基于单片机的火灾检测及报警系统设计

MQ-2；温度传感器DS18B20；GSM模块DesignofFireDetectionandAlarmSystemBasedonMicrocontrollerAbstract：Inthispaper,thecompositefiremonitoringandearlywarningefficiencybasedon51singlechipmicrocomputerisachieved,whichaimstoprovidefastandreliablefiredetectionandalarmfunctions.Thearchitectureintegratesflamedetectionequipment,smokesensormq-2andtemperaturesensorDS18B20,andhasthecooperativeeffectofflamedetection,smokesensingandtemperatureacquisition.Thesensingequipmentcompletesthetransformationfromphysicalsignaltoelectricalsignal,andcarriesoutcalculationandanalysisthroughsinglechipmicrocomputer,andcomparestheactualdatawiththepresetwarningvalue.Whenthesystemdetectsanabnormalstate,itimmediatelystartstheaudibleandvisualalarmprogram,andsendsalarmmessagestothereservednumberbasedontheGSMmodulecommunicationtechnology.Theplatformisalsoequippedwithanintelligentsprinklerunit,whichcaninitiallysuppressthefire.Theactualtestshowsthattheschemeissensitive,lowcost,stableandreliable,andsuitableforfamiliesandsurroundingcommunities.Thefireearlywarningsystemmodelconstructedinthisstudyhaspracticalsignificance.Keywords:Flamesensor;SmokesensorMQ-2;TemperaturesensorDS18B20;GSMmodule 目录1 .1课题背景及研究意义伴随着信息技术的渐进突破，建筑空间当中的电气设备在种类上不断扩充、数量上不断增多，智能家居终端设备数量猛增，用电覆盖范围快速扩展，相关系统和人们生活、职业场景紧密结合，在强化居家实用性之后，在消防领域衍生出了新风险。当电气设备达成规模化集成，系统智能水平得以提高，同时也引发了火灾隐患，从传感器性能特点分析，灵敏度欠佳致使火情响应迟缓；从算法性能方面考量，未优化的处理机制易造成误报多发，这种情况在复杂系统中极为突出，影响系统在多变环境下适应性的提升与稳定的维持。火势刚起的时候，若系统对环境突发情形的感知和响应不及时，易造成最佳救援时间错过，导致灾难性后果，构建一个有高灵敏监测、强适应功能和智能分析作用的新型火灾预警系统，成为消防科技创新的关键方向。学术界正专注于智能火灾预警相关技术的研究工作，金润泽等[1]打造了基于YOLO算法的火焰识别模式，该模式采用深度学习算法，解决了传统图像识别算法的精度短板，借助公开测试数据，这种模式实现检测准确率92.7%，比传统方法多出27.3个百分点，系统把误报率控制在1.5%以下的水准，表现出良好的稳定与可靠特点。张改莲[2]发布嵌入式智能报警系统设计方案，通过异构传感器数据融合手段，就烟雾探测领域来讲，其光电传感装置在0.5%-10%浓度范围有线性变化表现，采用自适应阈值设定方式，实现误报率的有效削减，将误报率压到8‰以内，实施阶段测试显示，该系统能超过8000小时不间断稳定运作，证明了良好的工程适用程度与运行可靠程度。秦莉艳[3]针对ARM架构的温烟复合探测系统进行优化改造，利用改造后的PID控制策略完成温度分布动态过程的建模，当环境温度介于-20℃和85℃之间时，温度检测误差始终≤±0.3℃，系统硬件和软件采用模块化建设方式，能够实现热插拔式保养，显著提升了部署的灵活性与维护的便利度。现在智能火灾预警技术在多参数实时监测、自主学习优化以及节能运行等方面成效显著，分布式传感器阵列和边缘计算节点相互协作，为打造近乎无遗漏的持续监控消防体系奠定了重要技术基石，遇到复杂外部干扰时，增强抗干扰算法是学术研究的主要焦点，使得系统在多种干扰的影响下能持续获得高效可靠的运行效果。智能消防系统随着技术成熟，通过技术迭代，从实验阶段进入市场化应用，多节点协同预警机制设计备受学术界青睐，此机制借助多传感节点协同，能优化火灾警报的准确程度和即时性，同时扩大有效监控的物理空间大小。若要让系统更广泛地满足现实应用的需求，打造更可靠的安全防御屏障，当前研究需解决复杂条件下抗干扰性不足的问题，同时实现节点协同的高效配合。1.2国内外研究现状国内外对火灾报警技术的研究差别明显，这项技术已实现四次阶段性跨越。在1840年代到1940年代这个阶段是初始探索期，系统布置较为粗略，仅仅凭借温度改变数据监测火灾，误判频繁、响应落后、抗干扰能力弱，实际使用效果不太理想。