智能火灾报警器毕业设计论文(编辑修改稿)

智能火灾报警器毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

探测器发展的速度非常快，种类也在不断增多，除了在大型建筑物内部应用之外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如仪器仪表室、隧道、计算机房和电缆沟等处。 但是从另一个角度来看，比如说就其功能而言，它在 火灾发生的早期也能实现报警功能。 有时候根据报警器检测烟雾种类的不同要求，在使用条件的各种考虑下，半导体烟雾传感器对于各种场合都比较适合，在众多烟雾传感器的应用特性的对比之下，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出。 比如灵敏度高、响应快、体积小、结构简单等优良特性，而且还兼具使用方便、价格便宜等优点，并且在报警的过程中，不具有其他传感器所具备的缺陷，比如探头阻缓及中毒现象，而且在维护成本方面，也是比较低廉的，因而得到广泛应用。 因此，本设计中的烟雾传感器采用方案 2，选用 MQ2半导体气体烟雾传感器 [8]。 单片机的选型 单片机是烟雾自动报警系统最关键的一部分，并且具有多种功能，它可以用来接收火灾信号，当接收到信号之后，就会启动报警装置显示，然后执行相应的报警。 在单片机实现的控制功能中，对单片机的运算速度具有较高的要求，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，在满足报警器系统设计的计算速度要求之后，在接口功能要求相同的同类型单片机中，还要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，这是为了建立在报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础之上，还要能够考虑成本能够 足够的低廉 [9]。 由于单片机技术在各个领域里面应用的越来越广泛，所以世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在众多类型的单片机之中， MCS 系列单片机以其成熟的技术、优越的性能、高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控、自动化工程应用等大多数主流市场，成为国内单片机应用领域中的翘楚。 其中， 51 系列单片机有一些显著的优点，比如价钱便宜， I/O 口多，程序空间大。 因此，在测控操作系统中，使用 51 系列单片机是最理想的选择，因此本次毕业设计采用 STC89C52 作为设计用的单片机 [10]。 作者：舒伟 第 5 页 共 38 页 STC89C52 是一种高性能、低功耗 CMOS8 位微控制器，使用高密度非易失性存储器技术制造，在兼容性方面，工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容，并且具有 8K可编程 Flash 存储器。 片上 Flash 适于常规编程器，亦允许程序存储器在线可编程。 在单芯片上，拥有系统可编程 Flash 和灵巧的 8 位 CPU，因为具备这些条件， STC89C52可以为众多嵌入式控制应用系统提供超有效、高灵活的解决方案 [10]。 STC89C52 还具备以下标准功能： 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线， 8k 字节 Flash 定时器， 2 个数据指针，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，三个 16 位定时器 /计数器，片内晶振及时钟电路。 另外， STC89C52 可降低 0Hz 静态逻辑操作，并且支持 2 种软件可选择节电模式。 在空闲模式条件下， CPU 开始停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下，振荡器被冻结， RAM 内容被保存，单片机停止一切工作，直到下一个硬件或中断复位为止。 这是一个以单片机为中心的模块，把程序代码烧进去以后，然后在外围接上振荡电路、复位电路、 LED 显示电路、 LED显示电路、报警电路等子模块 [11]。 温度采集模块 方 案 1：在测温电路中采用 PT100 作为温度传感器。 PT100 传感器是利用铂电阻的特性来进行测温的，铂电阻具有这样的特性，它的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性，并且 PT100 传感器具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。 但它也具有一些缺点，就是使用起来比较复杂。 方案 2：采用 DS18B20 作为本次设计的温度传感器。 