【《基于单片机技术的无线智能火灾报警系统设计与实现》5500字（论文）】

基于单片机技术的无线智能火灾报警系统设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u7597摘要： 224706关键词：火灾； 227506引言 241661.系统的设计方案 2207562.系统的硬件设计 3164462.1无线智能火灾报警系统电路 3244972.2STM32单片机 3300652.3系统中应用的传感器 4263872.3.1火焰传感器 430652.3.2MQ-2气体传感器 5144862.3.3DS18B20温度传感器 517262.4无线蓝牙模块 6282832.5TFT彩屏模块 656492.65V继电器控制电路 7170532.7其他 7215092.7.1蜂鸣器 761002.7.2按键 8278423.系统软件设计 8132104.系统的开发与结果分析 9230684.1系统编译语言的选择 9209064.2系统的开发环境 9218124.3程序烧录软件介绍 10188584.4CH340串口程序烧写模块介绍 11302014.5结果分析 11325515.结束语 12摘要：随着时代的发展，人们的生活水平不断的提升，越来越多的高层建筑出现在人们的生活中。因此火灾的救援的难度将变得更加困难，火灾带给人们的危害也将大大的增加，所以加强火灾的防范是非常重要的。本文所讲的基于单片机技术的无线智能火灾报警系统能帮助人们加强对火灾的防范，减小火灾带来的危害。它是以STM32F103C8T6单片机为核心板，能通过MQ-2气体传感器、火焰传感器、温度传感器等对火灾进行监控。当这些被监控的元素超过一定的阈值时，主控板就会控制蜂鸣器进行报警，提醒人们火灾的发生，减小火发生的机率。关键词：火灾；STM32F103C8T6单片机；MQ-2气体传感器；火焰传感器；温度传感器引言自改革开放以来，人们的生活水平越开越好[1]。在我们的日常生活当中，各式各样的高楼大厦被建造。但这些高楼大厦在方便人们居住的同时，也增加了消防工作的难度。因此人们应该更加注重生活中对火灾的防范。无线智能火灾报警系统能够有效实现对火灾的报警预防，因此它能很好的帮助人们防范火灾发生从而减小火灾对人们的危害。本文讲述了一种基于STM32F103C8T6单片机为核心板的无线智能火灾报警系统。它是以STM32F103C8T6单片机作为核心板，通过火焰传感器、烟雾或可燃气体传感器、温度传感器等作为检测器件的。除了这些，本系统中还含有2.4寸的TFT彩屏、无线蓝牙模块、蜂鸣器、继电器和按键。当燃气、烟雾、火焰、温度等达到一定的阈值控制板就会控制蜂鸣器进行报警[2]。并且能通过蓝牙发送到用户的手机提醒用户火灾的发生，减小火灾对人们的危害。并且本设计采用无线传输，所以易于安装[3]。系统的设计方案本文所要设计的系统是基于单片机技术的无线智能火灾报警系统，它主要包括单片机、燃气或烟雾检测电路、火焰检测电路、DS18B2温度检测电路、蜂鸣器报警电路、继电器驱动电路、按键电路和TFT屏显示电路。它的工作原理是：当火灾发生或有火灾发生的隐患（燃气的泄露）时，无线智能火灾报警系统能够通过传感器对火焰、温度、烟雾、燃气等的监测判断火灾的发生，并进行报警。本文设计的基于单片机技术的无线智能火灾报警系统的核心板是STM32单片机。它能通过按键对燃气、烟雾、温度的阈值进行设置，并通过2.4寸TFT彩屏显示当前检测到的数据。本设计的工作方式分为两种，一种是自动工作方式一种是手动工作方式[4]。工作方式可以通过按键进行设置，一般系统自动默认为自动工作模式。不仅如此本设计中还安装了无线蓝牙装置，用户可以通过手机蓝牙连接该装置对装置检测到的实时数据进行查看，并且能通过手机控制该装置的工作。系统的硬件设计无线智能火灾报警系统电路无线智能火灾报警系统的总体电路图如图1所示，该电路包括火焰电路、煤气检测电路、无线模块接口电路、单片机核心板电路、继电器电路、蜂鸣器报警电路、温度检测电路、按键电路、TFT屏显示电路。它能够清晰的反应无线智能报警系统各个模块的工作状态，让我们更好的了解系统是如何运行的。图1无线智能火灾报警系统电路图STM32单片机STM32系列处理器是一种微控制器，它可以完成实时仿真和跟踪。这种单片机是由意法半导体ST公司生产的，是一种基于ARM-7架构的32位处理器。这一种控制芯片能够在实现功能的前提下提供更多的接口。