从1950至1979年步入发展阶段，感烟探测器取代感温探测器，由于它灵敏度出色且响应敏捷，并且借助多股导线实现互联，提升了信号传输的稳定性，在这个阶段收尾时，基于光电原理的烟感探测器推动技术进步。80年代开头那几年，火灾报警技术开始高速发展，尤其是80年代这十年间，技术研究取得了好几个具有里程碑意义的成果，总线结构火灾报警装置的问世，是报警系统从模拟通信转变为数字化、智能化的标志。自20世纪90年代起，火灾报警系统进入快速发展时期，智能化程度不断提高，逐步成为基本属性之一，如今技术进步不仅体现在探测精准度的提升、响应时间的缩短，还体现在系统功能的多元化和应用范围的拓展。在火灾报警系统研究方面，国外在应用开发和部署实施阶段成果显著，达成了高度自动化和远程监控融合，技术成熟度比国内高，国内该领域学术研究起步较晚，特别是无线联网技术，目前处于技术验证和初步落地时期，既没统一技术标准，也没形成成熟方案，相关成果多来自少数高校和研究机构，研究需求、实施途径和论证结果存在差异。1.3火灾时发生的特点火灾动态演变呈现出阶段性的发展模式，并且有一些可经实验证实的物理现象，火灾刚开始时，可燃物进行热分解，固态与液态的组分挥发出来，释放出以CO和H₂为主要成分的可燃气体，排放的气体与微米大小的碳粒以及未燃烧的组分相互混合，形成气溶胶，同时能看到烟雾，这个阶段持续周期比较长，周围气温较低，处于阴燃时期，在火灾预警体系当中，阴燃阶段是重要的时间点，该阶段的监测工作直接关系到火灾早期预警的成效。伴随氧气含量的变动，火势有可能转化成有明显火焰且迅速扩散的情形，明火阶段表现出红外、紫外和可见光的辐射特点，同时急剧释放热量，引发火情快速蔓延，火势发展使周边温度区域大幅升高，形成热辐射的自我反馈机制，让火情扩展进程加快。时间和空间维度上，火灾分布呈现出显著规律，火源起始阶段，火灾最初以气溶胶和烟雾为主要表现，之后火场会先后出现光谱特征与温度分布梯度，阴燃阶段极为隐蔽，持续周期较长，常因未被察觉演变成重大火灾。为突破现存阻碍，现代火灾探测技术有了重大革新，通过对气溶胶粒径的连续观测、烟雾浓度梯度分布的分析、火焰光谱特征的识别以及温度异常的监测，系统能够在火灾刚萌发时就提前告警，有效延长了火灾防控的重要时段，还能有效抑制灾害扩散。

22.1设计要求(1)火情探测功能：系统应具备温度检测功能、可燃气体检测功能和烟雾检测功能；(2)声光报警功能：系统应具备声报警和光报警功能；(3)远程报警功能：系统应能够通过通信网络向特定目标发送火灾警报。2.2方案选择和论证2.2.1单片机的选择方案一：在设计火灾预警系统控制模块的时候，DSP作为核心控制器意义重大，它的设计目标是实现数字信号的高效处理，对元件参数漂移有不错的容错表现，面对高强度电磁干扰时表现良好，使得系统在稳定可靠方面优势显著，但DSP硬件电路设计不简单，开发难度和后期维护开销会一起增大。即便有一定缺陷，在火灾预警领域，DSP的应用潜力仍旧不容忽视，它显示出核心控制器的一种落实方式。DSP如图2-1所示。图2-1DSP方案二：在嵌入式系统的研究中，单片机因其高可靠性和优良的性价比而被广泛采用。单片机不仅具有低电压和低功耗的特点，而且运算能力强大，还支持灵活的软件编程。并且它的内部还有定时和计数模块，进一步拓展了它的应用场景。最后它的小巧、成熟及低成本让其顺利成章胜任本次系统的主控器角色。STC89C52单片机如图2-2所示。图2-2STC89C52单片机基于以上分析，拟定方案二，用STC89C52单片机作为控制器。2.2.2显示方案的选择方案一：在对显示方案进行评估时，首先想到的是LED数码管，因为它具有成本较低、适合数字显示的优势。但是深入研究，发现它需要与74LS164移位寄存器配合使用，这大大增加了电路调试的复杂难度，甚至可能导致系统故障率也会大大增加。出于对本系统的综合考虑，最终决定不采用这种显示方案。LED数码管如图2-3所示。图2-5LED数码管方案二：LCD1602液晶屏支持多行文字及图形显示，功能全面且画面清晰，能满足设计需求，同时具备成本优势，故被选为显示模块。LCD1602如图2-4所示。图2-4LCD16022.2.3传感器的选择DS18B20温度传感器DS18B20是一款数字温度传感器，采用了先进的双晶振结构，来实现高精度的温度测量。它强大的抗干扰能力能够在复杂的环境下稳定工作。其次，它快速的响应能力能够完美匹配本系统的需要。DS18B20温度传感器如图2-5所示。图2-5DS18B20温度传感器火焰传感器火焰传感器在火焰检测方面具有重要地位。它能够在火焰出现后的几秒内迅速响应，也能区分真实火焰和环境中的干扰。它的出色表现，能够承担本系统的火焰检测任务。火焰传感器如图2-6所示。图2-6火焰传感器烟雾浓度传感器MQ-2烟雾传感器能够将烟雾与本身敏感层进行氧化还原反应来检测烟雾浓度。它的电阻值改变十分敏感，能够很好的持续监测烟雾浓度的变化，使本系统能够更准确的算出烟雾浓度值。烟雾浓度传感器如图2-7所示。图2-7烟雾浓度传感器MQ-22.2.4通信模块的选择GSM模块SIM800是一款紧凑型的四频GSM/GPRS通信模块。它集成了多种功能，不仅能发送短信，拨打电话，还可以通过GPRS传输数据。SIM800凭借它低功耗的卓越特点，为本系统远程通信的功能提供了不错的选择。GSM模块如图2-8所示。图2-8GSM模块2.2.5自动喷淋模拟的选择直流电机直流电机的运行基于电磁原理。为了模仿火灾发生时的喷淋系统，直流电机的转动非常适应场景。而且直流电机控制简单，工作所需电压小，能够符合本系统供电方式。所以选择直流电机来模拟自动喷淋。直流电机如图2-9所示。图2-9直流电机

