《火灾自动报警系统设计【论文】》15000字

火灾自动报警系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u298911绪论 18241.1设计背景及意义 154321.2国内外研究现状 2327191.3研究发展趋势 251801.4主要研究内容 3308632总体方案设计 3195092.1系统的功能要求 3243392.2火灾产生过程分析 435782.3系统的组成及方案设计 4225112.4系统的硬件选型 537113系统的硬件设计 592693.1主控电路的设计 548183.2烟雾探测电路的设计 8255863.3液晶显示电路的设计 9217853.4声光报警提示电路的设计 9250213.4.1灯光提示电路 9129173.4.2声音报警电路 10224153.5温度采集电路的设计 11289113.5.1DS18B20概述 11244373.5.2DS18B20引脚介绍 1196933.6按键电路的设计 1258673.7继电器驱动接口电路的设计 12185273.8SIM900A模块电路的设计 13291423.8.1SIM900A模块简介 1363793.8.2GSM模块接口设计 14252024系统的软件设计 1535764.1软件介绍 15260484.2系统程序流程图 17141585系统的调试 19164235.1系统的硬件调试 19216345.2系统的软件调试 1921614结论 203896参考文献 241绪论1.1设计背景及意义随着工业技术的发展和经济的提速，人们利用火的能量创造了很多先进的事物，人们利用这些先进的事物对人类的生活产生了极大的帮助。但是也是由于对火的利用的不规范，给人们带来了一些灾难和困惑，甚至造成了人身伤亡和不必要的财产损失[1]。在现代社会，伴随着用电设备的增多，导致火灾的源头就变得越来越多，其中火灾发生比较集中的区域在城市人口密集处、茂盛的森林、楼层很高的楼房和一些防火设施做的不完善的公共娱乐区等几处区域。我们国家的研究部门在对过往发生的火灾定量统计分析，经过分析发现引起火灾的主因有以下几种：人为纵火、电气火灾、雷击等。在所有自然界发生的各种各样的灾害中，除了地震、洪水之外，对人们和动植物、环境影响最大的还是火灾。每一次自然灾害的影响，除了对人身造成伤害外，也会对当地的环境产生较大的影响，更为严重的是对人们、对事物的认识产生影响，甚至扭曲人的价值观。近年来随着社会高速的发展和经济持续的大幅度增长，人们的各项物质文化资料都得到了空前的提高，家用电器也越来越智能化，家居装饰用的材料也越来越高端，装修风格日趋满足人们的个性要求，这也直接导致了火灾的隐患越来越多。同时，各种用电设备和家居的制造质量和材料，也参差不齐，有些设备的材料都是易燃易爆，可控性不强的材料。随着工作节奏的加快和人们面对事物处理的增多，人们的心里压力也比较大，有需要一个合适的减压场地去消除人们心中的压力，KTV游戏厅洗浴城等娱乐场所起到了非常大的作用。但是也就是这些地方，存在非常严峻的火灾隐患，人口密集，而且通风不畅，电气设备超出线路负荷等隐患极易造成火灾。在过去的几千年中，人们都曾经研究过火灾的发生过程，到了20世纪中期人们意识到火灾的发生是一个物理变化的过程，与周围的环境和可燃物有很大的关系，也会对周围的环境造成影响，比如会造成周围环境温度上升，出现浓烟，红外线增强等现象。在各个国家人们对于火灾都空前的高度重视，对于可能发生的火灾的预防、监测和及时的扑灭火灾都曾经采取了一些防范和准备。但是如何有效的对火灾在刚开始时就能起到监测的作用，或者能够及时的将火灾的信息传递给人们，成为当今科学技术研究者的首要问题。这项研究的成果，必定促进人们的生活质量，及时的挽回人们不必要的经济财产损失，保障世界各国人民的幸福生活。所以各种各样的火灾检测报警装置也都应运而生。