【《基于单片机的火灾自动报警器系统设计》15000字（论文）】

硬件模块功能的设计及开发我们在对火灾自动报警器系统设计时，除了设计正确无误，还需要对硬件根据安装环境不同进行筛选，比如一些较为炎热或潮湿，以及沙尘大的室外环境可能导致设备不能工作损坏或误报不能正常工作。下面是火灾自动报警器各个硬件模块的介绍与设计选择。3.1单片机控制中枢的设计3.1.1STC89C52RC单片机的介绍本设计的火灾自动报警器系统需要一个控制中枢来控制整个系统的运行操作，根据前面确定的系统架构和需要实现的功能，本次设计的火灾自动报警器采用STC89C52RC单片机做为控制中枢单元模块，通俗的理解控制中枢单元相当于我们的“大脑”，去控制身体各个器官运行状态，让器官按照设定的任务逐步去完成。我们利用这个原理实现了单片其对系统各个模块的操控形成了需要的火灾智能控制系统。STC89C52RC芯片是宏晶科技推出的一款具有速度高速，功率损耗低，抗干扰力强的单片机，简单的理解就是相当于是增强版的8051单片机，所以STC89C52RC芯片比传统单片机STC89C52具有比较多的功能模块，比如说支持STC的二线制下载方式。下面图3-1是STC89C52RC单片机芯片的实物图片图3-1STC89C52RC单片机实物芯片3.12STC89C52单片机辅助电路的设计在52单片机中，芯片能稳定可靠的运行处理数据，离不开单片机芯片外围电路，STC89C52芯片外围电路由复位信号单元、晶振信号电路单元构成，它们的存在犹如芯片的左膀右臂，保证了芯片正常工作。下面的原理图包括了复位单元电路，晶振单元电路，外接VCC，程序下载口。图3-2单片机最小系统原理图复位单元电路：主要功能是让STC89C52芯片重新开始，复位电路由自动恢复开关、常见电容和10K电阻构成，整个电路一段接电源端，一段接电源地端，整个电路通过连接到RST脚改变电平的高低间接操控MCU，原理图如下图3-3所示：图3-3复位电路原理图由于数据说明书可以了解到STC89C52芯片复位引脚如果接受到连续2us高电平信号，则单片机会自动复位一次完成初始化。我们都已经知道电流高于1.5v的时候,对于MCU复位引脚属于一个高电平,在系统刚刚通电的时候,电容器本身就可以被看作正在进行充电,慢慢地分担起电阻电压,但是很短的时间内,电阻电压仍然属于一个高电平,所以让整个系统自动进行复位一次,等电容器充满电后,MCU复位引脚由高电平转换为一个低电平,系统便正常运行。完成了一次初始化;当整个系统需要手动进行复位时,按下一次复位的按键,开关合上线路导通,此时电容相当于短路所释放的能量,电阻电压很快高于1.5v满足高电平,系统自动重新复位一次。REF_Ref70795701\r\h[3]晶振电路：主要作用是提供一个时钟脉冲信号频率，影响系统运行速度和精度，单片机的指令执行都离不开它。晶振电源电路主要有晶振芯片和电容组成，一段接到电源地，然后连接到XTAL1，XTAL2单片机引脚，其中电容是有着晶振的起振的作用，并且可以根据系统需要不同的频率，只需要改变电容C值即可。下面图3-4是晶振电路的原理图。图3-4晶振电路原理图下载电路:下载电路的存在是为了方便我们后期把Keil软件编程的程序通过USB转串口下载数据线烧录到52单片机中，实现操控各个模块的功能，达到真正的控制中枢，不过现实中有条件的话我们也可以把芯片单独的放到52开发板，然后烧录好再安装到火灾自动报警器系统中。下面图3-5是下载口电路的原理图。图3-5下载电路原理图3.13STC89C52RC单片机各个引脚功能有时候我们对芯片的引脚不是很清楚序号排序，但是我们可以根据芯片上的小凹坑,然后这个小凹坑左边就是第1个引脚序号,然后逆时针依次递增即1到最后一个40引脚STC89C52单片机我们把它四十个引脚大致分成:①接电源正负和时钟电路，VCC，GND，XTAL1，XTAL2;②进行编程操控，RST、PSEN、ALE/PROG、EA/VPP

