【《基于单片机的智能火灾报警系统的硬件及电路设计案例》5900字（论文）】

基于单片机的智能火灾报警系统的硬件及电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u18766基于单片机的智能火灾报警系统的硬件及电路设计案例 1224451.1主机硬件 1317581.2烟雾探测模块 3203191.3火焰传感器模块 5182421.4WiFi模块 7124211.5LCD液晶显示模块 9201361.6继电器驱动模块 11164871.7风扇驱动电路原理 121.1主机硬件单片机，常用mcu来表示，作为微控制器的一种典范，是嵌入式结构的，工业控制领域是其最早的使用领域。单片机芯片上集成了微机系统，其采用超大规模的电路技术并非是为了实现简单的逻辑功能。而与计算机不同的是，单片机没有外围设备。由于成本低、尺寸小、对开发环境的要求低、方案资源丰富以及比较简单的开发工具和编写语言，单片机在现代电子产品中智能化的优势被广泛应用于通信产品、家用仪表电器、AI机器人、工业控制领域以及办公自动化场景中。同时，它使人们对于计算机工作原理与总体结构有更深入的了解，便于人们学习、应用和开发，为物联网的发展提供了基础。根据多方面比较，本设计采用STC89C52RC型单片机作为主控硬件。1.1.1STC89C52RC单片机STC89C52RC是8位微控制器，具有8k大小程序存储器，与电脑硬盘类似，数据保存的时间长。8位CPU使得大多数嵌入式的控制系统在STC89C52RC的应用下有较高的灵活度，从而降低开发系统的研究与设计成本。它包括了以下几种功能：8k大小的Flash，用于系统编程；512字节的RAM用来存放变量，可读可写；32个引脚可作为I/O口，共有四种模式：准双向口模式，推挽模式，高阻模式，开漏模式；一个计时器，用于系统复位；内置4KB的三管脚的复位芯片和只读存储器的复位电路；多个计数器；支持双向通信的串行口和一个中断结构。当开始静态逻辑操作，即功率降低到0Hz时，有2种节电模式REF_Ref649\r\h[11]。若某一时间没有程序运行，则CPU不工作，RAM、定时器、I/O口、中断等依旧处于工作状态。它具有功能损耗较低、性能较高、程序设计和烧录更简单的特点。其封装图如图3-1所示。图3-1STC89C52RC引脚封装图1.1.2单片机电路原理复位电路的目的是让电路进入按需所置的某种状态，起到恢复电路到初态的作用。复位电路能够在系统上电后自动启动、手动复位和按照程序启动三种形式启动运行。一般的复位电路通过电容和电阻组合来实现复位。复位是为了更新默认数据，一般在特殊寄存器内工作。如果单片机由于外部原因使寄存器中的数据变得杂乱，而非操作方面的失误，导致不能正常运行程序或是结果出错，则需要重新启动程序，使电路从错误的逻辑中跳出。晶振电路给整个电路提供CLK信号。单片机执行指令时，由晶振电路和中央处理器形成一个回路，结合外部晶振震荡，保证整个电路正常运作。常见的振荡器大多使用石英晶体，电容大小大约是20pF。在单片机中石英晶体与内部震荡电路一起工作，提供稳定的信号。本设计中晶体振荡器为11.0592MHz，加入电容对系统稳定工作起到有效保障的作用。晶振与复位两个电路与单片机一同组成了最小系统，如图3-2所示。图3-2单片机最小系统图1.2烟雾探测模块烟雾传感器在检测烟雾浓度方面被广泛利用。本设计选取MQ-2烟雾传感器，该型号传感器通常用于检测气体是否泄漏，适合液化气、酒精浓度、氢气、烟雾、烷类气体等检测。1.2.1MQ-2烟雾传感器介绍市面上的烟雾传感器有两种，即离子式和光电式。