33.1整体方案设计3.1.1系统概述整个系统以STC89C52单片机为核心构建智能监测平台，通过模块化设计实现多参数感知与联动控制。基础控制电路由单片机搭配外围元件构成，扩展了MQ-2烟雾检测模块，需通过ADC0832芯片将模拟量数字化、DS18B20数字温度传感器实时监测温度及火焰探测模块。LCD1602显示屏实时呈现烟雾浓度、环境温度及阈值参数，三个LED分别对应火焰、烟雾、温度的对应报警状态，任一指标超限将会触发蜂鸣器警报。自动喷淋则采用直流电机与电机驱动模块L298N，当检测到有火焰时，电机迅速转动模拟喷淋进行灭火。本设计还有3个按键用来调节报警阈值的大小；最后是供电采用常用的USB5V和两节3.7V的电池进行供电。系统框图系统框图如3-1所示图3-1系统框图3.2最小系统模块3.2.1STC89C52简介概述STC89C52是一款基于80C51内核的高性能常用CMOS8位单片机。它具备8K的可反复擦写的Flash只读程序存储器，工作电压在4.0V~5.5V,最高的工作频率未40MHz。STC89C52拥有32个编程I/O口、3个定时器/计数器、全双工UART串口以及多个中断源，还支持低功耗模式与内部EEPROM。它因为性能稳定、开发工具成熟、成本低等优秀特点，被广泛应用于智能家居、工业控制、消费电子等众多领域。主要功能特性增强型8051中央处理单元ISP/IAP在线可编程3个16位定时器/计数器1个支持SPI串行通信的增强型UART39个可编程I/O口15位看门狗定时器MAX810专用复位电路低功耗模式高抗干扰性STC89C52单片机的引脚功能STC89C52单片机所集成的40个引脚都采用双列直插封装的方法，它的引脚定义明确，并且支持多种外设接口扩展。STC89C52外部引脚图如3-2所示。下面讲述各引脚的功能为：图3-2STC89C52引脚图主电源引脚VCC（40脚），接+5V电源正端；GND（20脚），接+5V电源地端；外接晶体或外部振荡器引脚XTAL1（19脚）用于连接外部晶振的一端，在单片机内部作为反向放大器的输入端。当采用外部时钟源时需接地。XTAL2（18脚）连接晶振另一端，内部接反向放大器输出端及时钟电路输入端，使用外部振荡器时应接入其输出信号。两个金属引脚一起搭建起时钟硬件的交互通道。控制信号线RESET的第9脚是复位控制接口，它不仅能够实现系统复位的功能，还具备掉电保护的功能，能够在电源中断时及时维持内部RAM数据的完整性和安全性。ALE引脚的30脚能够实现地址数据的分离，系统正常工作阶段，可对P0口低8位地址总线信号进行锁存，让地址和数据流无差错传输；在EPROM编程期间，ALE端能接收脉冲信号，实现编程的信号交互功能，达成多功能化。PSEN的第29引脚被用作外部程序存储器读使能端，在外部程序存储器访问阶段，利用低电平触发选通模式，完成片外程序存储器的数据读取，为单片机程序存储的硬件扩展提供支持。EA的第31脚作为存储器访问控制开关，通过电平切换实现对内部和外部程序空间的选择。在固件烧录过程中，EA引脚配合编程电压输入，能够完成固件的烧录操作，为单片机的程序更新提供了方便。多功能I/O口引脚STC89C52单片机具有四个双向I/O端口，分别为P0、P1、P2和P3，每一个端口都可以独立担任输入或输出端口的角色，拥有较高的灵活性。P0口（32～39脚）采用双向三态结构设计，拥有8个LSTTL门的驱动能力，是唯一支持地址/数据分时复用的总线端口。如果需要访问外部存储器，P0口会发出ALE信号锁存低8位地址总线，再自动切换为双向的数据总线来实现地址与数据的动态复用，所以它是连接外部存储器的核心通道。P1口（1～8脚）是准双向三态端口，可以驱动4个LSTTL门电路。当被当作通用I/O使用的时候，会先将高电平写入锁存器来确保输入状态的稳定性。P1口的最大亮点是支持每一位的编程控制，允许每根引脚独立设置工作模式，为编程提供了更高的灵活性。P2口（21～28脚）同样采用准双向三态设计，它的驱动能力与P1口不相上下。P2口一般与P0口配合使用，提供高8位地址总线，再与P0口的低8位地址共同构成16位地址总线，从而将系统的寻址能力扩展到64KB。P3口（10～17脚）是一个多功能复用端口，除了具备标准I/O功能外，其第二功能集成了中断控制、串行通信等关键外设接口，为单片机提供了丰富的扩展能力。其特殊用途如表3-1所示：表3-1P3端口的第二用途端口引脚第二功能注释P3.0RXD串行口数据接收端P3.1TXD串行口数据发送端P3.2/INT0外中断请求0P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7/INT1T0T1/WR/RD外中断请求1外部脉冲技数信号输入外部脉冲计数信号输入控制外部RAM写控制外部RAM读最小系统电路最小系统主要包含晶振电路、复位电路以及电源电路这三大部分。STC89C52的最小系统如图3-3所示。晶振电路采用12MHz无源晶振与2个30pF补偿电容组成，电容取值范围15-33pF，其作用是维持振荡稳定性并辅助起振。电路布局需紧贴单片机引脚，也可选用24MHz晶振提升系统时钟频率。复位电路通过通过一个10μF的极性电容与一个10KΩ的电阻组成RC充放电网络，依靠电容两端电压的突变特性，在设备上电瞬间迅速产生一个高电平脉冲信号。该脉冲信号的持续时间，由RC时间常数的计算结果精准确定。对于典型的51架构来说，其对复位信号的维持时间有着明确要求，即至少要保持两个机器周期以上。电源模块采用5VUSB供电方案，这种方案的优点在于它具有广泛的兼容性，不管是常见的移动电源还是PC的USB接口，都能够提供稳定的5V电压给系统，使系统充分满足正常工作的电压与电流的需求条件。并且为了解决P0口开漏的输出特性的问题，最小系统设计中巧妙地增加了10KΩ的上拉排阻。这样一来，P0口便拥有了标准I/O的驱动能力。EA引脚的配置同样不容忽视。