(了解即可);③单片机数据的输入输出I/O口，P0、P1、P2、P3，4组8位I/O口(需详细掌握)。我们只需要清楚Vcc脚接电源GND脚接地；XTALI脚、XTAL2脚接外围时钟电路；RST脚相当于让单片机从头开始执行程序初始化；而PSEN脚，ALE/PROG脚我们只需要大致了解即可；EA脚我们一般都是直接接到高电平；I/O口分为四个P0口、P1口、P2口和P3口一共32脚的功能需要我们根据说明书去详细了解。3.2电源供电系统模块介绍3.2.1供电电压要求在整个火灾自动报警器系统中，供电电压是至关重要的，太低或者是过高的电压都会影响报警的正常工作，一般52单片机的电压要求在DC5V-3.8V之间，电源电压决定了芯片工作性能。当电压在低于3.8V时候，芯片属于不确定状态，可能存在部分功能不能正常工作，主要体现在系统运行速度变得缓慢，甚至是则芯片无法启动，无法上电复位，彻底不能工作；当供电电压在高于5V时候，会因为功率过高，使得单片机一直属于过载状态，开始发热严重，影响到使用寿命，甚至烧坏引脚和单片机，因此51/52芯片供电电压不能过低和过高，否则芯片无法启动或者损坏芯片。3.2.2供电模块设计根据前文分析明白单片机对电压要求很高，所以选出符合火灾自动报警器的电压是很重要的，而且我们在筛选时候不但要考虑单片机模块，也需要考虑其他功能模块的电压要求。为了节约成本，我们可以直接选取手机充电头和USB接口给火灾自动报警器系统供电，先用手机充电头把交流220V输出稳定5V电压，然后由USB线传输到火灾自动报警器作为全系统的VCC使用。因为整个传输电能过程是有一定的距离，因此过程中因为电阻的存在，避免不了因为发热而造成的能量损失，但是损失的电压没有影响到单片机的正常工作，所以我们可以忽略不计，继续使用该方案。并且为了更加直观看出系统是否有电传输到VCC，我们可以在电源端口串联一个LED指示灯，当系统有电时候LED灯正常发光，在LED附近加上一个10K限流电阻起到限流保护LED灯的作用，当系统无电送到时，LED灯便会熄灭不亮，火灾自动报警器也不能正常工作，并且在DC接口上面安装一个总开关，方便我们对火灾自动报警器系统的启动或者是关闭。3.3系统输入输出电路设计3.3.1烟雾检测电路设计本次火灾自动报警器系统采用的MQ135实物作为烟雾探测器，因为它使用的电压符合本次设计的5V电压，并且是一款可以应用多种环境低成本的传感器。它上面还有一个电位器，我们可以通过电位器调控它的灵敏度。它主要依据是自身的导电率和气体烟雾粉尘含量成正比例而设计出来的传感器。MQ135型烟雾传感器主要特点是探测范围广阔，精准度高，测试电路简单，而且抗干扰力强，而且它一般不会出现老化现象，所以我们采用它作为烟雾报警器，下图3-6MQ135的实物图。图3-6烟雾传感器实物图在本次设计的火灾自动报警器中，它输出的主要是模拟量，原理图3-7如下所示，主要是由四个引脚实现相关的功能，本次我们把它VCC脚连接到系统电压，GND脚连接到系统的电源地，而AO脚连接模数转换，进行信息传输和处理。图3-7MQ135原理图3.3.2温度探测模块设计温度传感器刚刚设计出来投入使用的时候是要依靠AD转换的，但是随电子技术创新的进步，现代化的温度传感器可以由自身处理模拟信号了，主要特点是体积小，接口也方便，减少了AD转换器的应用。