【《基于单片机的烟雾报警器设计与实现》12000字】

引言随社会不断地进步，随着人类社会的发展，电力、煤气、易燃的化学材料充斥在生活的每个角落，给人们的生活带来便利的同时也伴随着安全隐患。1.1研究的背景在遥远的过去，人类祖先发现了火，将它发展成生活中的工具。但所有的事物都是一把双刃剑，火也给人类带来很多烦恼，我们把它称为“火灾”。火灾并没有随着科技的发展而消失，直到今天，人类也无法完全避免火灾的发生。一根未熄灭的香烟，就可能引发一场能够造成巨大经济损失的火灾，甚至是带走人类的生命，这样因大意或疏忽而引起火灾的例子在生活中比比皆是。据消防救援局发布的2020年全国火灾统计数据显示，2020年全国发生火灾25.2万多起，，死亡1183人，受伤775人，直接财产损失40.09亿元。从火灾亡人的场所分布看，全年共发生居民住宅火灾10.9万起，占火灾总数的43.4%，造成917人死亡、499人受伤，分别占总数的77.5%和64.4%，特别是发生较大火灾38起，占总数的58.5%，多数为一家老小在火灾中伤亡，成为影响火灾整体形势的重要部分。随着电子科技的不断发展，自动火灾报警监控系统成为火灾预警和扑灭火灾的重要工具，优良的火灾报警监测系统可以有效降低火灾发生的几率，大大减少火灾造成的人员伤亡和直接的经济损失，并且可以24小时不间断地进行火灾防控，有效的弥补了人力防控火灾的不足。基于社会对火灾报警监测系统的切实需求，本课题设计的火灾报警监测系统将会更易投入家庭使用。1.2研究的现状随着科技的不断发展，烟雾警报系统也在不断地进化，人们把烟雾警报系统分为五大阶段。从最开始的温度式、烟雾式的烟雾警报系统，到现在逐步走向智能化、自动化的计算机智能型、计算机大数据型的火灾监测系统，在这期间发生过无数的更新以及技术迭代。火灾自动检测系统主要包括感烟火灾自动探测、感温火灾自动探测、火焰自动探测、气体火灾自动探测等。在国外，20世纪80年代左右，随着电子科技、经济水平、建筑科学等技术的迅速发展，开始兴起了烟雾警报系统。国外烟雾警报系统从实际需求出发，融入了高新科学技术，致力于减少误报几率、提高灵敏度、提高检测范围，烟雾警报系统因此得到了迅速的发展。目前在国外市场上烟雾警报系统有两种，一种是非智能烟雾警报系统，采用电子元件进行火灾报警，科技含量不高，但成本低，能够满足火灾防范的基本需求，因此在家庭和小型建筑内广泛采用；另一种是智能化的烟雾警报系统，采用高新科学技术及人工智能，高级硬件配置和软件支撑，能够精确的对火灾发生进行报警，同时具有先进的寻址功能，并联动控制灭火设备进行自动灭火。高端的烟雾警报系统发展方向是模糊逻辑和神经网络算法，拥有诸多优点，该技术是未来发展的方向。美国、德国、日本、瑞士等在烟雾警报系统的发展非常成熟，以瑞士为例，瑞士西伯乐斯公司是世界上具有领先的火灾报警技术之一，发明了世界上第一个可寻址的烟雾警报系统及电子烟感探测器，同时也最早提出了模糊逻辑和人工神经网络算法，实力可见一斑。国外通过CO探测技术达到高精准度和提早探测火灾的目的，通过探测多个火灾信号提高报警系统的可靠性，比如同时检测烟雾、CO、温度等指标，通过研究模塑神经算法大大提高自动火灾报警的精确度。我国烟雾警报系统研究起步比较晚，同外国相比，资金投入、人才引导、研发深度、经营管理相对落后，产品在国际上竞争力相对较差。但近年来随着经济的不断发展，借鉴了国外发展的成功经验，我国烟雾警报系统发展也非常快，差距在逐渐减少，创新能力逐步增强，产品质量也在逐步提高。1.3研究的意义随着超级大型城市的诞生，人口聚集到一起，易燃材料充斥着生活的每个角落，电力、燃气的广泛应用也增加了发生火灾的几率。在高楼大厦或者存放易燃物品的仓库中进行人为防火巡查非常必要，但有些火灾隐患仅靠人为巡查也无法及时发现，比如电线老化、电器老旧、设备异常，因此只靠人工检查不能完全避免火灾的发生。烟雾警报系统能够很好的弥补人工巡查的不足，且监测准确，能够24小时不间断的进行实时监测。凡是安装了自动烟雾警报系统的场所，火灾发生的几率以及火灾造成的损失都会大大降低。