代码收藏家 单片机基础之上的火灾报警系统设计详解
摘 要
随着科技的不断发展，各种新技术在各行各业不断的产生以及应用。例如各种新的材料的出现，提高了制造行业的发展水平，各种新型变换器的出现提高了电力的用途以及使用效率，各种计算机技术的兴起提高了工厂自动化的程度，这些方面的发展使得普通居民的生活水平得到了极大的提高，但同时也存在着一些负面的影响。例如各种电子产品的信息与普及以及各种装饰材料的丰富，每个家庭都会存在较大的安全隐患，随时可能发生大型的火灾。为了确保人们能够同时享受科技带来的福利，同时也尽量减少火灾带来的伤亡和损害，应当对火灾的预警和处理进行相关研究，尽量通过相关技术将火灾发生的可能性减少到最低，或者在火灾刚有苗头时就将其扑灭，从而保护人民的生命财产安全。
根据上述的社会整体发展目标和要求，本文主要对如何进行火灾的智能处理系统进行了研究，研究过程中采用单片机为控制芯片能够实现对火灾现场的及时预警和处理。设计的预警系统中主要包含烟雾传感器，温度传感器和单片机控制芯片以及相关的外围电路和控制电路。系统通过不断的对周围环境的烟雾和温度等信号进行监测，并将相关信息传输到控制芯片中进行分析处理，从而产生及时的报警预警信号。本次设计的报警系统，采用简单的检测电路和控制电路以及信号发生电路，能够以较低的成本产生较为可靠的信号，具有一定的研究以及实际应用价值。
关键词：烟雾；温度；报警器；传感器；单片机
第1章 系统整体方案设计
1.1 系统方案的选择
方案一：将DSP作为系统控制器。DSP（Digital Signal Processor）是一种独特的微处理器，它使用数字信号来处理大量信息。DSP对元件值的容差不敏感，而且环境和温度等其他因素也不会对它造成较大的影响。DSP很容易实现集成，并且能够进行实践复用和共享处理器。DSP在调整处理器的系数十分便易，同时可以实现高频和低频信号复用，满足不同的功能单元对于频率的不同要求。但是由于DSP，在外围辅助电路较为复杂，需要通过各个芯片进行搭建，同时还需要较为耗电的有源设备构成。
方案二：单片机作为中央处理器，能够处理接收到的输入信号，同时具有小损耗，低电压，低成本等特点，因此收到了嵌入式设备的广泛欢迎。单片机本身可以实现较为复杂的运算，同时支持多种变成环境和语言，为研究者的开发过程提供了大量的便利。有可以用于计时和计数的计时器和计数器，它具有低功耗，小尺寸，计数成熟和低成本的优点。
DSP硬件电路相对复杂且昂贵，单片机STC89C52具有8k的闪存空间，同时特殊器具有稳定的存储能力和方便的改写能力，每个控制芯片都配备8位的CPU和编程闪存，使该芯片成为大多数嵌入式应用系统产品的首选。因此通过综合考虑，本次研究采用方案二即STC89C52单片机作为系统的中央处理器。
1.2 系统方案设计
1.2.1 系统概述
本次设计的报警系统主要包含环境检测单元，控制单元，信号报警单元以及A/D转换单元。系统中采用传感器作为检测单元的主要设备采用单片机作为控制单元的抓处理器。火灾报警系统可以实时收集和检测室内和室外的烟雾和温度，如果在测量过程中，火灾报警系统发现温度和烟雾浓度高于预警值时火灾报警器系统自动报警。系统采集的温度和烟雾浓度信号可以通过检测装置产生的电压信号被调节电路转换为数字信号，将相关数据传入到中央处理器中。不同的电压信号会被调节电路调制成在一定电压范围内的电压信号，然后通过单片机输入端口的比较器被转换为数字信号，并且调节电路还会产生模拟信号的滤波。单片机在接收到数字信号后会获得相关数据，将相关数值与提前设阈值进行比较，则能够得到目前是否应当发出报警信号的质量。
1.2.2系统框图
1.1系统框图
