【基于单片机的家庭防火防盗安全卫士装置设计8200字（论文）】

基于单片机的家庭防火防盗安全卫士装置设计目录TOC\o"1-3"\h\u7474摘要 1213511绪论 2201191.1课题的研究背景及意义 2142071.2国内外现状及发展趋势 2238221.2.1国内研究现状 2154821.2.2国外研究现状 269381.3设计的基本要求 32562家庭安全卫士装置系统方案概述 383642.1总体方案概述 324282.2主要模块的选择及方案论证 49572.2.1主控模块的选择 446992.2.2液晶显示模块的选择 4235702.2.3电源模块的选择 554172.2.4烟雾传感器的选择 56062.2.5温度传感器的选择 581333家庭安全卫士装置系统硬件设计 5197593.1单片机及其最小系统模块 5220163.2显示模块电路设计 7252273.3按键电路的的设计 7310753.4温度检测模块的设计 7110463.5烟雾传感器模块的设计 8286523.5.1MQ-2介绍 873193.5.2ADC0832介绍 8189563.6人体红外感应模块的设计 8312303.7蜂鸣器模块的设计 923404家庭安全卫士装置系统的软件流程图设计和仿真测试 9263494.1主函数流程图的设计 9131374.2仿真调试 10180754.2.1测试步骤 10261924.2.2测试结果 12290935实物调试 15273225.1防盗功能测试 16243015.2防火功能测试 1645895.3防煤气泄漏功能测试 1885参考文献 2115443附录 2223143附录1电路图 224850附录2源程序代码 23摘要：在当今的生活当中，随着人们生活水平的不断提高，人们对家庭住房的安全保障要求也越来越高，为了解决人们对住宅安全性的要求，国内生产安防系统的厂家开始生产了一系列的智能设备来满足客户的要求，在市场当中最受欢迎的系统就是防火防盗系统也称为家庭安全卫士，本文介绍的家庭安全卫士是采用单片机芯片来作为控制核心的，外接按键电路、MQ-2烟雾检测电路、LCD显示电路、人体红外电路检测电路、报警电路、水泵和风扇来实现家庭防火防盗防煤气的功能，用来对家庭用火用煤气安全保障以及门窗异动检测。单片机技术在我国发展的已经比较成熟了，在工业领域当中也是备受欢迎，使用单片机来做本次设计能够使系统微型化、隐蔽化。关键词：单片机；防火防盗防煤气；安全卫士绪论课题的研究背景及意义在国内的各个城市中，平均每天都会有家庭发生火灾、煤气泄漏和偷盗事件，因此每个家庭都应该有基本的防火防煤气泄漏防盗意识。增加住宅安全性可以预先采取防盗的措施，这样就可以避免家庭被偷盗的情况的发生，在考虑防火的设备，在家庭火灾发生之后，发生火灾的原因往往都是大意和没有及时采取预防的措施所造成的，在消防部门的统计中，家庭火灾在我国所发生的火灾中占比高达1/3。造成如此多起的家庭火灾的原因，可能在我们的注意范围之内或是不在注意范围之中的地方，为了防止火灾的频繁发生，必须要采用一定的预防措施，可以通过烟雾报警对现场进行实时的检测，在安全测试器的范围内，可以严格的控制烟雾的浓度，这样就可以避免火灾事故的发生，不论是对社会或是对家庭都具有一定的安全保证，因此防火防盗的系统研制发展是一个重要性的课题[1-3]。科技的进步，智能家电时代的到来，让人们对住宅的要求不再单一，伴随着越来越多各式各样的家用电器的普及，家庭火灾、盗窃和煤气泄漏问题屡见不鲜，更严重的就是，有时候在家庭火灾发生的时候，会出现扑救不及时的现象，或是会发生逃生过程中的踩踏事件，这会导致重大生命或财产的损失，以防火防盗防煤气泄漏为目的，利用高科技的产品实现火灾、盗窃的提早预防，这样就可以避免不必要的火灾的发生，不仅可以减少火灾隐患，与此同时也可以保证生命安全以及参禅安全，所以要严格注意火灾、煤气泄漏引起的燃烧，避免不必要的经济损失。