我国自动烟雾警报系统安装率比较低，绝大部分居民家中没有自动烟雾警报系统，其原因是价格昂贵、使用不方便。本课题使用单片机以及其它电子元件设计火灾自动报警监测器，该火灾报警监测器具有体积小、监测灵敏、价格便宜、使用方便等优点，能够在火灾发生初期进行提醒，把火灾扑灭在萌芽阶段，在生活中解决实际问题。通过本课题也使我更加详细了解单片机的工作原理以及流程，提高了自我设计电路的能力和动手能力，打下了在电子行业发展的基础。总体设计方案基于单片机的烟雾报警器具有显示数据、发出警报等功能，可以满足社会市场对于当前烟雾报警器的要求，数据采集、模数转换及控制模块等各方面的设计内容如下：2.1总体设计方案火灾有人为灾害和自然灾害，不管是哪种灾害，都极具危害性，产生的后果都难以控制。火灾发生的三个要素：可燃物，助燃剂，点火源，缺一不可，当可燃物获取助燃剂蒸发分解可燃物，如CO、H2，这些气体团与空气中未燃烧充分的悬浮物结合，形成了阻碍视力的烟雾，燃烧的同时还会释放出大量的温度，造成局部温度升高。通过上述文字，我们可以知道火灾报警探测器的两个重要的监测因素是温度和烟雾，所以我们可以通过监测他们的数值来对火情进行及时的预防。本次烟雾警报系统是一个双因素监测系统，本设计监测目标有两个，既有温度监测，同时具备烟雾可燃气体监测，系统由温度和可燃气体探测器，控制器，声光报警器和显示器构成，当火灾报警器探测到环境中温度，化学物质（可燃气体）超出正常范围时，将传感器获取的模拟信息转换成MCU可以接受的数字信息，进行数字分析后，发出控制指令，进行声光报警并将当前的环境温度和烟雾值实时显示，以供大家了解当下的环境条件。系统方案结构整体框图：图2-1系统方案结构整体框图2.2.1烟雾采集方案从内在机能上来说，烟雾传感器就是监测烟雾的浓度，通过化学或者物理作用检测到电势差的传感器，相比于气敏电阻式的火灾报警器，灵敏度更高，技术更为先进，可选择性也比较高。离子式对小分子的烟雾更为灵敏，而光电传感对较大的烟雾感应灵敏，不同场景下，可选择不同的传感器。由于物理结构和感烟功能不一，使用场合也就有所区别，如果火光较为明显，燃烧比较剧烈，空气中的小分子微粒比较多，灰烟和浓烟比较重的情况下，选择离子烟雾探测器比较合适；当发生闷烧，无明火，伴随较大烟雾时，空气中的大分子烟雾颗粒比较多，如果同时安装了光电式和离子式，光电式肯定比离子式先进行预警，从以上分析可以得出，离子烟对各种烟均能灵敏反应，应用场景更加广泛，所以本设计选择离子式的MQ2作为我们烟雾探测装置。一．MQ-2的工作原理MQ-2型烟雾传感器属于表面离子式N型半导体。处于200~300摄氏度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的调至而变化，就会引起表面导电率的变化，利用这一点可以知道烟雾的存在情况。二．MQ-2的特性1、对烟雾有很高的灵敏度，具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息。2、初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。3、电路设计电压范围较大，小于24V以下即可，加热电压5±0.2V。三．MQ-2的结构引脚及封装图如下所示：图2-2引脚及封装图图2-3MQ-2元器件示意图MQ-2的计算公式：阻值R与空气中被测气体的浓度C的计算关系式：logR=mlogC+n(m，n均为常数)2.2.2温度采集方案温度传感器顾名思义是将温度转换成可以被计算机接受的输出电压信号，电平信号，对于传感器而言最重要的器件就是内部的感温器件，感温器件可以分为接触传感和非接触传感。随着科技腾飞，电子产业的迅速崛起，现在的传感器件都可以封装在一个IC之内，而IC输出又可分为模拟输出和数字输出。相较于模拟输出，数字输出具有更高的优势，模拟输出需要接A/D转换才能接入MCU，或者直接接入自带A/D接口的系统，而数字输出可直接接入MCU无需任何中间转换器件，节省成本和硬件开销。