本次设计的系统采用STC89C52单片机作为主要处理器进行数据的接收运算以及报警信号的输出。系统中还配备着信号检测单元，报警单元和A/D转换单元。其中信号检测单元采用MQ-2型烟雾传感器进行周围环境原物质浓度的检测，当检测装置产生的电压信号会被模数转换芯片ADC0832构成的调节电路调制成在一定电压范围内的电压信号，然后通过单片机输入端口的比较器被转换为数字信号，并且调节电路还会产生模拟信号的滤波。其中温度传感器采用DS18B20型这一传感器，直接与单片机相连。单片机会将采集的温度直接显示在1602液晶屏上。因此最终液晶屏上会对周围环境的烟雾，浓度，温度等信息进行显示。报警单元采用LED灯和蜂鸣器进行报警，其中LED灯可以对烟雾和温度进行分别报警，当任意一个条件达到设定值时，蜂鸣器都会进行报警。
第2章 系统硬件设计
2.1单片机STC89C52
(1) 概述
STC89C52单片机具有8k的闪存空间，以及512字节的RAM存储空间，它本身只需采用3.3V电压进行驱动，同时可以进行复杂的运算逻辑和数字计算，同时单片机与51 指令相兼容，装处理器为8位通用型，因此可以通过单片机实现较为复杂的控制过程。
单片机本身具有40个引角，其中具有32个输入输出型引脚，两个中断引脚以及3个16位编程计数器引脚和两个全双工串行通信引脚。
(2) 8051单片机的引脚功能
8051单片机具有40个引脚，其相关设置如图2.2所示。
图2.2 STC89C52引脚图
管脚说明：STC89C52 单片机外部有32个端口可供用户使用，其部分引脚功能如表2.1所示：
表2.1 STC89C52并行I/O接口
2.1.1 最小系统电路
如图2.3所示为单片机的晶振电路，复位电路和电源电路。其中晶振电路主要包含晶振和外围电容。晶振电路的主要作用是产生固定的系统工作频率，作为单片机不同单元的工作频率基准。通过晶振和电容能够产生，写着同时由于电容采用30pF以及12M的晶振型号，因此系统的工作频率已经被固定，当晶振值取值越高时固定频率则会越高。因此需要根据单片机不同功能单元的需求频率进行晶振电路的参数设计。
复位电路主要是用于在系统产生故障时或完成工作后对系统进行重置。例如当系统跑飞或进入死循环使则可以通过复位电路中的按键进行系统的复位。通常研究人员在系统开始工作时，也会按下复位键，确保系统能够重新开始运行。
复位电路中主要包含电容和电阻，由于电容电压不能产生突变，因此在系统的电源电路通电时，其中RESET引脚则会出现高电平，高电平的导通时间由系统电路的时间常数决定，也就是电容和电阻值所决定，在单片机中设置，如果RESET的引脚保持高电平，在两个工作周期以上则系统程序则会自动进行复位设置。因此通过复位电路的电容电阻值设置，能够确保系统进行可靠的复位。
电源电路采用5V的电压直接输入，同时有电压调理电路，对输入的电压信号进行稳压和滤波功能。
图2.3 单片机最小系统
2.2 显示电路
2.2.1 显示方案的选择
方案一：利用LED数码管进行显示。LED数码管本身具有价格成本低，能够显示相关数字以及便于跟单片机连接的特点。但是LED数码管在显示时需要通过74LS164寄存器进行数据的移位，这一芯片的引入会增加较多的数字电路，同时会影响与DSP的连接，因此对整个系统造成麻烦。
方案二：通过LCD液晶显示屏进行数据和报警信号的显示。LCD液晶显示屏可以显示相关的文字和图形，同时具有较大的内容量，在本次研究过程中，一块显示屏即可将相关信息进行全部显示，因此本文采用LCD1602显示屏作为显示模块的主体。
2.2.2 1602液晶显示