随着报警器的使用越来越多，家庭火灾的状况也逐渐减少，在防火防盗的系统使用中可以增加住宅人员的逃生几率，所以在生活中得到了很好的应用[4-5]。国内外现状及发展趋势国内研究现状防火防盗系统在国内的发展中，源于七十年代初期，在生产的过程中，有多种型号的研发，单一的炼油系统都具有很多不同型号的报警器，在危险作业中烟雾报警器是必不可少的，已经国外的新型传感器技术可以在一定生产工艺的情况下，实现更具有自己特色的创新。近些年来，不论从烟雾报警器的选择性上来看，或是从产品的稳定性上来看，都具有很大的进步空间，随着单片机技术的日日渐成熟并逐渐的步入工业农业生产中，不同类型的单片机可以在依照不同需求的情况下，实现所需要的功能。单片机装置相当于一个计算机系统，也可以作为微控制器或微处理器使用，因为微控制器的功能比较齐全，价格便宜、占用体积小，应用广泛。微控制器在消防和防盗技术领域也有着广泛的应用一个至关重要的角色。目前国内的消防防盗系统主要是接触式和非接触式探测器。国外研究现状探测器的发展逐渐成熟，并逐步扩展到火灾探测领域，这也为探测器不能胜任的环境给予了发展前景，检测探测器的发展进程中，首先是由傅里叶的近红外光谱来实现最初的探测功能，在与MCU技术联合的过程中，传统系列的探测器已经得到了很大的改善，传统的探测器在技术应用和功能使用上有了很大的改进，在防火防盗系统早期探测以及传感器复合探测都在向智能化的发展中前进，在探测器的研发过程中，小型化的探测器得到了很快的发展二十世纪初期国外研发了烟雾传感器，并且得到了很快的发展，防火防盗报警器的研制一方面可以增强人们的防火防盗意识另一方面可以促进市场对安全法规的推动，从而对于环境安全以及生活安全都得到了很大的提升，在传感器的迅速发展中，防火防盗报警器也随之快速的发展，现今的防火防盗报警器已经可以实现集成度的增大以及小型化的实现，所以在提升防火防盗报警器的性能的同时，也增强了防火防盗报警器的携带功能，在生产过程中，防火防盗报警器也逐渐的推向市场以及运输方面。国外目前的的烟雾探测器大多都已经智能化了，能够配合物联网进行工作[8-9]。设计的基本要求家庭安全卫士主要起到的功能是防火防盗防煤气泄露，对于安装本设备的住宅能够进行实时检测烟雾、煤气都气体，也能够对门窗异动进行检测，能够保障家庭住宅的安全。（1）防火：为了监控和管理家庭的消防安全，烟雾传感器检测到大浓度烟雾，温度传感器检测到高温时能进行报警并打开灭火装置。（2）防盗：主要是对门窗的管理监控，如果门窗的有异动，即针对门窗监测的红外传感器检测到红外信号时，报警装置发出警报，告诉主人当前的门窗有异动发生。（3）防煤气泄露：对于家庭住宅密闭空间里的天然气、煤气等气体燃料，当气体发生泄漏，该装置可以做到监测相关气体浓度，当其超过安全值时立即采取措施打开风扇通气并报警。家庭安全卫士装置系统方案概述总体方案概述本设计主要是以单片机作为控制中心，通过辅助模块来实现防火防盗的功能，同时运用keil软件编写程序，可以使系统在检测到室内异常的时候，可以自动进行报警，并且打开风扇和水泵，总体方案如图2-1所示。图2-1总体设计方案家庭安全卫士装置的是用STC89C52单片机作为控制核心，主要的核心处理器为八位处理器，内部有8k存储器。在数据处理的方面主要是用过数字传感器DS18B20来实现，通过MQ-2烟物传感器实现数模的采集，实现逻辑判断，烟雾报警器可以通过显示器和蜂鸣器实现报警的功能。