我们本次火灾自动化报警器系统采用了数字量温度传感器DS18B20，它以单总线协议，以数字信号输出，省去了AD转换器模块。主要特点是集成化，功耗低，性能稳定，抗外围干扰力强。DS18B20传感器仅需要占用一个I/O口就能实现与单片机之间的通信数字信号传输，根据密封性主要分为裸漏式数字温度传感器和封闭式温度传感器，由于火灾自动报警器的温度探测器密封性要求不是很高，所以选着裸漏式数字温度传感器即可。它电压量程为3.0~5.5V，符合本次火灾自动报警器的电压要求。主要是由64位只读内存，寄存器，触发器等组成。三个引脚作用如下：GND接电源负极，DQ接信号输出输入I/O,VDD接电源正极。温敏元采集到温度值转换为电压信号输入到数据处理单元，数据单元把电压信号转化为数字量再送入传输单元，再由传感单元把数字量温度值传输到单片机，此种传输方式采用串口通讯模式。下图是DS18B20温度传感器原理图3-8和实物图3-9。图3-8DS18B20温度传感器原理图图3-9DS18B20传感器实物图（裸露）3.3.3数码管显示电路设计火灾自动报警器的温度和烟雾浓度都需要以更加直观的方式呈现给用户，从成本和设计难易程度我们选用数码管作为显示工具，数码管是由多个发光小二极管组成，并且可以根据二极管接阳极或阴极COM端的不一样分成俩种类型数码管。发光二极管俩种类型接线图如下图3-10。图3-10共阴和共阳发光二极管接线图本系统选用的是四个共阳极数码管显示温度和烟雾浓度，我们把四个数码管二极管脚同名端连在一起，然后都单独连接MCU的P1I/O口上面，四个数码管各自的COM端也分别连接到MCU的P2I/O，通过控制P1口的高低电平，就能控制组合成不同的数字，通过P2口利用位选线决定哪一个数码管会显示温度和烟雾等级，因为动态驱动时候数码管是不会同时点亮的，但是扫描速度很快，点亮时间间隔只有1ms左右，所以肉眼看到的效果是同时点亮，不会有闪烁感。综上所述，本次设计的火灾自动报警器系统采用共阳极数码管，使用动态驱动方法进行显示，因为动态时直接显示，在程序和电路设计方面都是很简易的，数字显示准确，不会出现闪烁情况的，但是缺点是显示的数值亮度不够，但是我们可以通过三极管放大电路来驱动数码管，这样输出的数字就很亮很稳定。下图是四位数码管的驱动电路图3-11和二极管的接线图3-12。图3-11数码管驱动电路原理图图3-12二极管的接线图3.3.4报警模块设计火灾自动报警器我们需要应用到提示居民发生火灾了的模块，我们采用市场比较普遍存在的有源蜂鸣器作为报警提示，它通过直流输入振荡线路并且谐振装置辅助实现报警输出信号。源不是带电输出的电源，是说振荡源，蜂鸣器不像喇叭一样可以各种声音，它只能发出滴滴声音，主要是由振荡器，共鸣箱，外壳组成，内部带有振荡电路，并且价钱比较实惠，靠谱稳定，采用直流电压驱动符合本系统的电压要求，可以通过驱动方波的频率大小而控制报警声音音量。但是缺点是有缘蜂鸣器的启动功率比单片机的GPIO输出功率小一些，我们可以采用和数码管一样的办法，利用三极管进行信号电压放大，从而把单片机的GPIO脚的功率提升到满足有源蜂鸣器的启动电压，也需要在I/O线路上添加一个限流电阻，保护单片机的引脚，避免因为电流过大损坏单片机引脚，从而影响到整个火灾报警系统模块。利用有源蜂鸣器只需要单片机I/O口输入低电平就能实现报警的特点我们通过操控单片机P3.6口的高低电平来完成报警信号是否输出。有源蜂鸣器实物图3-13和原理图3-14如下图所示：图3-13蜂鸣器实物图图3-14有源蜂鸣器原理图3.3.5按键电路设计轻触按键是我们在覆铜板或者开发板中常用的一种机械式弹簧开关,当我们合上按键的开关电路就会接通,一旦松开按键电路就会断开。