DS18B20 的数字温度输出通过 “ 一线 ” 总线（ 1Wire 是一种特殊的数字信号总线协议，它将独特的信号线和电源线复合在一起，仅使用一条口线；每个芯片编码都是唯一的，支持联网 寻址、还有零功耗等方面，是总线之中所需硬件连线最少的一种）这种独特的方式，可以使多个 DS18B20 方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大可能性。 它在传输距离、转换时间、测温精度、分辨率等方面相较于其他温度传感器有了更大的进步，相对于用户来讲使用更方便，而且效果也更加令人满意 [12]。 通过比较之后得出， DS18B20 可以直接输出数字温度值，不需要校正，是比较理想的选择，因此最后决定选择方案 2。 作者：舒伟 第 6 页 共 38 页 3 系统概述与硬件方案的设计 系统总体框架 烟雾报警器是能够检测环境中的烟雾浓度， 并具有报警功能的仪器。 该报警系统的最基本组成部分应包括：信号采集模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成。 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的烟雾报警器具有显示报警状态。 报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以 STC89C52 单片机为控制核心，选用 MQ2 半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度信息，配合外围电路构成烟雾报警系统。 本设计包括硬件和软件设计两个部分。 从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：烟雾检测部分、 STC89C52 单片机主控部分、报 警部分， AD 采集四大部分。 电路总体设计框图如图 2 所示： 图 2 总体设计框图 处理器采用 51 系列单片机 STC89C52。 整个系统是在系统软件控制下工作的。 设置在监测点上的烟雾检测探头将检测到的烟雾变换成电信号，送出模拟信号，给 AD采集电路采集。 在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出烟雾报警状态控制信号。 驱动蜂鸣器及报警指示灯报警 [13]。 作者：舒伟 第 7 页 共 38 页 电源模块 图 3 电源模块原理图 由于本系统采用电池供电，考虑了如下几种方案为系统供电。 方案 1：采用 5V 蓄电池为系统供电。 蓄电池具有较强的电流驱动能力以 及稳定的电压输出性能。 但是蓄电池的体积过于庞大，在报警器上使用极为不方便。 因此放弃了此方案。 方案 2：采用 4 节 V 干电池共 做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。 综上所述采用方案 2，电源模块原理图如图 3 所示，其中 P1 为电池接口， SW1为电源开关 [14]。 单片机最小系统 单片机如果需要工作起来，构成为单片机最小系统的基本构成如图 4 所示。 作者：舒伟 第 8 页 共 38 页 图 4 单片机最小系统的基本构成 单片机最小系统大致由三部分构成，第一部分包含单片机，第 二部分包含复位电路，最后一部分由时钟电路构成，这三部分每一部分都有其独立功能，能够单独工作却又互相协作。 而在 STC89C52 单片机中，它的工作电压范围在 4V到 之间，所以就需要给单片机外接一个 5V 的直流电源。 连接到单片机中的 40 脚，而单片机的 VCC 就需要接到正极 5V，另外一个 20 脚 VSS 就接到电源地端，达到所需的效果。 复位电路则是用来确定单片机的工作起始状态，而单片机的启动过程就需要复位电路来实现。 当单片机接通电源的时候，它会产生一个复位信号，用来完成单片机的启动并且确定单片机起始工作状态。 如果 单片机系统在运行的过程中，受到外界环境的干扰并且出现程序跑飞的现象时。 只要按下复位按钮，其内部的程序便会自动从头开始执行。 这种复位一般有两种方式，上电自动复位和外部按键手动复位。 单片机在时钟电路工作以后，要完成复位操作，就需要在 RESET 端持续给出 2 个机器周期，这是完成复位操作的重要条件。 本设计在两者之间采用的是外部手动按键复位电路，不过选择这个以后，则需要接上拉电阻来提高输出高电平的值。 时钟电路是单片机最重要的一部分，单片机的工作节奏由它来进行掌控。 时钟电路在另一方面来讲也可以说是振荡电路，它需要向单片 机提供一个正弦波信号作为基准，用来决定单片机的执行速度。 XTAL1 和 XTAL2 分别是反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置一个片内振荡器。 但是如果采用外部时钟源驱动器件，就不需 作者：舒伟 第 9 页 共 38 页 要外接 XTAL2。 