基于单片机的智能火灾报警系统大学论文

本科毕业设计题目基于单片机的智能火灾报警系统

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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注意事项

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7）参考文献

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2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

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5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

摘要

伴随着时代不断的进步，人们越来越多的使用电子类设备，无论是家庭还是工厂使用的电器都越来越多。但是随之而来的是因为电器的不当使用所引起的火灾也非常之多。我们的国家每年因为所用电器造成的火灾而损失很多的利益。火灾不仅带来的物品财产上的损失，而且带给了我们失去亲人的悲痛。所以针对这种情况我们很有必要设计出一种火灾报警系统，减少火灾的发生，并是我们在火灾中受到的经济损失和人员伤亡达到最小。目前我们国家有非常多的人也设计出了很多的火灾报警系统，但是大部分的火灾报警系统都是适用于大型的工厂、公司而并不适用于家庭、宿舍等小的环境之中。所以研制一款针对于家庭、宿舍等小环境研制出一款火灾报警系统是非常重要的。并且本次设计也言简意赅、实用性高。所以针对小的环境之中的火灾报警系统本文设计了一种火灾报警器。该系统设计核心为MCS-51单片机和MQ-2半导体气体烟雾传感器，芯片我们采用STC89C52芯片，火灾报警系统中的电路包括烟雾采集信号电路、前置放大电路、A/D转换电路、安全保护电路等主要电路组成。最终经过调试，确定本设计方案是可行的。

关键字：单片机；传感器；烟雾报警器

Abstract

Along with the progress of times, more and more people use electronic equipment, whether the family or the factory use electrical appliances are more and more. It is because of the improper use of electrical appliances caused by fire is also very much. Our country each year because of the use of electric fire caused by the loss of a lot of interests. Fire not only broughtthe goods property losses, but also brought us the grief of losing loved ones. So in this case it is necessary for us to design a fire alarm system, reduce the fire, and we are in the firecasualties and economic losses to the minimum. At present, our country has so many peoplehave designed a lot of fire alarm system, but most of the fire alarm system is applicable to large factories, companies and is not suitable for families, dormitories and other smallenvironment. So the development of a needle is very important for families, dormitories and other small environment developed a fire alarm system. And this design is concise and comprehensive, highly practical. So for the small environment of the fire alarm system this paper designed a fire alarm. The core of the system design for the MCS-51 MCU and MQ-2chip semiconductor gas smoke sensor, we adopt STC89C52 chip, the fire alarm circuit in the system including the smoke signal acquisition circuit, preamplifier circuit,A/D conversion circuit , protection circuit main circuit. After debugging, the design scheme is feasible.

Key words: sensor ; MCU ; The smoke alarm

目录

1 绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 烟雾报警器的国内外现状 (1)

1.3 烟雾报警器的发展趋势 (2)

2 总体方案设计 (3)

2.1 烟雾检测传感器选型 (4)

2.2 烟雾传感器关于报警的介绍 (5)

2.3 单片机选型 (5)

2.3.1 STC89C52单片机简介 (6)

2.3.2 单片机的引脚功能描述 (6)

3 系统的硬件电路 (9)

3.1 单片机最小系统 (9)

3.2 单片机的时钟电路与复位电路设计 (10)

3.3 烟雾检测AD采集电路 (11)

3.4 显示模块 (12)

3.5 声音报警电路 (13)

3.6 按键控制电路 (14)

3.7 电源模块 (14)

3.8 温度传感器(DS18B20)电路 (15)

3.8.1 DSl8B20简介 (15)

3.8.2 18B20接口电路 (18)

4 系统软件的设计及流程图 (20)

5 硬件调试及电路调试中遇到的问题 (21)

6 总结评价 (22)

致谢 (23)

参考文献 (1)

附件一：总体原理图设计 (2)

附件二：部分程序源代码 (3)

附件三：实物图 (14)

1 绪论

1.1 课题背景

随着科技的不断发展，人们现在对于电器的应用越来越多，无论是家用电器，还是工厂使用的电器都越来越多。但是随之而来的是因为电器的不当使用所引起的火灾也非常之多。所以针对于火灾的发生我们应当尽早发现火灾的源头并给予通报，因此我们对于现场的烟雾进行采集，监视所处的环境之中的烟雾浓度，以便于及时的发现火源，进而尽量减小事故的发生，从而才能进一步使我们生活的环境处于安全。