本设计选择的温度传感器具有以下优势：1.全数字温度转换及输出；2.先进的单总线数据通信；3.精度可达±0.5℃；4.可选择寄生工作方式；5.温度检测范围为-55°C—+125°C；6.内置EEPROM,降温报警功能；7.64位光刻ROM，产品序列号内置，允许多机连接；8.多样封装形式，适应不同硬件。DS18B20的温度检测模块和数字数据输出模块集成在一个芯片内，抗干扰能力比其他芯片更强，一个工作周期既可以温度检测又兼具数据分析的工作，故我们选择测温模块传感器为DS18B20。图2-4测温模块传感器DS18B202.2数据采集方案2.3模数转换方案本设计中选择的温度传感器由于内部集成感温器件和数字处理模块，单线制输出的数据可以直接被MCU接收并识别，然而烟雾探测传感器输出的数据是随着烟雾浓度变化的模拟信号，这个中间过程就需要AD来进行转换，本设计选用的AD模块具有差分和单端输入两种模式，模拟信号容易受外界环境影响，差分输入可以降低外界干扰，利用差分信号对之间的电压差进行数据的传送，降低共模环境影响，加大差模数据的传输，但是由于烟雾探测传感器输出的是单端的模拟信号，如果为了防止干扰在中间加上一个单端转差分的模块，对于这个简单的系统来说过于复杂，所以本设计我们选择单端输入。ADC0832属于8位逐次逼近式的双通道转化芯片，以下是它的接口说明和介绍：表1-ADC0832接口说明及介绍2.4控制模块方案市面上有许多种类的主控芯片，我根据功能的需求，选择了51单片机。此款单片机具有在线编辑的调试功能，串口就可以直接下载，免去使用专门的编程器，为开发者提供了更为方便的开发途径。考虑到环境监测系统不需要多位的数据传输的特点，同时为了使得资源合理利用，综合考虑过后决定采用STC89C52单片机负责控制中心控制模块和采集模块之间通讯。硬件电路设计系统分为单片机最小系统、信息采集模块、按键模块、声光报警模块和显示模块。信息采集模块经过单片机处理后完成信号转换，最终在显示屏上面呈现出数据信息。3.1系统结构火灾险情监测系统从功能模块可以分为单片机最小系统、信息采集模块、按键模块、声光报警模块和显示模块，其中单片机最小系统包括复位电路和晶振电路，信息采集模块包括温度采集电路、烟雾采集电路、模数转换模块，报警模块包括蜂鸣器声音报警电路和发光二极管光报警模块，本设计用STC89C52作为核心控制器，监控火灾险情。系统方案设计图，如下图所示：图3-1系统结构图从图3-1可以看到火灾险情监测系统是由温度传感器和烟雾探测器将采集到的预警信息转换成MCU可以接收的二进制信号后通过控制模块将数据实时的显示出来，并启动蜂鸣器和LED报警装置进行联动控制。3.2信号采集模块信号采集模块是实现火灾险情温度和烟雾的实时采集。采集电路把捕获到的信号处理成单片机能够处理的二进制信号并传送给信号采集控制模块。信号采集模块用于信号的实时采集和处理。3.2.1温度采集电路当DS18B20接到MCU的一个GPIO上，总线需要外接一个10K的上拉电阻，当控制器发出搜索报警芯片指令时，对于温度高于TH或小于TL报警条件的芯片做出反应，当系统挂载多个温度检测芯片的时候，可以快速找到超标芯片。只要芯片不断电，报警状态会一直保存，直到温度达到警戒值之下。DS28B20运用丰富的操作指令，不仅可以将报警值存放在RAM中为了防止掉电数据丢失，还将数据存到E2PROM，运用AD转换，执行一次指令可进行一次数据转换，控制器可以间隔性的读取芯片的数据，并进行比较，随之进行声光报警。图3-2信号检测电路3.2.2烟雾采集电路图3-3信号放大电路从图3-3中可以看到MQ2的4、6脚输出可随烟雾浓度变化的直流电压信号，1、2、3脚接电源电压，此设计接5V电压，5脚与电源电压之间串接R1电阻，我们知道MQ2的内部电阻是电导率的导数，当烟雾浓度大的时候，内部电阻就会很小，这样很容易烧断，导致无法工作，所以在上电初期必须注意上电电压不能过大，而电阻R1的设计就是为了降低这种风险的存在，R1串入传感器的加热回路，可以保护加热丝免受冷上电时的冲击。