MQ-2烟雾传感器使用离子形式进行烟雾探测，对各种体积的烟雾颗粒都有很高的灵敏度，可准确识别探测气体REF_Ref574\r\h[12]。二氧化锡(SnO2)是一种检测气体成分、浓度的材料，置于烟雾传感器内部，电导率在清洁空气较低。在正常工作时，二氧化锡通过与氧气的结合，当环境中存在其他可燃气体或者烟雾时，使传感器元件内部密度降低，相对提高其电阻；当有烟雾接触至传感器时，就会改变其内部密度从而降低其电阻。因此，当可燃气体浓度改变时，二氧化锡的电导率也会产生相应变化，则表明可燃气体存在。在简单的电路帮助下，也能实现将不同级别的电导率与相应的气体浓度输出信号进行匹配。该型号的传感器具有以下特点：（1）具有信号输出指示。（2）模拟量和TTL电平信号输出（3）TTL输出数据在低电平情况下有效。（4）模拟量输出0~5V电压，电压随浓度的升高而增大。（5）对液化气，烷类气体、天然气有较好的灵敏度。（6）使用寿命长且设备稳定可靠（7）快速的响应恢复特性它以模拟电压的形式向A/D转换电路发送模拟信号，而由于单片机只能识别数字量，需要进行对信号模数转换，将得到的烟雾数字量传给中央处理器中。其实物图如图3-3所示。图3-3烟雾传感器实物图1.2.2ADC0832介绍ADC0832是8位分辨率的模数转换器，与单片机串行连接。最高分辨为256级，可实现大多数情况下的模数信号转换。该芯片能够以双数据输出完成数据校验，工作速度快且模数信号转换稳定性高。具有独立的使能输入，使处理器控制变得更高效，器件连接变得更简洁。有功耗低，性价比高的特点，适用于小型智能仪器仪表。通过数据输入端选择通道功能。其主要特点如下：（1）8位分辨率；（2）5V单电源供电；（3）输入电压最低为0V，最高为5V；（4）输入和输出电平与TTL和CMOS兼容；（5）在时钟频率为250KHZ时，转换时间短；（6）具有两个可供选择的模拟输入通道；（7）功耗低，一般处于12~15MW之间。ADC0832各引脚及功能如图3-4所示：（1）CS_，片选使能，高电平时不工作。（2）CH0、CH1，通道为0或1，也可当做正、负输入端使用。（3）GND，接0电位。（4）DI，数据输入，可通过该引脚选择由哪个通道控制。（5）DO，数据输出，可通过该引脚转换数据并将其输出。（6）CLK，芯片时钟输入。（7）VCC，接正电源。图3-4ADC0832引脚图1.2.3烟雾采集及A/D转换电路原理在火灾起始时期，烟雾检测是尤为重要的一环。MQ-2烟雾传感器收集到的环境信号值均为模拟量，需要通过AOUT引脚通过通道0传入A/D信号转换器进行模数转换后将精确的烟雾浓度值传入单片机。A/D转换部分采用利用率较高且转换率较准确的ADC0832模数转换器，能够将采集到的数据稳定地发送至单片机。如果气体浓度上升，则传感器的输出电压增大，转换后的数值相应增加。MQ-2烟雾传感器采集及转换连接电路如图3-5所示。图3-5MQ-2烟雾传感器连接转换原理1.3火焰传感器模块火焰传感器是高温环境下固体微粒的结合，包括了许多燃烧产物、燃烧中间物、碳氢化合物、无机物以及高温气体。由火焰自身温度变化而产生电磁辐射能量的情况可分为气态辐射和固态辐射。光谱的离散程度决定了辐射的状态，气态情况下的光谱是离散的，而固态情况下的光谱是连续的。火焰辐射强弱与燃烧物材质有关，会随其材质变化而产生变化，波长分布也因此而改变，但就总体来看，当火焰温度辐射处于能见光和中红外波长的范围内或为部分微米辐射的辐射强度很大,火焰传感器的制作大多基于此特性。经研究火焰的灵敏度会发现该传感器对其极为敏感，纵观市面上的AI智能机器人对火焰的感知都来自于该传感器REF_Ref32441\r\h[13]。此外，对于光线亮度的强弱均可利用该传感器来测试。