基于单片机和GSM模块家庭智能火灾报警系统

1、-. z. *：1003618030大学民生学院毕 业 论 文2014届年 级2010级 专 业 班 级电子信科学与技术 学 生 姓 名指导教师指导教师职称论文完成时间2014-04-22大学民生学院教务部二一三年印制-. z目 录 TOC o 1-4 u 摘 要：PAGEREF _Toc388108664 h11绪论PAGEREF _Toc388108665 h21.1课题选择的背景及意义PAGEREF _Toc388108666 h21.2课题设计选材PAGEREF _Toc388108667 h22智能火灾报警模块原理PAGEREF _Toc388108668 h32.1系统总体框图PA

2、GEREF _Toc388108669 h32.2火灾报警类型PAGEREF _Toc388108671 h42.3火灾传感器的原理PAGEREF _Toc388108672 h42.4火灾报警模块检测处理原理PAGEREF _Toc388108673 h63系统各模块的电路设计PAGEREF _Toc388108674 h63.1核心芯片选择PAGEREF _Toc388108675 h63.2手动按钮模块PAGEREF _Toc388108676 h73.3传感器检测PAGEREF _Toc388108677 h83.4 A/D转换模块PAGEREF _Toc388108678 h103.

3、5声光报警模块PAGEREF _Toc388108679 h113.6 GSM无线通讯模块PAGEREF _Toc388108680 h123.7单片机外围电路的设计PAGEREF _Toc388108681 h134系统软件流程PAGEREF _Toc388108682 h144.1主程序流程PAGEREF _Toc388108683 h144.2初始化流程PAGEREF _Toc388108684 h164.3传感器A/D转换处理流程PAGEREF _Toc388108686 h164.4 GSM无线通讯流程PAGEREF _Toc388108687 h18结论PAGEREF _Toc38

4、8108688 h20参考文献PAGEREF _Toc388108689 h21附录PAGEREF _Toc388108690 h22-. z基于单片机和GSM模块的家庭智能火灾报警系统大学民生学院， ，475004摘 要：目前，人民生活水平的不断提高，越来越多的电子产品开场走进人们的生活，由此引起的火灾也越来越多。由于人们的消防意思淡薄，应对火灾情况的不及时，都给火灾的进一步扩大提供了便利。为了防止火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须树立预防为主，消防为辅的消防方针，加强消防意思，完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。本系统采用ATMEL公司的AT89S5

5、2单片机作为系统主要由单片机为核心的控制模块、温度和烟雾检测模块、转换模块、手动按钮模块、声音灯光报警模块和无线通信报警模块等局部组成。本系统可利用DS18B20温度传感器和MQ-2烟雾传感器对周围环境进展监测，通过LED显示报警和远程报警系统实现火灾的定点和远程报警。系统主要是适合家庭小布局的智能火灾报警系统，用于火灾的防治和报警。关键词： 单片机 GSM通信 传感器A familyof single based on chip microputer and GSM moduleof theintelligent firealarm system(School of Physics and

6、Electronics, Henan University, Henan Kaifeng 475004, China)Abstract: At present, the improvement of peoples living standard, more and more electronic products began to enter peoples life, the resulting fire, more and more. Because of peoples fire mean weak, deal with the fire situation is not timely

7、, to facilitate further e*pansion of the fire. In order to avoid the fire and reduce the loss caused by the fire, we must set up the prevention first,fire protection by the second policy of fire protection, strengthen fire means,improve the automatic fire alarm system, fire nipped in the bud, to min

8、imize the loss of wealth of society.This system adopts the ATMEL pany AT89S52 microcontroller as the system is mainly posed of single chip microputer as the core control module,temperature and smoke detection module, A / D conversion module, manual button module, sound light alarm module and GSM wir

9、eless municationmodule and other parts. This system can monitor the surrounding environmentusing DS18B20 temperature sensor and MQ-2 smoke sensor, through the LED display system fire point and remote alarm and remote GSM alarm. System is mainly suitable for small family intelligent fire alarm system