3.2.3AD转换电路AD转换单元把MQ2输出的直流模拟电压信号转换成单片机能够处理的二进制信号。如图3-4所示：图3-4电压比较器从图3-4中可以看到MQ2输出的直流电压信号经过ADC0832进行数据转换而没有直接进入MCU,其实本身89C51也是有再带的AD,但是由于资源有限，模块还要预留接口给显示屏，故此需要外接AD芯片，为了与MCU进行相互通信，此转换芯片必须具有串口I2C输出，此设计选择的ADC0832既有双端模拟输入，又有I2C接口输出，而且8位逐次逼近型，性能表现优异，将MQ2的输出接到单端输入接口CH0，ADC0832芯片支持双端差分输入和单端模拟输入，差分输入可以降低共模信号干扰，但是只能对接差分信号数据，MQ2输出数据为直流电压信号，故选择为单端模拟输入。3.3控制模块为了让整个系统能够正常工作，控制模块协调各个模块的工作，控制模块由中心控制模块和采集控制模块组成。采集模块把接收到的模拟信号进行处理成MCU能识别的二进制模式，当温度，烟雾浓度达到报警值时系统进行声光报警。采集控制模块通过串口总线与中心控制模块之间的数据交换，中心控制模块接收信号采集模块发过来的二进制信号，把接收到的信号进行处理通过液晶显示屏显示出来。中心控制模块除了与采集模块进行数据交换，还要把温度和浓度实时的在晶显示屏上显示出来，如图3-5所示的信号采集控制模块原理图图3-5控制模块原理图控制模块单片机在5V的电压下正常工作。图3-5中存储器选择端需接高电平，告诉单片机使用片内存储器，系统才会执行烧写的程序。XTAL1（第18脚）和XTAL2（第19脚）接震荡电路，其中电容C2和C3与晶振发生自激作用，产生时钟频率。RST（第9脚）接复位电路，该电路中电阻R3和电容C1控制复位时间。芯片上电后，按下作为开关的电容即可通电，在通电的一瞬间，电容内有电流流过，RST处于高电平，断开电流后，RST变为低电平。控制模块由许多小单元组成，使各个模块互相配合使用，系统就可以实现自动监控和报警等功能。3.3.1电源电路电源模块为控制模块提供正常工作的电压。如图3-6所示的电源模块电路：图3-6电源模块电路从图3-6中能够看到，电源模块的一端接入DC电源，为系统的稳定工作提供恒定的电压。由于长时间工作，开关经常会出现接触不良的问题，故此安排了带锁定的正极4个接线柱，负极4个接线柱的设计结构。当开关闭合时，会有5V电压接入电路。3.3.2按键电路图3-7输入电路从图3-7中可以看到3个按键通过单片机的并行I/O口引出，按下按键，主控芯片将得到一个低电平信号，单片机根据这3个低电平信号做出相应的反应。其中S2进行界面的选择，分别对应温度，烟雾浓度以及阈值的显示，当上电界面显示当前温度和烟雾浓度，以及的上限阈值，S1,S3为阈值上下限加减按键，当开机液晶屏第一行显示：”SETT:XXE:XXX”，第二行显示当前的温度与烟雾浓度：“NOWT:XX.XE:XXX”,第一行是用来设置温度和烟雾浓度的阈值显示，第二行是当前的温度和烟雾浓度，当按下S2可以选择对温度或者烟雾浓度进行阈值设置，即表示，此时我选择对温度或者烟雾度进行操作，当按下S1对应温度或者烟雾浓度的上限值加，S1按下加1，当按下S3对应温度或者烟雾浓度的上限值减1，S3按下减1。3.3.3显示电路液晶显示模块是LCD1602液晶显示器，其实现实时的显示当前的温度和烟雾浓度度以及相应的上限阈值，当系统开机屏幕显示的是“”SETT:XXE:XXX”，NOWT:XX.XE:XXX”，如图3-8所示的液晶显示。图3-8液晶显示从图3-8中可以看到单片机与液晶屏通过P0口的8位并行数据进行交互。液晶的电源地（第1引脚）和脚背光负极（第16引脚）接地，电源正极（第2引脚）和脚背光正极（第15引脚）接VCC。3脚为对比度调整端，6脚为使能管脚，本设计我们使用电位器来调整灰度。当系统上电开机，蜂鸣器滴长响一声，红灯亮一下，然后熄灭，液晶工作时显示内容为“SETT:XXE:XXX”，NOWT:XX.XE:XXX””，然后按下按键，系统开始工作。