主要模块的选择及方案论证主控模块的选择主控模块在一般情况下可以分为两种控制系统进行控制，一种是PLC作为主控，另一种控制中心使用单片机作为控制中心，以下为关于两种方案的具体分析：方案一：单片机STC89C52广泛用于各个行业，它具有低电压和高性能等特点，在单片机的应用过程中，主要可以实现的功能是与MCS51具有一定的兼容性，其次可以实现单片机反复擦除内存，最后可以通过输入输出端口实现双向控制，并且有32个工作端口，第四种功能是单片机可以实现三位可编程定时器的中断。单片机还具有数据存储的功能，以及外部接口进行模块化和棘手按键信息等功能。方案二：西门子PLC；SIMATIC系列PLC是西门子的最新产品，也是目前使用机型最为多的PLC，在其中PLC的型号主要包括s7-200系列和C7-620系列等，相对于这两种为小型的PLC装置，S7-4000M7-400则是大型的可编程控制器，西门子公司为自动化产品的未来发展的主流。在上述两个方案的叙述过程中，两个方案进行对比，在选择控制模块的方面，从体积大小以及携带方面，相对于PLC为主控模块，方案一在应用过程中，可适用于日常生活的使用，所以相对于方案二，方案一更适用于本设计中。液晶显示模块的选择液晶显示屏也就是LCD，用来实现显示信息的功能，在不同电情况下不会发光，在通电情况下可以实现光线的改变，从而实现显示所需要的字体。方案一：LCD12864

是以阵点的显示方式为主，显示的方式是以液晶显示的形式进行实现的，通过128*64个液晶阵点实现显示部分的组成，可以通过二进制进行显示点，当数字为0时，表示的灯灭，当数字为1时，表示灯亮，将所对应的储存模块，可以将阵点信息显示在相应的阵点之中。方案二：LCD1602型号的显示器，主要是应用在工业符号中的液晶显示，关于LCD1602的液晶，它可以显示上下两行,在每行的显示过程中,可以实现十六个字符的显示,在整个显示器的表示中,主要是有两行进行显示,一共有32个字符可以被显示,其中LCD1602型号的显示器分辨率是5×7,不论是每行的间距或者是每一字符间距都需要有一个固定的间隔，这样可以更清楚的显示，与此同时也是因为这些功能阵点的显示没办法自由变换显示图形。在上述两种方案的论述中，第一种方案的功能比较强大，但在本设计中需要显示报警，所以在显示模块的应用中，第二种方案就足够本次设计的显示模块的使用。电源模块的选择在电源模块的设计选型的应用中，有很多不同的电源设备可以进行选择，以下是电源模块的两个方案的解析：方案一：选用蓄电池。虽然蓄电池因为有着强大的电流驱动能力用来提供稳定的电压，是滴由于蓄电池过大的体积，在本装置设计中很不方便,所以蓄电池不适合作为报警器的供电使用。方案二：通过干电池作为整个装置的主要电源。通过系统实验可以证明，在单片机以及传感器的工作方面可以使整个装置处于稳压的状态，在电池的更换过程中更为容易。在两个方案的对比中，本次设计所需要干电池就可以运行，所以选择方案二更为适合本次的电源模块的选择。烟雾传感器的选择烟雾传感器是通过MQ-2半导体来进行测试的，主要可以适用于烟雾的检测以及各类气体的检测，主要可以检测的气体有天然气、煤气、氢气等，对较为可燃性气体可以实现很理想的检测方式，在烟雾报警器的应用中，可以检测到多种的可燃气体,因此适用于家庭的气体泄漏报警,同时MQ-2也是一款具有低成本的传感器装置。温度传感器的选择温度传感器的主要部分是通过DS18B20作为测温电路来实现的,通过输出的数字信号，DS18B20可以判断当前的温度高低,所以在使用过程中不需要进行数模的信号转换；在应用过程中,可以实现组建传感器的网络信号,在测试的系统中,可以实现很大的应用功能,所以在测温精度以及转化时间等方面DS18B20作为测温电路的传感器有很大的进步,这也为用户的使用提供很大的方便。家庭安全卫士装置系统硬件设计单片机及其最小系统模块STC89C52单片机作为主控模块。可以实现低耗能和8K的可编程存储器的功能，Flash可以实现在线的编程方式，也就相当于常规的编程器，在芯片中可以实现八位的中央处理器的应用，所以STC89C52更多的应用于嵌入式的控制，可以提高很强的灵活性的而控制，所以应用在主控模块的设计中。