LCD1602显示屏可以进行总共两行16个字符的显示显示内容包含数字字母，符号等，同时也可以通过程序设置进行少量的中文显示。
本次研究系统采用了LCD1602显示屏，本身的价格较低，同时只需一块屏幕即可对全部信息进行展示，因此在工业的自动化控制和显示过程中广受欢迎。他工作的原理是将接收的数字信号进行ASCII码的转换。当编程人员，利用LCD1602进行汉字显示时需要首先得到汉字的转换库，利用转换库则可以根据显示屏点阵的构造进行汉字字体的显示。第二步是将中文子模块数据存储在LCD存储器中。
2.2.3 液晶显示模块电路
液晶屏的相关外围电路如图2.4所示，其中1，2引脚分别与电路的地和电源进行连接。通过1，2引脚的连接能够确保液晶屏得到有效的电源输入。3引脚则通过一个10k的电阻进行GND的连接，这个音效可以通过电压信号的不同，对液晶的不同对比度进行显示。4引角主要通过单片机p27引脚的连接来进行计算器控制。5引脚是用于控制液晶屏的读写功能。6引脚是对液晶屏进行使能。7~14引脚，用于进行液晶屏的数据输入和输出。15 16引脚则为液晶屏的背光电源引脚与系统的电源和地直接相连。
图2.4 液晶模块连接图
2.3 烟雾检测模块
2.3.1 烟雾传感器的选型
烟雾传感器主要是通过检测装置中的化学材料将周围环境的气体信号转换为电压或者电流信号。这种转换器能够通过化学材料的粒子的变化进行气信号与电信号之间的转换，然后利用传感器中集成的模拟与数字量转换电路将电路信号转换为数字信号并传输到单片机中。单片机根据得到的数字信号进行，注意环境信息的判断以及报警信号的输出。传感器的灵敏度以及稳定性，直接决定了整个系统的稳定性和工作性能。
烟雾传感器通常可以被分成三种，首先是物理化学性质的烟雾传感器，其次是物理性质的烟雾传感器，最后是只具有电化学性质的烟雾传感器。
烟雾传感器不仅可以进行周围环境的检测，并将其转化为电信号，同时还可以具备其他的检测功能。通过相关电路的集成传感器可以实现，除了周围环境气体的检测外的其他检测功能。因此目前对于烟雾传感器的要求通常为：能够对周围环境的特定气体信息进行检测，同时不会影响其他气体的含量；对设定的检测气体具有高的灵敏度，并且能够保证在设定范围内进行烟雾浓度的准确测量；具有较快的检测反应以及信号的持续输出；具有高的检测成功率以及长时间的工作时间；具有较低的应用成本和高效的维护方式。
根据不同环境下报警系统对于不同气体检测的要求，因此需要采用不同的传感器来检测不同的气体通常一种传感感器只能对1~2种气体进行检测。图表2-2为研究的各种传感器以及对应的气体检测类型。
表2-2各种烟雾传感器可检测的烟雾种类
半导体烟雾传感器能够更加及时的检测环境中产生的烟雾信号，同时不会受到周围磁场电场的干扰，并且具有很快的响应速度，而且随着目前技术的发展，其应用和维护成本也逐渐降低。所以本次研究过程中，半导体烟雾传感器成为整个报警系统的核心装置，设计过程中MQ-2型传感器具有格外的高灵敏性、低损耗因此被作为此次的应用型号。
2.3.2 烟雾检测模块电路
下图2.5所示即为系统烟雾检测模块电路，由于MQ-2输出的是模拟量，因此需要把检测结果通过芯片ADC0832转换为数字量，然后传送到单片机进行处理。ADC0832芯片属于典型的串行接口8位A/D转换器，设计生产厂商为美国国家半导体公司，具备经济实用、结构简单、低功耗等诸多优点，在便携式智能仪器领域得到了大规模的应用。
该转换芯片最高支持256位分辨率，能够很好的满足绝大多数情况下的模拟量转化需求，并且兼具双数据输出功能，可对数据进行校验，有效的确保了数据的准确性，数据转换效率及工作稳定性也都远超同类芯片。再加上独立芯片的使用极大降低了多设备连接和处理器控制难度，di数据输入的模式也为通道选择提供了便利。
