只能火灾报警系统

广西科技大学 毕业（论文）说明书 课题名称 智能火灾探测器设计 系 别 电气与信息工程学院 专 业 自动化 班 级 093班 学 号 20090030000 姓 名 邓忠情 指导教师 蓝会立 2013年 5月20日 摘要 随着经济建设的发展，人民生活的水平的不断提高，物质生活也变得丰富多彩，同时也为火灾带来了巨大的隐患。智能火灾报警系统能自动探测火灾的隐患，从而自动报警通知相关人员进行处理，因此智能火灾报警系统以成为了保护人民生命财物比不可少的装置。 本文设计研究了以STC12C5A60S2增强型单片机为主控芯片，以MQ-2电阻式烟雾传感器、DS18B20温度传感器为火灾探测元器件，整合了GSM技术作为报警途径，诺基亚5110的显示模块设计出一种技术水平较好的实时监控火灾报警器。该报警系统通过串口通讯实现了与上位机的软件的通讯，上位机简单、舒适、大方的界面设计，方便操作者的操作。通过上位机，监控者既可以实时检测现场环境的温度，烟雾浓度情况，还可以修改里面的预定报警阀值，因为不同的气候，不同的场合报警阀值可能稍有不同，使本系统适应性更强。其中选用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，选用DS18B20对环境温度的监测 ，当发生火灾时，一方面利用GSM模块向预留的电话号码发短信以通知有关人员，还可以通过串口通知上位机，使上位机产生报警信号。具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、智能化的烟雾报警器。 近年来，在医疗、空气净化、家用燃气和热水等方面，得到了广泛应用。 关键词 火灾探测器； GSM技术； 火灾报警； Abstract With the development of economic construction and people's living standard continues to improve, the material life more colorful, but also for the fire brought a huge risk. Intelligent fire alarm system can automatically detect a fire hazard to automatic alarm to notify the relevant personnel for processing, intelligent fire alarm system has become a device to protect people's lives and property than the essential. This design study to STC12C5A60S2 enhanced microcontroller as the master chip, MQ-2 resistance-type smoke sensor, DS18B20 temperature sensor for fire detection components, the integration of GSM technology as an alarm channels, Nokia 5110 display module design a technique better level of real-time monitoring of fire alarm. The alarm system via the serial port communication, the PC and the PC software is simple, comfortable, and elegant interface design, to facilitate the operation of the operator. Through the host computer, monitor, either the real-time detection of the temperature of the environment of the scene, smoke concentrations, can also modify the inside of a predetermined alarm threshold, because of the different climate, different occasions alarm threshold may be slightly different, so that the system suitability stronger. Selection of MQ-2-type semiconductor combustible gas sensors smoke sensor smoke detection, the choice of DS18B20 monitoring the ambient temperature, in the event of a fire, on the one hand, the use of telephone numbers reserved by the GSM module to send text messages to notify the staff, but also notify the host computer through the serial port, the host computer to generate an alarm signal. Has