无线多功能火灾报警器的设计与实现

江西工业职业技术学院毕业综合实践课题名称：基于单片机的 LED 汉字显示屏设计 作 者： 学 号： 分 院： 电子与信息工程 专 业： 电子与信息工程技术 指导老师： 胡蓉 专业技术职务 教授 2015 年 3 月 1无线多功能火灾报警器的设计与实现摘 要随着现代家庭用电量、用火正在逐年的增加，家庭火灾发生的频率也越来越高，无线多功能火灾报警器也随之被广泛应用于各种场合。本课题所研究的无线多功能火灾报警器采用 STC89C51 为核心控制器，根据不同火情选择多款适宜的火灾传感器，本课题中采用的是温度传感器 DS18B20、气体传感器MQ-2、自制的烟雾传感器等。通过这些传感器，当环境中温度、烟雾浓度、可燃气体浓度等发生变化时系统会发出灯光报警信号，以此来实现有线报警，并在有线报警器的基础上加进无线通信模块，从而实现无线报警，让人们及时发现火灾。关键词：温度传感器 DS18b20；气体传感器 MQ-2；火灾报警；无线数传2目录摘要. .11 绪论.41.1 课题的研究背景.41.2 课题的研究目的与意义.41.3 火灾报警器的发展与现状.51.4 课题的研究内容.62 火灾报警器的总体方案设计. 62.1 系统的功能要求62.2 系统的技术要求72.3 系统的组成及方案设计83 系统的硬件设计.103.1 温度探测电路的设计.113.2 烟雾探测电路的设计.123.3 气体探测电路的设计.133.4 无线发送电路的设计.143.5 无线接收电路的设计.154 系统的软件设计 164.1 控制程序的设计思路.164.2 编码程序的设计思路.184.3 接收模块程序的设计思路.205 无线多功能火灾报警器的测试结果及结论.235.1 调试.235.2 结论.23致谢25参考文献26附录271 总程序 271.1 控制程序. 271.2 编码程序 281.3 解码程序 332 器件简介.342.1 温度传感器 DS18B20 介绍342.2 自制烟雾传感器简介362.3 双运算放大器 LM358 介绍372.4 MQ-2 简介.382.5 发送模块 F05P 简介.402.6 超再生接收模块 J04V 简介.423绪 论火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。在过去的很长一段时间，人类不得不进行专题研究火灾过程中爆发，截至目前，已形成一个较为成熟的概念。火灾的发生和发展过程是一个复杂的物理和化学过程，但也与环境很强的相关性。正常情况下，发生火警，伴随着烟雾，温度，光照，信号产生的过程。产生不同的环境和不同的火燃烧成分，烟雾粒度组成，温度分布和光谱的气体成分是不同的，所以火过程中涉及多个物理和化学参数，特点是强大的，一般的骚乱有着本质的不同。基于上述特点，早起的火灾探测技术应运而生，特别是多的火灾探测技术被广泛采用在火灾探测领域，如复合材料的物理参数复合烟气温度探测器，使用不同的带光传感器的复合双波段火焰探测器。 在我国，随着经济的发展和生活水平的提高，工业与民用建设日趋增多，火灾发生的可能性也随之大幅提高。另外，现代建筑物中塑料制品和玻璃的大量应用使火场内外部的求援行为困难重重。现代建筑，尤其是在大型酒店，宾馆，商场，图书馆，博物馆，档案馆和办公楼及其他公共场所，对于火灾报警系统也提出了更高的要求。一旦发生火灾将很难及时救助，势必要给国家和个人带来不可估量的损失。 基于上述情况，火灾自动报警技术便应运而生，火灾自动报警系统是始终警惕火灾报警和输出联动忠实的哨兵火灾信号的有力手段，是一种早期预警。第一章 方案论的证1.1 课题的研究目的与意义目的：随着现代家庭用火，用电增加，家庭火灾发生的频率越来越高。家庭火灾，很容易扑灭不及时，有着缺乏消防设备和在场的人战斗惊慌失措逃离缓慢的不利因素，最终导致的生命和财产的重大损失。消防部门的统计数据显示，所有的火灾比例中，家庭火灾占全国火灾的30。家庭火灾的原因是多方面的，可能把我们的注意力，也可能隐藏在我们没有注意到的地方。综上所述，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭眼间4毁于一旦,有的导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当、报警迟缓,是造成人员伤亡的重要因素。所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾的发生。这就是我们研究声光报警器的目的。意义：在中国的一些大、中型城市，几乎每一天发生家庭火灾，所以每一个家庭必须始终关注防火。