下面是STC89C52的引脚具体介绍电源引脚Vcc和VssVcc(40脚)：+5V的电源端Vss(20脚)：接地端。时钟电路引脚XTAL1和XTAL2：XTAL2(18脚)：接外部晶体和微调电容的一端。在单片机内部它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时针电路时，该引脚输入外时钟脉冲。XTAL1(19脚)：为振荡电路反向放大器输入端，与微调电容器和外部晶体的另一端相连。在连接外部时钟使用时引脚必须接地。I/O（输入/输出端口，P0，P1，P2，P3）P0口：是一个带开漏的8位准双向I/O端口。P1口：8位准双向I/O端口。P2口：可以当做普通I/O口用，也可以做地址总线高8位输出地址。P3口：可以当做普通I/O口使用，也可按照用户对其每一位特别定义来实现第二功能，是个双功能口。3-1单片机的最小系统显示模块电路设计在液晶显示模块的设计中，主要采用LCD1602作为显示模块，其中在电压为5伏的情况下，可以使LCD1602启动，LCD1602显示模块内部自动带有复位电路，可以给各个模块发送控制指令。LCD1602通常是通过液晶显示的方式来实现，主要是由液晶分子的重量来决定，耗能比较少，有很强的的驱动能力，在本设计的应用过程中，主要通过16针显示模块作为液晶显示模块来实现，其电路图如图3-2所示。图3-2LCD1602显示电路按键电路的的设计按键模块的设计中，主要是用过4个按键为主要的控制按键，来实现本设计所需要的功能。其中，按键模块的每个按键都是相对独立的。当模块运行时为电平触发式工作方式，每个I/O口与一个按键相连且各个按键间没有影响。当整个电路是低电平的情况下，是有效的，在按键模块的设计中，每一个独立按键都具有不同的功能，首先第一个按键是温度上限＋按键，第二个按键温度上限－加键，第三个按键是烟雾上限＋按键，最后一个按键烟雾上限－按键，当紧急报警按键被按下的情况下，蜂鸣器会响起。按键模块电路设计如下图3-3所示。图3-3按键电路设计温度检测模块的设计温度显示模块是主要是通过测温电路DS18B20来实现的，这是一款体积小适用范围广的测温电路，一般来说，一般情况下，DS18B20可以测量的温度为－50℃～＋100℃。DS18B20的管脚主要采用DQ作为数字信号实现，管脚1接地，管脚3接外接电源输入，具体的测温电路的电路图设计如图3-4所示。图3-4温度检查模块设计烟雾传感器模块的设计MQ-2介绍通过MQ-2半导体来实现烟雾传感模块的功能。在不同的空气中有关可燃气体浓度不同，半导体的电导率也会不同，这样就可以实现传感器在不同环境下，对于烟雾、气体进行相应的检测，传感器会依照电导率的烟雾浓度的增加而增加，所以是可以将电信号转化为气体浓度信号的传感器，烟雾传感器如图3-5所示。图3-5烟雾传感器模块设计ADC0832介绍由于ADC0832是双通道A/D转换芯片，具有8位分辨率且其具有兼容性强、占地小等特点，让ADC0832广泛应用在各个产品上。芯片如下图3-6所示图3-6ADC0832电路图人体红外感应模块的设计该模块采用热稀电红外传感器来实现有关功能，传感器能感知人或动物发出的红外线，并在输出端输出电平信号。HC-SR501是一款高灵敏度、低工作电压、高可靠性的传感器。基于这些特性，HC-SR501广泛应用于自动感应设备中。其电路图如图3-7所示。图3-7人体红外感应模块设计蜂鸣器模块的设计作为一种一体化结构的电子讯响器--蜂鸣器，其以直流电压供电，本模块采用有源电磁式蜂鸣器。该报警电路通过三极管，电阻与单片机端口相连来实现报警。报警模块如图3-7所示。