最小系统通过10KΩ电阻将它与VCC相连，这样系统可以默认从内部Flash启动程序。并且只需将EA引脚置为低电平就可以扩展外部的存储器，十分方便。图3-3单片机最小系统3.3液晶显示电路3.3.1LCD1602简介LCD1602是一种基于HD44780控制器的字符型液晶显示模块，它拥有两行显示区域，每一行都可以容纳16个字符，特别适合显示状态信息、传感器数据或简单菜单等功能。并且它的工作电压一般为5V，功耗也比较低，适应性也非常强，可以满足多数电子项目对可视化输出的基本需求。在通信方面，LCD1602通过并行总线与主控芯片通信，支持4位与8位两种数据传输模式，拥有较好的兼容性与移植性。在实际的开发或使用中，开发者可以设定控制指令来操作显示内容进行清屏、光标移动、字符定位等操作。不仅如此，它还内置字符发生器，可以直接显示ASCII码字符。LCD1602还提供带背光（LED）和无背光两种版本，虽然无背光版本的厚度比带背光版本减少2mm，但使显示性能基本是保持一致的。尺寸差别如图3-4所示。图3-4液晶尺寸说明LCD1602主要技术参数：◆显示容量:16×2个字符◆芯片工作电压:4.5—5.5V，最佳工作电压为5.0V◆工作电流:2.0mA(5.0V)◆字符尺寸：2.95×4.35（宽×高）mm◆字符构造：5×7点阵◆引脚数量：标准的14脚接口3.3.2LCD1602引脚说明LCD1602引脚如表3-2所示：表3-2LCD1602液晶说明端口引脚符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压4567~141516RSR/WED0~D7BLABLK数据/命令选择读/写选择使能信号数据背光源正极背光源负极1脚：这是接地电源VSS。2脚：5V的正电源为VDD。3脚：VL是为对比度调节端，需外接10kΩ电位器以控制显示清晰度。4脚：RS通过电平切换选择工作模式，高电平对应数据寄存器操作，低电平则进入指令配置状态。5脚：定义数据流向，高电平读取模块状态，低电平写入指令或数据，其与RS的组合逻辑可实现命令写入、状态读取等四种操作模式。6脚：E是使能端。通过高到低的电平跳变触发模块执行当前操作，是数据传输的同步信号。7脚至14脚：D0到D7是8位双向数据线。15脚：这是背光源的正极。16脚：这是背光源的负极。3.3.3液晶显示模块电路LCD1602显示模块采用标准的16脚接口设计，其连接方式简洁明了。其一，1号脚连接到系统的地（GND），2号脚连接到正电源（VCC），确保供电电路的稳定性。其二，3号脚通过一个10K的可调电阻连接，形成对比度调节电路。旋转该电位器可以调节液晶屏的对比度，从而改善显示效果。在控制信号方面，4号脚作为寄存器选择端（RS），连接到单片机的P2.7端口，用于区分命令和数据信号；5号脚为读写控制线（R/W），连接至P2.6端口，用于控制数据的读取或写入操作；6号脚为使能端（E），连接到P2.5端口，用于控制数据的有效时序。数据传输采用8位并行模式，7号至14号脚作为双向数据总线，直接连接到单片机的P0端口，实现指令和数据的双向传递背光电路方面，15号脚连接到VCC，为背光提供正极电源；16号脚连接到GND，作为负极。这一设计可用保证背光LED能够稳定工作，不管在怎样的光照环境下，屏幕显示都能清晰可见。液晶模块的电路连接图如图3-5所示。图3-5液晶模块连接图3.4烟雾检测模块3.4.1烟雾传感器MQ-2简介MQ-2烟雾传感器采用二氧化锡作为敏感材料，形成了N型半导体结构。它的工作温度范围为200℃至300℃。MQ2-烟雾传感器的检测原理基于表面氧气吸附效应。在高温条件下，空气中的氧分子会在传感器表面吸附，并捕获半导体中的电子，从而降低载流子浓度，导致材料的电阻升高。所以当烟雾颗粒接触到传感器的敏感层时，会引起晶粒间电势垒的变化，进而引发电导率的突变。可以根据观察到的导电信号的变化，实现对烟雾浓度的检测。MQ-2型烟雾传感器的特性参数：工作电压：直流电压5V工作电流：150mA检测气体：烟雾、液化气、甲烷等多种可燃性气体及挥发性有机物模拟输出接口（AO）:输提供与可燃气体浓度成线性关系的电压信号，可用于精确测量。数字输出接口（DO）:通过电平翻转实现阈值报警功能，当检测到气体浓度超标时输出低电平触发警报。预热时间：上电后预热一分钟，待稳定再使用3.4.2烟雾检测模块电路因为在本设计中烟雾传感器输出的是模拟量，所以需要模数转换芯片ADC0832来转换成数字量再交由单片机处理。ADC0832是串行接口的8位分辨率A/D转换芯片，通过三线接口与单片机连接，具有功耗低，性价比高，转换速度快，稳定性强等特点，可以轻易实现通道功能的选择。烟雾检测模块的电路图如图3-6所示。图3-6烟雾检测模块电路图3.5DS18B20温度传感器电路3.5.1DS18B20简介(1)概述DS18B20是一款广泛应用的数字温度传感器。它采用单总线接口技术，只需要一根数据线就可以实现与微控制器的通信，这大大简化了连接方式。它的测量范围在-55℃至+125℃，测量精度也达到了±0.5℃，并且内部集成了温度敏感元件、信号转换电路以及存储器，可以把温度信号转换为数字信号输出。(2)特性单总线接口温度测量范围广高精度测温低功耗高可靠性和稳定性体积小，易安装（3）引脚功能VCC:电源正极DQ:输出引脚VDD：接地端/电源负极3.5.2时序说明DS18B20数字温度传感器严格遵循单总线通信协议，它的数据交换过程由精确的时序控制来实现。当需要读取数据时，控制器会先发出特定的指令，收到指令后，传感器立即启动读取操作。这一过程包括读取存储器内容、电源状态检测、温度转换的触发以及从EEPROM中检索存储数据。每个读周期的持续时间不少于60μs，其中还包括大约1μs的恢复时间。