这些被提供的接口可以使实验系统更加便利的完成各项目的外围扩展电路。STM32有很多优点例如：（1）优异的实时性能。（2）使用ARM最新的先进架构Cortex-M3内核。（3）杰出的功耗控制。（4）出众及创新的外设。（5）最大程度的集成整合。（6）易于开发，能让产品快速投入使用。因此本文选用STM32单片机作为核心板，其各接口电路图如图2所示。图2STM32单片机接口原理图系统中应用的传感器火焰传感器本设计中检测火焰的模块选择的是火焰传感器。火焰传感器可以探测各种各样火源，因此在本设计中使用火焰传感器可以很好的对火焰进行检测。火焰传感器可以检测火焰或者波长为760纳米-1100纳米范围的光源[5]。火焰传感器的工作方式是，当检测到的火焰光谱或光源达到设定值时，D0输出电平表现为低。若没有达到设定值，D0输出电平表现为高。在检测火焰的过程中，火焰越大火焰传感器检的测距离就越远，火焰越小检测的距离越近。利用火焰传感器的这一特性，可以避免对家庭用火的误判，增加报警的准确率。火焰传感器接口说明见图3。接口原理图如图4所示。图3模块具体接口说明图4火焰传感器接口原理图MQ-2气体传感器本设计中检测燃气和烟雾的模块选用的是MQ-2气体传感器。MQ-2气体传感器的电导率会随空气中一氧化碳和烟雾的浓度变化而变化[6]。浓度越高，MQ-2气体传感器的电导率越大，反则反之。一氧化碳的浓度高时传感器的导电率增大，导致传感器输出的电阻降低，输出的模拟信号增大。MQ-2气体传感器的工作电压是5V,在使用过程中需要先预热一下，因为预热之后测量到的数值才稳定[7]。在使用的过程中传感器会发热，这是一种正常现象。因为传感器内部有电热丝。MQ-2气体传感器不仅能检测燃气，它还能对烟雾进行检测，对烟雾的检测与对燃气的检测相似。MQ-2气体传感器各接口功能如图5所示。MQ-2气体传感器接口原理图如图6所示。图5MQ-2气体传感器接口说明图图6MQ-2气体传感器内部电路图DS18B20温度传感器本文中检测温度的模块选的是DS18B20温度传感器。它是一种常用的数字温度传感器。它具有非常多的优点，首先它的体积非常小，其次它抗干扰能力非常强，最后它的精度非常高且使用起来很方便。DS18B20温度传感器在与单片机连接时仅需一条线就能实现与单片机之间的双向通讯[8]。DS18B20温度传感器的测温范围为-55℃～+125℃[9]。将多个DS18B20温度传感器串联还能实现多点测温。但在多点测温时串联的个数不宜过多，过多会导致传感器电压过低不能工作。DS18B20温度传感器的工作电压是3.0V～5.5V，工作原理图如图7所示。图中的电阻是上拉电阻，它的作用是让传感器在读数时更稳定。图7DS18B20温度传感器原理图无线蓝牙模块无线蓝牙模块是为无线数据传输专门打造的[10]。它的作用是通过蓝牙让系统与用户的手机相连，然后用户可以用手机控制系统的开关。本文选用的蓝牙模块型号为LY蓝牙模块，它的优点是：成本低、体积小、收发灵敏度高、使用方便等。LY蓝牙模块数据传输速率很快，可以达到8K每秒以上。它的工作电压是3.3V-6V,能在-40℃-85℃工作。蓝牙模块接口电路图见图8。图8蓝牙模块电路原理图TFT彩屏模块TFT就是薄膜场效应晶体管，它的每一个像素都拥有一个半导体开关。因此每一个像素都可以用点脉冲来控制，所以每个点都是相对独立的像素点，并且可以连续控制。TFT彩屏的作用是显示周围环境被检测因素的数据[11]。TFT液晶显示屏有很多优点，首先它的颜色鲜艳，其次它对比度非常高。除了这些它的亮度好并且层次感非常强。它的缺点是成本高、耗电快。TFT模块需要与核心控制板连接，它的接口原理图如图9所示。图9TFT接口电路原理图5V继电器控制电路继电器是一种电控器件。它的工作方式是当输出量达到变化要求时，会使输出电路中的被控量产生预定的阶跃变化。它的输入回路和输出回路之间具有互动关系。继电器通常应用在自动化控制电路中。通俗的讲，继电器就相当于“自动开关”。它是通过对电路施加小电流来控制电路中大电流的运作。继电器在我们的日常生活中应用很广，比如遥控、通讯及电力电子设备中。继电器是重要的控制元件。它的作用是自动调节电路，对电路具有保护作用。除此之外它还可以转换电路。继电器的工作原理是当继电器通电时线圈中会流过电流，从而产生电磁效，利用电磁效应控制触点的闭合和释放从而控制电路的导通和释放。继电器在本设计中起控制电路的作用，它控制电路原理图如图10所示。