1.1.1火焰传感器介绍在日常生活中，触及易燃易爆场景时火焰传感器通常被利用于完善火灾消防措施，能够及时发现火焰的存在。火焰传感器本质上是一个红外线接收管，依靠红外线特性——火焰灵敏度所制作，由其探测火焰后，根据亮度强弱转变成对应的高低电平，再输入到单片机中。当光源波长处在大于760纳米且小于1100纳米的区间内或产生火源时，均可使用火焰传感器检测。当传感器检测角度处于60度，对火焰光谱反应最为灵敏。它的工作温度大于-25摄氏度且小于85摄氏度，传感器性能稳定可靠。若是环境检测到火焰或是光源，火焰传感器模块通过D0数据位输出高电平；反之，由D0数据位输出低电位。数字量输出D0引脚能够与中央处理器直接相连，由单片机依据输出量的变化对程序进行处理。1.1.2火焰传感器引脚功能火焰传感器采用四线制接口，其实物图如图3-6所示，各引脚功能分别为：（1）GND为接地电源（2）VCC接1.3V-5V正电压（3）D0数字量输出接口（4）A0模拟量输出接口图3-6火焰传感器实物图1.1.3火焰传感器电路原理在火灾初期，首先，可燃物开始燃烧并在其表面产生气体，随后变成烟雾；其次，当环境中充满氧气时，可燃物燃烧会产生火焰，不可见光和能见光，所以火焰检测对于火灾报警也是非常关键的。根据亮度强弱转变成对应的高低电平，再输入到单片机中，再由单片机依据不同信号作出不同程序处理。图3-7为火焰传感器采集电路原理图。图3-7火焰传感器采集原理1.4WiFi模块无线网络上网是指通过无线电波传输并连接登录互联网的方式，在科学技术发展的当下，市面上大众所接触及使用的pad电脑和便携笔记本以及移动通讯设备大多都采用WiFi功能来使用互联网。WiFi是目前应用较为广泛的通信方式REF_Ref68\r\h[14],利用成本低廉性能稳定的ESP8266芯片,构成一个无线的火灾报警系统。1.2.1ESP8266工作原理ESP8266采用UART协议（异步串口通信协议）接口进行连接，实现WiFi远程的互联通信REF_Ref172\r\h[15]。串口设备通过此模块接入无线网络。AT是一种串口调试指令，通常用来测试WiFi模块的指令接收是否正常工作。发送指令AT时，若收到返回的OK值则说明AT指令工作状态正常。WiFi模块能够接收云平台发送的指令并产生中断，同样地，单片机也会将数据通过该模块传输到云平台进而转发至用户手机。它是嵌入式模块，内置互联网协议和IEEE802.11协议栈,能够实现串口与WiFi之间的转换REF_Ref228\r\h[16]，方便将各传感器采集的数据经WiFi传至云平台，亦可通过WiFi模块将APP发出的指令传至需要被控制的设备。在无线联网中，WiFi模块先扫描所有信道，为了搜索准备与之连接的网络，这些网络由目的AP所创建。本设计采用ESP8266-01，它是个比较常用的WiFi模块，具有体积小、功能强大等特点。1.2.2ESP8266引脚功能在ESP8266-01中实际可用使用的GPIO有四个GPIO0、GPIO2以及RX、TX，实物如图3-8所示，其引脚功能分别为：（1）1.3V供电，避免使用5V供电；（2）RX，UART_RXD，异步串口接受端；（3）RST，外部复位引脚，低电平有效，默认高电平；（4）IO0，GPIO0；有两种状态：一种是悬空，是Flash下载模式；另一种是下拉，为串口下载；（5）EN使能端口，高电平工作，低电平模块不工作；（6）IO2，GPIO2，开机上电时为高电位，不允许下拉；（7）TX，UART_TXD，异步串口发送端；（8）GND接地引脚。