the advantages of high sensitivity, fast response, anti-interference ability, and low prices, long service life. Is a simple structure, stable performance, easy to use, intelligent smoke alarm. In recent years, medical treatment, air purification, domestic gas and hot water, has been widely used. Keywords : fire detectors ; GSM technology ; fire alarm; 目录 I 摘要 IIAbstract II目录 1第1章 绪论 11.1 课题背景 11.2 火灾报警器的发展历程 21.3 本设计研究的目的及主要内容 4第2章 系统设计 42.1 方案的比较与选择 42.2 智能火灾探测器的整体方案 62.3 各个功能模块选择 62.3.1 下位机主控芯片选择 62.3.2 火灾探测器的选择 72.3.3 LCD液晶选择 72.3.4 A/D转换芯片选择 82.3.4 存取芯片的选择 9第3章 智能火灾探测器硬件设计 93.1 下位机51单片机最小系统设计 93.1.1 STC12C5A60S2单片机特点 93.1.2 时钟及复位电路设计 113.1.3 单片机最小系统电路图 113.2 烟雾传感器电路设计 133.3 温度传感器电路设计 143.4 显示电路设计 143.5 报警电路设计 143.5.1 声光报警电路设计 153.5.2 GSM 电路设计 163.6 串口通信 17第4章 智能火灾探测器软件设计 174.1 上位机软件设计 174.2 下位机软件设计 194.2.1 烟雾温度探测器程序设计 204.2.2 温度采集子程序设计 214.2.3 烟雾采集子程序设计 214.2.4 按键处理子程序设计 224.2.5 报警处理子程序设计 234.2.6 串口处理程序设计 244.2.7 EEPROM程序设计 244.2.8 LCD液晶显示子程序设计 27第5章 系统的调试 30第6章 总结与 31致谢 32参考文献 33附录一： 智能火灾探测器总原理图 34附录二： 智能火灾探测器上位机界面和实物图： 第1章 绪论 1.1 课题背景 随着经济建设的发展，人民生活的水平的不断提高，物质生活也变得丰富多彩，同时也为火灾带来了巨大的隐患。据统计，在各种自然灾害中，火灾发生的频率算是非常高的了在各种灾害中，火灾被称为是世界上发生频率较高的一种灾害，差不多每天都有火灾发生。“世界火灾统计中心(WFSC)2000统计资料”中说到“全球每年大约发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000至75000人。” 从上世纪90年代以来，我国经济不断快速地发展，城市化建设的脚步飞速发展，城市建筑以前是分散式低密度型的居多，也慢慢过渡到集中式高密型。城市的主要的标志是林立的高层建筑。随着经济的发展，一栋栋的摩天大楼拔地而起，一座座的的高层塔楼，也顺势而立。 高层建筑的有点是节约了紧缺的土地资源，因为它充分高效利用空间。尽管如此，但高层建筑中各种电话、网络等通讯线路、路灯居民家用线路、以及各种系统中线路纵横交错，这也是引起火灾的致命原因。此外由于现代建筑的密闭性一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成不可弥损失与伤害：整幢大楼仿佛一个巨大的火炉，而往日里各个楼梯道、各种通风管道、各种线路恰恰成为了火筒，从而增加了灭火营救的难度，因此对火灾的探测，及时自动报警，通知相关人员，及时控制的要求使火灾报警系统呼之欲出了。此外，随着现代计算机控制技术、通讯网络技术和自动控制技术的快速发展，这使得人类实现更加理想化的生活水平成为了可能．火灾报警系统渐渐升级到了智能化。智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理和控制于一体的控制系统，代表了当前、未来的火灾报警系统的发展方向。 目前市场上迫切需要的是一种可靠性高，稳定性强、体积小便于安装便于维护的智能型火灾报警系统。 1.2 火灾报警器的发展历程 从无到有、从简单到复杂的、智能化程度也越来越高，这就是我国的火灾自动报警控制系统经历了发展过程，从整体来说大概分三个阶段： 第一阶段：多线型火灾自动报警系统。这种报警系统的特点是，每个探测器只需三根线两根电源线，加上一个报警信号线，探测器的两根电源线接在报警器上，探测器的报警信号线都连接到显示盘上，作为报警指示，报警时，相应的灯被点亮，如CPF火灾报警系统，该报警系统以报警为主，辅加一些驱动警铃，是日本“日探”公司生产的。该报警系统的缺点是校线工作量较大，安装此类系统比较繁琐。 第二阶段：总线型火灾自动报警系统。这种报警系统最大的特点是开始采用微控制器控制，该类系统可进行现场编程，可是实现复杂的控制常有四线制、三线制和两线制接线方式，。其探测器的报警形式为开关量，因为采用了地址编码，所以探测器和相关模块可以通过总线与控制器相连，实现信号传送。在我国，现在此类智能报警系统被运用的比较广泛 ，因为它不仅具有报警还具有控制功能呢，它的施工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用 第三阶段：智能型火灾自动报警系统。此种智能报警系统的特点是智能化程度大大提高，因为引入了先进的计算机控制技术。