1.2 烟雾报警器的国内外现状

外国国外对于烟雾传感器的研究开发可以追溯到上世纪30年代初，一经出现便受到了大批大批人士的追捧。其中一个方面是因为人们意识到了火灾对于人们生活的威胁性；另一方面是因为传感器的市场在外国不断地快速发展，并且随着传感器的快速发展，传感器不仅在工艺上得到了很大的提高，而且其越来越趋于小型化体积越来越小，也就是说在一个芯片上便包括了传感器等一系列的电子器件。这种情形不仅使烟雾检测仪器更加便于携带，更使其在生产、运输等方面所需要的成本大大降低。

烟雾传感器的研究发明在我国是从上世纪七八十年代初才慢慢开始的，随着我国对于烟雾传感器的快速发展，不仅研制出的烟雾传感器的型号越来越多样而且烟雾传感器的种类也越来越全，应用于各个生产生活的领域。我们国家在引进国外对于烟雾传感器先进的技术和先进的工艺，进行自主开发和自主研究。生产粗了许多针对于我们国家的烟雾传感器。

报警器在分类上一共可以分为三大类。其中包括民用烟雾报警器、工业用烟雾报警器、有毒有害烟雾报警器。

(1)民用烟雾报警器

该型报警器一般属于小型的火灾报警器,在人们的生活之中一般人们会将其安装在厨房之中，每当火灾发生时该报警器会监测到火灾产生的烟雾，进儿报警

器便会发出报警，向人们显示火灾的发生。有一些高端的报警器还可以开启系统排风扇功能，将火灾产生的烟雾排到屋外去。

(2) 工业用烟雾报警器

工业报警器总的来说就是应用于工业生产过程中的大型火灾报警系统。该报警器根据状态种类的不同，又可以分为三类。分别为检漏仪、控制器和探测器。

检漏仪相对于其他两种的特点是体积很小，该仪器主要应用之处便是对于燃气管道的管理。如果在检测过程之中发现有燃气发生泄漏，检漏仪便会发出报警，该仪器在报警的同时人们还可以在该仪器上读取到烟雾的浓度，使人们防患于未然，防止火灾的产生。

探测器人们一般会将其装于防爆现场，控制器人们通常则会将其放在有人值守的地方，比如传达室等。他们两者之间人们通常会采用屏蔽电缆线连接。当工作人员在现场探测到燃气发生泄漏之后，就会通过电缆线将燃气发生泄露的信号传到控制器，相应的控制器就会发出报警，在报警的同时该系统就会启动排风装置并且会关闭阀门并进一步会切断燃气的源头。此种探测器和控制器应用相当的广泛，例如液化气站、汽车加油站、锅炉房等重要的场所。

(3) 有毒有害烟雾报警器

有毒有害烟雾报警器相对于前文描述的探测器只是在检测探头上与其有轻

微的差异，而在原理和应用中都很相似。

1.3 烟雾报警器的发展趋势

面对人类社会经济与技术急速发展的时代，伴随这电子、计算机、通讯和现代控制技术的迅速发展，现代火灾自动报警应用技术发展趋势正在向着网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、高灵敏化、综合化等方面发展。

针对当前烟雾自动报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁，智能化程度低，网络化程度低、特殊恶劣环境的烟雾探测报警抗干扰等问题较为突出的现象，提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、开放的通讯协议。通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究，对系统方案、设备选型的优化组合，改进烟雾自动报警系统的工作性能、减少维护费用和维护要求，向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展，为更好的预防和遏制建筑火灾提供了强有力的保障，从而更好的保护国家和人民的生命、财产安全。

2 总体方案设计

烟雾报警器不仅可以监测出所处于工作环境之中的烟雾的浓度，并且可以在

遇到火灾时烟雾的浓度超过所设定值时会产生报警。

人们在设计这种烟雾报警器时为了适应家庭和工业等场所对应的安全性的

要求，设计的该报警器应当包含有显示报警的状态。人们所设计的这种报警器工作方式采用的是延时的工作方式，并以STC89C52单片机为控制核心，采用MQ-2传感器用来收集烟雾浓度，并且这种报警系统还会配合外围电路来达到设计的要求。我们所设计的报警系统主要包括硬件设计部分和软件设计部分。

