【基于单片机的火灾报警器设计和实现10000字（论文）】

基于单片机的火灾报警器设计和实现此次设计的火灾报警器使用STC8951单片机为重点，搭配烟雾传感器MQ-2实现对烟雾浓度的检测，并利用ADC0832模数转换器转化为数字信号供单片机查询。使用气体浓度超过人体所承受范围时，可在设置的一定值后判断是否可能发生火灾的情况目录摘要 1 3 3 4 4 52.1系统的功能要求 52.2系统的技术要求 52.3系统的组成及方案设计 6 73.1主控电路 73.2烟雾探测电路的设计 3.2.1MQ-2介绍 3.2.2ADC0832介绍 3.3液晶显示电路设计 3.5.1DS18B20概述 3.5.2DS18B20引脚介绍 3.7总电路设计 4.1软件介绍 4.2系统程序流程图 5.2PROTEUS仿真结果 6.1调试 6.2结论 第一章绪论1.1课题的研究背景火灾时有发生，是一种突发的灾害，无法如自然灾发展情况，新建大楼，房地产楼盘的开发，大型功能许多火灾的发生和蔓延涉及到许多物理或化学的相关引燃可燃物进一步扩大火势。在不同的地方随着大量浓烟，甚至有毒成分的气体产生，因此很多火灾扑灭中使用的设备也不一致。所以火灾报警器针对类型也不太相通，如针对机在国内，“十五”个工业计划的实施，相当多的专业园区保证着综合这些情况来讲，火灾报警系统由此诞生，火灾报警器并1.2火灾报警器的发展与现状早些年，无线火灾报警器在许多发达国家的灾报警器具有监控和报警两个功能，对于中国“外一方面预防火灾的功能也非常不错，在当时来说是非常高端的火灾报警器和安防设金进行研发。在这个时候，国外许多著名科技公司也看到了中国预防火灾的市场份不止单方面的合作，也接受国内工程师到国外总公司内进行培训，带回来的技术指1.3课题的研究内容本毕设制作单片机为核心的烟雾报警器来预防火灾，(2)软件部分：根据原理图设计程序流程图，使用KEIL编写C语言程序。(3)系统的综合调试与分析：根据原理图已经设计好的程序，使用PROTEUS软件进行仿真，并制作PCB进行现场调试。第2章火灾报警器的总体方案设计本课题火灾烟雾报警器的主要设计目标是使用单片机检测烟雾和火灾情况，并进行报警。以下对总体方案设计进行简介。本系统的研制主要包括以下几项功能：(1)火灾探测功能：正常使用可通过火灾发生前的各种指标判断是否会发生火灾。在不同场合不同环境下，可以把温度和气体浓度来作为探测标准，来对火灾发生的一个警示，这是比较有效的探测方式；(2)灯光报警功能：火灾报警器出现示警声并伴随着刺眼灯光时，说明此时环境的烟雾超出人体承受范围，并且有火灾发生的可能，或者报警器出现故障的情况。本系统的开发主要包括以下功能：火灾探测功能：为了能快速及时而且准确的检测火灾，并进行报警。本设计使用了多种办法来检测火灾情况。采用烟雾检测方式、温度检测方式来进行火灾发生的可能。在设计好大概的火灾报警系统的大致原理还有所需要实现的功能，罗列出此毕设所需要的技能要点。系统主要使用单片机系统进行组装，物料成本非常低，只是手工较为繁琐，可以进行大批量生产还有个人制作的要求。关于这个火灾报警器来说，能够方便快捷的制作，实现量产的需求，此系统应该功能完整，成本物料低，方便携带，各类数据发送和接受要准确的技术需求。具体目标和参数如下：方便携带：火灾报警器应用于室内，体积不适合太大，最好可以放置在角落或者天花板；可靠性：应该做好封装，防止灰尘，或者电磁的干扰，确保其能长时间进行数据接受和传输，功耗也相对较低。功能完成性：接受烟雾浓度和温度数据的测量，灯光和示警声[1。2.3系统的组成及方案设计本课题火灾烟雾报警器主要由单片机最小系统电路、烟雾传感器电路、ADC转换电路、温度传感器电路、按键设置电路、报警电路与液晶显示电路组成。