在时序启动阶段，控制器会将总线拉低1μs后释放。传感器根据总线电平的变化来反馈数据：输出高电平时，总线保持高电平；输出低电平时，传感器会拉低总线，然后由上拉电阻将电平恢复至高电平。写时序的工作机制与读时序类似，主要用于向传感器写入指令。每个写周期同样需要维持60μs，包含1μs的恢复间隔。控制器通过电平变化生成写0（拉低总线）或写1（保持高电平）的信号，DS18B20在15-60μs的采样窗口内捕获数据，随后在15μs内释放总线。DS18B20读/写时序图如图3-7所示。所有通信流程必须以初始化序列作为起点。控制器需要将总线拉低480μs后释放，才能进入接收状态。DS18B20在检测到复位脉冲时，会返回一个存在脉冲来确认设备已准备好并可以进行通信。尤其需要强调的是，写入逻辑“1”时，总线应始终保持高电平；而写入“0”时，控制器需要主动拉低总线电平。DS18B20初始化时序图如图3-8所示。图3-7DS18B20读/写时序图图3-8DS18B20初始化序列图3.5.3DS18B20模块电路图DS18B20的模块电路图如图3-9所示图3-9DS18B20模块电路图3.6火焰检测模块电路3.6.1火焰检测模块简介（1）概述火焰检测模块是一种用于火焰检测的传感器装置，它的内部有光电传感器或者红外传感器等元件，可以实时监测火焰的存在与强度。当检测到火焰时，模块会输出相应的高低电平信号，将信息传递给控制系统。在自动灭火系统中，火焰检测模块常被用作触发信号源。当火焰被检测到时，控制系统会根据传感器信号及时启动灭火设备，从而有效提高灭火的效率。（2）特性高灵敏度快速响应及高可靠性宽光谱响应范围多种供电方式易于集成和使用耐高温和环境适应性（3）引脚功能VCC:接电源正极3.3V~5VDO:TTL信号输出GND:接地/电源负极3.6.2火焰检测模块结构示意图与内部原理图火焰检测模块示意图如图3-10所示。图3-10火焰检测模块示意图火焰检测模块内部原理图如图3-11所示图3-11火焰检测模块内部原理图3.6.3火焰检测模块原理图火焰检测模块只有3个引脚，在本设计中，它的VCC引脚接单片机的VCC，GND引脚接单片机的GND,剩下一个I/O口直接与单片机的I/O口相连，用于传输是否有火焰信号。其原理图如图3-12所示。图3-12火焰检测模块原理图3.7报警模块本设计不仅具有检测功能，还具有声光报警功能。当系统检测到有火焰或温度超过设定阈值或烟雾浓度超过设定阈值时，就会启动蜂鸣器进行报警，同时对应哪种情况的LED灯便会亮起，达到声光报警的效果。3.7.1蜂鸣器的介绍蜂鸣器是一种常见的发声器件，采用直流供电方式供电。蜂鸣器分为压电式蜂鸣器与电磁式蜂鸣器，压电式蜂鸣器利用压电效应，它的核心是压电陶瓷片，电磁式蜂鸣器则基于电磁感应原理，内部有一个线圈。压电式蜂鸣器在施加电压时，其内部的压电陶瓷片产生机械振动从而发出声音。电磁式蜂鸣器在通电时会产生磁场，内部的膜片或锤子振动发声。压电式蜂鸣器功耗低、响应速度快，音调固定且音量较高，能够发出较清晰的提示音。电磁式蜂鸣器音量较大，可以通过电流的大小来改变音量，但功耗较高，响应速度比较慢。两种蜂鸣器都各有优点，对于本系统的考虑，在设计中使用了电磁式蜂鸣器。此外，蜂鸣器还分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源蜂鸣器内部自带震荡源，通电后就可以自动发出固定频率的声音，只需要提供合适的电压就能工作，不需要额外的驱动电路。无源蜂鸣器没有自带内部震荡源，必须提供外部的特定方波信号才能工作，也就表明可以通过改变输入信号频率来控制其发声音调。对于系统的综合考虑下，在本次设计中采用了有源蜂鸣器。3.7.2蜂鸣器报警电路由于蜂鸣器报警时所需的电流较大，单片机I/O口所提供的电流较小，所以需要三极管或晶体管等对其电流进行放大。当报警条件触发时，单片机发出控制信号，信号被送入放大电路，放大电路收到控制信号后增强信号的功率，为蜂鸣器提供足够工作的电流。因为本设计采用的是有源蜂鸣器，内部自带震荡电路，故只需其两端获得足够的电压和电流便能开始工作，发出声音。蜂鸣器报警电路图如图3-13所示。图3-13蜂鸣器报警电路图3.7.3发光二极管发光二极管简称LED，是一种可以将电能转换成光能的半导体器件。它主要由PN结、电极和光学系统等部分组成。它的工作原理是半导体的电致发光效应，当发光二极管施加正向电压时，电流流动，电子从N区流入P区，与空穴复合。整个过程中电子从高能态迁跃到低能态，多余的能量会以光子的形式释放出来，这种光子的发射便是LED发光的根本原因。LED具有体积小、功耗低、响应速度快、色彩丰富和发光效率高等许多优点。不同材料的PN结可以释放出不同波长的光子，从而产生不同颜色的光，而且LED工作时只有少部分能量会转换成热量损失，大部分能量都用于发光，所以LED有较高的发光效率。另外，控制电流的大小和通断可以控制LED等的亮度与闪烁，这也让它可以满足许多不同的应用需求。3.7.2LED报警电路本设计中有三个LED灯，一个LED灯亮起就对应火灾时发生的一种情况，每个LED灯正极串联一个电阻用来控制电流大小，免得将LED灯烧毁，负极与单片机的I/O口相连，能够让单片机发出信号时及时回应。LED报警电路图如图3-14所示。图3-14LED报警电路图3.8GSM模块3.8.1GSM模块简介（1）概述GSM（全球系统移动通信）是一种广泛应用的数字移动通信技术，是当今世界最主要的移动通信标准之一。此技术由欧洲电信标准协会（ETSI）于1991年正式发布，它的主要目标在于建立一个全球通用的移动通信标准框架。在国际范围内，GSM的普及极大地推动了全球通信网络的发展，为跨国交流提供了基础保障。它的广泛应用不仅改善了用户的通信体验，也促进了全球经济一体化的进程。