图2.5 烟雾检测模块电路图
2.4 温度传感器电路
2.4.1 DS18B20简介
(1) 概述
DS18B20是全球首款支持“一线总线”功能的温度传感器，生产设计厂商为美国DALLAS半导体公司。自面世之后基于其微型化、高性能、抗干扰、低功耗及较强的实用性在各大设备传感器领域得到了广泛的应用。其温度测量范围宽达-55125℃，在极端条件下仍能保持0.5℃的测量误差，可编程分辨率涵盖912位，分别对应0.5℃、0.25℃以及0.125℃、0.0625℃。能够直接将温度信息转换为数字信号并传递给处理器，和传统热电偶传感器相比测温精度具备明显优势。下图2.6即为其实物图。
图2.6 DS18B20图
(2) 特性
◆1-Wire总线接口只需一个通信管脚即可满足通信功能；
◆所有设备内部ROM均烧蚀单独的64位序列号作为区分；
◆高效稳定的多路温度采集能力有效降低了分布式采集难度；多路采集能力使得分布式温度采集应用更加简单；
◆不需单独配置额外的外围元件；无需外围元件；
◆供电电压宽度3.0V-5.5V；
◆系统温度检测：-55℃-+125℃（-67℉至+257℉）；
◆-10℃-85℃的极端温度条件下精度仍能保持±0.5℃；
◆自定义温度采集精度(9-Bits-12-Bits)；
◆温度转换时间最高不超过750ms(转换精度12-Bits时出现)；
◆温度报警设置可根据用户需求自定义且长期保持
(3) 管脚定义
Pin1：(VDD)，可选电源引脚；
Pin2：(DQ)，单线运用的数据输入/输出引脚；
Pin3：(VDD)，接地端，电源负极。
2.4.2 DS18B20模块电路图
DS18B20的模块电路图如图2.7所示：
图2.7 DS18B20模块连接图
2.5 按键输入模块
键盘是系统人机交互的核心设备。从软件设计的角度上，单纯进行键盘扫描获取扫描时键盘状态是很难满足系统需求的。特别是在误操作及系统失控方面。单片机工程开发领域使用较多的是独立键盘和矩阵键盘两种类型的键盘，其优缺点都比较突出。独立键盘结构简单，软件程序设计也比较便捷，性能稳定，特别适用于硬件需求不高的简单电路上；矩阵键盘无论是软件还是硬件设计上都要比独立键盘复杂，但其能实现的功能也多，对端口资源占用也小，更适用于多按键电路应用。除此之外的另一个问题就是按键过程中“毛刺”现象的消除。本设计采用通用的延时重复扫描法来处理毛刺，其原理是系统出现“毛刺”的脉冲持续时间基本上都在10ms以内，而人执行按键动作的时间则远超该时间。因此单片机系统会在检测到按键脉冲后延时一定时间再次检测该电平是否处于保持状态，以此来区分是“毛刺”还是人为按键动作。若延时检测到电平保持则为按键动作执行，反之则不是。
本文设计按键仅有“设置”、“加”、“减”三个，所以使用独立键盘。下图2.8所示即为连接图：
图2.8 按键电路
2.6 报警模块
本毕设同时兼具检测和报警功能。系统可根据事先设定的烟雾及温度报警阀值来进行对比判断，超过阀值则蜂鸣器鸣叫，LED指示灯点亮，达到声光报警的效果。
2.6.1 蜂鸣器的介绍
蜂鸣器属于直流供电的一体化电子讯响器，基于其高效稳定的性能和结构简单、经济实用的特性，在计算机、定时器、报警器等多个机电设备领域得到了大规模的应用，在其中承担重要的发声功能。
