基于51单片机的烟雾报警器毕业设计论文

基于51单片机的烟雾报警器基于51单片机的烟雾报警器电电子信息工程信息工程

本人郑重声明：所呈交的毕业设计文本和成果，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果。成果不存在知识产权争议，本毕业设计不含任何其他个人或集体已经发表过的作品和成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计者签名：目录摘要 摘要烟雾报警器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟感器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。本系统使用AT89S51单片机，利用多传感器信息融合技术，开发了可用于小型单位火灾报警的语音数字联网报警器。我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发。关键词：单片机；传感器；信号处理；火灾报警器第一章绪论1.1烟雾报警器的发展及现状1.1.1火灾探测技术火灾作为一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，对人类生命财产和社会安全构成了极大的威胁。由此引发的重大安全事故比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究。火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程，它除了自身的物理化学变化以外还会受到许多外界的千扰，火灾一旦产生便以接触式(物质流)和非接触式〔能量流)的形式向外释放能量。接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等。非接触式如声音、辐射等。火灾探测技术就是利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另外一种易于处理的物理量。各种探测器对应的火灾物理参量及探测器如图1-1所示。图1-1各种探测器对应的火灾物理参量及探测器1.1.2火灾探测器的发展趋势探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术弱信号处理技术、低功耗MCU技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。火灾着极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐。近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到任何电子系统中去，同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。1.2论文研究的目的及意义目的：随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。家庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火灾的30%左右。家庭起火的原因林林种种，可能在我们注意得到的地方，也可能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。在现代城市家庭里，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。这就是我们研究烟雾报警器的目的。意义：在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。假如能根据您家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。烟雾报警器对防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。一系列火灾造成的惨痛损失也使全国各界意识到了烟雾报警器的必要性。据调查，在最近发生火灾的大多数房屋都没有安装报警器。所以，烟雾报警器在预防火灾发生上有着非常重大的意义。1.3论文内容第一章绪论本章本主要介绍了烟雾报警器的发展史及发展趋势。对烟雾探测器进行了系统性的阐述。还有论文研究的目的和意义进行了简单的解释。第二章基于51单片机的烟雾报警的设计方案本章是根据论文的要求分析了论文的主要任务。继而概括出整个设计的主要思想和确定出设计方案。第三章系统硬件实现本章针对的是系统硬件是设计。在对整个系统硬件设计时，我们主要从它的主控电路80S51（单片机的复位电路、时钟电路）的设计和外围电路（声光报警电路、A/D转换电路）的设计来具体介绍。还有对在设计中用到的烟雾传感器进行了重点介绍。第四章软件实现本章是论文的软件部分。其中，我们熟悉了整个程序设计的运行环境keil。还有程序的编写过程，对程序做了相应的注释。第五章调试本章着重与软件的调试。在运行环境中我们调试的步骤以及在运行中出现的问题及解决的方法。第二章基于51单片机的烟雾报警的设计方案2.1任务分析单片机应用系统可以分为只能仪器表和工业测控系统两大类，无论哪仪类，都必须以市场需求为前提。所以，在系统设计前，首先要进行广泛的市场调查，了解该系统的时常应用概况，以分析系统当前存在的问题，研究系统的时市场前景，确定市场开发设计的目的和目标。简单地说，就是通过调研克服旧缺点，开发新功能。根据论文的设计要求：（1)、熟悉Keil编程环境；（2）、熟悉有关探测器的理论知识；（3）、给出设计方案；此次的设计先从硬件设计上着手。先要整理出烟雾报警系统的整体思路。确定出方案设计中需要的硬件设备。我们在确定了大的方向基础上，就应该对系统实现进行规划。