（2）特点及优势全球覆盖：GSM技术在全球的广泛应用，实现了用户在不同国家和地区间的无缝通信，其覆盖范围之广令人瞩目。数字通信：用数字信号进行通信，GSM提供了高质量的语音通话和稳定的通信连接，显著提升了用户体验。安全性：GSM引入了身份验证和数据加密等机制，为用户的通信隐私和数据安全提供了有力保障。短信服务：GSM支持短信服务，使用户能够便捷地发送和接收文本消息。数据传输：能够支持互联网接入和电子邮件等服务。漫游支持：GSM的漫游功能使得用户可以在其他运营商的网络上使用自己的手机，方便用户在不同地区之间切换（3）GSM模块（SIM800A系列）特性宽电压供电：支持5-18V直流供电，可灵活适配不同电源系统，高电压输入时能有效降低工作电流，缓解供电压力。上电自动开机：上电无需按键或单片机控制开机，操作方便、简单。电源可控制：独立控制引脚实现远程电源开关（高电平导通/低电平关断），断电状态功耗趋近于零，支持软件触发模块重启，避免物理断电操作，引脚默认高电平设计简化硬件连接。串口TTL和RS232：模块可通过串口TTL或RS232电平控制，轻松接入各种单片机或其它串口设备中。音频接口：配备标准排针引出的双通道音频接口，支持外接麦克风输入和扬声器输出，为语音通话、录音播放等应用提供硬件基础，用户可根据需求自由配置音频通路3.8.2SIM800A工作原理SIM800A是一款基于GSM/GPRS网络的无线通信模块，通常工作在3.4V到4.4V的电压范围，在上电后内部电源管理单元会为各模块供电并完成初始化。待初始化完成后，模块会检测SIM卡是否插入以及是否符合规范，如果符合规范就会进一步读取SIM卡信息，为后的网络注册做准备。GSM模块（SIM800A系列）会通过天线搜索周围可用的GSM网络基站，根据预设的网络选择合适的基站（2G/3G）进行注册。在注册过程中模块会与基站进行信令交互，比如发送身份识别请求、鉴权信息等来验证是否合法并获取网络的接入权限，只要注册成功，模块便可以接入GSM网络开展通信业务。SIM800A在发送和接收短信时，会根据设置的APN等参数来建立GPRS网络与目标服务器之间的数据链路。模块将待发送的数据进行分组、封装，再通过无线信道发送只网络侧的数据中心，由数据中心转发至目的地。模块接收来自网络的数据包，进行解封装和重组，得到原始数据最后提供给本地设备。SIM800A使用串口即UART与单片机进行通信。单片机可以通过发送AT指令来控制模块的各项工作状态，例如发送短信、拨打电话、测试当前波特率、测试当前是否网络注册等。模块接收到指令后会根据相应指令执行相关操作，并通过串口向单片机返回响应信息，告知指令执行结果或当前状态。SIM800A内部原理图如3-15所示图3-15SIM800A内部原理图3.8.3SIM800A工作指令拨号与通话控制指令：ATD拨打电话；ATH挂断电话短信服务指令：AT+GSMF设置短信格式为稳步或PDU模式；AT+GSMS发送短信；网络注册与查询命令：AT+GREG/CGREG查询模块的GSM/GPRS注册状态信号与通信状态监测指令：AT+CSQ获取信号强度；AT+GLCC获取当前呼叫信息数据传输与连接指令：AT+HTTPINIT初始化HTTP会话设备信息查询指令：AT+CGMR查询模块的固件版本3.8.4SIM800A原理图本设计采用稳压电源给GSM模块供电，确保其在工作时的峰值电流能够稳定，不会因为电压的波动影响从而影响GSM模块的正常工作，该模块的RXD引脚与单片机的TXD引脚相连，TXD引脚与单片机的RXD引脚相连。GSM模块原理图如图3-16所示。图3-16GSM模块原理图3.9自动喷淋模拟本设计用电机驱动模块L298N驱动直流电机来模拟自动喷淋，实现场景为当火焰检测模块检测到火焰时，直流电机开始转动模拟喷淋系统实现灭火，电机驱动模块采用两节3.7V的电池进行供电。3.9.1直流电机简介直流电机是一种能够将直流电能转换为机械能的旋转机械装置。它的核心结构由定子、转子、换向器以及电刷组成。定子作为静止部分，一般由永磁体或电磁铁构成，可以提供稳定的磁场环境。转子，亦称为电枢，是旋转的主要部分，其铁芯上嵌有多组绕组线圈。当电流通过这些绕组时，会在转子内部产生与定子磁场相互作用的电磁力，驱动转子旋转。换向器作为直流电机的关键部件，由多个绝缘分隔的铜片组成。它的主要作用是与电刷滑动接触来周期性地改变电枢绕组中的电流方向，从而实现持续的转子旋转。电刷多采用石墨或碳基材料制造，不仅具有良好的导电性，还具有自润滑特性，会将电流稳定输入到旋转的电枢绕组。直流电机的工作原理主要基于电磁感应定律与洛伦兹力定律。当直流电通过电刷与换向器系统注入到电枢绕组时，绕组在磁场中产生磁场。产生的磁场与定子磁场相互作用，根据右手螺旋定则，磁场方向可以被确定。两者的磁场相互作用，产生沿切向方向的电磁力。所产生的电磁力在电枢绕组中再产生转矩，驱动转子旋转。换向器通过精确切换电流的方向，使磁场与电磁力的作用始终朝向推动转子的方向，这样就实现了连续旋转。换向器的作用类似于一个精密的调度装置，保证了电机在运行过程中的平稳性与持续性。直流电机的内部原理图如图3-17所示。图3-17直流电机内部原理图3.9.2L298N电机驱动模块简介（1）概述L298N是由意法半导体（ST）公司开发的一款具有15引脚的电机驱动芯片。它不仅能够支持最高46V的工作电压，还能够提供最大3A的瞬时电流与2A的持续电流，额定功率甚至能达到25W，适用于多种电机驱动场景。更重要的是，L298N内部集成了双H桥全桥驱动电路，兼容直流电机、步进电机以及其他电感性负载。在控制信号方面，L298N支持标准的TTL与CMOS逻辑电平，操作简便，能够与微控制器进行简单的连接。并且它配备双使能端口，在低电平激活的时侯，控制信号不会被干扰，系统的稳定性被大大提高。