10、 for layout, fire control and alarm.Key words: MCUGSMmunication sensor1绪论1.1课题选择的背景及意义火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众平安和社会开展的主要灾害之一。人类能够对火进展利用和控制，是文明进步的一个重要标志。但是文明进步的同时，由此引起火灾也对人民的人身财产造成巨大的损失。2010年，全国共接报火灾13.17万起，死亡1108人，受伤573人，直接财产损失17.7亿元。2011年，全国共接报火灾125402起，死亡1106人，受伤572人，直接财产损失1

11、8.8亿元。2013年2月9日除夕当天，全国共接报火灾839起，直接财产损失690余万元。 随着人民生活水平的不断提高，越来越多的家用电器都开场走进人们的生活，也随着社会生活节奏的不断加快，越来越多的年轻人都不经常在家，家里只有些老人或者孩子，由于不正当的操作电器引发的火灾不胜枚举。这不仅给人们的经济造成巨大的损失，造成社会秩序的紊乱，也威胁到了人们的生命财产平安，给人们的心灵造成巨大的伤害。如何能够保证在老人孩子这些对新生电器缺乏系统认识操作的人，在家里发生火灾险情的时候能够及时的进展报警，已成为一个迫在眉睫的事情。而这种融合了自动检测，手动报警，声光报警和GSM信息通知的智能化火灾报警系统

12、能很好地解决这一问题，能够确保在发生险情的时候能够第一时间进展险情扑灭，从而极大的保护了人们的生命财产平安。而随着科技的不断开展，智能化的火灾报警系统会越来越完善，逐步走入每一个家庭。1.2课题设计选材本次课题设计中检测模块主要是采用了一个手动按钮模块进展火灾险情发生的手动报警，并且采用一个DS18B20的温度传感器和一个MQ-2的烟雾传感器进展自动检测经过一个A/D转化输送信号给AT89C52单片机进展处理之后实现报警机能。而报警模块中声光报警模块则是采用一个LED的红光二极管和一个蜂鸣扬声器进展的即时报警，GSM无线报警模块则是采用西门子工业的TC35I GSM无线通讯模块进展中文消息的发

13、送报警功能。通过这么一系列的检测处理报警流程实现家庭的智能火灾报警功能。2智能火灾报警模块原理2.1系统总体框图图1 火灾报警系统原理框图火灾报警系统一般是由火灾探测器、信号处理器和火灾报警器组成。在火灾险情发生处放置有温度传感器和烟雾传感器进展实时监控，通过对火灾发生时产生的大量热量，及火灾产生所释放出来的CO2、CO和燃烧物残渣进展探测，将探测出来的信号通过A/D转化器进展放大转换以后输送进入AT89C52单片机，当温度传感器和烟雾传感器失效或者人为发现有火灾迹象时可以通过手动控制按钮进展输入一个火灾信号。当单片机AT89C52接收到火灾信号时，进展分析处理之后开场输送电信号进入声光报警模

14、块并通过串口通信输送信号进度GSM无线通讯模块，一方面红光二极管闪烁提醒并使蜂鸣扬声器进展蜂鸣报警，另一方面通过串口通信发送一个信号给GSM无线通讯模块，无线通讯模块接收到信号之后开场向GSM模块里面预置的发送火灾信息。从而完成一个只能火灾报警过程。2.2火灾报警类型由于在火灾报警系统中我们所使用的火灾探测器种类或者是型号的不同，一般常见的火灾探测器主要是一下三种，其中两种比拟常见，一种在家庭小居室里面少见：温度传感器由于火灾发生的时后会燃烧发出大量的热量，使得家庭中温度会在小围迅速升高。温度传感器的使用原理就是利用温度探头在空气中实时采样，然后把采样的数据通过放大器和A/D转化器处理后变为数

15、字信号传给单片机处理判断。目前，在火灾报警系统中一般是使用定温温度传感器来判断空气中温度信号，一般设定定温为55或65度。烟雾传感器在以前科技不兴旺的时候，一般发生火灾前期首先是会产生大量的烟雾，不过随着科技的开展，在现在社会一般火灾都是由于煤气或者天然气泄漏的原因，烟雾不是太浓烈，不过烟雾依旧是火灾发生的一个重要特征。烟雾控制器一般是在房间的天花板有一个探头，该探头会间歇性的向探头前面的贴片发出红光，贴片可以根据接收到的红光强度进展判断，不过本次使用的不是这种传感器。而是一种对CO2,CO比拟灵敏的MQ-2传感器，应对煤气或者天然气的家庭火灾报警很专业。光感传感器火灾发生的时候，不仅会散发出