现阶段市面应用较广的蜂鸣器包括压电式、电磁式两种。其中压电式蜂鸣器结构包括多谐振荡源以及压电蜂鸣片、共鸣箱、阻抗匹配器及外壳。在电源供电后，多谐振荡器开始振荡并输出频率为1.5-2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器则驱动压电蜂鸣片开始发声。另一种电磁式蜂鸣器的结构包括电磁线圈、振荡器以及磁铁、振动膜片、外壳等。系统通电后振荡器输出音频信号经电磁线圈转化为磁场，然后电磁线圈和磁场共同驱动震动膜片周期性震动发声。在考虑性能、结构、成本的前提下本文选择电磁式蜂鸣器。
蜂鸣器的另一个重要区分就是震荡源的有无。若蜂鸣器内部自带震荡源，则只要对其供电就会开始工作发声，这种是有源蜂鸣器，另一种无源蜂鸣器则直流电信号无法驱动其鸣叫时，必须借助2-5K方波来驱动其鸣叫，稳定性较差，结构相对复杂。因此本设计选取有源蜂鸣器。
2.6.2 蜂鸣器报警电路
下图2.9所示即为系统蜂鸣器电路图。考虑到系统单片机IO口输出电流难以直接带动蜂鸣器工作，因此借助三极管开关管功能实现蜂鸣器发音功能的控制。综合考虑性能、参数、成本等多方面因素，本文选定PNP型S8850三极管。本设计蜂鸣器为内置震荡电路的有源蜂鸣器，仅需单片机输出高或低电平就能驱动，无需连续发出高低电平，对程序及系统设计简化起到了极大作用。并且PNP型三极管不受单片机上电时IO口高电平影响，因此上电阶段不会触发蜂鸣器工作。
图2.9蜂鸣器电路
2.6.3 发光二极管
发光二极管主要成分包含镓（GA）、砷（as）、磷（P）以及氮（n）等多种化合物。其原理是带电粒子和空穴结合是发出可见光，广泛应用于电路和仪表领域做指示灯或组成文字、字符或图案显示，即LED。
发光二极管属于典型的电能转化为光能的半导体二极管材料。多数情况下其在使用时需要和普通二极管沟通构成PN结，其具备明显的单向导电性，反向击穿电压一般不低于5V，具备较陡的正向伏安特性曲线，因此在工作过程中一定要串联限流电阻来对二极管进行保护。由电源对其施加正向电压的时候，P区注入N区空穴会和PN结附近几微米范围的N区电子结合，散发出自发性荧光，同样的N区注入P区的电子也会和PN结附近的空穴结合散发荧光。鉴于不同半导体材料内电子及空穴能态存在差异，不同材料的电子及空穴复合过程中释放能量大小不同，也就导致散发荧光颜色的不同。业界通常借助该特性来控制器二极管发光颜色。能量越高波长越短，因此砷化镓、磷化镓、碳化硅、氮化镓四种材料依次发射红、绿、黄、蓝四种颜色的光。发出红光，磷化镓发出绿光，碳化硅发出黄光，氮化镓发出蓝光。
2.6.4 报警模块电路
LED报警模块电路如下所示，将LED正极串联阻值为1K的电阻后接入电源正极，负责直接和单片机IO口连接，只要LED灯接收到单片机IO口输出的低电平就可以点亮起到报警作用。
图2.10 LED灯电路
**程序主函数**
void main(void)
{
int temp; // 保存温度值
uchar num; // 保存烟雾值
uchar i; // 循环变量
LcdInit(); // 液晶功能初始化
LcdShowInit(); // 液晶显示内容初始化
gMqAlarm=EEPROM_Read(0x2000); // 从EEPROM中读取报警值
if((gMqAlarm==0)||(gMqAlarm>100)) // 如果读出来数据异常，则重新赋值30
gMqAlarm=30;
LcdGotoXY(0,11); // 光标定位
LcdPrintNum1(gMqAlarm); // 显示烟雾浓度的报警值
gTempAlarm=EEPROM_Read(0x2001)-55; // 将温度报警值读取出来
if((gTempAlarm<=-55)||(gTempAlarm>125)) // 如果读出来数据异常，则重新赋值40度
gTempAlarm=40;
LcdGotoXY(1,11); // 光标定位
