序较为简单，系统更加稳定；矩阵式键盘式的特点是接法程序较为复杂。所以根据本课题的技术特点与实际需求，选用独立式键盘接法作为人机交互的输入部分。独立式键盘的工作原理如下：通过对单片机I/O口读取的电平高低，判断是否有按键被触发。例如：将常开按键的一端与地相连接，另一端与单片机的I/O口相连接。单片机初始化时，I/O口默认置于高电平。当有按键被触发，相应I/O口与地短路强制拉低。在按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。基于此在程序中查寻I/O口的电平状态可以检测是否有按键触发。考虑到键盘在按下过程中产生的电平不稳定现象，必须进行消抖处理。根据实验数据可知，按键电平抖动一般持续时间不长，10~200毫秒，综合成本因素考虑，本课题使用软件进行抖动消除处理。当按键有低电平出现时，进行延时操作10~200毫秒以避开抖动影响，延时结束后再次扫描I/O口。如果值为1表示低电平的时间少于10~200毫秒，可以作为干扰信号忽略；当值是0时，则表示有按键触发，相应的处理程序激活。硬件电路如图3-6所示：图3-6按键原理图3.7电源电路设计系统要正常的工作，需要+5V的直流电压提供给STC89C52芯片以及部分外围模块。在本系统设计中，+5V直流电压为外部的输入电压。由于STC单片机的工作电压范围较大的特点，所以系统没有采用传统的DC-DC转换模块，如LM7805稳压芯片，实现5V的直流电压转换。为了降低系统的设计成本，并考虑到稳压电路中的电源纹波干扰，5V直流电源部分采用了以下3种方法：（1）碱性电池，通过3节高效碱性电池的串联，提供单片机最小系统所需的工作电压.（2）USB电源线，通过电脑等USB接口为系统供电。（3）DC插头。使用过程中，可以结合现场实际情况，使用任意方法均可。这样就很好地提高了系统的抗干扰能力和稳定性，并降低了系统的整体成本。电路原理图如图3-7所示。图3-7电源电路原理图3.8继电器消防电路本系统利用继电器，接负载水泵，实现对火灾源头的消防灭火。继电器控制水泵是利用电磁原理实现对水泵的开关。继电器的本质是用一个回路（通常是小电流）来控制另一个回路（通常是大电流）的通断，在这个控制过程中，两个回路通常是隔离的。其基本原理是利用电磁效应来控制机械触点，达到通断的目的，用铁心线圈对电流产生磁场吸附。整个过程是“小电流-机磁-机-大电流”的过程。电磁继电器的工作原理是：当线圈通电时，磁芯被磁化产生足够的电磁力，拉动电枢和驱动簧片，使动、静触头闭合或分离，即原闭合触头断开，原断开的触头闭合；当线圈被断电时，电磁吸力消失，电枢回到原来的位置，动、静触头恢复到原来的位置闭合或分开。当应用时，只要控制的电路连接到触点上，继电器就可用于实现控制目的。继电器原理图如下所示：图3-8继电器原理图3.9本章小结本章在系统总体方案设计的基础上进行了具体硬件电路的设计，包括最小系统、烟雾传感器、温度传感器、液晶显示电路、报警电路、按键电路、电源等部分，这样把硬件部分分成了一个个小模块，便于对各个模块进行设计与检查。

软件程序设计4.1编程语言和keil开发环境单片机C语言随着电子信息技术的高速发展，单片机技术也日新月异，使用譬如C语言这样的的比较高级的编程语言的人越来越多。C语言经历了许多年的发展，其速度很快，也非常流行。目前在编程环境中采用的C语言的概率超过了大多数语言。其主要有以下特点。（1）灵活多变。C语言拥有灵活的控制语句。控制语句能让程序和数据以及相关部分进行隔离，让代码更加独立，使得代码层次分明。（2）功能强大。C语言属于高级语言，但是也具有某些汇编语言的一般特征，属于中高级语言，可以进行与汇编语言一样的位运算，但是移植程序非常方便，离开计算机硬件的限制，。（3）代码质量与效率高。C语言具有很强的功能，拥有像数组，指针和结构体这样的数据结构，程序执行效率很高。Keil开发环境Keil软件开发环境是目前比较常用的单片机开发软件，可以对市面上常见的多款单片机如STC89C52、AT89C51和STM32单片机进行开发。通过Keil开发软件可以对C语言进行编译，汇编，生成HEX目标文件，进而通过在线烧写软件，对单片机进行软件烧录操作。图4-1Keil开发环境4.2系统总体程序设计总体程序的设计和规划一般情况是要从整个系统的全局去考虑，照顾到每个功能模块，最后完整设计出整个框架。通常，系统上电之后程序从main函数处开始执行，对单片机以及其他硬件进行初始化等。总体程序主要设计风格要简单明了尽量清晰。图4-2为宿舍防火防盗系统的总体程序流程图。图4-2整体程序流程图报警电路程序在主程序中通过While循环来不断轮询，是否达到300ms。每当50ms进入一次定时器中断，定时器中断程序中将计时标志位加1，当第六次进入定时器中断时，300ms达到，程序将传感器采样标志位置1，进而在主程序的while循环中，进入传感器采样与判断。当烟雾浓度值超过阈值时，蜂鸣器发出警报，当烟雾浓度没有超过阈值时，传感器采样标志位置0，重新进入计时周期。图4-3报警程序流程图液晶显示程序程序每300ms跟新一次液晶显示器。在每300ms采样一次烟雾浓度数据后，执行液晶显示程序，将当前的烟雾浓度显示在1602显示器上。图4-4液晶显示程序流程图传感器程序程序每300ms采样一次传感器数据。在每300ms判断一次烟雾浓度是否超过阈值后，执行传感器采样程序。图4-5传感器程序流程图本章小结在硬件的基础上本章对系统的软件部分进行了较详细的编程，软件的设计的思路就是按照需求进行功能模块的划分，然后在根据各个模块的要实现的功能区编程，最后实现整个软件系统的功能。于是只要设计好各个模块的接口进行很方便地让个模块接入去工作，达到高效设计系统软件的目的。