如果能根据你家的实际情况，提前采取简单的防火措施，有些悲剧是完全可以避免的。声音和视觉的报警，对减少火灾损失具有现实意义。一系列悲剧性的损失，由国家从社会各界意识到，声光报警对火灾的报警的必要性。据调查，在最近的火灾大部分的房子里还没有安装报警器。因此声光报警，对发生火灾预防具有重要意义。1.2 火灾报警器的发展与现状近年来，无线火灾报警系统在国外已被开发，并走向实用。起初，无线火灾报警系统不仅是价格贵，还必须连接布线，这是只适合一些特殊的地方，检测设备的一部分。今天，几乎所有的电气装置，可以通过无线遥控改变，可广泛应用于各类建筑和场所。美国松柏公司（ITI）成立于 1981 年，是美国最大的无线报警系统制造商制造，其产品占 90的无线报警器在北美市场的年销售额已接近一亿美元。该公司生产的无线火灾报警系统还通过了中国的“国家消防电子产品质量监督检验测试中心”的监测，该系统可作为火灾报警系统，但也可作为一个安全的系统，两者的结合，是一个高科技的无线安全系统。火灾报警系统在中国相对较晚，与发达国家相比， 20 世纪 70 年代末的十年间，中国开始研制生产的火灾报警系统。 20 世纪 80 年代后，国内各大厂商也大多是模仿国外产品，或引进国外技术生产的，没有真正意义上的核心技术，市场刚刚开始发展。真正的火灾报警产品的发展也促进了市场的成熟，政府逐步开放的大门，在同一时间，外国公司开始进入中国的防火市场，带来先进的技术在 20 世纪 90 年代。此期间，中国生产的火灾报警产品的企业也得到了快速发展，在一些企业中，技术合作，合资生产，并取得了不菲的成绩，但今天在市场上创造了许多强大的企业，有些技术已接近或赶上国际标准。51.4 课题的研究内容在这个问题的无线多功能火灾报警器的研究，包括两部分有线报警和远程报警。在有线部分，以实现火灾探测能力，声音和光报警功能，通过无线通信模块和微控制器为基础的有线报警控制远程火灾报警。该项目主要是为了完成任务，包括：硬件部分：包括传感器的选择，无线模块，火灾探测电路的设计，无线通信和报警电路设计电路设计的选择。（2）软件部分：包括微处理器控制程序的编制和无线通信的程序。（3）系统的综合调试与分析：在软硬件完成以后，要对系统进行综合的测试与实验，分析系统的可靠性与实用性，调整系统的不足。第二章 火灾报警器的总体方案设计本课题从实现无线报警的方式来设计火灾报警器，下面分别对系统功能要求、系统技术要求及系统实现方案总体阐述。62.1 系统的功能要求本系统的研制主要包括以下几项功能：(1)火情探测功能：为了提高火灾报警的准确性和及时性，火灾报警系统需要使用各种方法进行火灾探测。在实际使用中，根据不同的防火场所，用户可以选用温度探测法、可燃气体检测法及烟雾探测法等合适的火灾探测方法，来有效的探测火灾；(2)灯光报警功能：当有火情产生、故障等异常情况发生时，报警器要进行灯光报警。当控制器处于火灾报警状态时，火警指示灯应点亮；(3)无线数传功能：当有火灾报警、故障等异常情况发生时，单片机要启动无线数据发送模块将探测器自身引导码、状态码发送给无线通信模块的发送端，而接收端再将接收到的编码传递给单片机进行解码，判断是否产生火情，并确定是否报警。2.2 系统的技术要求在了解这个系统的工作原理以及功能之后，我们就可以基本确定系统的技术要求。本系统采用了标准的无线数据传输模块进行数据传输，大大提高了系统的通用性和可靠性。系统采用的单片机处理器成本都比较低，可以满足批量生产和各类工程的需求。对于完整的一个系统而言，为提高市场的竞争力，这个系统应符合体积小、功耗低、数传性能可靠和成本低廉等技术要求。具体指标和参数如下:(1)体积小：探测器的体积要尽可能的小，这样占用的空间才能减少，使用和更换才会方便；(2)功耗低：系统可以采用三节 5 号干电池供电，电池电量有限，而且无线发射模块消耗电能也比较大，因此有线报警部分的功耗要尽可能的低才能使系统工作时间延长；(3)可靠性高:由于不确定的电磁干扰可能存在在系统工作环境中，为了保证系统长时间的可靠工作，以及减少误报次数，所以选择的无线数传模块应具备较高的抗干扰性能。2.3 系统的组成及方案设计7本无线多功能火灾报警器主要由火灾探测传感器电路、单片机、灯光报警电路、无线通信模块、控制程序和编解码程序等组成。关键在于火灾探测电路的设计以及无线通信部分的程序设计。温度传感器探测电路烟雾传感器探测电路气体传感器探测电路单片机处理电路无线收发模块单片机控制系统蜂鸣器报警 发光二极管显示图 2.13 系统的硬件设计8总体电路图 3.1如图 3.1 所示，左边从上到下依次为温度探测电路、烟雾探测电路和气体探测电路，它们组成了火灾险情探测电路。