16、大量的热量产生烟雾，并且还会伴随着可燃物的燃烧发出很多肉眼不可见的辐射光，我们也可以根据可燃物燃烧产生的各种辐射光来判断火灾信号。感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。不过由于光感传感器的价格注定了这类传感器不可能走进群众家庭。2.3火灾传感器的原理火灾发生时，必然会伴随着产生大量烟雾、局部温度升高和并且产生明火发出红紫外光，不同的传感器对不同的现象敏感。当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引

17、起传感器部*些元件或者*些参数的改变，开场输出信号，通过放大器和A/D转换后经过判断决定是否发出火灾信号。在一些大型工厂或者人员密集处，还能通过各个监测网络的发光二极管来判断火灾发生的具体位置。火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类：烟雾传感器一种叫光电感应传感器，6它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。目前很多公司和工厂都采用的时这种烟雾传感器。不过本次试验采用的烟雾传感器是一种气敏材料传感器，这种气敏材料传感器对各种家庭的可燃

18、性气体具有很高的灵敏度，可以将这些可燃性气体浓度变成信号传入放大器进展处理后对人们报警，适合家庭版。温度传感器一种是利用金属热胀冷缩的特性。一般情况下，传感器的探头与芯片之间不是直接接触，中间连接一个温度敏感金属条进展不直接接触，当环境中的温度不断升高时，由于金属热胀冷缩的特性，金属条膨胀、延伸，使得探头与芯片连通，于是能够发出了信号。一种则是使用*些金属的熔点较低特性，在传感器的探头处用低熔点的金属固定一个弹簧，当环境温度升高到该金属熔点的时候，金属开场熔化，使得被压缩的弹簧返回正常状态，探头与芯片相接触导通，发出信号给控制单片机。这两种传感器都属于固定温度传感器，由于金属熔点及受环境控制不

19、太敏感的特性，所以不选择在家庭中使用。而本次设计中使用的温度传感器则不属于定温型传感器，是利用传感器对空气温度的实时采样进展的，反响敏感，探测速度可信且快，不过由于实时采样会产生大量的堆栈亢余数据，对单片机要求较高。红紫外光传感器一种是热释红外光辐射传感器器。这种传感器是80年代开场开展起来的一种高灵敏度的探测元件，他可以通过传感器的感光芯片，不用接触就检测出燃烧物散发出的红外线能量变化，然后将其转化为电压信号输出。另一种是紫外光辐射传感器，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，然后通过继电器盒其他元件，发出电压信号来进展报警，总体来说就是根据燃烧物在燃烧过程中

20、，不断散发出来的红外光和紫外光来进展探测，根据其能量进展判断发出信号。2.4火灾报警模块检测处理原理目前，社会上主要的火灾报警模块无非就是声光报警模块，通过检测到火灾信号然后输送到消防监控中心，在消防指挥中心里面显示具体地址的红灯亮蜂鸣器响进展提醒指挥人员。然而在家庭版的火灾报警系统里面，不可能做到无时无刻的声光报警中心都有人员看守，并且在城市里面，根本上好多人素不相识，发生火灾也无法去通知，所以我在常规的火灾报警系统里面植入了一个GSM无线通讯模块。这样的话，当家庭里面发生火灾的时候，无论你在哪里，你都可以接收到家庭火灾报警系统发出的火灾报警信息，能够让你在第一时间知道情况开场采取相应处理方

21、法，防止更大的损失。3系统各模块的电路设计3.1核心芯片选择在整个智能火灾报警系统中，最重要的就是单片机，它一方面需要去接收手动按钮模块还有温度传感器、烟雾传感器检测到的火灾信号，并且在单片机处理之后还要对声光报警模块和GSM无线通讯模块发送信号，使之能够正常报警，到达该系统的设计目的。在烟雾和温度传感器向单片机发送信号的时候，单片机需要对传感器发出的信号进展分析，从而检测是否到达了火灾报警限度，是否需要对声光模块发送火灾信号。在这一个过程中，单片机需要进展大量的运算，所以就对单片机有一个必须的要求，处理速度必须要快，使之在尽量短的时间确定，并作出相应的反响，同时还要考虑价低物廉。所以本次选择