包括应该采集的信号种种类、数量、范围，输出信号的匹配和转换，传感器的选择，技术指标的确定等。2.2设计方案2.2.1方案设计思想此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学三年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的烟雾报警系统。89S51单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。当周围的环境（温度、湿度、烟雾浓度）达到我们设定的数值时，烟雾传感器把被测的物理量（温度、湿度、烟雾浓度）作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。而我们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合A/D转换器的输入等级，这样就可以简化整个系统的设置。传感器将物理信号经过A/D转换器转化为可以利用识别的电信号给单片机，这里我们选择单片机的P1.0为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定（当温度、湿度、烟雾浓度达到设定数值时）会由P2.0作为单片机的输出直接启动报警电路。此时，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时二极管发光，这就达到了声光报警的效果。2.2.2总体框图根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了烟雾报警系统的总体框图如图2-1所示下：温度温度烟雾报警器AT89S51LM358AN烟雾传感器湿度烟雾报警器AT89S51LM358AN烟雾传感器湿度烟雾浓度烟雾浓度图2-1烟雾报警系统的总体框图使用89S51单片机，选用烟雾传感器作为敏感元件，利用AD574A转换器和声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位火灾报警的烟雾报警器。整个设计由4大部分构成：烟雾传感器、A/D转换电路、89S51单片机、声光报警电路。其中，传烟雾感器是将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。综合考虑各因素，本文选择NIS-09烟雾传感器用作采集系统的敏感元件。火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。NIS-09烟雾传感器能探测CO2，CO，甲烷煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。A/D转换器选用AD574A转换器。第三章部分器件简介3.1MQ-2烟雾传感器MQ-2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成本传感器。∮主要特点及应用：·在较宽的浓度范围内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

·长寿命、低成本

·简单的驱动电路即可·家庭用气体泄漏报警器·工业用可燃气体报警器·便携式气体检测器3.2主控制器AT89S513.2.1MCS-51芯片资源简介89S51是MCS-51系列单片机的典型产品，我们就这一代表性的机型进行系统的讲解。89S51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：图3-1单片机内部结构示意图A.中央处理器中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。B.数据存储器(RAM)89S51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。C.程序存储器(ROM)89S51共有4KB掩膜ROM，最大可扩展64K字节，用于存放用户程序，原始数据或表格。D.定时/计数器：89S51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。E.并行输入输出(I/O)口：89S51共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。F.中断系统89S51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。3.2.2单片机的引脚89S51单片机内部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的.89S51有40条引脚,与其他51系列单片机引脚是兼容的.这40条引脚可分为I/O接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分.89S51单片机为双列直插式封装结构,如图3.2所示.图3-289S51引脚分配图3.2.389S51单机的电源线（1）VCC：+5V电源线。电源线（2）GND：接地线。3.2.489S51单片机的外接晶体引脚（1）XTAL1：片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。（2）XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。采用外部振荡器时，该引脚悬空。外接晶体引脚。80C51单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是80C51的19脚和18脚。