图3-8ESP8266-01实物图1.2.3ESP8266电路原理WiFi模块要与单片机连接才能进行通信，ESP8266-01中引脚与单片机连接方式为：WiFi模块的TX发射端接单片机的RX引脚，用于向单片机发送数据；WiFi模块的CH_PD使能端接高电平1.3V处；WiFi模块的RX与单片机的TX引脚相连，用于接收数据；WiFi模块的VCC引脚接1.3V处；WiFi模块的GND引脚接地；RST在低电平时进行复位操作，默认悬空；GPIO0和GPIO2悬空。其电路原理图如图3-9所示。图3-9WiFi模块原理图由于ESP8266-01正常工作在+1.3V的电压下，而整个电路的输入电压为+5V，所以需要转接一个电压调节器，在本设计中，使用AMS1117电压调节器进行电源转换工作，且保证本次设计工作电压稳定，完成一系列工作。AMS1117转换电路原理图如图3-10所示。其中，引脚1接地，引脚2接+1.3V，引脚3接VCC，四个电容起稳压作用。图3-105V转1.3V电路原理图1.5LCD液晶显示模块随着科技的进步，日常生活中的各类电子产品都用上了液晶显示屏作为显示部分。而在单片机中，若要显示数字、字符等则需要LCD模块。LCD1602是当下普遍使用的显示模块。由LCD液晶显示屏、控制电路、可扩展电路，以及八个电阻R1~R8、三个电容和一些结构件组成。本设计中主要由LCD1602来完成显示功能。实物图如图3-11所示。图3-11LCD1602实物图1.5.1LCD1602工作原理LCD1602依据液晶显示的物理特性，利用电压控制模块内部显示区域并基于透光原理，在设备上电完成后，显示出相异的黑白图形。液晶显示的初始化步骤首先是清屏并写入数据至缓冲区；随后光标复位，AC及时复位清零。其次是功能设置,决定采用的数据位数，通过液晶显示模块连接到单片机，设定和修改字形大小。然后是设置开关状态，管理字符闪烁与否以及光标显示。最后是设定输入方式、内容移动与光标的移动。1.5.2LCD1602特点LCD1602能够显示16列2行的字符，最佳工作电压为5V，其设计电路更简单，编程也更容易，且让使用者感觉更直观。首先，LCD1602显示画质清晰，在每一个位置收到显示指令后能保持稳定不变的颜色和亮度进行发光，而且不会经常闪烁；其次，它尺寸小而轻便，适用于小型设备；此外，1602液晶模块的接口以数字量传递数据，在数据传输方面与单片机的适配性更强，使用便捷简单可靠；最后，能量损耗较低、稳定性较好，由其所组成的智能化设备拥有较高的性价比。1.5.3LCD1602电路原理本系统在下位机和远程端都有显示功能，下位机依靠LCD1602液晶显示屏对数据进行显示。如图3-12所示，VO与GND通过一个2k大小的电阻为显示屏提供偏压，用于保持显示正常。LCD的双向数据传输的引脚与单片机上P0.0~P0.7部分相接，LCD的RS引脚接单片机P2.7，能够选择寄存器，高电平时选择数据缓冲寄存器、低电平时选择指令寄存器。输入控制端位于低电平执行命令，连接P2.5引脚。读写信号线与单片机的P2.6引脚相连。图3-12LCD1602液晶显示原理图1.6继电器驱动模块继电器是具有分离功能的自动开关元件。当输入电路的励磁量的变化达到预定值时，可以使输出电路的控制的电量在规定的步骤中变化，自动控制电路。这是一种可以对一些外部激励（电或非电）进行响应的感应机制，可以控制控制控制电路“接通”和“断开”的执行机制，以及比较、判断、变换的中间比较机制。继电器在遥控、远距离测量、通信、自动控制、机械电子学和航空航天技术等领域有着广泛应用，起到控制、保护、调节和传输信息的作用。本设计中的喷水功能的实现主要依靠继电器完成。选用JQC-3EF-S-Z型继电器，它有两侧，一侧是主控器控制低电压、低电流；另一侧是接入电路中的，是高电压、高电流。两侧之间的电路是不连通的，因此高压一侧的电压和电