先进的火灾监测和报警系统能够适应各种复杂的应用场合，并能对即将发生的火灾具有预先检测作用，在火灾还未成型时及时向人们发出预警信号，提示人们注意安全和及时扑救，必要的时候开始喷淋水泵或者其他灭火设备以消除火灾。整个火灾检测报警装置是由单片机控制硬件和程序软件共同组成：硬件部分主要是单片机控制器核心、各种火焰或者烟雾传感器检测装置；软件部分是对传感器送入的信息进行处理和设置，以及判断当前是否真的是火灾发生而不是误报。对于火灾初期情况的判断，需要人们对不同的环境所产生的状态进行研究，进而提出比较合理的阈值条件。本次设计的重点就是利用火灾预防场合的温度的变化和烟雾的浓度来进行判断火灾发生的前置条件，以此判断是否真的是火灾，并辅助于液晶显示装置来对温度和浓度进行显示[2]。1.2国内外研究现状欧美国家在18世纪90年代就已经对火灾的成因和表现特性进行了研究，而国内对火灾的研究相对则比较晚。但是在面对发生火灾的风险和强大的市场应用前景的背景下，国内对于火灾检测和报警技术的研究也得到了空前的发展，各式各样的火灾检测报警装置也相继开发。火灾报警器的发展可以分为下面几个阶段：第一个阶段：在1920年左右，国外知名大学缅因大学的教授发明的报警器，在火灾发生后将启动电报发送装置，利用电报机将现场温度变化的信息发送到相应的消防部门。第二个阶段：1950年左右，瑞士的一名材料科学家发明了一种离子式感知烟雾检测装置，随后还有人发明了光电式烟雾探测器，随后人们将以上几种方式进行了复合制造。报警系统上面还安装了一些自动灭火装置，但是由于当时没有单片机的普及应用，大多数火灾报警装置还是继电器线路控制的，配线复杂，安装后后期维护都比较困难。这种火灾报警器由于成本高昂，并没有得到普及应用，只是应用于比较重要的场合。第三个阶段，1980年左右，此时材料领域得到空前的发展，电子技术取得了很大的成果，火灾检测传感器的性能也越来越高。单一火焰传感器的弊端也变得更加明显，因此需要一个或者多个不同类型的传感器进行融合制造，并对信号进行处理后发送到负责人。在这个过程中，现场总线技术得到了应用。第四个阶段，是从上世纪末期到现在，除了上述的感知式的传感器，现在还出现了图像感知传感器，利用人工智能对摄像机采集的图像进行处理后再进行判别，并能够准确的识别火灾发生的成因和灭火处理建议，甚至自动启动相应的灭火装置，以求得在最快的时间内进行灭火。1.3研究发展趋势近年来，随着社会的不断进步和文明程度的提高，人们对于信息化的期望也越来越高。而在火灾检测报警系统中，最重要的一项任务就是报警装置能够正确的识别火灾并对人们提供及时灭火的建议，以确保最大的人身安全和财产损失最小化。在大部分国家，在进行建筑高楼等建筑物时，都要求消防达标。在市场作用下，火灾检测报警装置必定会更好更快的发展。主要表现在以下几个方面：（1）信息融合智能化。能够实现多传感器融合，将各个传感器的信息汇总后对火灾进行判断，能够正确的排除由于环境的干扰导致误报，以达到对火灾的精准检测和扑救。（2）网络信息化。在这方面是指将火灾报警器加入网络通讯技术，这种网络通信技术可以将不同城市甚至一个国家内所有的城市中的火灾报警器形成一个信息化网络。这个信息化网络同时具有火灾检测起火原因分析以及发布报警信息，甚至具有启动灭火水泵或启动干粉灭火器进行灭火等功能。如果将这个系统应用到全国的大部分高危场合，那么，不论是对于发现火情还是灭火救灾救人方面都是非常有利的。1.4主要研究内容火灾检测就是利用各种传感器中的元件，将发生火灾的环境中出现的各种特性转换成可以识别的数字量的过程。本次设计主要利用温度传感器采集现场的温度信息，以此来判断火灾现场的温度是否上升[3]。再利用烟雾传感器采集火灾发生现场的烟雾的浓度是否达到一定的标准，有了温度和烟雾，就可以确定是否已经发生了火灾。本文设计了一种火灾自动报警系统，它的主要功能是利用DS18B20和MQ2传感器检测环境中温度的变化和烟雾浓度的大小，由此来判断现场是否发生了火灾，再通过单片机控制相应的蜂鸣器，发出响声报警，通过GSM模块向预定的手机发送短信，同时单片机输出接口输出信号来控制水泵进行灭火。