当它们检测到有异常情况时，就会分别通过P0.0,P0.1,P0.2 口向单片机输入高电平，高电平进入单片机进行处理。右上部分为单片机处理器对信号处理后通过内部程序控制不同的 LED 灯亮，实现灯光报警。右下部分为无线模块的数传部分，无线发送电路：在单片机检测到前面探测部分输入为火灾异常情况后先进行编码，然后通过数据输出口（TxD)P3.1 口传给无线发送模块 F05P；无线接收电路，通过无线接收模块 J04V 接收到无线发送模块发送的编码，再通过数据输入口传给 P3.2 口(RxD），再由另一块单片机处理器对收到的信号进行解码，判断是否有火情发生，进而决定是否进行声光报警。93.1 温度探测电路的设计图 3.2工作原理：如图 3.2 所示，由温度探测传感器 DS18b20 组成的温度探测电路，其三号脚的电压为 VCC 的电压，一号脚接地，二号脚接 P0.0。DS18B20 温度传感器工作原理框图如图所示：图 3.3 DS18B20 温度传感器工作原理框图图 3.3 中温度对低温度系数晶振的振荡频率影响很小，其用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。随着温度的变化，高温度系数晶振其振荡频率明显改变，所产生的信号作为脉冲输入给计数器 2。计数器 1 和温度寄存器所对应的一个基数值被预置在-55上。低温度系数晶振产生的脉冲信号被计数器 1 进行减法计数，当计数器 1 的预置值被减到 0 时，温度寄存器的值就将加 1，而计数器 1 的预置将重新被装入，计数器1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器 2 计数到100 时，才停止温度寄存器值的累加，此时所测的温度即是温度寄存器中的数值。补偿和修正测温过程中的非线性由斜率累加器完成，其输出被用来修正计数器 1 的预置值。最后温度就传感器通过 P0.0 口将温度信息传入单片机处理器中，通过单片机对信息进行处理和判断。从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线（单线接口）,因此使用 DS18B20 可使系统的结构更为简单，可靠性也更高。3.2 烟雾探测电路的设计图 3.4工作原理：如图 3.4 所示，在这个电路中，有两个分压电路，其中电阻 R5 和光敏电阻 G 组成一个，电阻 R7 和电位器 R8 组成另外一个。光敏电阻 G 由发光二级管 LED 提供光源。由电阻 R6 保护发光二极管 LED，防止因为电压过大而使发光二级管 LED 烧坏。电路中调节电位器 R8，使光敏电阻 G 在光电阻(此时由于电阻很小，所以光敏电阻两端分到的电压就很少)情况下，比较器 LM358 反向端(2 脚)电压高于同相端(3 脚)电压，11使输出端(1 脚)输出低电平；当光敏电阻 G 在暗电阻(此时光敏电阻电压相当的大，其两端分到的电压非常高)情况下，比较器 LM358 中 2 脚电压低于 3 脚电压，1 脚输出高电压，为有效信号，最后有效信号通过 P0.1 进入单片机处理器进行判断。3.3 气体探测电路的设计图 3.5工作原理：如图 3.5 所示，在这个电路中，检查电路是否接通电源是发光二极管 LED 的作用，电路两端被加上了电压后 LED 就会发光，可以正常工作，否则就表示电源电路没有电压输出，电阻 R9 的作用是保护发光二极管，防止因电压过大将其烧坏。调节电位器 R10 和 R11，在气体传感器没有响应的状态下，使比较器 LM358 的反向端(2 脚)的电压高于同相端（3 脚）的电压，输出端（1 脚）输出低电平；在气体传感器MQ-2 有响应的情况下，则是 2 脚电压低于 3 脚电压，1 脚输出高电平，最后有效信号通过 P0.2 进入单片机处理器进行处理和判断。123.4 无线发送电路图 3.6工作原理：如图 3.6 所示，该图为无线发送电路，主要是由单片机处理器和无线发送模块 F05P组成。单片机正常工作需要起振电路(XTAL)和复位电路(RST)；另外单片机的串口输出端 TXD 和 F05P 的数据输入端相连，以此用来传送编码数据。3.5 无线接收电路13图 3.7工作原理：如图 3.7 所示，接收电路主要运用了无线接收模块 J04V 和单片机。接收模块 J04V接收到信号后通过 2 号脚将数据由 P3.2 口传输至单片机处理器中，单片机将数据进行处理和判断，决定是否进行声光报警。这里需要注意的是无线接收模块的工作电压范围为 2.6V-3.5V，可以采用 3.7K-4.7K 的电阻从 5V 中分压取得 3-3.5V，再加上 220uf 电解电容进行滤波。