22、了AT89S52单片机作为核心芯片。AT89S52是一个低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，片含4k Bytes的可反复擦写1000次的Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚构造。芯片集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案11。AT89S52片集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片资源有4组I/O控制端

23、口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压围正常工作。不断开展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低11。图2 89S52单片机管脚图3.2手动按钮模块当温度传感器和烟雾传感器失效或者火患刚起的时候，如果有人刚好在边上，则就可以直接摁动手动按钮模块手动报警，手动按钮模块电路当有人摁动手动按钮模块的时候，S1开场输送给单片机一个高电平信号，单片机经过处理则就可以发出火灾信号报警，平时S1都处于断路低电平状态。图3 手动按钮模块电路3.3传感器检测温度传感器模块 DS18B20DS18B20是一种单总线数字温度传感器。测试温度围-55-125，温度数

24、据位可配置为9、10、11、12位，对应的刻度值分别为0.5、0.25、0.125、0.0625，对应的最长转换时间分别为93.75ms、187.5ms、375ms、750ms。出厂默认配置为12位数据，刻度值为0.0625，最长转换时间为750ms。DS18B20数据位越低、转换时间越短、反响越快、精度越低。利用AT89S52单片机的P1.1脚来驱动DS18B20，上拉电阻阻值为4.7K欧姆。DS18B20的上拉电阻的阻值是一个需要注意的参数，如果DS18B20放置的位置离电路板较远，需要用较长的电缆来连接时，上拉电阻要相应减小，以弥补线路损耗，而且连接电缆要选用优质的三芯带屏蔽层的电缆，否

25、则不能正常读写数据。图4 温度传感模块电路烟雾传感器 MQ-2MQ-2/MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2/MQ-2S气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低本钱传感器，其具有在较宽的浓度围对可燃气体有良好的灵敏度，对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高。集成运算放大电路由于温度传感器和烟雾传感器检测到

26、的信号比拟微弱，缺乏以满足A/D转化器转换信号要求，所以必须对温度和烟雾传感器发出的信号进展调理放大，以到达A/D转换器转换对信号的要求。在本次课题设计中，因为需要用到对传感器信号进展A/D转换进入单片机， LM324含4个独立的高增益、频率补偿的运算放大器，既可接单电源使用 (330 V)，也可接双电源使用(1.515 V)，驱动功耗低，可与TTL逻辑电路相容。所以采用了LM324集成运放电路对信号进展放大处理，以满足所需。图5 集成运算放大电路3.4 A/D转换模块经气敏传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进展A/D装换，将模拟信号转化为数字

27、信号输入单片机。A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换常用芯片ADC0809，烟雾传感器的输出端接到ADC0809的IN0，温度传感器的输出端接到ADC0809的 IN1。 ADC0809的通道选择地址由AT89S52的P00P02经地址锁存器74LS373输出提供。当P27=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。其中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。图中ADC0809转换完毕状态信号EOC接到AT89S52的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换完毕，产生中断。在中断效劳程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。由于

28、ADC0809片无时钟，故利用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHZ，则ALE信号的频率为1MHZ，经二分频后为500KHZ，与ADC0809的典型值吻合。图6 A/D转换模块3.5声光报警模块当用户端系统确认有火灾发生时，P20和P23输出低电平，使得PNP三极管导通。当三极管Q1导通时红色的LED发光，当三级管Q4导通时蜂鸣器发声。限流电阻R11=(5V-2V)/20mA=150这里红色发光二极管的工作电压为2V，工作电流为20mA。电阻R8和R15取值较大，防止三极管击穿时反向电流过大，破坏单片

