基于单片机智能火灾报警系统的设计(毕业设计)

本科毕业设计

题目基于单片机智能火灾报警系统的设计学生姓名

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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学位论文版权使用授权书

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

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4）外文摘要、关键词

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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：

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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

基于单片机智能火灾报警系统的设计

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，随之而来的是因为电器的不当使用所引起的火灾也与日俱增，我们的国家每年因为所用电器造成的火灾而损失很多。火灾不仅带来了物品财产上的损失，也带给了我们失去亲人的悲痛。所以研制出一款针对于家庭、宿舍等小环境的火灾报警系统是非常重要的。

本次设计以传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件即可实现烟雾和温度报警等功能。设计中单片机选用STC89C52作为控制器件，传感器选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测。论文主要针对火灾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，在文章第二部分有该篇论文的总体方案设计，可设置烟雾浓度和高温报警值，当烟雾传感器检测到火灾释放的烟雾时，信号由ADC0832进行处理模数转化再到单片机进行处理，当检测到浓度超标时，蜂鸣器会发出滴滴的报警声。同时，此系统还可以检测温度，火灾发生往往环境温度会升高，当检测到温度超过设定的报警温度时候，蜂鸣器也将产生报警。第三四部分有很详细的系统软硬件的分析与讲解，还附有系统的流程图和其主控电路及外围设备电路之间的接口连接方式，最后，对系统在电路调试中出现的问题进行了分析与总结。

关键字：单片机；传感器；烟雾报警器

Design of fire alarm system for single chip computer Abstract: Along with the time progress, people more and more use of electronic equipment, whether it is family and factory use appliances are more and more, the attendant is caused by the improper use of electrical fire is also increasing, our country every year because the electricity is caused by the fire and lose a lot. Fire not only brought goods property losses, but also bring us the grief of losing loved ones. So developed a needle for families, dormitories and other small environment of the fire alarm system is very important.

The design of the sensor and single-chip microcomputer as the core design of a smoke alarm devices, with other devices can realize the temperature and smoke alarm etc. function. Design of MCU choose STC89C52 as control devices and sensors use mq-2 semiconductor combustible gas sensitive element smoke sensor to achieve smoke detection. Paper for fire alarm system in each part and function of a detailed introduction and explanation, in the article the second part is the overall design of the thesis can be set up smoke concentration and high temperature alarm value, when the smoke sensor to detect fires release smoke, signal by ADC0832 were processing analog-to-digital conversion to single chip to carry on processing, when the detected exceeding, the buzzer will drop the issue alarm sound. At the same time, the system can detect the temperature, fires often environmental temperature will rise. When the detected temperature exceeds the set temperature alarm, buzzer will also generate an alarm. The third part has a very detailed analysis of the software and hardware of the system and explain the, is accompanied by the interface between the flow chart of the system and its main control circuit and peripheral circuit connection mode. Finally, the problems appeared in system debugging of circuit are analyzed and summarized.

Key words: sensor ; MCU ; The smoke alarm

目录

一毕设正文 (1)

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 (3)

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 (5)

2.3.2 单片机的引脚功能描述 (6)

2.3.3 温度采集模块 (8)

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 (9)

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 (11)

3.6 按键控制电路 (12)

3.7 电源模块 (12)

3.8 温度传感器(DS18B20)电路 (13)

3.8.1 DSl8B20简介 (13)

3.8.2 18B20接口电路 (16)

4 系统软件的设计及流程图 (17)

5 电路调试中遇到的问题及总结 (18)

参考文献 (19)

谢辞 (20)

二附录 (21)

1 总体原理图设计 (22)

2 部分程序源代码 (23)

3 实物图 (34)

4 开题报告 (35)

5 结题报告 (36)

6 答辩报告 (37)

一毕设正文

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，在我们生活中各个方面都有着或多或少的应用。[1]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。生产出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两大类。其中包括民用烟雾报警器和工业用烟雾报警器。[2]

(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。

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。[3]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。