3.3.4报警电路报警电路单元实现的是当达到报警条件时进行报警，系统上电P20设定高电平，晶体管工作在截止状态，相当于开关断开；当外界的温度或者烟雾浓度达到设定的阈值时，系统给P20一个低电平，晶体管工作在饱和状态，相当于开关闭合，此时三极管导通，报警电路导通，进行声音报警，如图3-9所示的报警电路：图3-9液晶显示指示灯报警是与蜂鸣器报警同时进行的报警，但是区别于温度报警和烟雾浓度报警，当单片机上电，P22、P24初始化完成，处于高电平状态，指示灯不亮，当环境温度或者烟雾浓度达到设定的阈值，MCU管脚给出一个低电平，指示灯导通，进行报警，温度超标，红灯亮，烟雾浓度超标，黄灯亮，灯亮的同时，蜂鸣器进行报警，达到声光报警的联动响应。指示灯报警如下所示：图3-10指示灯报警电路3.3.5继电器驱动电路图3-11报警电路在火灾险情的情况下，我们仅要针对险情进行报警，还要及时排除烟雾，扑灭火源。此次设计的继电器驱动电路可以外接风扇和水泵，当发生火灾烟雾浓度较重，P2.5由正常的高电平转为低电平，给继电器一个低电平信号，三极管导通，继电器吸合，外接的风扇启动，及时将烟雾排出，接水泵可以进行灭火操作。第四章软件设计硬件设备主要为提供各电路模块，而软件部分主要是温度和烟雾浓度采集的程序设计，最后将采集和处理过的数字信号由LCD液晶显示屏显示出来。并在数据超过警戒值时发出声光警报。4.1主程序设计此程序的功能为显示温度及烟雾浓度，用外部按键S2进行界面的选择,S1、S3进行上限值的加减。本设计的主程序设计包括初始化程序、液晶显示程序、判断按键程序、报警程序、上限加减程序，子程序包括温度读取程序、烟雾浓度读取程序。程序在不断电的情况下会循环检测按键并上报报警信息。以下为整体系统程序流程图：图4-1中心控制端流程图系统主程序为：voidmain(void){ u8key; wendu=check_wendu(); //初始化时调用温度读取函数防止开机85°C Init1602(); //调用初始化显示函数 LCD_Write_String(0,0,"SETT:00E:000");//开机界面 LCD_Write_String(1,0,"NOWT:00.0E:000"); delay_ms(1000); wendu=check_wendu(); //初始化时调用温度读取函数防止开机85°C while(1) //主循环 { key=Key_Scan(); //按键扫描 yanwu=Adc0832(0); //读取烟雾值 wendu=check_wendu(); //读取温度值 if(key==KEY_SET) { Mode++; } switch(Mode) //判断模式的值 { case0: //监控模式 { Display_1602(yushe_wendu,yushe_yanwu,wendu,yanwu);//显示预设温度，预设烟雾，温度值，烟雾值 if(yanwu>=yushe_yanwu) //烟雾值大于等于预设值时 { Led_Reg=0; //烟雾指示灯亮 Buzzer=0; //蜂鸣器报警 relay=0; //开水泵 } else //烟雾值小于预设值时 { Led_Reg=1; //关掉报警灯 } if(wendu>=(yushe_wendu*10)) //温度大于等于预设温度值时 { Buzzer=0; //打开蜂鸣器报警 relay=0; //开水泵 Led_Yellow=0; //打开温度报警灯 } else //温度值小于预设值时 { Led_Yellow=1; //关闭报警灯 } if((yanwu<yushe_yanwu)&&(wendu<(yushe_wendu*10))) //当烟雾小于预设值并且温度也小于预设值时（&&：逻辑与，左右两边的表达式都成立（都为真，也就是1）时，该if语句才成立） { relay=1; //关水泵 Buzzer=1; //停止报警 } break; } case1://预设温度模式 { SelectPosition(0,5); //指定位置 write_com(0x0d); //阴影闪烁 if(key==KEY_ADD) //加键按下 { yushe_wendu++; //预设温度值（阀值）加1 if(yushe_wendu>=99) //当阀值加到大于等于99时 yushe_wendu=99; //阀值固定为99 LCD_Write_Char(0,6,yushe_wendu,2);//显示预设温度 } if(key==KEY_MINUS) //减键按下 { if(yushe_wendu<=1) //当温度上限值减小到1时 yushe_wendu=1; //固定为1 yushe_wendu--; //预设温度值减一,最小为0 LCD_Write_Char(0,6,yushe_wendu,2);//显示预设温度 } break; //执行后跳出switch } case2: //预设烟雾模式 { SelectPosition(0,12); //指定位置 write_com(0x0d); //打开显示无光标光标闪烁 if(key==KEY_ADD) //加键按下 { if(yushe_yanwu>=255)//当阀值加到大于等于255时 yushe_yanwu=254;//阀值固定为254 yushe_yanwu++; //预设烟雾值（阀值）加1,最大为255 LCD_Write_Char(0,13,yushe_yanwu,3);//显示预设烟雾 } if(key==KEY_MINUS) //减键按下 { if(yushe_yanwu<=1) //当烟雾上限值减小到1时 yushe_yanwu=1; //固定为1 yushe_yanwu--; //预设温度值减一,最小为0 LCD_Write_Char(0,13,yushe_yanwu,3);//显示预设烟雾 } break; } default : { write_com(0x38);//屏幕初始化 write_com(0x0c);//打开显示无光标无光标闪烁 Mode=0; //恢复正常模式 break; } } }4.2数据读取模块计算过程：第一步：将两次得到的低8位数据和高8位数据和在一起 第二步：将16位数据乘以0.0625变为十进制的浮点数 第三步：将浮点数放大10倍进行四舍五入图4-2输入程序流程图数据读取程序为：voidInit1602(){uchari=0;write_com(0x38);//屏幕初始化write_com(0x0c);//打开显示无光标无光标闪烁write_com(0x06);//当读或写一个字符是指针后一一位write_com(0x01);//清屏 }voidDisplay_1602(yushe_wendu,yushe_yanwu,c,temp){ //显示预设温度 LCD_Write_Char(0,6,yushe_wendu,2); //显示预设烟雾 LCD_Write_Char(0,13,yushe_yanwu,3); //时时温度 LCD_Write_Char(1,6,c/10,2); write_data('.'); LCD_Write_Char(1,9,c%10,1); //时时烟雾 LCD_Write_Char(1,13,temp,3);}4.3报警程序设计采集模块报警单元是为提醒用户当前环境的温度，烟雾浓度。工作时，当采集到的温度和烟雾浓度超过设置的阈值时，MCU通过程序设置，给出一个低电平，三极管导通，驱动蜂鸣器报警和LED灯闪烁。图4-4为采集端报警程序流程图：图4-4采集端报警程序流程图在系统监控的过程中，采集端接收到中心控制端发送的信号，对信号进行分析处理。在该信号中查询报警信号，当找到报警信号时启动采集端的报警单元。此时单片机的P2.0口将会产生一个低电平，让蜂鸣器报警，并让相应接口的LED灯闪烁。采集端要实现报警的功能，必须要接收到中心控制端发送的报警信号。