29、机芯片。图7 声光报警电路3.6 GSM无线通讯模块目前，西门子公司的TC35系列模块的性价比很高，并且早已取得国的无线电设备入网证，所以这次课题选择使用西门子TC35I。这个模块是刚推出的最新无线模块，功能都与TC35其他芯片兼容。TC35I芯片可以很好的兼容GSM2/2+、双频GSM900/GSM1800、RS232数据口，符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，并且容易升级成GPRS模块。而TC35I模块与其外围电路组成的移动终端集射频基带为一体，提供标准统一的AT命令串口，很平安的为信息数据的传输提供保障，并且方便用户的应用开发设计8。 一般来说，GSM无线通讯模块都是与单片机

30、通过串口通信的方式进展的，通常情况下，通信速度都设定为19200bps。数据传输采用RS232电缆方式进展串接是可靠性较好。RS232通过串行接口集成电路和电平转化电路与GSM无线通讯模块进展连接，这是目前最简单也是最常见的接口电路，其中主要设计的芯片有电平转换芯片MA*232。GSM无线通讯模块与AT89S52采用串行接口方式连接，其中GSM模块的R*为下行发送端，T*为上行接收端分别接AT89S52的T*和R*。图8 GSM无线通讯模块电路3.7单片机外围电路的设计直流供电电源单片机复位电路在平时正常情况下，单片机RESET端为0低电平信号，当开关摁下时，输入一个高电平1的信号，使得单片机

31、复位。晶振电路每一个单片机都不可或缺一个晶振电路为单片机提供一个稳定的时钟周期。本次课题设计使用了两个33PF的谐振电容，部晶振时钟频率为6MHZ。图9 外围电路接线4系统软件流程4.1主程序流程本次课题流程图图10 主程序流程图因为考虑到实时监控单片机存放器里面堆栈数据太多，所以要对单片机进展初始化设置，以保证各I/O口的正常功用。本次课题采用的是比拟老一点的MQ-2烟雾传感器进展烟雾检测的，MQ-2在检测之前根本上会有1-2个小时的预热才能正常工作。预热过后，烟雾传感器和温度传感器把检测到的信号经过一个运算放大器放大之后将模拟信号输入到A/D转换器里面，通过A/D转换，滤波线性处理之后把模

32、拟信号转换为单片机可读的数字信号，经过单片机预设的报警门限进展检测之后，如果超过报警门限，则单片机向外输出一个火灾信号给声光报警器和GSM通信模块，开场报警，提醒人们进展处理，如果没有超过报警门限，则不发送报警信号，重新开场返回到传感器信号检测处进展检测。4.2初始化流程图11 初始化流程图在单片机工作之前，首先要对单片机进展初始化处理，主要是确保I/O接口的正常功用，存放器初始化，去除堆栈，检测和确保中断使能的正常功用。首先是需要对存放器进展初始化处理，然后开中断，使在传感器检测到气体浓度信号传入之后，单片机能够及时响应处理，然后关闭蜂鸣器和红灯。4.3传感器A/D转换处理流程烟雾传感器模块

33、在对气体进展采样时，由于环境或者其他各方面的干扰，通常会导致采样不准确。通常会导致采样过程中*一点或者是*几点的脉冲很高异于其他个点采样脉冲。通常可以采用平均值法来消除干扰脉冲，则干扰将平均到计算结果上去，故平均值法对于消除因为环境干扰而导致的烟雾浓度采样值发生偏差。 所以，在采样的过程中，我们可以先对采样过程进展比拟，去除其中脉冲很高或者脉冲很低的最大最小值点，对其他的采样序列进展10个一组的分组，然后求其算术平均值。这种方法可以减小环境或者其他不可抗因素对我们烟雾采集浓度数据的影响。保证报警器检测烟雾浓度的准确性，减小误报、错报的可能。图12 A/D转换流程图4.4 GSM无线通讯流程GSM远程监控系统由控制端和受控端两局部组成，控制端是手机，也可以是TC35I模块和PC。在本设计中，受控端由单片机、GSM模块、检测局部、控制局部组成。主控程序通过GSM模块TC35I对手机发出短信息。受控端的GSM模块TC35I接收到单片机发出的火灾报警信号后，开场通过短信息效劳中心向预留手机发送短消息提醒，预留手机接收到消息之后可以通过手机向GSM模块发送短消息关闭消息提醒。图13 GSM无线通讯流程图结论人民的生命财产平安重于泰山，为了防患于未然未然，