在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。如图3-3所示：图3-3振荡电路石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，使MCS-51片内的OCS电路按石英晶振相同频率自激震荡。通常，OCS的输出时钟频率fosc为0.5MHZ~16MHZ，典型值为12MHZ电容器C1和C2通常取30pF左右，对震荡频率有微调作用。调节它们可以达到微调震荡周期fosc的目的。3.2.589S51单片机的控制线（1）RST：复位输入端，高电平有效。（2）ALE/PROG：地址锁存允许/编程线。（3）PSEN：外部程序存储器的读选通线。（4）EA/Vpp：片外ROM允许访问端/编程电源端。3.2.689S51单片机复位方式复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把程序计数器PC值初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动单片机。RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效，其有效时间应持续24个震荡周期（即两个机器周期）以上。若使频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间超过4μs才能完成复位操作。复位操作由上电复位和按键手动复为两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图所示。只要电源VCC的上电时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。按键手动复位分为电平方式和脉冲方式两种。其中，电平复位是复位端通过电阻与VCC电源接通而实现的。脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能复正常运行，首先要检查是否能复位成功。单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态，在这种情况下都需要复位.复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态重新开始工作。89S51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET(RST)引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位.复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变.复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路3种,如图3-4所示.图3-4单片机复位电路a.上电复位电路b.手动复位电路c.自动复位电路第四章报警系统设计4.1硬件电路设计4.1.1单片机最小系统图4-1单片机最小系统4.1.2气敏检测系统由于生产厂家等等原因，离子室的参数会有所不同。因此必须外接并联电阻改变13脚的电位，以达到一定烟雾浓度报警的目的。离子室的输出电平加到检测报警器负端；比较器正端为13脚经内部电阻分压得到的比较器门限电压。因此13脚对6脚并联电阻，会使V13上升，使灵敏度上升；13脚对4脚并联电阻，会使V13下降,使灵敏度降低。并联电阻数百千欧姆至数兆欧姆。图4-2气敏传感器特性曲线4.1.3电源电路图4-3电源电路4.1.4报警驱动电路图4-4LM358驱动电路4.1.5整体电路图图4-5烟雾报警器电路4.2系统软件设计开始4.2.1软件流程图开始初始化初始化是否检测到可燃气体是否检测到可燃气体否是报警报警第五章结束语在本次毕业设计，我通过基于典型单片机AT89S51的设计和应用，对于单片机工作原理，功能有了宏观的了解，并对单片机汇编程序的应用有了新的、进一步的认识。在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是下手很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路。另外单片机系统的知识似懂非懂，而且很多知识当时弄明白了，现在要用的时候又不记得，造成我用了大量的时间去查阅各种资料和程序命令，因此整个过程时间安排不合理。由于设计的计划没有安排好，设计的时间极为仓促，尤其是在硬件调试的过程中出现了很大的问题。另外资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助。第六章致谢毕业设计能够如期完成，我的指导老师给我了极大的帮助与支持。奚老师学识渊博，学风严谨，待人宽厚。在我遇到困难时能耐心解答直至我明白。尤其在我刚拿到一个带有陌生专业术语的题目想退缩时，老师的一翻教导令我受益匪浅。让我明白，没有付出，就没有回报的真谛。还有，人要不断的接受新知识，学习新知识，这样才能在以后的人生道路上坚强的走下去。老师要指导很多同学的论文，加上本来就有教学任务，工作量之大可想而知，而我对于单片机来说，是个初学者。所以，在设计的过程中，遇到很小的问题，都要劳烦老师讲解。在不断的接触中，老师的朴实无华，平易近人的性格对我影响颇深。在老师的指导和鼓励下，我才有信心去完成毕业设计，很荣幸成且幸运成为老师的学生。除老师之外，还要感谢我的同学们。他们给了我很多的建议和帮助。尤其在程序的编写方面，给了我很大的帮助。特此感谢！通过本次设计，让我明白了很多。最重要的是一个人如果无法独立完成一件事情，那么，同学和朋友就是你的依靠。再次感谢在设计中给我帮助的老师和同学！参考文献[1]李全利，单片机原理及应用技术。北京：高等教育出版社，2004[2]金发庆，传感器技术与应用。