主要原理是依靠金属弹簧受力自动恢复来实现电路的通断。本火灾自动报警器选用的是四个弹性小按钮，每一个弹性小按钮的各自作用在前文已经介绍到了，它们连接到单片机的I/O口，当按键合上时候，作为信号输入到单片机。我们把单片机的GPIO赋予高电平，当把开关合上时代表着单片机的GPIO与GND接通，单片机的I/O口由高电平跳变到低电平，单片机通过按键实现高低电平的跳转处理指令输入。我们在使用按键的过程中，无论是在按键按下过程或者释放过程都避免不了出现抖动，所以我们需要进行去抖动操作，但是我们没有必要添加相关的去抖动电路或者是加装去抖动芯片模块，只需要添加一个延迟电路就可以解决抖动现象，保指令下达正确，一般在软件中延时500ms。3.4ADC0832转换模块设计3.4.1ADC0832A/D介绍它是由美国半导体公司近年来自主设计研发的一种转换芯片，有着很高分辨率优势，转换时间很短，仅仅需要32μs就能实现A/D转换，它采用同步串行传输，外部的连接采用SPI总线结构。3.4.2ADC0832A/D模块设计ADC0832芯片的工作电压应当保持0~5V之间，双数据输出功能可以看作数据校验，避免数据误差。在火灾自动报警器中ADC0832的作用是将MQ135传感器烟雾模拟量转换为单片机可识别的数字信号，在本设计的火灾自动报警器中，我们以ADC0832的CH0脚作为收集到传感器传来的模拟量输入通道，通过单片机操控CS脚的高低电平（低电平有效），实现AD转换器的是否运行，DO脚，DI脚（不同时工作，故串联一起不冲突）作为单片机的P3I/O口信息写入，而CLK主要是输入时钟脉冲。ADC0832电路原理图3-15如下所示。图3-15ADC0832电路原理图3.5本章总结本章主要依据5V工作电压来对硬件完成筛选和设计，介绍了硬件电路重要性，原理图，实物图等，成功完成了对单片机，供电系统，烟雾传感器，温度传感器，报警器，数码显示电路，按键电路等完成了设计，为后期软件设计打下了基本理念框架。4软件模块功能使用系统软件关乎系统运行可靠性和应用性，所以为了更好的实现火灾自动报警功能，在对软件进行挑选时我们应当选取大众化，社会普遍经常使用的编程软件。这样才能让我们在后期的编程更加的游刃有余，大大减少编程的压力。我本次设计的火灾自动报警器系统应用到的软件是大学期间我们所接触的Keil软件，STC-ISP程序烧录软件，AltiumDesigner软件等，使用我们熟悉的软件，使我们减少更多的压力，免去重新对一款软件从头开始学习研究的大量时间。4.1Keil软件4.1.1Keil软件的介绍本设计我们主要是利用Keil软件对STC89C51RC芯片单片机进行开发，该软件主要是集普通程序编程开发，程序的检验和编译，各种常用芯片基本头文件等功能于一体化。Keil具有C编译器，库管理，真调试器等操作功能，也为我们后续的开发打下了基础。下图4-1是开发的基本界面。图4-1Keil开发界面图4.12Keil软件的使用步骤首先根据提示安装好Keil软件,安装完成后打开Keil软件，此时我们需要建立一个工程文档，点击Project建立好工程文档，注意命名以及保存的电脑位置，一般我们可以先在电脑桌面创建一个文件夹，然后保存在里面即可，还有一点就是选择合适的单片机型号，这里我们选择AT89C52，这样就完成了工程的建立。虽然我们前面把工程文档建立好了，但是发现里面是空的，没有程序代码，所以我们还得给工程添加子程序文件，点击NEW新建快捷键，然后扩展名需要选择.C，因为我们是利用C语言进行编程。我们把相关程序编程好后，需要在线编译查看程序的格式与定义是否存在错误，编译无误后，开始双击OutPut选项，目的是生成.hex的方框打上勾，才可以烧录到单片机。