图3-8蜂鸣器模块设计家庭安全卫士装置系统的软件流程图设计和仿真测试主函数流程图的设计在主流程的设计中，需要控制的部分需要重复很多次，所以在程序的编写的方面是一个任务量很大的工序，按照控制执行的重复规律，实现一个整体的循环程序，循环程序主要是用过两种基本结构进行组成，可以实现先判断的方式，也可以实现后判断的方式，在本设计中，主要是应用于先判断的主要方式，在整个程序执行前，需要进行整个系统的初始化的设置，通过单片机控制传感器的烟雾检测，实现信号的传输以及数模转换的过程，在通过液晶显示屏和按键来设置限值，当超过所设置的限值的情况下，蜂鸣器会进行报警，烟雾报警器的浓度值会送进显示器中，当当前烟雾值没有超过限值，传感器会进行实时的检测，具体的流程设计如图4-1所示。图4-1主程序流程图仿真调试测试步骤本次编程使用的软件的是Keil软件进行编写程序的，使用的C语言，主要是编写mian.c、1602.C和DS18B20.C的函数，编好的程序如图4-2所示。图4-2编写完成的程序函数由图4-2可知，本装置的程序已编写完成，以下是对完成的程序进行测试，如图4-3所示。图4-3程序测试图由图4-3可知，程序在运行过程当中没有出现错误和警告。在程序编译完成后，在编写好的程序文件夹当中找到相对应程序.HEX文件，将找到的.HEX文件烧录到单片机中，进行仿真。程序.HEX文件如图4-4所示。图4-4程序.HEX文件测试结果打开proteus软件，画好相对应的仿真电路原理图，如图4-5所示。图4-5仿真电路原理图把HEX文件烧录入单片机当中，如图4-6所示图4-6添加HEX文件开始运行仿真，仿真和我们预期预期效果一样。LCD1602上显示温度、气体阙值如图4-7所示。图4-7仿真正常运行仿真正常运行以后，我们开始测试仿真的一些功能，先测试红外模块，在按下红外按键的时候，仿真系统的喇叭会进行报警，如图4-8所示。图4-8红外模块测试测试完红外模块后，通过按键来设置温度和烟雾参数的阈值范围，我们将温度设置在20-30摄氏度，烟雾设置在10到15的范围内，设置完成图如图4-9所示。图4-9阈值设置图当系统检测到当前室内的温度和烟雾超过我们设置的阈值的时候，系统的风扇和水泵都会自动运行，进行降温和换气。如图4-10所示图4-10风扇和水泵运行图经过一系列的仿真测试，仿真能够实现我们所需要设计的功能，但是仿真局限性很大，很多的功能都是没办法实现的，只能够通过实物来进行测试。实物调试为了证明所设计的电路可以达到目标要求并且对仿真结果进一步验证，进行实物的制作及运行，实物图如图5-1所示，实物开机图如图5-2所示。图5-1实物图图5-2实物开机图防盗功能测试实物正常开机后，进行防盗测试。本次设计的防盗设置是开机就会自动打开的，当有人碰到红外热释电模块的时候，蜂鸣器就会发生报警，如图5-3所示。本次设计的防盗距离为10cm，存在微小偏差。图5-3防盗测试图防火功能测试防盗检测完成后，进行检测温度，当前温度检测的为18摄氏度，如图5-4所示，当把报警温度设置到18摄氏度的时候，水泵会自动打开进行降温。水泵抽水图如图5-5所示。图5-4温度设置图图5-5水泵抽水图防煤气泄漏功能测试在温度功能检测完成后，接着进行气体有关功能的检测，烟雾检测图如图5-6所示，烟雾浓度分别如图5-7和5-8所示。图中当检测的气体浓度达到50的时候，系统会自动打开风扇进行换气。图5-6浓度为38的烟雾测试图图5-7浓度为50的烟雾测试图结论本次设计装置名为家庭安全卫士，以STC89C52作为主控制模块，通过外接一些相关功能的电路来实现我们所要设计的功能。经历了两个多月，才将完整的系统设计出来，主要是对编程的不熟练，编写的程序总会出现很多的错误，在更改程序的过程当中，让我对C语言的编程有了更深入的了解，让我明白了编程逻辑性的重要。