温度传感器温度传感器ADC转换电路液晶显示电路按键设置电路烟雾传感器电路单片机最小系统报警电路第3章系统的硬件设计主要功能特性与MCS51系统的代码指令兼容内部具有4K的FlashROM可反复擦写32个双向I/O□256x8bit内部RAM3个定时器/计数器中断TO、T1、T2内部时钟可支持0-24MHz频率可编程UART串行通道2个外部中断源2个读写中断口线3级加密位休眠的时候功耗非常低使用程序可以设置芯片睡眠STC89C52引脚介绍①主电源引脚(2根)VCC(Pin40):这个引脚是单片机的电源输入引脚，用来接+5V电源。GND(Pin20):这个引脚是接地引脚。②外接晶振引脚(2根)XTAL1(Pin19):这个引脚是单片机的内部时钟振荡电路的输入端□。XTAL2(Pin20):这个引脚是单片机的内部时钟振荡电路的输出端□,这两个端□可以接时钟以及电容，作为单片机工作的时钟频率。③控制引脚(4根)RST/VPP(Pin9):这个引脚是单片机的复位引脚，平时的时候，复位引脚为低电平，当按下按键，复位引脚上为高电平单片机重新开始运行。ALE/PROG(Pin30):这个引脚是单片机的地址锁存允许信号控制引脚。PSEN(Pin29):这个引脚是外部存储器读选通信号。EA/VPP(Pin31):这个引脚是单片机内外部程序存储器的控制引脚，当为高电平的时候，单片机重内部的程序存储器开始运行，当低电平的时候，从外部的程序存储器开始运行。④可编程输入/输出引脚(32根)STC89C52单片机内部的IO□一共有32个，一共分为4组，每组8个，分别为PO-P3PO□(Pin39Pin32):这组引脚是8位双向I/O□线，分别为P0.0P0.7,但是其内部为开漏输出，没有上拉，如果需要做高电平输出需要加上拉电阻。P2□(Pin21Pin28):这组引脚是8位准双向I/O□线，分别为P2.0P2.7。P3□(Pin10Pin17):这组引脚是8位准双向I/O□线，分别为P3.0P3.7。P3端□具有复用的功能，例如UART接口，中断等等。P20噩5PSEN单片机的最小系统，顾名思义就是使用最少的元器件，能使单片机运行的最小规模的电路。单片机的最小系统包括有单片机电源、时钟振荡电路、复位电路等等，以上为单片机稳定运行必要条件。单片机的复位电路原理框图如图所示。通过最小系统，就可以控制其他的IO□以及外部的电路工作。O图3.3单片机最小系统原理框图(1)时钟电路STC89C51单片机的时钟信号具有以下两种方式生成，第一种是内部的时钟，第二种是外部的时钟。内部的时钟电路如图3.4所示。单片机内部具有振荡电路，通过单片机的引脚18以及引脚19,可以将外面的晶振接入电路，形成了晶振振荡器。如图所示Y1为12M的晶体振荡器，电容C1、C2为外接电容到GND,作为稳定晶振电路的作用，可以保证其启动以及在运行中进行稳定作用。这两个电容的值一般在5-47pF,本设计选用至高电平，按下按键并维持两个机器周期，单R43.2烟雾探测电路的设计在本设计中，火灾的发生往往伴随着烟雾的出现，如图为本设计火灾报警器的烟烟雾传感器型号为MQ-2,标号为P4,其一共有四个引脚，分别为VCC、GND、AO以及DO,由于本设计的单片机STC89C51单片机内部没有ADC转换功能，所以需要将传感器的DO截止AD模数转换电路进行转换。本设计的AD模数转换电路使用的是将变化的电压接入ADC0832的引脚2,CHO,然后单片机控制ADC0832进行模数转换，转换的数字量通过引脚以通信的方式传输到单片机，单片机进行数据分析处理。通信连ll2684加热功率：约0.7W工作环境：温度-10℃~+50℃湿度≤85%RH如下图3.8所示，是MQ-2传感器的机械结构图，MQ-2传感器的底座采用的是耐高温的塑胶，保证燃烧过程中不受干扰，其6个引脚是镀镍铜丝，保证不被氧化，6个引脚中，两个为加热功能，另外四个为信号检测，传感器的网罩采样的是不锈钢材质，具有非常高的强度，而且具有防爆能力。其气体被加热下，内部的敏感芯片会改变电阻，浓度越高，其电阻越小。