图4-2是程序流程图。图4-2KEIL软件开发流程图4.2STC-ISP程序烧录软件4.2.1STC-ISP烧录软件介绍STC-ISP是为了把程序成功写入MCU而开发的烧录软件，主要功能是代码下载，在线仿真。通过它我们可以快速的将程序代码和相关选项烧录到我们所需要的单片机中。该软件使用很是方便和实用，所以本次采用它作为芯片烧录软件。4.2.2STC-ISP烧录软件开发首先我们先在Keil软件检验程序有无错误或者警告提醒，如果无问题，那么我们编译好所有文件，这样方便单片机烧录。我们先把带着我们需要的芯片安装在开发板上和笔记本连接好后，然后在STC-ISP选好和芯片一样型号和串口号，最后根据提示找到我们先前建立需要的文件，然后点击下载，这样就可以把火灾自动报警器功能程序写入到芯片了。具体下载界面如下图4-3所示。图4-3烧录软件对话框4.3AltiumDesigner软件4.3.1AltiumDesigner软件介绍我们通常利用Altium

Designer对电子器件的线路进行设计。该软件主要有原理图设计、FPGA在线仿真、PCB封装等功能，比传统的Protel99操作页面更人性化，使我们在对电路设计时候操作方便很多，满足当前已有基本的电子器件设计，也为开发新型电子新器件提供了平台。4.3.2AltiumDesigner软件开发我们在利用该软件设计电路图时，离不开新建工程，画元器件、构建原理图、元器件的封装和PCB板五个步骤。新建工程：新建一个PCB工程里面包括原理图和PCB图。画元器件：大部分的元器件在系统自带库里面都有，我们需要绘制的是特殊芯片、电阻电容等。构建原理图：通俗的理解就是将电路中的元器件用导线相连构成基本框架。元器件的封装：器件的实物大小真实图，元器件在PCB上的实际焊点。PCB版图：通过手动或者计算机自动在覆铜板上绘制PCB图，遵循走线最短原则。4.4系统信号采集与处理程序设计4.4.1雾传感器程序设计本火灾自动报警器设计的烟雾探测模块使用的是MQ-135传感器，其原理是把探测到的粉尘浓烟转换为电压信号传给A/D模块，然后经过A/D处理后送达控制中枢MCU，经过控制中心内部处理后输出烟雾浓度信号。图4-4是程序运行流程图。图4-4烟雾传感器程序运行流程图4.4.2数码管程序设计在硬件设计中我们提到了用共阳极数码管作为火灾自动报警器的显示模块，它主要是依靠位选线和段选线和单片机外部驱动电路来控制数码管显示任何数字。其具体程序运行流程图如下图4-5所示。图4-5数码管显示流程图4.4.3温度传感器程序设计本火灾自动报警器用DS18B20作为温度探测器，它利用一线总线接口，仅需要单片机的一个P3.5I/O口，命令都全靠一根总线实现功能，这样大大简化了DS18B20与控制中心的接口，本设计中它与单片机数据联通主要通过P3输入输出口进行访问。图4-6是温度测量流程图。图4-6DS18B20温度测量流程图4.5本章小结本章主要是对火灾自动报警器使用的软件合理筛选，软件使用方法大致描述，还有软件程序功能块的介绍，以及提供各个功能模块的流程图，让人能更加直观的明白功能模块运行原理流程。