其探测器输出的是数字量，然后可以直接和计算机相连，可通过软件可根据需要进行相应的调整，大大提升了它的适应性和提高了它的稳定性、减少误报率。 国外一些较发达的国家，如德国、日本、美国等国家局对火灾预防、火灾报警、火灾扑救等有较完善的设计和解决方案。他们采用计算机与传感器（装在用户终端）或者信号采集器，这样就可以实现对火灾自动报警设备实时监控和故障的传输。 英国、美国、日本、加拿大、澳大利亚等国家在火灾自动报警监控系统方面均获得了成功的实验，这些都值得我们借鉴。 他们与消防指挥中心联系起来，将自动火灾报警以公共报警的方式接入消防监控系统，这样就能准确判断火灾地点、火灾类型，然后跳读消防部队进行灭火，从中可以看书自动报警监控系统的重要作用了。 有一点我们需要知道的就是：这些国家专门成立一个为用户服务、对用户负责的，保证火灾报警信息流畅的监控服务机构 。从而减轻了消防部门的任务，他们主要对相关机构进行审查和监督管理。 而相比我们国家，我国火灾报警系统起步比较晚，从上世纪 70 年代我们国家才开始对火灾报警系统的研究，然后生产品。进入 80 年代后，我们国家比较流行的是模仿国外产品，或是从国外引进先进的技术进行生产，但是没有从根本上领悟国外的核心技术，此时火灾产品的市场也刚刚开始发展。进入90 年代以后 ，随着政府逐渐开放国门 ，火灾报警产品才算真正地发展。国外先进的企业开始进入我们的国内市场，不仅冲击了我们原本的消防市场，同时也带了了先进的技术，不仅刺激了国的市场渐渐走向成熟，还使我国的相关企业也得到了飞快发展，他们进行了合资生产、技术合作，取得了巨大的成功，仅如此，我国的生产火灾报警技术部分已接近或赶上了国际水平。 1.3 本设计研究的目的及主要内容 本设计分为上位机系统设计和下位机系统设计。上位机与下位机通过串口通讯实现数据的交换，上位机主要是界面的设计为主，为用户提供一个简单、舒适、大方的界面，方便操作者的操作。通过上位机，监控者既可以实时检测现场环境的温度，烟雾浓度情况，还可以修改里面的预定报警阀值，因为不同的气候，不同的场合报警阀值可能稍有不同，使本系统适应性更强。下位机系统是火灾报警系统的中枢，火灾报警系统中涉及的数据的采集、保存、处理、火灾的判断以及报警都在下位机系统里面进行，它以stc12c5a60s2增强型单片机为主控芯片，以MQ-2电阻式烟雾传感器、DS18B20温度传感器作为火灾的检测，以及以GSM技术作为报警的途径，加上诺基亚5110显示屏实时显示环境的信息，构成了下位机系统，实现对火灾监测，自动报警等功能。 本设计研究的目的是开发出一套操作简单、智能的、稳定性高、报警准确的火灾报警器，保护人们生命财产，提升人们的生活水平。本设计中选用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，选用DS18B20对环境温度的实时监测，烟雾温度传感器的结合使用，代替了传统单一的传感器检测，在报警准确度上有了很大的提高，与上位机结合显示屏，方便操作者使用. 第2章 系统方案设计 2.1 方案的比较与选择 在传统的火灾报警器设计中，重点与难点在于对火灾的发生的检测与判断是否准确，是否产生误报。在火灾发生的时候，一般会伴有明亮的火光和大量的烟雾，同时使周围的环境温度迅速升高，所以一般对火灾的检测有如下三种方案： 方案一：感烟探测器，就是一种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。通过检测烟雾的浓度的异常，从而判断火灾的发生，因为在火灾发生的时候会伴有大量的烟雾。 方案二：温度传感器，温度传感器，会随着温度的升高而产生相应的变化或电阻变化或两端电动势发生变化。所以利用温度传感器，当火灾放生时，会释放大量的热量，从而使周围的环境温度升高，当温度传感器检测温度升高超过某个值时，就判断发生火灾。 方案三：光辐射探测器。一种是红外光辐射探测器。物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路，产生报警信号。 分析：烟雾和温度的检测是最容易实现的，况且抗干扰能力也强，所以在本设计中，采用烟雾传感器和温度传感器结合，在火灾发生的时候，只要两个传感器中任一个检测到现场环境异常时，就产生报警信号，这样提高了火灾报警系统的灵敏度，与准确度，增强了它的稳定性与适应性。 2.2 智能火灾探测器的整体方案 本设计的智能火灾报警器由上位机系统和下位机系统两部分组成，上位机和下位机通过串口通讯实现主从通讯控制模式，通过上位机可以实现对现场环境的监控。下位机采用了微控制器技术，不仅实现了现场的操作，也支持通过上位机远程控制的功能。系统整体框架如图2.1。 上位机主要是为下位机提供了一个远程控制的软件设计，上位机设计出一个简单、方便、明了的界面，主要有现场温度和现场烟雾浓度的实时显示，报警温度和烟雾浓度的显示，和预留在系统里面报警时将要发送短信给目标电话号码的显示。此外上位机还能修改里面相关的数据，实现了远程的控制功能。为了体现实时性，上位机不断地监听等待下位机从现场检测回来的发送给它的数据，更方便监控人员的监控。上位机系统图如图2.2所示： 图2.1系统整体框架图 图2.2 上位机系统框架图 下位机系统以STC12C5A60S2为控制芯片，由烟雾传感器、温度传感器、LCD液晶显示模块、声光报警器组成、串口通讯模块、GSM模块组成和EEPROM存取模块组成。下位机系统框架如图2.3所示. 