通过按键可以控制温度的标准值，也可以控制烟雾的标准值，以此来避免传感器过于灵敏而导致的误报现象。系统采用LCD1602液晶显示屏来显示当前温度的大小和浓度的高低，并且能够显示温度标准值和浓度标准值。本文主要分为五章，第一章介绍了本课题研究的目的和意义，分析了火灾检测报警装置国内外研究现状和发展趋势，并且阅读了国内外大量的参考文献，分析对比了各种传感器对于火灾报警的准确性和精度。第二章根据火灾报警器的要求，提出了本次设计的各项参数目标，提出了本次火灾报警器的具体实施方案以及所需要的硬件选型。第三章主要对系统的硬件进行了设计，包括单片机最小系统控制电路，烟雾探测电路，液晶显示电路，声光报警电路，温度采集电路，按键控制电路和继电器驱动接口电路，并利用电路图软件对电路原理图进行了绘制。第四章对本次设计编程软件进行了简要的介绍，并设计了系统程序流程图，编写相应的检测和控制程序。第五章对系统硬件和软件进行了联合调试，并购买实物，制作了火灾报警器的样品。2总体方案设计2.1系统的功能要求本次设计的火灾报警器是适合于家居环境的要求，因此设计本次火灾报警器系统应满足以下几个要求：第一，火灾报警器对发生火灾报警要具有准确性。为了解决只有一种火灾检测传感器可能产生误报这种现象，本文采用了两种传感器相结合的方法作为判断依据，单片机需要采集家居环境的温度和家居环境中烟雾的浓度，由此两种条件同时的满足的情况下，发送报警信息到指定手机[4]。第二，火灾报警器检测和报警要具有实时性。火灾报警器设计的主要目的就是为了在火灾初期能够迅速地监测到火灾发生的时间和地点，并将火情告知负责人，以维护人身安全和财产不受损失，这就需要火灾报警器要有较高的实时性，能够在规定的时间内完成火灾的检测和报警。第三，火灾报警器要具有环境适应性。虽然本文是为了家居环境而设计的火灾报警器，但是考虑到家居环境的现场条件后，需要我们这个火灾报警器具有适应性，能够适应不同的家居环境和安装条件。第四，火灾报警器要具有耗电量低的特点，并且具有工作时噪声小的特点，还要具有体积小的特点。因为本次设计的火灾报警器可能要测试家居环境中不同的房间，为了避免火灾报警器的安装影响了家居的审美，本次设计的火灾报警器采用USB供电。因此，考虑到火灾报警器的能量消耗问题，在保证实现火灾正确报警的情况下，要具有能够保持能量消耗低的特点。第五，火灾报警器的设计要具有低成本性。在选用器件时需要考虑用户的实际承受能力，尽可能的降低硬件和软件的费用，由此开发的产品才能适应大众的需要，增强产品的竞争力，倘若价格过高，那将失去本次设计火灾报警器的实际意义。2.2火灾产生过程分析家居环境中，火灾的产生是由于家居环境中可以燃烧的物品燃烧失去控制所造成的。在居民家里，有着很多的易燃物，例如：被子，窗帘以及最严重的就是天然气。这种家居环境中，物品燃烧同时要具备三个条件：即燃烧的物品、点火的源头、辅助燃烧的物品。火灾对于家居环境中可燃物的含量和温度以及助燃物的浓度都有非常高的要求。只有达到这个要求，家居环境中的物品才会发生燃烧。由于家居环境中火灾的产生到灭火是一个非常持久的过程，因此可以把火灾的产生分为四个阶段：即火灾隐患阶段、火灾爆发阶段、火灾全面升级阶段和消失阶段。在家居环境中，可燃物品的堆积会导致周边环境温度的上升。在这个过程中，由于温度的影响，家居中物品的材料会发生变化，从而产生浓烟或其他有毒气体。在这个阶段当中，由于温度的变化并不是很快，而烟雾浓度却增长的非常快。因此，本次设计需要有烟雾传感器和温度传感器相辅相成，发挥作用。在火灾发生的初期，由于温度的上升，具有燃烧性质的气体和能量都积攒在一起，这个时候就会产生较弱的明火，而且着火的面积也不是很大。但是随着火灾的发展，明火只会慢慢蔓延开来，从而使周围环境中的温度也不断上升。此时火灾慢慢的进入到爆发阶段，从而火势失去控制，持续发展下去就会产生非常明显的火焰，家居环境中物品的燃烧也会非常的巨裂，温度最高时甚至可以将混凝土融化。单一家庭中，火灾会蔓延到邻居，甚至整层楼都会受到威胁。