系统调试系统设计，一般是按照功能需求去实现，但是设计出来的功能是否完整，是否可靠，通常需要调试。所以系统设计从完成到部署，之中还有较大的工作量。通过调试和修改，改进bug和缺陷，从而提高系统的稳定性和性能表现。本课题在设计完成后，进行了调试和测试。首先采用Proteus对整个硬件和软件进行了仿真和验证，以保证功能的完善性。5.1硬件调试Proteus电路设计仿真软件是英国著名公司Labcenterelectronies生产的EDA工具软件。其是目前市面上性价比最好的单片机设计和仿真软件。虽然这款软件在国内大量使用的时间不久，但其发展的趋势不可阻挡，已经受到单片机爱好者、致力于单片机开发应用的科技工作者的喜欢。Proteus是全球有名的电路设计软件，可以进行电路仿真，也可以进行PCB电路设计，是目前唯一的多功能电路软件设计工具，真正实现了各种功能的完美结合设计。该软件的特点有：(1)可以仿真单片机的软件和硬件，也可以仿真SPICE电路。有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等，能实现大多数单片机以及大多数模拟数字电路的软硬件仿真。(2)支持很多市场上常见的单片机仿真。比如8051系列、AVR系列和ARM系列等。(3)仿真系统中支持单步调试、断点调试等调试手段。(4)软件完全开源，减少系统开发的隐形成本。(5)具有强大的原理图绘制功能。本系统的Proteus仿真图如下所示：图5-1Proteus仿真图在进行Proteus仿真验证之后，我们采用DXP软件绘制了PCB板。PCB如下图所示：图5-2宿舍防火防盗系统的PCB图在焊接过程完成之后，我们发现系统不能正常启动，经过仔细排查，我们发现问题出现在PCB的焊接上，在焊接过程中，由于操作不当，发生了虚焊现象。对此，我们及时进行了补焊，修复了这一问题。5.2软件调试在硬件电路完成之后，通过功能测试对本系统进行软件测试。测试用例与测试结果如表5-1所示：表5-1测试用例与测试结果测试用例测试环境测试步骤测试表现测试结果系统正常启动11.室温2.碱性电池组供电1.组装电池组2.按下开机按钮系统正常启动通过系统正常启动21.室温2.USB供电1.连接USB数据线2.按下开机按钮系统正常启动通过启动提醒1.室温2.正常电压1.按下开机按钮蜂鸣器响一声通过定时器中断的进入1.室温2.正常电压/通过软件仿真分析，可以进入通过超出阈值报警1.室温2.正常电压1.按下开机按钮2.人为提高烟雾浓度蜂鸣器连续发出声音通过通过功能测试，我们验证了全系统是符合设计的预期要求的。5.3联合调试在软件与硬件全部完成之后，我们进行了联合调试。我们发现当前真实的烟雾浓度与系统显示的烟雾浓度以及当前真实的温度与显示温度出现差别。如表5-2所示。表5-2状态与误差分析当前烟雾浓度显示的烟雾浓度当前环境温度显示的温度0316164545404010099808020019811099通过不断实验与查找资料，我们找到以下误差原因：ADC0832模数转换芯片的固有误差。MQ-2烟雾传感器与DS18B20温度传感器的精度不高。线路在传输过程中存在的线路损耗。

总结和展望本文设计了一种基于单片机的宿舍防火防盗系统，该系统的优点为价格低、体积小、续航长，可以安装在宿舍任意位置，因此可以第一时间发现火灾并及时报警。但由于时间仓促和本人的开发能力有限，因此本设计也存在一些不足。首先是每个系统之间都是独立的，没有使用wifi或者蓝牙进行相互连接，因此管理起来比较困难；其次是宿舍防火防盗系统体积小，安装之后容易被遗忘，但电池的续航能力有限，容易造成安装之后电池用完导致报警失败。针对第一个问题，后续工作将采用wifi或蓝牙模块对每个系统进行连接，然后开发后台管理系统，对每个宿舍防火防盗系统进行管理；针对第二个问题，后续将会把宿舍防火防盗系统与后台管理系统通过wifi连接起来，当宿舍防火防盗系统电量不足时，会通过web界面或者短信接口发送信息给管理员。

致谢历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完,在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍,都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师—叶继华老师,他对我进行了无私的指导和帮助,不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外,在校图书馆查找资料的时候,图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢!感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献,如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发,我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友,在我写论文的过程中给予我了很多你问素材,还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限,所写论文难免有不足之处,恳请各位老师和学友批评和指正!

参考文献：毛杰宁,李梅,罗旌钰.无线火灾报警系统设计[J].电子设计工程,2017,25(07):115-118.刘博文.石油化工装置火灾报警系统设计分析[J].化工设计通讯,2017(5).包航,仲毅,蔡长安,etal.基于单片机的智能火灾报警系统的设计[J].福建电脑,2017(9).董桂华.城市新区某综合管廊火灾报警系统设计[J].电气技术,2017,18(4):116-119.许文卓,顾亭,孙浩谛,etal.基于红外循迹的火灾报警小车循迹