系统设计完成后，我并没有沾沾自喜，而是在反思自己做出来的家庭安全卫士有哪些优点，和有哪些缺点，还有什么需要完善的地方没有，根据我自己的观点来说，设计出来的家庭卫士具有微型化和便携化的优点，其缺点就是没有远程报警，就像现在的物联网系统那样，能够远程报警。通过本次毕业设计的设计及制作学到了很多东西，只有不断探索积累才能不断完善自己，很感谢我的指导老师在我设计过程当中给我帮助。参考文献王芸,陈青山,周野,等.空巢老人家庭安全卫士[J].物联网技术,2017,007(005):95-96,99.曹汉清,陈祥,魏宇峰.安全用电卫士[J].计算机科学与应用,2020,10(6):13.陈秋容.基于单片机的防火防盗报警系统设计[J].信息通信,2020,000(001):42-43.刘英楠,宫龙江.基于单片机的家庭防火防盗系统设计[J].科学与财富,2020,000(005):43.马巧梅.基于51单片机的宿舍防火防盗系统设计与实现[J].电子设计工程,2018,26(08):168-172.洪长平.家庭智能防火防盗系统设计[J].通信电源技术,2020,v.37;No.195(03):34-35+38.程望斌,刘硕卿,汤姗姗,等.基于单片机的智能家居防火防盗系统设计[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2019,32(01):43-46.张秋菊,邵泽军,杜莹,等.基于单片机的家庭防火防盗报警系统的设计[J].电子世界,2017,08(No.518):175+177.涂亚平.基于GSM的远程防火防盗报警系统[D].东华大学,2016.郭华,张文霞,刘爱军.基于单片机的多传感器集成式防火防盗报警器[J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附录附录1电路图附录2源程序代码#include"reg52.h"#include"intrins.h"#include"stdio.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintexternvoiddelayms(uintx);externvoidInit_1602(void);externvoidXian_String(ucharx,uchary,uchar*p);uintYW=0;externfloatTemp;externvoidReadTemperature(void);uintTemp_H=30;uintYW_H=50;sbitMotor=P2^0;sbitBuzzer=P2^1;sbitHW=P1^6;sbitKM=P2^3;sbitSB1=P3^2;sbitSB2=P3^3;sbitSB3=P3^4;sbitSB4=P3^5;sbitCS=P1^3;sbitCLK=P1^4;sbitDIO=P1^5;ucharGet_ADC(bitch){uchari,dat1=0,dat2=0;CS=0;CLK=0;DIO=1;_nop_();_nop_();CLK=1;_nop_();_nop_();CLK=0;DIO=1;_nop_();_nop_();CLK=1;_nop_();_nop_();CLK=0;DIO=ch;_nop_();_nop_();CLK=1;_nop_();_nop_();CLK=0;DIO=1;_nop_();_nop_();for(i=0;i<8;i++){CLK=1;_nop_();_nop_();CLK=0;_nop_();_nop_();dat1=(dat1<<1)|DIO;}for(i=0;i<8;i++){dat2=dat2|((uchar)DIO<<i);CLK=1;_nop_();_nop_();CLK=0;_nop_();_nop_();}CS=1