由此可见，在火灾发生的初期阶段，温度的上升和烟雾浓度的增加，会占用一场火灾甚至一半多的时间。这也是在火灾开始燃烧的时候，如果有一种火灾报警器能够准确的监测的家居环境中环境温度和烟雾气体浓度的变化，从而提前预警，使人们能够将及时将火灾消灭在萌芽阶段，进而保障人身财产安全。2.3系统的组成及方案设计本次设计的火灾报警器要能够实时监测家居环境中温度的变化，烟雾浓度的变化两种环境信号，并将两种信号进行处理后，经过模数转换芯片处理以后送入到单片机，进行处理，便于与单片机中设定的信号标准值相比较，从而判断家居环境中是否已经发生了火灾，或者已经具备了发生火灾的条件。单片机将火灾信号进行判断后，确定是否要发生火灾，由此将报警信息通过GSM模块传送到指定用户的手机系统，主要组成框图如图2.1所示。图2.1控制结构框图本设计可以实现无线远距离的传输报警信息，无论用户远在天涯海角还是近在眼前，都可以对家居环境中的火灾隐患了解的非常清楚，因此本次设计所选用的所有软件都是市场上比较常见质优价廉的软件，但是却能对整个火灾报警系统起到关键的作用。因此本设计能够满足火灾报警器的实时性通用性的要求，具有很强的环境适应能力和市场应用前景[5]。2.4系统的硬件选型本设计的硬件选择主要是：STC89C52单片机、LCD1602液晶显示屏、DS18B20温度传感器、MQ-2烟雾传感器、模拟量信号数字量信号转换器ADC0832、蜂鸣器、和GSM模块。3系统的硬件设计3.1主控电路的设计STC89C52是国内宏晶科技公司出品的低功耗高性能的单片机主控器芯片，该公司和多个大学有联合实验室，改革了国内单片机行业，推动了单片机的发展历程。其芯片应用广泛，抗干扰能力强，性能稳定，供电多模式等等优点，让STC单片机在国内稳坐第一。STC89C52是基于51内核的单片机控制芯片，可以完全替代美国ATMEL公司的AT89C52芯片。国内厂家的单片机芯片之间支持串口下载单片机程序，这一点就优于美国的AT89C52。因为美国AT89C52芯片是需要专业的下载编辑器才能实现程序的导入，这大大增加了工程开发人员的开发成本，并且其使用也不方便。其芯片同时支持多家编程软件，常用的KEIL软件，也基本就使用KEIL软件最大程度的兼容51系列单片机的全部属性。单片机芯片具备8K的程序FLASH储存空间，可以满足小型控制设备的控制需求。内部运行内存RAM有256字节。可以满足小型控制系统变量的数量要求[6]。单片机自身具备32个的双通道的输入输出端口，可以根据用户系统的需求设置输入和输出的有效分配。内部包含3个高速定时器，实现3个不同的定时基准，一个高速通讯串口。以及两个低功耗的高速响应外部中断。可以对其优先级进行分级设置。基本的资源可以满足小型控制系统的硬件需求，单片机自己自带XDATA数据区域，分配了EEPROM数据掉电保持区，提供数据设置后，断电数据可以得到保持不丢失。这样可以省去类似AT2402这样的数据记忆芯片的成本。单片机最大支持外部晶振可以高达35MHZ的晶振时钟输入。STC公司对89C52芯片进行了倍数设置，可以通过下载软件对单片机的运行基准进行调整，在软件上选择了双倍速运行。单片机内部运行速度提高一倍，大大提高了芯片的实时性和高效性。可以满足不同的系统对不同运行条件的限制。对于功耗方面，芯片提高低功能版本即3.3V供电的单片机系统，由于3.3V供电系统导致单片机输出口驱动能力下降，导致外部硬件也需要选择对应的功耗能级，所以在此设计时我们选择通用的5V供电版本的单片机控制器芯片。只有针对便携性高的设备，电量要求高的设备，才能可以采用低功耗单片机来实现电能苛刻的要求。单片机在软件方面支持硬件和软件在线连调功能，大大降低了开发硬件成本和时间，可以简单的找出单片机程序的故障点和硬件不匹配的地方。目前市场上8位单片机种类繁多，但是唯独C51系列一直被广泛使用。其STC89C52引脚介绍DIP封装如图3.1所示。图3.1STC89C52DIP封装图单片机的最小系统包括单片机主控器芯片以及外围的时钟晶振电路，供电回路，复位电路，它们是单片机正常运行的基本要求。