因为一个机器周期含有 6 个状态周期，每个状态周期又含有 2 个振荡周期，所以一个机器周期共有 12 个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的话它的振荡频率就为 12MHz，一个振荡周期的时间为 1/12us[15]。 单片机的时钟电路与复位电路设计 本系统采用 STC 系统列单片机，相对于其他系列单片机来说的话，它具有更多的优点。 一般 STC 单片在资源方面也比其他单片机要多，而且它还有一个优点，执行速度快； STC 系列单片机使用串口对单片机进行烧写下载程序较为方便； STC89C52 单片机内部集成了很多复杂电路，且在抗干扰方面也具有不错的能力。 本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，分别如图 5 和图 6 所示： 图 5 时钟电路 图 6 复位电路 由于单片机为高阻态， PO 口内部不含上拉电阻，不能正常地输出高 /低电平，因而该组 I/O 口在使用时必须外接上拉电阻。 OLED 显示模块 作者：舒伟 第 10 页 共 38 页 图 7 数码管显示 显示 采用数码管显示，显示电路如图 7 所示。 声音报警模块 电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机 端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。 声音报警电路如图 8 所示。 图 8 声音报警电路图 作者：舒伟 第 11 页 共 38 页 按键控制模块 图 9 消音按键连接电路图 本电路设计了四个按键，一个设置键、一个加键、一个减键、一个紧急报警键，当遇到紧急情况时，可按下紧急报警键，蜂鸣器进行报警，消音按键连接如图 9 所示[16]。 DS18B20 接口电路 采用 DS18B20 温度传感器，其接口电路图如图 10 所示。 图 10 温度传感器接口电路图 （ 1） DS18B20 控制方法 DS18B20 有六条控制命令： 作者：舒伟 第 12 页 共 38 页 温度变化： 44H 开动 DS18B20 进行温度转换 读暂存器： BEH 仅仅占了暂存器 9 个字节内容 写暂存器：数据被 4EH 放入暂存器的 TH、 TL 字节 复制暂存器：暂存器的 TH、 TL 字节被 48H 送到 E2RAM 中 再一次调 E2RAM B8H 把 E2RAM 中的 TH、 TL 字节放到暂存器 TH、 TL 字节 读电源供电方式 B4H 开启 DS18B20 把电源供电方式的信号发送给主 CPU （ 2） DS18B20 供电方式 DS18B20 可以采用两种方式供电： 1 是采用电源供电方式，此时 DS18B20 的 1 脚连到地端， 2 脚变作信号线， 3 脚连接电源。 另一种是寄生电源供电方式，在图 所示的那样，单片机端口连上单线总线，这是为了在工作的周期之内，能够为 DS18B20时钟提供足够的电流，以方便其工作，所以可以采用一个三极管来完成上拉总线。 本设计采用电源供电方式， 口连单线总线为保证在有效的 DS18B20 时钟周期内提供足够的电流，可用一个上拉电阻和 STC89C52的。 当 DS18B20处于写存储器操作和温度 A/D 变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间所到达的极限时间为 10μ s。 实行寄生电源供电方式则 VDD 和 GND 端均需要连接地端。 由于单线制只有一根线，则对发送接收口的要求，它就必须是三状态的。 DS18B20 被主机控制之后完成温度转换就必须经过 3 个步骤： 1，初始化； 2， ROM 操作指令； 3，存储器操作指令。 4 系统软件方案的设计 系统主程序设计及流程图 自动火灾报警器的硬件系统设计结束之后，如果缺乏软件的辅助及帮助，硬件还是不能正常工作。 软件是硬件能够运动起来的重要支撑部分，控制着整个硬件系统的运行。 所以从另外一个意义来说软件对整个系统极其的重要，甚至从某种意义上说比硬件更加重要。 主程序流程图如图 11 所示。 首先要给传感器预热，因为 MQ2 型半导体电阻式烟雾传感器在不通电的情况下，它存放一段时间之后，当它再次通电，传感器不能进入工作状态，也就是说正常采集烟雾信息，需要一段时间进行预热处理。 程序初始化结束后，系统就会进入监控状态，对整个电路和环境进行一个监控作用。 作者：舒伟 第 13 页 共 38 页 在整个报警系统工作中， ADC0832 把烟雾浓度信息转换处理后，还要经过单片机来对信号进行分析处理，判断系统是否启动报警。 主程序还包括报警浓度设 定功能、LED 八段式数码管浓度字符显示功能、手动报警功能、中断子程序等，这些程序使报警器功能更加全面和完善，给用户带来更大的便利和体验 [17]。 图 11 主程序流程图 至此 ,整个多功能 MP3 系统的设计基本完成了，剩下的任务就是对该系统进行调试和测试。 5。