L298N最大的优点是可以外接采样电阻，从而构建闭环反馈系统来实现更为精准的电机控制。（2）特性工作模式：H桥驱动（双路）逻辑电压：5V驱动电压：5V~35V逻辑电流：0mA~36mA驱动电流：2A（MAX单桥）最大功率：25W（3）工作原理L298N驱动直流电机会通过逻辑输入端（IN1、IN2或IN3、IN4）输入不同的控制信号来控制电机的正反转，对IN1设置为高电平，IN2设置为低电平，电机正转。反之，电机反转。使能端（ENA或ENB）用来控制电机的启动和停止，速度调节。向使能端输入脉宽调制即PWM信号来调节电机的转速，PWM信号占空比决定了电机的平均电压，占空比越高，电机转速越快，从而控制电机的转动速度。L298N内部的H桥电路由四个功率晶体管组成，形成H形结构，想要实现电机的正反转需要对这四个晶体管的导通和截止状态的控制，改变电机两端的电压极性。除此之外，H桥电路还可以处理较大的电流，能够确保电机获得足够的驱动力。L298N还具有过流和过热保护的功能，能够在电流过大或芯片温度过高时自动切断电路，防止电机和驱动电路损坏。3.9.3L298N驱动直流电机原理图L298N驱动直流电机原理图如图3-18所示：图3-18L298N驱动直流电机原理图

44.1程序语言及开发环境本设计中采用C语言进行编程开发，它是一种功能强大且成熟的通用计算机语言，即具有低级编程语言对硬件设备的操作能力，由具有高级语言对复杂问题的抽象和组织能力。C语言以结构化程序设计思想为基础，具有丰富的的运算符和库函数，通过函数模块化来提高代码的重用性和可读性，能够进行位运算、指针操作等底层操作。对程序员来说，它提供了强大的灵活性和高效的代码编写能力，非常适合单片机以及嵌入式系统开发。在本设计中选择了Keil作为开发工具，它是专为门8051系列单片机开发而广泛采用的集成开发环境。KeilC51不仅提供了强大的软件仿真和在线调试功能，使开发者可以使用C语言或汇编语言进行编程，而且还提供了丰富的库函数和示例代码，能够快速加大开发流程。更重要的是，它为调试提供了单步执行、断点设置以及观察窗口等功能，可以帮助开发者快速寻找并解决错误。4.2程序流程图设计4.2.1总体程序流程图设计本设计是火灾检测及报警系统设计，首先会进行对LCD1602液晶显示屏进行设置工作模式、选择开显示、显示清除、入口模式设置、读取忙标志和写数据到DDRAM等一列初始化。最后进入一个循环处理的环节来读取温度和烟雾的检测值并显示已经设置好的报警值。通过是否检测到火焰以及检测值和设置好的值进行判断，若检测值大于设定值，则进行蜂鸣器和对应LED灯的声光报警。若检测到火焰，还会驱动电机转动模拟自动喷淋，再向串口发送指令式使GSM模块进行远程报警。本系统的整体软件流程图如图4-1所示：图4-1系统整体软件流程图4.2.2液晶程序设计程序开始先进行初始化，配置液晶的工作模式，设置8位数据传输方式、两行显示以及5×7点阵字符模式，开启显示并设置光伏状态，再发送清屏指令使液晶屏处于空白状态，为后续显示做好准备。通过编写函数将显示需要的字符以ASCII码的形式发送到液晶显示屏的数据寄存器，实现字符在当前光标位置的显示。为了显示多行内容，需要先发送指令设置光标位置，指向指定的行和列地址，最后写入数据实现多行文字的有序显示。LCD1602液晶显示的程序设计流程图如图4-2所示：图4-2LCD1602软件设计流程图4.2.3模数转换程序设计在使用ADC0832时需要先对其进行初始化，包括配置其时钟信号和通道选择等。单片机通过I/O口向ADC0832发送控制指令，开始转换操作。之后程序进入等待状态，可以设置一个适当的延时来等待转换。转换完成后，从ADC0832的数据输出端口读取转换结果，读取到的是8位的数字量，表示对应的模拟信号强度，根据本设计的需要再对读取的数据进行处理和应用。本系统中的模数转换软件设计流程图如图4-3所示：图4-3模数转换流程图4.2.4温度传感器程序设计在使用DS18B20时，首先要对其进行初始化操作，初始化过程包括复位操作和发送初始化命令。复位操作需要拉低总线并保持一定时间，再发送初始化命令使DS18B20准备好接收后续指令。当DS18B20收到温度转换命令时会启动温度测量过程，将测量到的温度值存储在其内部寄存器中。等待温度转换完成后，单片机从DS18B20的存储器中读取温度数据并进行处理，将其转换为实际的温度值。温度传感器程序设计流程图如图4-4所示：图4-4温度传感器程序流程图4.2.4自动喷淋程序设计在使用L298N电机驱动模块时，首先要对其进行初始化设置，通过单片机I/O口使其使能端ENA、ENAB为低电平，逻辑输入端IN1、IN2、IN3、IN4为低电平。当检测到火焰时，单片机再次通过I/O口将使能端ENA置为高电平，将逻辑输入端IN1置为1，IN2置为0。自动喷淋程序设计流程图如图4-5所示：图4-5自动喷淋程序流程图4.2.4远程报警程序设计本系统的远程报警功能采用GSM模块（SIM800A）系列来实现，首先要进行对GSM模块的初始化，设置模块的串口波特率，接着通过串口向模块发送AT指令，等待模块响应OK后再继续发送AT+CMGF=1将GSM模块设置为文本模式，之后初始化完毕。当检测到火焰时，单片机会向串口发送AT+CMGS命令，根据已经定好的电话号码，向用户发送短信进行远程报警。远程报警程序设计图如图4-6所示：图4-6远程报警程序设计图