下图，如图1所示表示的为我们本次设计的总体设计的框架图。

图1 总体设计框图

我们在本次设计之中，CPU 使用的是MCS-51单片机系列中的STC89C52单片

机。我们会将报警器在所处的监测位置所监测的烟雾浓度的信号使用烟雾检测探头将其变为电信号，并且会通过模拟/数字电路进行采集。然后传入到单片机之中，经过软件系统进行查询等环节实时发出报警信号,最终经过驱动蜂鸣器和指示灯来进行报警的产生。 电源开关 电源

STC89

C52 单片机 AD 采集电路

显示电路

报警电路

按键控制

2.1 烟雾检测传感器选型

烟雾传感器是人们针对于火灾报警系统之中测量的装置和控制系统的第一个非常重要的环节。因为在报警器之中的信号的采集环节会用到烟雾传感器。该传感器可以将检测出的有关烟雾的浓度的信号经过烟雾检测探头将其转换成电信号，从而可以进一步的达到检测和监控等功能的实现。我们可以这么说，如果没有传感器在检测过程中输入精确有效的信号，那么就不会有检测、控制等系统的精确产生。烟雾传感器作为核心器件，可以说是它决定了所有监测到的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。下图，如图2表示为烟雾传感器内部结构图：

图 2 烟雾传感器及其结构图

在上文的叙述之中，因为MQ-2半导体传感器相对于其他的半导体烟雾传感器来说，灵敏度非常的高，电导率现对于其他类型的传感器来说变化更加大、响应的时间和恢复的时间都非常的短、抑制影响的能力也非常强大，而且该传感器所输出的信号也非常大、寿命更加长，工作平稳性更加平稳等优点，所以这种传感器在市面上的应用非常的广泛。所以针对传感器的选择我们选择用MQ-2半导体传感器来作为本次设计的核心传感器。所以下文我们将针对MQ-2半导体气体烟雾传感器做重点的介绍。MQ-2半导体传感器是以金属氧化物二氧化锡为主体的N型半导体气敏元件。当这种传感器所处的环境之中检测出有烟雾气体的时候，

传感器中的N型半导体气敏元件的电导率与所检测空气中烟雾浓度成正比关系。所以我们在本次设计报警器，可以只要使用相应的电路将电导率中的变化关系转变成为与该气体浓度相对应的电信号。

2.2 烟雾传感器关于报警的介绍

烟雾传感器是模拟传感器。它能将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。烟雾传感器就是通过监测环境中烟雾的浓度来实现火灾防范的。当烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体，烟雾探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。烟雾传感器利用烟雾敏感元件的电阻受烟雾浓度影响阻值变化的原理向单片机发送烟雾浓度相应的模拟信号。

在智能建筑中对火灾探测器的应用主要以感烟火灾探测器选用为主。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾探测器的体积也逐渐变小，提高了烟雾探测器的便携性，更加利于生产、运输和市场推广。目前，烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。

在国内的产品中，无论哪家生产的烟雾探测器，都可以探测到火灾的发生，都具有比较高的灵敏度，而且在安装中都比较简单。但是，由于各生产的设备不可通用，独立为正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通讯。使得用户面对众多厂家生产的烟雾探测器感到不知所措。而这也正是国内产品市场的一个重大缺陷。

2.3 单片机选型

单片机对于烟雾自动报警系统来说是最为关键性的一个元件，可以说单片机是整个系统的心脏，因为在系统中，单片机是用来接收信号并用来启动报警装置进一步会执行相应的报警。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。

针对本文系统单片机的选择，我们使用MCS-51系列单片机中的STC89C52单片机。下文我们会对STC89C52单片机做重点介绍。

2.3.1 STC89C52单片机简介

STC89C52是T、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash 种低功耗

存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8k 字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡电路、键盘控制、LED显示电路、报警电路等子模块。