40fL时候，电阻为45K左右，当浓度升高，电阻变小，的降低，20S左右直至报警电阻，小于10K,所以这里基本会产生一个误报警，然后电阻(2)高灵敏度/快速响应恢复(3)优异的稳定性/长寿命ADC0832是美国国半公司，英文名称NI,其设计研发制造的一款一款AD模数转换●工作频率为250KHZ,转换时间为32μS;●一般功耗仅为15mW;●引脚1,名称CS,功能为片选使能，低电平芯片使能。●引脚2,名称CHO,功能为模拟输入通道0,接模拟信号。●引脚3,名称CH1,功能为模拟输入通道1,接模拟信号。●引脚4,名称GND,功能为芯片参考0电位(地)。●引脚5,名称DI,功能为数据信号输入，选择通道控制，接单片机对应IO□。●引脚6,名称DO,功能为数据信号输出，转换数据输出，接单片机对应IO□。●引脚7,名称CLK,功能为芯片时钟输入，接单片机对应IO□。●引脚8,名称Vcc,功能为接电源正，为芯片提供电源。3.3液晶显示电路设计2其中R5为灰度调节电阻，D0-D7连接单片机的PO□,R26、R27分别为控制接□。LCD1602A是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。(16列2行)。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发LCD1602是一种工业字符LCD,显示界面为2行、16列，其可以显示16*02或32个字符[16]。在我们的生活中，可以经常看到液晶显示，例如，测试设备、仪器、多功能计算器、等等，其显示基本上市数字、字母还有图形等。液晶显示器LCD1602的一共有16个引脚，其引脚说明如下：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VO为液晶的对比度调节引脚，也叫灰度调节，一般是通过一个10K的可调电阻，两端分别接正极和GND,中间抽头接VO,通过调节可调电阻来调节对比度。第4脚：名称为RS,功能为寄存器选择，当RS为高的时候信号为数据寄存器，当RS为低的时候，信号为指令寄存器。第5脚：名称为R/W,功能为液晶的读写信号线引脚，当R/W为高的时候模块为读操作，当R/W为低的时候模块为写操作，一般直接将RW接GND,因为不需要读取液晶上的数据。第6脚：名称为E,功能是液晶的控制使能引脚，如果使能端口从高电平转为低电平的时候，模块执行之前的程序命令。第7-14脚：这8个引脚名称为D0D7,其功能是8位数据接口，是双向的，可以输入有可以输出。第15脚：背光源正极。3.4声光报警提示电路本设计火灾烟雾报警器采用LED进行灯光提示报警，如图3.12所示，当单片机检P202接单片机的P20□,当单片机的P20□为高电平的时候，三极管Q1截止，蜂鸣器上无电压，不发出声音。当单片机的P20□为低电平的时候，三极管Q1导通，蜂鸣器通电，发3.5温度采集电路条□线即可实现微处理器与DS1820的双向通讯；其测温范围-55℃+125℃,固有测温分辨率0.5℃;支持多点组网功能；多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温；工作电源为3~5V/DC;在使用中不需要任何外围元件。(3)其功耗小，可以不需要直接接电源，直接接单片机的IO□,可(4)芯片的测试温度温度范围：-55~+125℃。(5)芯片直接多点级联方式，通过一个总线，可以挂多个DS18B20,DS18B20(6)芯片保护功能强大，具有防反接的功能，如果将电源的正负极反过来连接，(7)适应各种单片机或系统；2NC5267每个引脚的功能是：I/O是数据输入/输出端(即单线总线),它属于开漏输出，连本设计火灾烟雾报警器中的的温度采样电路设计如下，DS18B20的VCC接电源，GND接地，然后信号引脚通过10K电阻上拉接单片机P10□。