图2.3 下位机系统框架图 单片机是整个报警系统的核心，系统的工作原理是：先通过传感器 (包括温感和烟感)将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，调理电路将传感器输出的电信号进行调理(放大、滤波等)，使之满足A /D转换的要求 ,最后由A /D转换电路 ,完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。如果发生火灾，，报警器监测到火灾信息后，除了在火灾现场产生声光报警信号外，还需要将火灾信息按事先预留的电话号码自动发短信通知单位有关人员，为此，系统设计了单片机与GSM通讯模块，迅速产生声光报警信号，并按事先预留的电话号码自动发短信通知单位有关负责人。另外下位机通过串口，定时器产生中断每隔一段时间给上位机发送现场环境的信息，这样就大大提高了系统的智能化程度、和实时性，并且系统所测结果的精度很高。该方案比较实用，技术也比较成熟，普及程度比较高。 2.3 各个功能模块选择 2.3.1 下位机主控芯片选择 方案一：传统8051单片机是高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器，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。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线。 方案二：增强型STC12C5A60S2单片机，是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、抗强干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容于传统8051单片机，但速度快8到12倍，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，内部集成有10、12位AD转换电路，且有1280RAM,64K字节eeprom.符合本次设计要求。 分析：考虑到增强型STC12C5A60S2单片机，兼容于传统8051单片机，且相比之下它虽然具有高速，低功耗的特点内部集成有AD转换电路与64Keeprom存取空间，采用该芯片省去了许多外围电路，易于硬件的设计且编程简单容易实现，因此采用STC12C5A60S2单片机。 2.3.2 火灾探测器的选择 2.3.2.1 温度传感器 在本设计中感温探测器主要是利用热敏元件来探测火灾。在火灾初始阶段，除有大量烟雾产生外，物质在燃烧过程中会释放出大量的热量，周围环境温度急剧上升，探测器中热敏元件的阻值随温差发生变化，从而将温度信号转变成电信号，并进行报警处理。 方案一：ds18b20数字温度传感器接线方便，测温范围 －55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃，编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。 方案二：采用热电偶传感器，热电偶传感的原理是将温度变化转换为电势变化。它是利用两种不同材料的金属连接在一起，构成的具有热电效应原理的一种感温元件。其优点为精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便，型号种类比较多且技术成熟等。目前广泛应用于工业与民用产品中。热电偶传感器的种类很多，在选择时必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件。 分析：考虑到DS18B20是数字型单总线数字温度传感器，输出的直接就是数字信号，直接可以和单片机相连，测量结果直接输出数字温度信号，以"一 线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力，具有接线简单易于实现，所以选方案二。 2.3.2.2 烟雾传感器 方案一：烟雾传感器选用了NIS-09C烟雾传感器，它是日本NEMOTO公司专为检测烟雾而精心设计的新型传感器。NIS-09C是离子式烟雾传感器，内部使用了微量的放射性物质镅241，但传感器本身被金属制电极所覆盖，放射能决不会泄露。NIS-09C属于低功耗广普型传感器，适用于各种高灵敏度烟雾探测器、火灾报警器。 方案二：MQ-2是旁热式结构半导体式可燃气体敏感元件，其特点有：广泛的探测范围，高灵敏度，快速响应恢复，优异的稳定性，寿命长，简单的驱动电路等，可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置， 适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测. 分析：考虑到NIS-09C是日本NEMOTO公司专为检测烟雾而精心设计的新型传感器，价格昂贵，而MQ-2也是高精度的烟雾，有害气体的探测器，而且价格经济实惠，因此选用方案二. 2.3.3 LCD液晶选择 方案一：LCD1602, 它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。符合本次设计要求。 方案二：Nokia5110 是8*48的点阵LCD，可以显示中英文字体采用串行接口与主处理器进行通讯，接口信号线数量大幅度减少，传输速度高达4Mbps,可全速写入数据，无等待时间。 分析：采用LCD1602显示的数据少，需要轮番显示增加编程难度，此外采用LCD1602，站的I/O口过多，因此采用Nokia5110，节省I/O口,编程简单，易于实现。 