图4-5为采集端数据接收流程图：图4-5采集端数据接收流程图其程序为：while(1) //主循环 { key=Key_Scan(); //按键扫描 yanwu=Adc0832(0); //读取烟雾值 wendu=check_wendu(); //读取温度值 if(key==KEY_SET) { Mode++; } switch(Mode) //判断模式的值 { case0: //监控模式 { Display_1602(yushe_wendu,yushe_yanwu,wendu,yanwu);//显示预设温度，预设烟雾，温度值，烟雾值 if(yanwu>=yushe_yanwu) //烟雾值大于等于预设值时 { Led_Reg=0; //烟雾指示灯亮 Buzzer=0; //蜂鸣器报警 relay=0; //开水泵 } else //烟雾值小于预设值时 { Led_Reg=1; //关掉报警灯 } if(wendu>=(yushe_wendu*10)) //温度大于等于预设温度值时（为什么是大于预设值*10：因为我们要显示的温度是有小数点后一位，是一个3位数，25.9°C时实际读的数是259，所以判断预设值时将预设值*10） { Buzzer=0; //打开蜂鸣器报警 relay=0; //开水泵 Led_Yellow=0; //打开温度报警灯 } else //温度值小于预设值时 { Led_Yellow=1; //关闭报警灯 } if((yanwu<yushe_yanwu)&&(wendu<(yushe_wendu*10))) //当烟雾小于预设值并且温度也小于预设值时（&&：逻辑与，左右两边的表达式都成立（都为真，也就是1）时，该if语句才成立） { relay=1; //关水泵 Buzzer=1; //停止报警 } break; }系统构成功能调试硬件与软件构成整体，使整个系统可以按照设计要求运转，以下主要讲述了该系统的调试与实现问题。5.1系统构成及功能介绍火灾险情报警联动控制系统在硬件和软件设计上进行了全方位的考量，在上电之初，我们考虑到MQ2的电阻丝容易被烧断的情况，将MQ2串联一个小电阻，大大降低了器件的受损率，在ADC转换芯片的选择上更是为了节省成本，直接选用拥有单端输入和串口输出特性的ADC0832，由于ADC的输入和输出并不会同时进行，所以我们直接将输入输出并联，减少了串口资源的占用，温度传感器上选择集温度感知和数据处理于一体的数字芯片，更是大大简化设计成本和费用成本。相对于传统的将烟雾探测直接与模拟的电压比较器电路报警，本电路设计时不仅将比较器设置在程序内，更能直观的在液晶屏上显示当前的温度与烟雾浓度信息，使现场状况更为直接和清晰。以下将会展示液晶屏显示，声光报警和按键上下限功能，并用实例更进一步验证输出特性。此系统由信息采集模块，显示模块，电源模块，报警模块，继电器驱动模块构成，系统实物图如下图所示：图5-1系统实物图（1）STC89C52最小系统控制通过串口接收采集信息，根据设置的上限预警值判断采集数据是否超标，并发出声光预警提示信息，并将采集到的信息实时显示到液晶屏上；（2）按键可以切换显示界面，设置报警警戒值，将设置结果传送到单片机，作为单片机判断是否需要发出报警提示音的依据；（3）蜂鸣器和LED指示灯用于在采集到的信息超出阈值时发出报警提示；（4）信息采集模块为控制器提供温度，烟雾浓度等有效信息；（5）LCD1602液晶显示采集到的火灾险情温度和烟雾浓度信息，屏幕的灰度由变阻器控制；（6）电源模块为系统硬件提供稳定的5V工作电源；5.2系统调试（1）调试工具介绍①示波器：示波器用于确定硬件电路的工作电压，输出波形，由输出波形判定功能实现，判定MCU是否正常工作，以及程序运行的验证；②万用表：将万用表调到蜂鸣档，可以在制版最初判定电路是否有短路现象，及时的对硬件电路进行问题定位和分析。③KEIL软件：本程序设计是用C语言在KEIL软件中进行编程，KEIL是最便捷也是最易上手的编程软件，对于初学者来说，很容易定为低级的语法错误，运用其自带的调试功能，可以轻松设置寄存器的参数信息。