4 系统的软件设计4.1 控制程序的设计思路14该控制程序主要用于探测火灾情况并向接收的系统报警，单片机通过判断由三个传感器组成的火灾探测电路传过来的输入信号高低与否，从而决定输出端输出怎样的电平。而这个电平将决定灯光报警电路能否运行（即 LED 灯工作与否） ；另外，当单片机处理器判断到有火情发生时，还要给另一个输出端口赋一个脉冲，这个脉冲将用于无线接收系统的报警电路。否 输出高电平 是图 4.1控制部分程序void init_t0(); main()开始单片机初始化传感器检测电路灯亮 P1.0 口输出脉冲15wuxian=0;led0=1;led1=1; /起始时灯灭init_t0(); /初始化 T0while(1) temp=ReadTemperature(void)； /读取 18b20 温度TempH=temp4; /本系统只考虑整数，故去掉小数点后的温度值DelayMs(1000); /延时 1sif(!mq2) /等待 mq2 检测到烟雾（比较器输出高电平） if(TempH50 /发射无线脉冲信号led_flag=1; /同时 led 标志打开，使 led 开始闪烁（周期约1.2s）while(mq2); /等待比较器输出低电平 wuxian=0; led_flag=0; /led 标志关闭，使 led 停止闪烁led0=1;led1=1;led2=1;164.2 编码程序的设计思路该编码程序是当单片机处理器判断到有火情之后要编一串脉冲送给无线发送模块的发送端，这串脉冲将包含一个有效脉冲。下图为编码程序的流程图。否P1.0 口有脉冲是图 4.2所编的脉冲为：编码部分程序void init_t0() /初始化 T0TMOD |= 0x01; /16 位计时模式TH0=(65536-2000)/256; /设定溢出率 TL0=(65536-2000)%256; 开始单片机初始化串口 TXD 编码检测 P1.0 口17EA=1; ET0=1; TR0=1; void timer0(void) interrupt 1 /t0 中断服务程序，用于控制 led 的闪烁TH0=(65536-2000)/256; TL0=(65536-2000)%256; num+;if(num=150) num=0;if(led_flag=1)led0=led0;led1=led1;led2=led2; void DelayUs2x(unsigned char t) while(-t);void DelayMs(unsigned int t) /1ms 延时程序18while(t-)/大致延时 1mSDelayUs2x(245);DelayUs2x(245);4.3 接收模块程序的设计思路该程序是无线接收模块的接收端收到发送端发送过来的信号后传给单片机处理器，单片机处理器进行解码，判断收到的是不是指定的那串脉冲。这里要注意首先要该段脉冲是否有效，只有脉冲有效时后面的脉冲才有效，进而才能确接收模块程序流程图如图 4.3：否是否接收到脉冲是开始单片机初始化检测 INT0 状态19否为有效信号是图 4.3解码部分程序#include “reg52.h“sbit led=P11;sbit wuxian=P32;sbit mingdi=P12;void DelayMs(unsigned int t);main()mingdi=0;led=1; wuxian=0;while(1)while(!wuxian); /循环等待无线信号DelayMs(200); /延时再重测，以消除噪声电平导致的误动作 if(wuxian) /延时 200ms 再次检测检测到高电平，则说明不是噪声电平mingdi=1; /蜂鸣器响，led 亮报警结束20led=0;while(wuxian);DelayMs(5000); /由于 J04v 接收到的是一段较短的脉冲，此处用软件延时 5s 的 /方法实现蜂鸣器的长响mingdi=0; /蜂鸣器停止，led 灭led=1;void DelayUs2x(unsigned char t) while(-t);void DelayMs(unsigned int t) /1ms 延时程序 while(t-)/大致延时 1mSDelayUs2x(245);DelayUs2x(245);5 无线多功能火灾报警器的测试结果及结论5.1 调试21调试过程中首先要检测的就是硬件电路的设计原理是否正确、能否达到预期效果以及实现方法是否简便等等；其次在焊接好难有线电路之后，认真检查电路的焊接情况。这次采用的是分块调试的方法，分别为温度探测电路，烟雾探测电路，气体探测电路以及单片机控制电路进行调试。在对每个模块的进行调试过程中又采用了由局部到整体，由简单到复杂的调试方法，最后再将各个模块总和成一个整体。