2.3.4 A/D转换芯片选择 方案一：选择TLC2543A/D转换芯片，TLC2543是12位开关电容型逐次逼近模数转换器，它是是德州仪器公司生产的，仅需要三个控制输入端，所以采用简单的3线SPI串行接口就可以很方便地与单片机进行连接，它是12位数据采集的A/D转换芯片的最理想的选择器件之一，满足本设计要求。 方案二：STC12C5A60S2单片机带有A/D转换口在P1口，有8路10为高速A/D转换器，速度可达到250KHz(25万次/秒)。该单片机的ADC是逐次比较型ADC，逐次比较型ADC具有比较速度快，功耗低等优点本设计中仅需要一路AD转换，对于本设计来说，10位A/D转换足以满足设计要求。 分析：如果采用TLC2543会不仅会增加外围电路的设计难度还会增加附加的成本，因此采用方案二，选用STC12C5A60S2单片机内部A/D转化器。节省了很多外围电路，具有易于实现，抗干扰能力强， 2.3.4 存取芯片的选择 方案一：AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM， 内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02有一个16字节页写缓冲器。该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。符合本次设计要求。 方案二：直接利用单片机里面的EEPROM，STC12C5A60S2单片机集成了EEPROM，且是与程序控件是分开的。符合程序要求。 分析：如果采用AT24C02，不仅会增加而外的成本，还会增加外围的电路。所赐选择方案二。 第3章 智能火灾探测器硬件设计 3.1 下位机51单片机最小系统设计 3.1.1 STC12C5A60S2单片机特点 本设计中选用增强型STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2单片机指令代码兼容传统的8051单片机，但指令运行速度比传统51单片机快8-12倍。它是宏基科技生产的单时钟机器周期，具有高速、低功耗、超强抗烦扰等优点。 1.内部集成了MAX810复位电路。 2. 40个同有I/0口，每个I/O口 ,都有准双向 /若上啦、强推挽/强上拉、开漏和仅为输入等四种模式，且各个I/O口驱动能力平均可达到20mA。 3. 内部自带A/D转换功能，达到10位的精度，总共有8路，A/D的转换速度可达到250K/S。 4. 超大容量的用户程序空间，可达到64K。 5. 共4个定时器，都可设置成16位的计数方式。。 6. 外部中断源可达7路，除了兼容传统的下降沿或低电平触发外，还增加了上升沿中断，睡眠模式下的外部唤醒中断。 7. 有双串口。 8. 内部集成EEPROM功能。 9. 外部掉电检测电路。 10. 内部集合了看门狗电路，不需外加“看门狗”电路，降低成本的同时使系统的程序运行更加稳定。 STC12C5A60S2单片机引脚分布图如图3.1。 3.1.2 时钟及复位电路设计 (1) 时钟电路设计 时钟被称作单片机的心脏，单片机的每个指令能擘肌分理地正是由于有了这个心脏的带动下，它内部各部分都以时钟频率为基准，所以时钟频率直接决定了单片机的运算速度，当然时钟电路的设计也对单片机系统的稳定性有直接联系。通常单片机的时钟可以由内部时钟提供也可有外部时钟提高。 STC12C5A60S2单片机内部集合有R/C振荡器时钟，室温下能达到11--17MHz，XTAL1和XTAL2引脚都悬空，在烧录程序时做相应设置就能使用内部时钟，但是内部的时钟，不稳定，在时钟需求精度高的场合，最好使用外部有源晶振。本设计中串口通讯需要的时钟要有一定精度要求，设计中采用11.0592MHz的晶振,为的是方便长生9600的波特率，电路图如图3.2所示。 3.1 STC12C5A60S2单片机引脚图 图3.2 时钟电路 (2) 复位电路设计 在设计单片机应用系统时，必须了解单片机的复位状态。因为单片机应用系统工作 时，会经常进入复位工作状态。应用系统的复为状态与单片机的复位状态有关。单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟电路工作之后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平时，单片机便实现状态复位。 a 外部复位电路 AT89C52单片机通常采用两种方式，分别是上电自动复位和按钮复位。在本设计中采用如图2-3所示的复位电路。它的原理是上电瞬间利用RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，然后电容缓慢放电，只要RESET端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效地复位了。 b 内部复位电路 STC12C560AS2单片机内部集成了看门狗-----软复位电路，看门狗,其实是一个定时器电路，它又被称为又被称为 watchdog timer,所谓定时就是每隔一定时间就给它的输入端输入高电平,也就是“喂狗”,就能保证MCU正常工作了，如果超过了时间没有给它喂狗，STC12C560AS2单片机就会复位，使程序跑回圆点重新开始防止单片机死机. 看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞，这就保证了系统程序运行的稳定性。 本设计硬件中采用上电复位方式电路设计电3-3所示，，软件中增加看门狗复位电路设计，保证了系统程序运行的稳定性。单片机最小系统如图3.3所示。 3.1.3 单片机最小系统电路图 单片机最小系统电路图如图3.4所示： 图3.3 复位电路 图3.4 单片机最小系统 3.2 烟雾传感器电路设计 MQ-2型属于表面离子式N型半导体。