（2）硬件测试利用万用表进行硬件测试时确保焊接的连线能够符合电路设计的要求。经测量无短路后对硬件上电，具体的测试步骤如下：运用示波器先查看单片机的复位管脚是否上电正确，如果单片机在上电瞬间会有一个由低到高的充电过程，则代表复位信号正确，再将示波器调到频率档位，测量晶振是否正常起振，如果能观察到频率为12M的正弦波，则代表晶体正常起振，由此单片机最小系统正常工作。测量板上按键是否正常工作，是通过当按下按键开关，用万用表量到电路是低电平，则表示按键开关正常，如若量不到任何电平变化，应考虑换一个按键开关；当上电正常液晶屏幕应该点亮。若没有点亮，则表示线路有问题，及时进行排查；以上测试通过后，硬件测试完成。（3）软件测试硬件电路测试无误就需要搭载程序进行功能实，们在通过专用的串口将程序下载到MCU内部ROM时，上电之初，要实现蜂鸣器响和红灯亮的现象，因为在上电过程中，系统的管脚会有一个由低变高的过程，当有低电平的时候，蜂鸣器导通，LED灯导通，发出一声上电正常的预告，上电初始化后，控制器的每个管脚默认都是高电平，所以三极管断开，蜂鸣器不响，LLED灯不亮。我们首先编写测试程序，确保单片机能够执行软件，随后分别验证显示程序、按键程序和报警程序。具体步骤如下：在KEIL环境下建立主程序，在程序中将P2.0写0，硬件电路上此管脚将会输出一个低电平，如果此时蜂鸣器报警，则表示报警程序正确，如果没有达到预期结果，则需要调试程序，查找原因；编写液晶程序对显示的输出进行控制，现在第1行显示若显示正常，改变显示地址，对第2行显示进行测试，确保液晶显示结果和软件输出的结果保持一致；按键程序包括温湿度和光照度界面的选择和上下限的设置，如果按下S1可以进行界面的选择，则代表程序正常，接着测试上下限的按键设置，看是否在软件程序上可以体现出相应值的加减，若一致，则代表程序正确，若没有反应，需要调试程序；主程序和子程序模块分别调试成功后，通过设置全局变量和局部变量将程序进行整合，构建出完整的控制程序，并在KEIL中进行编译。软件编译图见5-2所示：图5-2软件编译图5.3系统功能测试根据设计好的软件和硬件电路等制作后，对实物的功能进行测试。（1）以温度上限值设置为50℃为例：当用打火机不间断的对温度传感器加热，当温度一旦超过50，报警红色指示灯马上亮起，蜂鸣器长鸣，停止对其加热，当温度降50度以下，红色指示灯灭，蜂鸣器不响。（2）烟雾度浓度设置上限为100，当我们用气体打火机对着MQ2，当烟雾浓度超过100，黄色指示灯亮，蜂鸣器长鸣，当停止打火，用风扇将烟雾吹散，液晶显示屏显示当前浓度为10的时候，指示灯已经不亮，蜂鸣器不响。当温度为28.4℃，烟雾浓度为10的测试效果如图5-3：图5-3系统功能调试图结论本文讲述了基于单片机的烟雾警报系统的实现方式。使用USB进行供电，采用温度传感器和烟雾度传感器管进行信号采集，应用STC89C52单片机作为控制系统的核心芯片。最终实现了对火灾险情温度和烟雾度的实时监控，并具备声音和灯光报警功能。测试数据表明，在文中所使用的调试环境下，该系统的报警误差温度在2度以内，烟雾度在5以内，这个误差对于该设备在实际应用中并不会存在较大的影响。如果在高精度要求和重要场合，此设备并不适用。本课题设计还存在许多不足，在后续的继电器驱动模块方面还可以继续加深，如在继电器驱动时可以选择双驱动，当温度超标时，驱动继电器进行水泵灭火操作，当烟雾超标时，驱动另一个控制继电器，使风扇进行排烟操作。本文设计的火灾险情监控系统在精度上还不够完善，其误差相对来说较大，在误差方面可以把数据处理的更精确。文中的通讯方式还需要进一步加强，在系统的核心控制芯片的选择上存在着不足，可以选在当下普遍的STM32系列芯片，可以进行无线模块扩展，进行远程监控等。参考文献[1]王斌.CRH380B型动车组火灾报警系统功能可靠性研究[J].甘肃科技纵横,2020,49(11):35-38.

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