单片机的最小系统相当于硬件设计的基本核心，通过核心向外部发散，添加需要的输入输出口，通讯回路，数据储存，报警回路，信号采集回路等等。由于单片机内部都集成了数据存储芯片和掉电保持芯片，大大提高了系统的集成度，同时减少外部扩展设备，减少了控制环节，大大降低了设备运行故障率。图3.2单片机最小系统原理图STC89C52单片机的晶振控制电路。单片机的引脚18和引脚19为外部时钟控制输入，此电路给单片机提供基本的运行机器信号。电路提供一次震荡信号，单片机机器回路动作一次，对于系统就是内部逻辑程序走一步。此回路的晶振数据越大，震荡越快，导致单片机的运行速度就越快。通过常见推荐和大量实验证明此回路电容采用33PF为最佳运行状态。当然这个震荡电容的取值范围是15PF-80PF之间均可以满足震荡晶振回路正常运行。同时设计晶振电路时应该离单片机越近越好，回路更加稳定，同时电路远离干扰和大电流通过的电路方能确保时钟回路的稳定性。具体电路如图3.3所示。图3.3STC89C52内部时钟电路（1）复位电路单片机STC89C52的复位控制对于硬件内部来说就好比给系统断电重新通电的操作，所有数据全部初始赋值，输入输出全部状态复位。单片机引脚9即是外部复位输入信号，其引脚常规时刻串联一个限流电阻到接地，另一端接一个10UF电容并接入电源正极，当复位按钮按下时，单片机复位按钮得到一个上拉至电源正极的触发作用，结合电容震荡保护，使得单片机重启来达到复位的效果。由于目前市面单片机内部均含看门狗，可以通过对程序进行处理，当单片机运行在干扰情况下或者其他条件下导致程序跑飞，没有在规定时间内进行喂狗操作，看门狗指令将控制单片机软件复位，即数据清零，状态复位，来实现软件复位的功能。这就是目前大多数市场设备产品均没设置硬件复位按钮，均通过软件看门狗功能来弥补硬件复位电路，因为其可以自动检测是否需要重启的操作，大大提高了设备的有效性和稳定性。具体电路如图3.4所示。图3.4STC89C52复位电路（2）STC89C52中断技术概述单片机的中断技术是针对需要及时处理的事务，优先于主程序内部的其他程序，单片机的中断主要有定时器中断，串口中断和外部端口输入中断。外部端口输入中断优先级最高，最先识别并响应，当外部信号检测到中断请求，单片机立刻停止当前正在主程序处理的事务，立刻进入中断程序去处理中断程序内部的脚本控制，以此来实现紧急处理事务。当中断紧急事务处理完成后，没有新的其他中断请求时，单片机立刻回到刚才停止的主程序处理事务，继续执行指令。图3.5为整个中断响应和处理过程[7]。图3.5中断响应和处理过程如果单片机没有设计中断服务，那么很多需要紧急处理的程序无法得到及时的响应，全部都通过单片机引脚主程序查询扫描的方式，这样就会导致扫描周期增加，单片机循环处理各种事务，有效性得不到释放，时效性就会大大降低。采用中断技术就可以完全解决这样等待的问题。3.2烟雾探测电路的设计对于宏晶科技公司STC89C52单片机来讲，该单片机只能处理数字量信号，不能处理模拟量信号，而对于我们本次烟雾探测传感器检测输出的信号，它是模拟量信号，因此要想使用单片机采集到烟雾探测电路的型号，必须在单片机和传感器之间夹一个模拟量转换成数字量的芯片。在本次设计的火灾报警器系统当中，由于对温度的检测精度要求不是很高，考虑到系统的市场应用的通用性和适应性，本次采用ADC0832模数转换芯片，该芯片是逐次逼近式AD转换器，拥有八个转换通道，转换速度比较快，并且该芯片采用双列直插封装，焊接较容易，ADC0832有八根数据线可以和单片机的数据端口直接相连，本次设计采用单片机的P1口和ADC0832的数据输出线相链接[8]。图3.6烟雾探测电路3.3液晶显示电路的设计LCD1602是一个有两排显示并且每排16个字符的液晶显示器，故命令为LCD1602。其液晶显示器支持全英文和阿拉伯数字，每个字符和行之间的距离出厂厂家已经设置好，对于使用者只需要对命令指令和数据指令熟悉即可。