当处于200~300C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。 遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。 MQ-2的结构图以及实物图： 图3.5传感器MQ-2结构图 图3.6传感器MQ-2实物图 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标 (1) MQ-2型传感器的一般特点 (a)MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。 (b)MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。 ©MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。 (d)电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。 (2) MQ-2型传感器的特性参数 (a)回路电压：(Vc) 5~24V (b)取样电阻：(RL) 0.1~20K (c)加热电压：(VH)5±0.2V (d)加热功率：(P)约750mW (e)灵敏度：以甲烷为例R0(air)/RS (0.1%CH4)＞5 (f)响应时间：Tres＜10秒 (g)恢复时间：Trec＜30秒2.3.3 在本设计中，由于烟雾传感器检测出来的信号很微弱，所以必须经过放大，考虑到经过LM324是片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流且与电源电压无关，四个运放一致性好 LM324构成一个同相比例放大器，根据Vo=(1+R15/R14)Vi,所以放大倍数约50倍，然后经过一个电压跟随器接入单片机P1.0（A/D0）口。在本设计中增加一个电压跟随器，起到模/数字信号隔离的作用，提高了转换精度，抗干扰能力强。电路设计如图3.7所示。 图3.7 烟雾传感器接线图 3.3 温度传感器电路设计 DS18B20的特性：测量温度范围是 -55°C~+125°C，特别在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。DS1822的精度较差为± 2°C 。DS18B20以“一线总线”的数字方式传输，单总线的优点是：接线简单，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 DS1820 、DS18B20、 DS1822 、一样都支持“一线总线”接口。DS1822与 DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。DS18B20的性能是新一代产品中最好的。 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。由于每个DS18B20都有一个独特的64位序列号，因此多个DS18B20连接在一个总线上，都是被允许的。这就可以用一个微控制器去控制多个DS18B20，提高了监测的范围。DS18B20的管脚名称如下： GND为电源地。2、DQ为数字信号输入/输出端。3、VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。如图3.8和图3.9所示： 图3.8 DS18B20引脚图 图3.9 实物图 由于DS18B20S是单总线通讯模式，所以单片机是主机，DS18B20S是从机接线方式。在本设计中将DS18B20S输出的是数字输入、输出管脚接一个10K的上拉电阻到VCC，同时直接连接到单片机P0.2端口。电路如图3.10所示图： 3.4 显示电路设计 Nokia5110是8*48的点阵LCD，可以显示中英文字体采用串行接口与主处理器进行通讯协议，接口信号线数量大幅度减少，传输速度高达4Mbps,可全速写入数据，无等待时间。它采用PCD8544驱动，PCD8544是一块低功耗的CMOS LCD控制驱动器，设计为驱动48行84列的图形显示。所有必须的显示功能集成在一块芯片上，包括LCD电压及偏置电压发生器，只须很少外部元件且功耗小。PCD8544与微控制器的接口使用串行总线，在本设计中Nokia5110已经模块化，只需连接5根线到单片机即可，分别是将Nokia5110模块的RST、DC、CLK、CE、DIN直接连接到单片机的P2.7、P2.6、P2.5、P2.4、P2.3引脚。电路图如图3.11所示。 图3.10 温度传感器电路图 图3.11 温度传感器电路图 3.5 报警电路设计 3.5.1 声光报警电路设计 报警电路实现的是当环境温度值超过系统设置的上限值或检测到环境的烟雾浓度大于设定值时，都将通过I/O 口驱动蜂鸣器和发光二极管，进行声光报警。而单片机I/O 口输出的电流无法直接驱动蜂鸣器，所以设计了蜂鸣器驱动电路，具体电路连接如图3.12所示： 图3.12 声光报警电路图 3.5.2 GSM 电路设计 TC35/TC35I短信模块是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM短信模块。在GSM网络日臻完善的今天，TC35/TC35I短信模块秉承了西门子一贯的优秀品质，它易于集成，使用它您可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。