55.1元器件的选择在本次设计中用到的主要器件有：STC89C52单片机、MQ-2烟雾传感器、火焰检测传感器、DS18B20温度传感器、ADC0832数模转换芯片、蜂鸣器、LED灯、LCD1602液晶显示屏、直流电机以及L298N电机驱动模块、GSM模块。在选择这些器件前，我做过大量的调研与研究，根据系统的特点筛选出合适的器件。在选择后又根据查找大量资料，弄清楚各器件的引脚功能和工作特性，例如根据烟雾传感器在不同浓度烟雾环境下输出的电压值来确定它的灵敏度和线性范围；根据蜂鸣器的工作电流和电压来确定它能否在系统供电下正常发声；根据GSM模块的工作手册来确定它的工作波特率以及各种调试指令，来确保能够在指定条件下完成远程报警功能。5.2软件调试为了能够减少硬件调试的困难，我使用了Proteus对整个系统进行了仿真，首先需要在Proteus中搭建好完整的硬件模型，像单片机的最小系统；LCD1602液晶显示屏；用一个开关来模拟火焰传感器输出的信号；用滑动变阻器连接ADC0832模拟烟雾传感器；DS18B20模块；蜂鸣器模块与LED灯组和L298N模块与模拟电机。接着将编写好的单片机程序导入到Proteus仿真环境中，看LCD1602是否能够正确显示当前温度和烟雾浓度的值以及已经设置好温度与烟雾浓度的阈值。经观察后发现能正确显示，显示功能调试完毕。依次按下模拟火焰检测传感器的开关和对滑动变阻器阻值的调动以及加大对DS18B20的温度值来超过设定阈值，观察蜂鸣器是否报警以及对应LED灯是否进行亮起完成声光报警。经观察后满足预期，但是为了避免隐藏问题，在仿真持续运行时，又关上模拟火焰的开关，将温度值与烟雾浓度调整到阈值下，发现蜂鸣器停止报警，LED灯熄灭，三个主要检测功能与声光报警功能调试完毕。因为程序设计是当检测到火焰时，电机开始转动模拟自动喷淋功能，所以按下模拟火焰开关，观察电机是否转动。经观察，电机能够正确转动并且在关上开关时电机能够停止，自动喷淋模拟功能调试成功。由于Proteus中对GSM模块的调试比较困难，所以我选择用串口助手对GSM模块进行调试，用串口助手给GSM模块发送AT指令，收到响应信息OK,GSM模块的功能也调试完毕。整个系统的软件调试功能完毕。5.3硬件调试基于上述的软件调试，在焊接完毕后上电，经观察后，发现出现了当检测到火焰时，电机不转动，GSM模块不会发送信息进行远程报警两个问题。（1）电机不转动问题及解决当检测到火焰时，电机没有任何反应。我首先想到的是接线问题，仔细对比单片机与L298N电机驱动模块的接线后，发现并没有接错，排除了接线错误的问题。在接线问题排除后，我又想是否电机在快递运输中损坏，所以电机驱动模块无法驱动电机。我将5V电源直接加在电机的两端，紧接着电机开始转动，排除硬件损坏问题。因为L298N通过使能端来控制电机的启停，在使能端为高电平时才能启动电机转动，我使用万用表在检测到火焰时的L298N的使能端进行电压测量，发现使能端并未置为高电平，问题找到。通过查阅大量资料，我将问题追溯到软件编程上，通过对电机模块的初始化调试，电机转动的调试，发现电机只是在检测到火焰时不转动，单独驱动电机是能转的。我又将问题追溯到检测到火焰时驱动电机的那部分代码，发现我将电机驱动写在了判断检测到火焰时对应LED灯是否亮起来那部分来改变L298N端口，此时的单片机不会发送对应信号给L298N，故我将代码位置改动，调在了检测到火焰时LED灯亮起的后面。我再次对电机进行硬件调试，当我以为问题解决时，发现电机还是不转，只是发出嗡嗡声。我接着去查阅资料，发现问题出在供的电不足以让电机转动。于是我采用了两节3.7V的电池接在L298N的+12V引脚，通过板载电压为单片机供电。再次测试，当检测到火焰时，电机转动，问题解决。（2）GSM不进行远程报警问题及解决当检测到火焰时，GSM模块不进行远程报警，我首先想要的也是接线问题。因为GSM模块引脚有很多，可能会一不小心接错，再仔细对比后发现并未接错，接线问题排除。不是接线问题，经过对电机的调试，我首先将问题锁定在软件编程上。我用串口助手来测试编写的程序是否能够让单片机发送指令到串口，串口助手显示了单片机发送的指令，编程问题排除。因为GSM模块(SIM800A系列)只能使用2G网络进行通信，我通过在网上查找资料发现，大部分地区的2G基站已经关闭，无法使用2G网络。我便向运营商打去电话询问本地区的2G基站是否关闭，经过交流后确定2G基站并未关闭可以使用，网络问题排除。为了确定GSM模块在插上SIM卡能够正常工作，我用串口助手给GSM模块发送AT+其它相关功能指令，发现虽然能回复响应信息，有时GSM模块会自动发送乱码给串口。我通过大量查阅资料与仔细读GSM模块的工作手册，发现GSM模块工作的峰值电流需要达到2A，而且推荐是用9V电压进行供电，单片机提供的电压不稳定，不能仅仅使用单片机给GSM模块供电，问题找到。最后我通过稳压电压来给GSM模块供电，再次调试，当检测到火焰时，GSM模块能够正确进行远程报警，问题解决。通过一系列的调试，寻找问题并解决问题，整个系统已经能够完成预期功能。

6本次单片机火灾监测及报警系统设计是一个完整而极具有实用价值的项目，虽然项目不是很困难，但是对于大学生的动手能力却是一个不错的考察与挑战。此次设计涉及软件开发、硬件设计、调试优化等多个关键环节。软件开发是系统设计的核心。我编写了初始化程序，对单片机、电机驱动模块L298N、DS18B20温度传感器、LCD1602液晶显示屏以及GSM模块（SIM800A系列）进行了配置，保证它们能正常工作以及处于最佳工作状态。对于烟雾传感器，我开发了信号读取与处理程序，实现了烟雾浓度的实时监测和准确判断。对于ADC0832数模转换，我开发了信号转换与处理程序，实现了对温度的准确及实时转换。为了实现报警功能，我还编写了蜂鸣器和LED控制程序，能够在检测到火灾隐患时能够及时进行声光报警。为了对设计进行扩展，我还编写了电机驱动程序，当检测到火焰时，能够使电机转动模拟自动喷淋进行灭火，进一步减少了火灾发生时带来的伤害。同时我还设计了数据传输程序，利用GSM