3213.6按键电路本设计火灾烟雾报警器由于需要设定阈值，本设计设计有3个按键，这些按键名称为设置键、加键、减键。本设计中按键不工作的时候，对应的单片机引脚为高电平，因为内部上拉，如果按键按下的时候，此时按键会给单片机一个低电平，单片机检测到该按键硬件电路如图3.16所示：3.7总电路设计23A晶振电路电源开关AccDCCDSonanbr图3.17总电路图设计第4章系统的软件设计美国公司keilsoftware研发制作51单片机产品，和配套的C语言编辑开发系统。跟当时主流的汇编语言使用起来，C语言把功能、结构、可操作性、方便后期维护性都做到了当时的极致，方便个人用户和企业用户进行生产和使用。keilc51软件提供丰富的库函数和强大的集成开发调试工具，全Windows界面[20]。许多用户先使用汇编语言做项目，再用C语言就会感受到C语言当时的强大和方便。还有一个重要的因素是，后续检查代码的时候，keilc51生成的目标代码非常简单明了，不需要大量的注释也可以看得懂。4.2系统程序流程图此毕设火灾烟雾报警器，设计的程序流程基本为首先将系统启动，第一步使用DS18B20读取此时室内气温，烟雾MQ-2进行判断室内烟雾情况，转换成数值后，将其与系统设置的指标进行对比，是否在设定的范围内，如果不在对应的范围内则执行相应的控制，例如报警、启动风扇或者喷淋系统等。然后进入一个循环，判断按键是否按下，如果有按下则设置相应的参数，例如设置按键、加、减，对烟雾和温度的上限值进行设置。YN图4.1软件流程图本课题使用DS18B20进行温度检测。18B20存在?是写入18B20读温度前复位写入18B20图4.2其温度检测的流程图第5章仿真设计按照前面设计电路原理设计仿真电路图如下，由于MQ-2烟雾传感器本设计无法模拟，采用可调电阻分压来模拟MQ-2烟雾传感器的电压输出，其余设计和原理图基本一P1.2导入程序文件进行仿真。装载好程序后，启动仿真，MQ-2调节为0%,DS18B20调节为38度，LCD显示SETT:50E:100,NOWT:37.5E:001,与传感器测试一致。此时报警等不亮，蜂鸣器不响。图5.2调节38°仿真结果调节DS18B20调节为44.5度，调节MQ-2可调电阻为60%,LCD显示SETT:50E:按键设置按键，进入设置温度模式，温度设置点开始闪动。设置温度上限值后，进行设置烟雾上限值。第6章火灾报警器的测试结果及结论根据原理图资料和PCB上的位号，焊接实物，焊接的过程注意先低后高、先小后大的顺序，注意焊接时候管脚焊点饱满，避免虚焊导致的焊接不良影响实物的结果。焊接过后就是调试，调试的时候，先再次检查原理图与PCB是否正确，避免做无用功，因设计失误而影响了后期调试，如果设计有小的问题，通过飞线处理即可。其次，焊接完硬接线电路后，仔细检查电路的焊接情况。如果有必要可以采用分模块调试的办法，例如从单片机最小系统的运行，LCD的显示等等，因为电路不是特别复杂，检查完毕后直接做整体调试。调试过程中遇到的问题有：(1)在焊接的过程中，发现LED引脚焊接反了，灯不亮，原因是没有注意LED的A/K极性。将LED焊接下来，反向重新安装焊接、正常。(2)由于没有仔细检查原理图，发现有一个按键按下没有功能，经过检查发现是因为设计中原理图中没有连接，通过飞线的形式连接好，上电功能正常。(3)上电的时候一直烟雾报警，LCD显示的烟雾值非常高，一度认为是焊接错误实物有问题，原来上电后传感器里面的电热丝需要加热一段时间才可以，过了十几分钟恢复正常。6.2结论本课题火灾烟雾报警器设计能使用单片机实时检测，并显示当前烟度浓度值和温度值。有两个报警值分别为烟雾浓度上限值、以及温度上限值，这两个值可以通过按键电路进行设置。当检测值超过设计定值的时候，可以进行声光报警。本设计首先调研了火灾烟雾报警器的基本原理，国内外发展方向，综合本设计的目的，设计了本课题的基本原理框图，并根据原理框图进行原理图的设计与PCB的设计