在远程监控和无线公话以及无线POS终端等领域您都能看到TC35I短信模块无线模块在发挥作用，使用它是您产品质量和性能的 技术特点 TC35/TC35I短信模块体积小、重量轻、低功耗、支持数据、语音、短消息和传真、SIM 应用工具包、AT 命令集控制R&TTE 认证、GCF认证、SMS：MT/MO/CB/PDU模式。音频: 最高速率，升级最高速率和半速率，便于集成。 在本设计中TC35I与单片机直接相连，它们直接通过串口实现通讯，TC35I的RXD0接到单片机的TXD管脚，TC35I的TXD0接到单片机的RXD管脚，接线图如图3.13所示： 图3.13 TC35I硬件电路图 3.6 串口通信 串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。 串行通信的主要功能是实现单片机与PC机的数据交换，当需要修改预存的电话号码时或进行数据记录、数据统计、数据分析的时候，可以把数据发送给上位机，使用上位机进行数据处理，并且将数据处理的结果又发送给单片机[5]。这样可以大大提高系统数据处理速度，还可以方便的对单片机进行控制。计算机与外界的数据传送大部分都是串行的，其传送距离可以从几米到几千米。串行口通信原理图如图3.14所示： 串口电路图 第4章 智能火灾探测器软件设计 根据本设计的硬件电路的特点，本设计分为两大部分，分别是上位机软件设计和下位机软件设计。上位机与下位机之间通过串口通讯实现数据的传递。 上位机软件设计：上位机主要是提供的是简洁操作界面，便监控者的操作与监控。下位机间隔一段时间，发送数据给上位机，上位机以简洁的方式显示现场的温度，烟雾浓度，以及报警温度阀值和报警烟雾浓度值，还能显示预留在内部的报警电话号码。通过上位机，还能修改存取在下位机的报警烟雾温度阀值，以及电话号码。 下位机软件设计：下位机主要由烟雾检测模块，温度检测模块，串口通讯模块，GSM通讯模块，LCD液晶显示模块，按键处理模块，掉电保存模块构成。本设计通过烟雾检测模块、温度检测模块检测对现场的温度烟雾浓度进行数据实时采集，并送到单片机进行数据处理，再送到LCD显示，以及上位机监控站， 同时判断现场是否发生火灾，如果发生火灾时，就会发生声光报警信号（LED灯闪亮，蜂鸣器鸣叫）警报，同时单片机通过GSM模块向预存号码发短信通知相关人员，进行灭火操作。 4.1 上位机软件设计 本设计中，采用PC机作为上位机的控制，上位机通过串口与下位机通讯，为了方便操作者上位机设计出了一种间接明了的操作界面，面上能显示的内容有显示现场的温度，烟雾浓度，以及报警温度阀值和报警烟雾浓度值，和预存报警的电话号码，当发生火灾时，下位机通过串口通知上位机，产生相应的报警信号，来通知有关监控人员进行处理。程序图如图4.1所示。 4.2 下位机软件设计 在本设计中，下位机是整个设计的核心，它独立完成现场环境的温度、烟雾浓度的采集和处理，然后进行报警的判断，并进行相关的报警处理，同时还每隔一段时间向上位机发送现场的信息，让上位机实时显示现场环境的温度和烟雾浓度情况。 为了充分合理利用51单片机的内部资源，为了提高本系统的灵敏度，缩短响应时间,本单片机设计中用定时器0来产生的中断服务子函数用于下位机向上位机发送现场实时数据和LCD屏幕的刷新，定时器1定时产生的中断服务子函数用来检测现场温度，烟雾浓度，STC12C560AS2增加了一个定时器3用来产生串口通讯波特率。看门狗的使用，本设计中使用了STC12C560AS2内部的看门狗，是为了保证程序运行出现异常时，而软件复位，提高系统的稳定性。 具体流程是：主函数入口，定时器初始化（开定时器中0产生200ms中断，定时器1产生10ms中断，两个定时器设置方式1），然后看门狗初始化，定时间隔时间大概1s，然后就是其她初始化（包括ds18b20初始化、LCD液晶初始化和各个参数的初始化），然后进入死循环：调用按键子程序，然后判断是否发生火灾（通过才接现场的数据与阀值比较，判断火灾的发生），如果发生火灾的话就调用报警处理子函数。最后喂狗。流程图如图4.2。 本设计中用定时器0产生200ms中断，来刷新屏幕，同时向上位机采集回来的现场数据。具体流程是：定时器0中断服务程序入口，定时重新赋值，LCD显示，然后串口发送数据给上位机，流程图如图4.3所示 图4.1 上位机程序流程图 图4.2主程序流程图 图4.3 定时器0 中断服务程序流程图 4.2.1 烟雾温度探测器程序设计 数据采集是本火灾报警系统中的重要环节。本设计进行了多次数据采集取平均值的方法，是为了降低误报率，提高系统的准确性。每隔10ms进行一次数据采集，每次采集存放在单片机的缓冲区里面，达到10次后，就求平均值。 为了实现实时性，本设计中采用定时器1进行定时，每10ms中断一次进行采集， 具体流程是：定时器1重新赋值，中断次数自加，然后烟雾温度进行数据采集存储在数组缓冲区里卖弄，再判断是否达到10次中断，如果达到就分别对烟雾温度求平均数，最后对中断次数清零，这样就完成数据的完整采集，程序流程图如图4.4： 图4.4 温度烟雾采集流程图 4.2.2 温度采集子程序设计 数据采集是本火灾温度探测器主要完成对温度的采集，它是数字传感器，内部集成了一些寄存器，只需对其相应的寄存器进行设置，就可以完成数据采集的目的，流程图如图4.5。 4.2.3 烟雾采集子程序设计 烟雾传感器MQ-2，该传感器输出的是模拟信号，输出电压随浓度的增加而增大，因此需要只要经过A/D转换，采集传感器MQ-2的输出电压就能采集到烟雾浓度。在本设计中采用STC12C5A60S2单片机自带的A/D转换器，只需设置几个寄存器就可以了.