2.3.2 单片机的引脚功能描述

下面对STC89C52各引脚的功能进行较为详细的介绍：

1)电源引脚Vcc和Vss

Vcc引脚可以表示为电源端为+5V，该引脚一共有40脚；

Vss引脚可以表示为接地端引脚，该引脚一共有20脚；

2)引脚XTAL1和XTAL2

XTAL2可以表示为时钟电路引脚，该引脚与外部晶体的一端相连接。该引脚在单片机的内部可以表示为电路反向放大器的输出端，而该电路的频率可以表示为晶体固有的频率。如果需要使用到外部时针电路的时候，该引脚的输入脉冲表示为外时钟脉冲。如果需要检查该单片机中的振荡电路是否工作正常，则可以用到示波器来针对XTAL2时钟电路引脚是否有脉冲信号输出进行查看。该引脚一共有18脚。

XTAL1也表示为时钟电路引脚，与XTAL2不同之处在于该引脚可以接到外部晶体和微调电容的另一端。在单片机工作之中，它可以表示为电路反向放大器的输入端。如果我们使用外部时钟的时候，这个引脚就必须接到地，该引脚一共有19脚。

RST可以表示为复位信号输入端引脚，该引脚在输入为高电平时才有效果，在低电平时无效。所以只有在RST引脚的输入端的机器周期为高电平的时候，RST 引脚才能够完成复位操作。该引脚一共有9脚。

ALE/PROG引脚可以表示为地址锁存允许信号端。该脉冲信号的值为正值。当STC89C52单片机访问片外RAM的时候，引脚ALE的输出信号为空之锁存地址低八位的信号。在STC89C52单片机访问片外ROM的时候，每当STC89C52单片机取值一次就会失去一个脉冲。通常情况下人们如果想知道该芯片是否损坏，就可以使用示波器查看ALE引脚有没有输出脉冲信号，如果没有输出信号的，则STC89C52芯片基本上来说是没有问题的。该引脚一共有30脚。

PSEN引脚我们可以表示为程序存储允许输出信号，在访问片外RAM时，这个引脚的输出脉冲可以作为片外ERROM/ROM的选通信号，该输出脉冲信号值为负值。STC89C52单片机在从外部ERROM/ROM读取指令的期间中，在一个周期的过程之中PSEN可以有效两次。但是STC89C52单片机在访问片外RAM时，则需要少生成两次脉冲信号，该信号的值为负值。通常的情况下我们如果要知道AT89C52系统上电后单片机到ERROM/ROM中能不能正常的读取指令码，就可以从示波器看PSEN 端有没有脉冲的输出。如果有脉冲输出的话那么就基本上能够说明AT89C52系统工作是正常。该引脚一共有29脚。

EA/VPP可以分别表示为外部程序存储器地址允许输入端的引脚和固化编程电压输入端引脚。当外部程序RAM地址允许输入端的引脚接高电平的时候，STC89C52单片机只会访问片内ERROM/ROM并执行指令。但是当STC89C52单片机的数值超过OFFFH值的时候，STC89C52单片机就将会自动转向执行片外RAM的程序。当输入的信号存储器地址允许输入端的引脚接低电平时，那么STC89C52单片机就会只访问外部ERROM/ROM并且也会执行外部程序RAM中的指令，而且并不用管单片机中是否有片内RAM程序。然而如果对于对于ROM的8031或8032单片机，因为ROM的8031或8032单片机之中没有芯片，那么我们就必须向外扩展

ERROM，那么在这个时候我们就必须将EA引脚接到地。但是如果我们使用的是有片内ROM的STC89C52单片机时，也要使EA引脚接地。该引脚一共有31脚。

I/O引脚可以表示为输入/出端口引脚，该引脚中包括P0，P1，P2，P3四个端口。P0口可以表示为一个漏极开路的八位双向输入/输出端口。

P1口可以表示为一个八位准双向输入/输出端口。

P2口不仅可以表示为地址总线输出地址高八位，而且也可以做为平常的输入/输出端口使用。

P3口可以表示为一个双功能口，该引脚不仅可以做为平常的输入/输出口用而且该输入/输出端口也可以按每位定义实现第二功能操作。详情可以从以下的表中看出来。

表1 P3口的第二功能表

我们在测量温度的时候，需要设计测温电路，那么我们就需要用到温度传感器，对于温度传感器的选择是非常之重要的，在如今的社会，人们已经研发出了很多种的温度传感器，而每种温度传感器在不同的系统之中都有其不同的优点和缺点，以下我们针对两种温度传感器进行比较，其中一种为PT100温度传感器，另一种为DS18B20温度传感器，然后我们选择一种适用于本文设计的温度传感器。