在有线电路部分完成之后，然后进行无线通信电路的焊接，主要要注意的是单片机的最小系统电路，程序下载电路以及无线通信模块 J04V 与单片机的连接。然后将编码程序下载进单片机中，并用示波器查看编码的波形，最后再根据无线模块接收端的波形编写解码的程序，从而实现无线通信的功能。在调试过程中遇到的问题有：(1) 在使用光敏电阻时，没有调整好发光二极管与光敏电阻的相对位置，导致调试烟雾探测部分时，现象不是很明显；(2) 由于在焊电路之前没有认真的查看 STC89C51 的管脚，使得管脚的顺序全部焊错了，最后只好重新买器件重焊；(3) 接收模块和发送模块的频率不匹配，使得发送电路和接收电路无法正常工作；(4) 给接收电路供电时，由于电压不稳定，使得单片机判断有所失误；(5) 在解码程序的编写过程中，随着理解的深入也作了相应的修改。5.2 结论火灾为一种由于燃烧失去控制所引发的灾害，对人类的生命财产和社会安全稳定构成了极大的威胁。由此引发的重大安全事故比比皆是，所以人类一直也未停止过对火灾的研究。本文在参考了国内外大量资料的基础上，针对传统的一系列火灾报警探测器存在的问题，合理地提出了无线火灾报警器的设计方法。在数据传输方面使用了既可靠又节能的改进型信息传输模式，其传输方式采用了较为先进的无线传输模式，极大地提高了产品的实用性和市场竞争力。本课题中设计的无线火灾报警探测器由传感器电路与无线通信电路两大部分构成。火灾探测器的前置传感器可以根据用户的要求以及监测环境的不同作出各种选择，我22们可以选择温度传感器、烟雾传感器、气体传感器等多种传感器，在一些特殊的情况下我们还可以组成多个传感器的监测系统。控制处理器是以管脚资源丰富的 STC89C51为核心，实现对探测器写入信号和对信号进行编译等人机交互功能。应用程序以 C 语言编写，充分利用芯片的内部资源，提高了代码执行效率，减小了代码的容量。由于该探测器具有体积小、功耗低、安装调试简单、可靠性高等优点，因此，该火灾探测器有着良好的市场前景。但是，由于本人在各方面的知识不够全面，再加上时间紧迫以及实验条件的限制，该报警器还有较多需要提高的地方。比如：在烟雾探测电路中，需要减少灯光对光敏电阻正常工作的阻碍；在报警电路中，减少误报警次数，这些都要在后续工作中得到完善。致谢23参考文献 曹君 火灾报警系统设计 哈尔滨理工大学硕士论文 赵娜 无线火灾报警控制器的研制 哈尔滨工业大学硕士论文 胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京:清华大学出版社，2006 清源计算机工作室 Protel 99 SE 原理图与 PCB 及仿真 北京：机械工业出版社，2004 窦振中编著，单片机应用系统设计。江苏：扬州大学物理科学与技术学院 2004 窦振中 基于单片机的嵌入式系统工程设计 北京：中国电力出版社，2008 马忠梅等编著，单片机的 C 语言应用程序设计 北京：航空航天大学出版社 200824附录1 总程序11 控制程序=发送单片机：=#include “reg51.h“#include “18b20.h“sbit led0=P11;sbit led1=P12;sbit led2=P14;sbit wendu=P00;sbit guangmin=P01;sbit mq2=P02;sbit wuxian=P31;25bit led_flag=0;unsigned int num=0;unsigned int temp;unsigned int TempH; /温度void init_t0(); main()wuxian=0;led0=1;led1=1; /起始时灯灭init_t0(); /初始化 T0while(1) temp=ReadTemperature(void)； /读取 18b20 温度TempH=temp4; /本系统只考虑整数，故去掉小数点后的温度值DelayMs(1000); /延时 1sif(!mq2) /等待 mq2 检测到烟雾（比较器输出高电平） if(TempH50 /发射无线脉冲信号led_flag=1; /同时 led 标志打开，使 led 开始闪烁（周期约1.2s）while(mq2); /等待比较器输出低电平 wuxian=0; led_flag=0; /led 标志关闭，使 led 停止闪烁26led0=1;led1=1;led2=1;1.2 编码程序void init_t0() /初始化 T0TMOD |= 0x01; /16 位计时模式TH0=(65536-2000)/256; /设定溢出率 TL0=(65536-2000)%256; E