程序流程图如图4.6： 图4.5 温度采集子程序流程图 图4.6烟雾采集子程序流程图 4.2.4 按键处理子程序设计 本设计采用轮换复用按键处理的形式，首先是判断设置键是否按下，然后消抖，设置键按下的话按键值key++，然后根据key的值进行相应的修改，01 表示修改阀值温度的百位，02 表示修改阀值温度的十位，03 表示修改阀值温度的个位，04 表示修改阀值温度的小数点后一位，05 表示修改阀值烟雾浓度的千位，06 表示修改阀值烟雾浓度的百位，07 表示修改阀值烟雾浓度的十位，08 表示修改阀值烟雾浓度的个位，09 表示退出设置模式，并开启定时0，流程图如图4.7所示： 图4.7 按键处理流程图 4.2.5 报警处理子程序设计 当发生火灾的时候，系统就调用报警处理子函数，该函数实现生光报警信号，通过延迟函数使LED灯一亮一暗，使蜂鸣器产生一定，频率的报警声音，此外通过GSM向预定号码发送短信，通知有关人员。GSM通讯模块，用户只需向其输入相关AT指令就能轻松实现发送短信。由于GSM模块是通过串口的输入AT指令的，所以调用GSM子程序时必须先初始化串口。流程图如图4.7和图4.8所示： 图4.7 报警处理函数流程图 图4.8 GSM处理子函数流程图 4.2.6 串口处理程序设计 考虑到要与上位机通讯，GSM通讯也是通过串口，为了避免GSM的干扰，所以需要自定设串口通讯定协议。本设计通讯的命令少，通讯数据长度短，所以自定义了以下串口通讯协议：如图4.9所示： 一个字节开始位’#’和一个结束位’*’，2字节命令位，一个字节数据识别位，4+4+11字节数据位，一个结束位。2字节命令位构成报警、正常显示、GSM测试、数据保存4个命令。 两个字节命令位--------00 表示报警命令，01 表示正常显示,10 表示 GSM测试命令 ， 11 表示数据保存，如图4.10。 一个标志位--------0 表示此数据帧代表的是 现场的检测收集回来的数据，1 代表的是预存的阀值数据。 19个字节数据---------分别是 4个字节温度数据，4个自己烟雾数据，11个字节电话号码。 本设计采用串口中断方式接收数据。具体流程是：首先判断是否接收到了数据，接收到了继续判断接收到的是否接收到了数据帧开始位，如果接收到了数据帧开始位，接收标志置1，开始接收数据，然后判断是否接收到了数据帧结束标志位，如果接收到了数据帧结束位，表明一帧数据接收完成，接下来就是对数据包的解析，根据接收数据帧的命令，选择相应的动作，否则就退出串口中断服务函数。命令0x01,代表的是上位机已经修改好了相关的数据，单片机就调用数据保存子函数，进行数据的保存；0x11 代表进入测试模式，单片机调用GSM发送短信函数，最后就是退出中断服务函数。程序流程图如图4.11所示。 命令位 说明 00 报警 01 正常显示 10 GSM测试 11 数据保存 图4.9 串口通讯协议 图4.10 命令 4.2.7 EEPROM程序设计 本设计采用STC12C5A60S2内部集成的EPPROM，按扇区进行操作，考虑到本系统中需要保存的数据量不大，因此每一次修改的数据都放在同一个扇区。STC12C5A60S2内部集成的EPPROM只需要调用里面相关的寄存器就可实现读、写。需要注意的是在进行写操作时，如果某字节FFH是，才可以对其进行操作，所以必须先对其进行檫除的，檫除变成1，流程图 如图4.12和4.13. 4.2.8 LCD液晶显示子程序设计 本设计采用诺基亚5110液晶模块。正常情况下需要显示内容有：现场的温度和烟雾浓度值，设定温度阀值和烟雾浓度阀值，预留要发送短息的电话号码，程序流程图如图4.14。 图4.11 串口中断接收函数流程图 图4.12 EPPROM读操作 图4.13 EPPROM写操作 图4.14 LCD显示流程图 第5章 系统的调试 系统调试也是比较重要的一个环节，是理论运用到实际的见证。 首先将所有的原理图画成PCB板，然后制作成电路板，将所有元器件焊好之后，就基本完成了实物的制作见附录图。 然后就是软硬件联合的调试，（记得在调试前，线检查电路板是否有短路现象，VCC端和电源地是否短路）。 （1）电源转换电路的调试 本设计中通过引入12V电源 ，然后进行转换成5V电源，这是所有模块的供电源电源，经测试稳压芯片7805输入12V输出4.98V，输出电压符合电路设计的要求。 (2) 单片机的调试 单片机是整火灾报敬系统的核心，首先检查的是单片机的电源管脚是否正常，然后就是下载一个小程序测试，看看单片机是否能跑起来。本次设计中，用软件编一个极其其简单的LED闪烁灯测试。在调试过程中，出现反复下载失败的提示，经多次检查，原来是复位电路出现虚焊，经改正后。能正常下载，LED灯如愿出现闪烁的现象，说明单片机正常工作，调试小成功。 (3) GSM通讯模块的调试 GSM是通过串口通讯的，里面涉及到的是标准的AT指令，所以在测试之前，先进行串口通讯测试，在本设计中采用9600的波特率，在电脑里用软件接收下位机的数据，单片机不断地通过串口发送数据。经测试单片机串口通讯正常。再进行GSM 的测试，编一条简单的程序：通过GSM向一个号码发送短信，经测试手机能接受到短信，测试符合预期结果。 （4）液晶模块的调试 液晶模块是下位机的显示部分，是人机对话的重要组成部分，在本次设计中主要对它进行显示的测试，看看能否显示中英文，看看显示的内容有多少，最后看看那它显示的清晰度。在测试过程中，一开始出现显示乱码的情况，然后经过分析，是程序里面的软件字库弄的不完善，经过处理能正常显示中英文，效果也到到预期的结果。 （5）温度传感器测试，温度传感器，只有一个信号管脚与单片机相连，首先测试DS18B20的电源端是否达到5V，用万能表电压挡测量时4.95V，符合测试要求，然后编个程序继续测试，测试过程中发现，能采集到温度，到时不稳定，有时采集出错，经分析，是上拉电阻，接触不良引起