5模块的焊接和系统调试我们在前几章已经完成了火灾自动报警器的硬件模块关键器件选择，应用到的软件选择，原理图的绘制，实物PCB的布局，所以本章主要开始对整个系统焊接和焊接好后系统的调试检查，故障分析，以保证我们研发的火灾自动报警器成功运行。5.1模块焊接5.1.1模块焊接我们把火宅自动报警器硬件系统与软件系统设计完成后，先把设计好的PCB打印覆铜板上，然后准备好电络铁，万用表，焊丝等工具，然后根据原理图依次把各个硬件模块焊接上去。实物焊接主要流程：首先我们先把火灾自动报警器所需要的元器件找出进行功能模块分类，如信号输入输出电路、控制中枢、数码管，蜂鸣器等所用的元器件分别根据原理图来大致放好在桌面，然后用万用表检查电容，电阻等器件是否存在损坏，确定各个器件都无问题再把各个功能模块元器件依次插入到在覆铜板上开始焊接，用电烙铁进行焊接时，我们要把硬件牢牢固定在覆铜板上，用焊丝小心焊接，多于出来的部分用钳子剪去，焊接完成后还需对火灾自动报警器做进一步细心的检查，主要检查器件是否松动，或者虚焊，错焊，漏焊等，并且在此原基础尽量保持元器件焊接美观。5.1.2焊接注意事项我们焊接过程中首先要检查工作电压是否与电烙铁规定电源相符，然后注意烙铁的温度，最好使用可调节温度烙铁；根据设计好的PCB将元器件插到覆铜板的时候需细心，避免器件损坏；以及在焊接过程中保持干燥，时间不宜过久时间久了容易时板子或者元器件受损，尽量不重复焊接。当然最重要的是安全第一，电烙铁很烫，所以我们不能随便摆放，甚至挥动，避免意外发生。5.2系统调试5.2.1环境因素影响分析环境对于电子器件来说，是一个不可避免的影响因素之一，即使我们设计好的火灾自动报警器无问题，但是也不能正常运行或者很快损坏。火灾自动报警器系统在实际现场真实的环境运行时，可能会因为当地的环境（比如，温度，湿度，气压等）参数或者是因为人为的操作不恰当时候会影响系统的实际运行，在某种程度上达不到我们所预期的结果。所以我们需要根据当地环境改变我们系统的相关器件或者参数，可以通过多方面查看书籍或者查阅相关资料，借鉴其他实验出现此类误差产生的原因及如何减小误差所做的措施，以及在不同环境下进行多次实验模拟，定性分析出哪个因素火灾自动报警器系统影响较大。5.2.2系统接触不良分析我们假设火灾自动报警器系统在哪个环节接触不良，不能正常工作。如果是某个区域无电，我们常用的万用表阻抗档位对火灾自动报警器系统进行测量，判断系统的电源是否发生了常见的短路或者是因为焊接问题断路，如果万用表发生滴滴报警声，便可以确定故障范围，然后维修。按键失灵：系统启动工作后，我们发现按键输入时不时会出现无反应的情况，认真查看后发现是由于按键的部分引脚焊接不好然后导致接触不良，所以摁下无反应。温度传感器模块电压不稳定，根据它工作原理判断是上拉电阻出现问题，没有起到保持电压稳定的作用。5.3本章小结本章主要的内容是讲述火灾自动报警器的焊接，在焊接过程中的注意事项，注意安全第一，然后把系统焊接好后，对系统可能因为一些因素影响而不能正常工作进行深度分析模拟，然后进行维修或者更换功能模块单元，保证最终火灾自动报警器的可靠性。6结论随着我国发生火灾的频率越来越高，越来越密集，研发出一款符合我国国情的火灾自动报警器至关重要，不但能提高我国公共场所的防火报警技术，还能为我国建成富强民主发达国家保驾护航，减少我国财产损失。在未来火灾自动报警器应该更加小型化和智能化，未来的智能火灾自动报警器产品应该需要融入“智慧控制”，其功能性更高、使用性上更加的人性化，当火灾发生很严重时，还可以实现自动通知119火灾中心，加快出警速度。产品在功能上提升的同时也要多加思考成本问题，在保持系统稳定的同时需尽可能降低成本。同时我们在设计火灾自动报警器时候要注意探测器的灵敏度，避免错报，误报，未报，而引发财产损失。最后系统的维护保养也是至关重要的，所以当安装好火灾自动报警器后，应当安排专人，定期对火灾自动报警器进行保养，火灾模拟演练。这样才能更加确保当火灾发生时，系统能正常运行，人员能及时疏

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