北京：机械工业出版社，2004[3]王曙霞，单片机实验与实训指导。西安：西安电子科技大学出版社，2007[4]及力，Protel99SE原理图与PCB设计教程。北京：电子工业出版社，2007[5]何利民，单片机高级教程。北京：航空航天大学出版社，2000[6]杨利军，应用电子技术。湖南大学出版社，,2附录一：电路图电路图附录二：PCB板PCB板附录三：实物图附录四:程序//程序头文件#include<reg51.h>//显示函数头文件#include<display.h>//宏定义#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineData_ADC0809P1 //定义Data_ADC0809为P1口//管脚声明sbitLED_R=P2^2;//红灯sbitLED_Y=P2^1;//黄灯sbitLED_G=P2^0;//绿灯sbitFeng=P2^5;//蜂鸣器sbitsan=P3^4; //风扇//ADC0809sbitST=P3^3;sbitEOC=P3^6;sbitOE=P3^2;//按键sbitKey1=P2^6; //设置键sbitKey2=P2^7; //加键sbitKey3=P3^7; //减键//函数声明externucharADC0809();externvoidKey();voiddelay(uintz) //延时函数，大约延时zms{ uinti,j; for(i=0;i<z;i++) for(j=0;j<121;j++);}//烟雾含量变量uchartemp=0;/*指示灯变量初始值*/ucharGL=2; //2到14绿灯亮起ucharYL=15; //15到29黄灯亮起ucharRL=30; //29到255红灯亮起ucharFF=60; //蜂鸣器变量大于60报警ucharMode=0; //按钮模式|0正常|1G|2Y|3R|4F|voidmain() //主函数{ Init1602(); //调用初始化显示 while(1) //进入while循环 { temp=ADC0809();//读取AD数据 if(Mode==0) //正常模式时 { Display_1602(GL,YL,RL,FF,temp); //显示正常数据 if(temp>=GL&&temp<YL)//数值大于绿灯小于黄灯 { LED_G=0; //绿灯亮 } else //大于黄灯或小于绿灯 { LED_G=1; //绿灯熄灭 } if(temp>=YL&&temp<RL)//数值大于黄灯小于红灯 { LED_Y=0; //黄灯亮 } else //大于红灯或者小于黄灯 { LED_Y=1; //黄灯熄灭 } if(temp>=RL&&temp<=255)//沪指大于红灯小于255 { LED_R=0; //红灯亮 } else //小于红灯 { LED_R=1; //红灯灭 } if(temp>=FF&&temp<=255)//数值大于报警值 { Feng=0; //蜂鸣器响 san=0; //继电器吸和，风扇转动 } else //数值小于报警值 { Feng=1; //蜂鸣器不响 san=1; //继电器断开，风扇停止 } } Key(); //扫描按键函数 }}//ADC0809读取信息ucharADC0809(){ uchartemp_=0x00; //初始化高阻太 OE=0; //转化初始化 ST=0; //开始转换 ST=1; ST=0; //外部中断等待AD转换结束 while(EOC==0) //读取转换的AD值 OE=1; temp_=Data_ADC0809; //将P1的数据读出到temp_ OE=0; returntemp_; //将数据返回}voidKey() //按键函数{ if(Key1==0) //模式选择 { delay(80); //延时去抖 while(Key1==0); //再次判断 Feng=0; //蜂鸣器响 write_com(0x38);//屏幕初始化 write_com(0x0d);//打开显示无光标光标闪烁 write_com(0x06);//当读或写一个字符是指针后移一位 Mode++; //模式加 switch(Mode) //判断模式 { case1: { write_com(0x80+4);//选中位置闪烁 Feng=1; //蜂鸣器停止鸣响，形成按键音 break; } case2: { write_com(0x80+9);//位置 Feng=1; break; } case3: { write_com(0x80+14);//位置 Feng=1; break; } case4: { write_com(0x80+0x40+4);//位置 Feng=1; break; } case5: //按5次后退出设置 { write_com(0x0c);//打开显示无光标无光标闪烁 Mode=0; //Mode清零 break; } } } if(Key2==0&&Mode!=0) //设置状态时按下加键 { delay(80); //延时去抖 while(Key2==0); //判断按键 Feng=0; //蜂鸣器响 switch(Mode) //根据模式设置不同的值 { case1: { if(GL<YL-1) //绿灯比黄灯小1时，不可以减 { GL++; //绿灯加 write_com(0x80+2); //写入数据位置 write_data('0'+GL/100); //将绿灯拆字后显示百位 write_data('0'+GL/10%10);//将绿灯拆字后显示十位 write_data('0'+GL%10); //将绿灯拆字后显示个位 write_com(0x80+4); 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