1.3 烟雾报警器的发展趋势

如今社会发展速度越来越快，我们的社会伴随者电子技术、计算机技术、通信技术和现代控制技术的快速发展。

但是在当前的社会，各种各样的烟雾自动报警系统之中也存在着非常多的问题。一方面为烟雾自动报警系统的通讯协议不一致的问题另一方面是是系统误报和漏报频繁的问题，而且有的烟雾自动报警系统智能化程度非常的低，也有的烟雾自动报警系统网络化程度非常的低。所以针对以上的这些问题，我们应该在国家消防规范的基础之下，提出各种烟雾自动报警系统应当采用统一的开放的通讯协议。而且针对烟雾自动报警系统性价比的问题，我们应当研究新技术、应用新工艺，不断地改进它们的的工作性能、而且我们还应该尽可能的减少维护费用和维护要求。使烟雾自动报警系统向着更高的可靠性更高的灵敏性等方向发展。使烟雾自动报警系统可更好的预防和遏制火灾，以求对人们的生命安全和国家的财产安全起到更大的作用。

2 总体方案设计

烟雾报警器不仅可以监测出其所处工作环境之中产生的烟雾的浓度，并且当

烟雾的浓度超过所设定值时便会产生报警。

人们在研发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。[4]并且人们所设计的这种报警器采用的是延时的工作方式，并以STC89C52单片机为监控核心，采用MQ-2传感器用来收集气体浓度，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。[5]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 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

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。[6]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。[7]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

烟雾传感器是众多模拟传感器之中的一种传感器。烟雾传感器在生活中实际应用的过程中本身就是当检测到烟雾时探头的内部的一些电阻元件的阻值就会发生变化，并且此时烟雾探头的内部会产生一个模拟信号并向单片机系统发送与烟雾浓度相应的模拟信号。多数情况下，烟雾传感器就是通过这种方式来检测火灾并进行预防的。[8]

随着我们社会的不断发展，烟雾传感器的生产水平也随着社会的发展不断地提高。随着传感器技术不仅趋于小型化、而且集成度还在不断的增大，不仅使的烟雾探测器很方便携带，而且针对生产、运输等方面问题更加的方便。

烟检测警报不同种类的条件，多数情况下，半导体烟传感器，可以使用的选择。烟雾感知器的很多应用软件的特性进行比较后，烟雾感知器是因为半导体的更诱人的利益被发现了。[9]半导体烟雾感知器构造简单、体积小、高速高感度、响应性较低、方便使用，被毒抵抗条状或腐蚀，维护费用低廉。因此，广泛适用MQ- 2半导体气体烟雾感知器的设计。

国产商品烟雾探测仪的生产也会发生火灾比较高的灵敏度，不过，安装中得很顺利。但是带来的生产设备，互相不能相互沟通是独立的是不现实的。很多不同制造企业的不同，会制造的探测器所面临的网民将损失。

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，是核心系统。需要我们所使用的单片机的运算速度很大，因为这样才可以使检测人员和用户在火灾发生时可以及时地观测烟雾浓度的等级，并进行相应处理。同时，我们在众多能够满足这种要求的单片机中，在性价比方面也非常的重要。

2.3.1 STC89C52单片机简介

STC89C52是低耗电量的高性能cmos 8位微控制器，高密度非发性内存制造技术的使用。业内标准的80c51命令部署的兼容性，编程将从原来的闪烁内存项目,不利项目出发。单曲芯片，在通用性高的8个CPU系统程序的闪光。很多

嵌入控制应用软件系统非常实用效果的解决方案提供的STC89C52。闪光的8 k

刀具、256刀具的内存,32个i / o线路、由2个数据指示灯的3个16位并向联动,6向量2水平的插队式结构、STC89C52振器及时钟电路。[10]另外，STC89C552在0赫兹开始静态逻辑运算，并可以对两软件中选择的省电显示模式的支持。CPU 采用动作，而内存并向联动了连环接口的超车的许可过程。电保护方法关断，使振器硬件重新启动，所有工作微控制器被保存。该模块中，周围有复位电路，亮度led控制，键盘手电路，电路显示登录模块电路警报。

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。在单片机工作之中，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，而该电路的频率可以表示为晶体固有的频率。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)控制信号脚 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。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。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用来判断STC89C52单片机是否有问题。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。通常的情况下我们如果要知道AT89C52系统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。[11] 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。在这个时候我们就必须将EA引脚接到地。该引脚一共有31脚。

4)I/O（输入/输出端口，P0，P1，P2，P3）

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。[12]

详情可以从以下的表中看出来。

表2-1 P3口的第二功能表

2.3.3 温度采集模块

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。

方案1：

方案一我们选择PT100温度传感器。该传感器测量温度是利用铂电阻的阻值随温度改变而变化的思路,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受高压。[13]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。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。

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。[14]

图3 单片机最小系统

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。[15]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。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。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。[16]

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。[17]