图105V继电器控制原理图其他蜂鸣器本文选用的蜂鸣器是一种一体化结构的有源蜂鸣器。供电方式采用直流电压供电，它的应用很广泛。例如应用在计算机、打印机、报警器等器件中。在本设计中蜂鸣器在5V的电压下工作，它是使用三极管9012来在电路中驱动的。在蜂鸣器的工作过程中，当单片机控制引脚为高电平时，蜂鸣器开始报警，反之不报警[12]。蜂鸣器在本设计中的电路原理图见图11。图11蜂鸣器报警电路原理图按键本文选用的按键是轻触按键。它其实就如同开关一样，可以通过按压来控制它的开启和关闭。它的工作原理是：在按键的内部装有金属弹片，当金属弹片受到外力按压时会发生弹动。因此可以通过金属弹片的弹动来实现按键的接通和断开。在本设计中系统的输入是用按键实现的。因此按键就是实现人机交互的枢纽。按键在正常状态下表现为高电平，当按下按键时会变为低电平。因此在使用过程中通过对按键的按动，可以控制按键高低电平的转换，从而实现对系统的手动输入。按键在本设计中的电路原理图见图12。图12按键电路原理图系统软件设计本设计的程序流程是当程序开始运行时，首先进行程序的初始化，然后液晶屏显示，当液晶屏显示后进行通信检测。如果通信有问题等待通信信号，如果通信没问题单片机读取传感器状态。当传感器检测的某一元素或多个元素超过系统设定的阈值时，主控板就会控制蜂鸣器报警。此时还可以通过显示屏查看当前状态。如果此时按下按键蜂鸣器停止鸣叫，不按按键液晶显示屏显示当前状态蜂鸣器持续鸣叫。如果传感器检测的元素正常，那么液晶显示屏显示当前检测状态。程序流程图如图13所示。图13程序流程图系统的开发与结果分析系统编译语言的选择在本系统的设计中由于程序比较复杂，并且有较多的浮点运算，计算量较大，因此程序的编写采用C语言[13]。只所以不选用汇编语言是因为相对与汇编语言C语言在单片机机的编译中有更多的优点。例如使用C语言编译程序不需要知道处理器的指令集，也不需要知道存储器的结构。因为编译器会自主管理。编译器还能对分配和寻址方式进行自主管理。所以使用C语言编译在编译过程中不需要担心地址和数据类型等细节。除此之外，C语言的可读性也比较高，因为它是经过指定操作的变量来选择组合的。另外使用C语言，程序开发和调试时间将会得到大大缩减。与汇编语言相比，选择C语言编程最大的优点是C语言在编译开发过程中非常普及，并且可移植性好。C语言之所以普及，体现在它适用所有目标系统。通过C语言编译完成的项目可以轻松的完成与别的处理器或环境之间的转换。因此本设计选用C语言对系统进行编译。系统的开发环境在本文中单片机的开发环境选择的是Keil。Keil是一个集成的开发软件，它能将C编译器、宏汇编、链接器和库管理组和到一起。除此之外Keil还含有一个功能强大的仿真编译器。Keil软件运行对操作系统也有要求，需要WIN98、NT、WIN200、WINXP等操作系统。Keil软件的特点如下：（1）Keil软件同时支持多种操作系统。（2）Keil可以提供丰富的库函数。（3）Keil具有强大的开发工具。（4）Keil可以完成从编辑到编译在到连接最后到调试的一整套开发流程。Keil软件界面图见图14。图14KeiluVision5开发界面图程序烧录软件介绍本文选用的程序烧录软件是FlyMcu。之所以选择FlyMcu是因为它是一款非常好用的stm32烧录软件。本软件可以广泛的应用在电路编程和应用编程邻域。在使用的过程中它可以进行编程、校检、读器件信息等。它可以使用CH340等串口烧写模块对程序进行烧录。烧录流程如下：（1）连接单片机开发板、下载器及PC。（2）在软件中选择串口号。（3）选择项目程序“hex”文件所在地址。（4）点击“开始编译”开始下载程序。下载界面图如图15所示。图15软件烧录下载界面CH340串口程序烧写模块介绍本文所设计的系统的程序烧录是使用CH340串口烧写模块实现的。因为选用此模块使用笔记本电脑就能完成对STM系列单片机的程序烧录。除此之外CH340串口烧写模块还具有价格低、高性能等优点，是开发STM系列单片机的不二之选。CH340串口烧写模块的接口使用USB，因此它不仅支持USB1.1通信还支持USB2.0通信。除此之外它还支持多种操作系统。它可以采用系统本身电源进行供电，也可以使用USB口进行供电。因为本设计在程序烧录过程中采用USB口供电，所以在引脚连接中不需要连接VCC、5V输出、3V输出等引脚。其它引脚与单片机的连接见表1。表1CH340串口烧写模块与单片机接线CH340模块单片机开发板TXDRXD（单片机引脚PA10）RXD