LcdPrintNum2(gTempAlarm); // 显示温度的报警值
while(DS18B20_ReadTemp()==85) // 等待温度传感器初始化完成
{
DelayMs(10);
}
while(1)
{
num=Get_ADC0832(); // 获取烟雾的浓度值
num=num/2.2; // 调整浓度值，使其在0-100之间变化
if(num>100)
num=100;
LcdGotoXY(0,5); // 液晶光标定位到第0行第5列
LcdPrintNum1(num); // 显示烟雾浓度的值
temp=DS18B20_ReadTemp(); // 读取温度值
LcdGotoXY(1,5); // 液晶光标定位到第1行第5列
LcdPrintNum2(temp); // 显示温度值
AlarmJudge(num,temp); // 报警判断
for(i=0;i<15;i++) // 执行15次循环（延时0.15秒，并在这个时间段进行按键扫描）
{
KeyScanf(); // 按键扫描
DelayMs(10); // 延时
}
}
总 结
经过几个月的努力，本次毕业设计的任务——基于单片机的火灾报警系统已经完成。本次毕设的课题是一个成熟度很高的课题，尽管在创新性上面稍有不足，但其整体设计开发流程是十分完善的，能够让我自最开始的设计论证，到编程、制版，再到最后的调试验收全过程参与进行，这种系统性的开发设计经验是非常难得的，对我的提升也是全方位的。
步入新世纪以来，基建行业的飞速发展再加上社会不断的发展进步，各行各业都认识到了防火的重要性，并随之诞生了一系列的设计和产品。但这些产品大多集中于公共场合和大型建筑物的防火报警，在私人场合和家庭防火方面有所欠缺。因此针对该类场合研发并制造一种结构简单、实用性强、成本较低的烟雾报警装置，能够很好的填补市场空白需求。本次毕设让我对单片机指令编程及传感器相关理论的认知更加深刻，对单片机内部结构等方面的了解也更加深入。
通过本次毕设实践，让我从以往的被动学习吸收知识转变成现在的主动查阅资料、请教导师、收集资料，这种学习方式的改变给我带来的影响是十分深远的。真正的让我将理论知识转化为实践能力，提升了自己系统性处理问题的能力，攻克难关，活学活用。
本次毕设系统性的将以往所学的单片机原理以及模拟电路、C语言基础等多门课程有机结合到一起，将书本中的知识整合成一个个实际的问题和案例，让我对这些知识的理解更加深刻。另一方面，也让我对单片机工程的系统设计流程有了初步认识，从最开始的需求分析、方案论证到接下来的模块功能划分、原理图设计完善以及PCB版制作、程序设计直到最后的软硬件联合调试，让我有了一定的实际设计经验。无论日后单片机工程的功能如何发展完善，但其核心原理是不会变的。本次毕设成品功能虽然简单，但“麻雀虽小五脏俱全”，对我的提升是全方位的。
本次毕设可以说是对我大学四年所学知识的一次系统性检验，提升了我理论联系实际的能力。在本次毕设中也暴露出了不少问题，特别是对不同学科的知识衔接方面，但这也是我未来工作学习中必将努力突破的一个点，以后我将结合此次毕设暴露出来的问题，理论结合实际，针对性的学习完善，为以后的工作和学习奠定坚实的基础。
受限于笔者自身水平和时间因素，本次毕设难免有不足之处，但不足也是动力，必将驱使我们在以后不断完善提升。本设计可扩展的功能很多，比如加上自动灭火设备、短信通知、无线数据传输等，都可以提高本设计的适用范围。
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作者：qq_2083558048
