智能火灾报警系统(本科毕业设计)

本科毕业设计

题目基于单片机的火灾报警系统设计学生姓名

专业名称电子电气工程学院2011级通信工程指导教师

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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学位论文原创性声明

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

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。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

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)

2 总体方案设计 (2)

2.1 烟雾检测传感器选型 (3)

2.2 单片机选型 (5)

2.2.1 STC89C52单片机简介 (5)

2.2.2 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 (10)

3.4 显示模块 (11)

3.5 声音报警电路 (12)

3.6 按键控制电路 (13)

3.7 电源模块 (13)

3.8 温度传感器(DS18B20)电路 (14)

3.8.1 DSl8B20简介 (14)

3.8.2 18B20接口电路 (17)

4 系统软件的设计 (18)

5 电路的调试 (18)

6 总结评价 (19)

致谢 (20)

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 (6)

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。

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。

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。

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

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 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。

2.2.1 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。

2.2.2 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。

3引脚 RST ALE PSEN 和EA。

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。只有当STC89C52单片机在正常工作的时候，ALE引脚则会连续的向外输出脉冲信号，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。当输入的信号外部程序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/输出端口引脚，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。

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。方案1：

方案一我们选择PT100温度传感器。PT100温度传感器测量温度的时候我们通常是利用铂电阻的阻值随温度改变而变化的思路、并且这种变化会呈一定函数关系，这种温度传感器不仅具有良好的抗振动能力，而且稳定性也非常的好、精确度也非常的精确，并且这种传感器可以忍受高压。但是缺点就是这种温度传感器使用起来非常的复杂。

方案2：

方案二我们选择DS18B20温度传感器。DS18B20温度传感器的输出总线的方式是通过“一线”总线这种独特的方式。这种独特的输出总线的方式不仅可以使多个 DS18B20温度传感器可以方便地形成一个传感器网络，而且DS18B20温度传感器在测温时候的精度方面、转换时候的时间等方面相对于其他的温度传感器都有了非常大的进步。

综上所述，我们通过两种温度传感器的比较，DS18B20温度传感器不仅可以直接输出温度值，而且不需要进行过多的校正，因此，对于温度传感器的选择，我们选择DS18B20温度传感器。

3 系统的硬件电路

3.1 单片机最小系统

如果要使单片机进行正常的工作，那么构成单片机电路最基础的的就是单片机最小系统，单片机最小系统如下图所示。

图3 单片机最小系统

单片机最小系统的电路包括单片机电路、复位电路和时钟电路。

STC89C52 单片机的正常的工作电压为4V-5.5V,因此我们通常在给单片机接入电源时一般接入的为5V的直流电源。我们通常会通过单片机的电源端的VCC 引脚接入+5V电源，而单片机中的接地端的VSS引脚在通常情况下则会接地。

复位电路一般来说就是确定单片机在开始工作时的状态，即使单片机完成启动的一个过程。打开电源的开关时单片机便会产生一个复位信号，从而进一步完成启动并且进一步确定单片机的起始工作状态。当单片机系统在运行的过程之中，有时候单片机系统可能会因为某些原因从而导致死机或者跑飞的现象，通常在这个时候我们都会按下复位按钮使单片机系统中的程序从头开始执行。复位通常有两种方法其中一种为上电自动复位另一种为外部按键手动复位，一般情况下

单片机系统在时钟电路的工作之后，在复位端出连续的输出两个周期的高电平时，这时单片机系统就会完成复位操作。而在本设计之中我们所采用的复位方法是外部手动复位。

3.2 单片机的时钟电路与复位电路设计

我们在本次设计的系统之中我们采用STC89C52系列的单片机，STC89C52系列的单片机相对比其他系列的单片机来说具有很多的优点。在该单片机中不仅资源相对比其他单片机要多的很多，而且对于系统的执行速度也要快得多。STC89C52单片机内部也集成了看门狗电路，使这种单片机具有很强的抑制干扰的能力。

如下图所示为本单片机系统的时钟电路和复位电路。

图4 时钟电路图5 复位电路

由于STC89C52单片机输入/输出端口中的P0端口没有上拉电阻，表示为高电阻状态，从而并不能使STC89C52单片机正常地输出高/低电平，因此该输入/输出端口在使用的过程之中必须外接一个上拉电阻。

3.3 烟雾检测AD采集电路

我们在烟雾检测的过程之中通过采用MQ-2半导体烟雾传感器。并且经过ADC0832芯片经过采集之后便可以得到各种烟雾浓度下的信号。因此我们根据这种设计可以设计出一种理想状态下的烟雾强度报警信号。这种烟雾检测AD采集电路如下图所示：

图6 烟雾浓度采集电路

3.4 显示模块

我们在显示模块的过程之中通过数码管进行显示，显示模块的电路如下图所示：

图7 数码管显示

3.5 声音报警电路

通常情况之下声音报警电路会经过三极管基极串连一个电阻并且会与单片机之中的P3端口之中的P3.6端口进行连接，从而使单片机系统控制蜂鸣器是不是需要报警。

图8 声音报警电路图

3.6 按键控制电路

在本次设计之中我们针对本电路一共设置了四个按键，一个设置键、一个加键、一个减键、一个紧急报警键，当我们在生活中遇到紧急的情况的时候，便可以迅速按下按键之中的紧急报警键，在这个时候蜂鸣器便会进行报警。按键控制电路的电路图如下图所示：

图9 消音按键连接电路图

3.7 电源模块

因为在本次针对烟雾报警系统之中对于供电系统我们采用的事电池供电，因此我们比较了两种供电系统对本系统进行供电，它们都有各自的优缺点。

方案1：

方案一中我们使用5V蓄电池为我们所设计的系统进行供电。通常情况下蓄电池不仅具有很强大的电流驱动能力而且也具有很平稳的的电压输出的能力。但是蓄电池的缺点及时体积相对于其他供电系统太过于庞大，在小环境的报警器中使用起来相当的不方便。

方案2：

方案二中我们采用三节1.5 V的干电池互相串联那么便得到了共4.5V的干