通过对数据引脚和命令引脚进行控制就可以实现液晶显示器显示目标字符[9]。整个LCD1602一共16个引脚，分别是电源供电、背光供电、3个指令控制引脚、8个数据引脚组成。其第三个引脚为背光灯调节输入引脚，可以根据项目需求对背光灯亮度进行调节，最大程度的实现降低能耗。由于单片机内部P0口没有上拉电阻，所以在系统设计中，增加了一组10K的上拉排阻来解决这一问题。具体引脚如下图3.7所示。图3.7液晶显示电路设计3.4声光报警提示电路的设计3.4.1灯光提示电路本次设计的家居环境中，火灾报警器系统采用数码管来显示当前环境中的温度的大小，数码管是由发光二极管组成的一个显示器件，接线已经在数码管器件的内部结构中已经完成，因此，我们在使用数码管时只需要将数码管的端子上接上电源和控制信号，就可以对数码管显示数字进行控制。数码管控制显示可以分为动态显示和静态显示两种：静态显示，要使用单片机的引脚和数码管的每一个段的引脚连接，每次只能驱动一个数码管显示；动态显示，可以利用相同的数据线驱动不同的位的数码管来显示不同的数字。静态显示一般用作数码管位数比较少的情况，占用单片机的输出引脚也不多，动态显示一般用作需要显示的位数比较多，占用单片机的引脚比较多的情况。本次设计的火灾报警器要使用四位数码管来显示当前的温度值，如果用静态显示，则需要输出口32个才能显示出温度的大小，这对于STC89C52单片机来讲，这是一种非常大的浪费，因为单片机只有40个引脚，除去电源和晶振引脚还剩32个，远远无法满足数码管的使用。因此，本次采用动态显示方式来点亮数码管。STC89C52单片机，所有的输入输出端口才32个，所以如果要控制四位数码管的话就没有其他的端口来控制蜂鸣器和报警指示灯了。但实际的工业控制应用中需要增加译码器进行控制，这增加了硬件电路的复杂程度不太容易操作，这里要介绍一个数码管的另一种控制方式，那就是动态显示控制数码管。当单片机输出字型码时所对应的为数码管有效，其他无效。如果我们要不同位数码管显示不同的字形，LED数码管是由发光二极管和适当的光学结构组成，这些可以组成数字型数码管、米字型数码管、电平型数码管等类型。数字型数码管一般由7个发光二极管组成，可以使实现简单的0-9的显示。数码管的光电特性和发光二极管的特性大致相同，但是由于数码管含有多个二极管元件，所以数码管的参数比较特殊[10]。图3.8灯光提示电路3.4.2声音报警电路蜂鸣器是采用直流5V供电，通过电流产生回响的一种发声器件。通过压电式蜂鸣器实现系统的声音报警功能，电路使用8550PNP三极管实现一个电流放大开关的作用。当单片机控制输出引脚为低电平。三极管VCC端就形成通路，信号流向下面的蜂鸣器正极。从而蜂鸣器得电发声。具体如图3.9所示。图3.9声音报警电路3.5温度采集电路的设计温度采集电路主要是通过单片机引脚对DS18B20进行温度数据读取功能实现的电路具体如下图3.10所示。图3.10温度采集电路3.5.1DS18B20概述在测控系统中，用得最多的就是温度的检测，各行各业都容易涉及到温度的控制和采集，所以DS18B20才有了很大的市场空间。是常用的数字温度传感器。其低功耗、接线简单、数据结构简单、稳定性好等优点被市场广泛使用。测量范围-55度到125度。分辨率为0.5摄氏度。同时传感器支持多点并用同一数据线，大大节省了单片机外部引脚的资源。转换速度快，耗时低于100MS就完成一次数据采集。同时传感器自身带有校验功能，大大提高了温度数据的准确性。3.5.2DS18B20引脚介绍图3.11DS18B20引脚UDD为电源供电正极，供电范围支持3.3V到5.0V。GND为电源负极。NC为空引脚。I/O引脚是传感器的数据线，漏极开路，需要增加上拉电阻来保证传感器的正常运行。DS18B20首先内部通过对芯片的自复位。并检测内部编码是否存在来确定传感器是否存在于电路。如果得到传感器的回应，表示电路存在传感器，单片机通过发送温度转换指令写入到传感器，传感器通过一定的延时处理。再次复位传感器，再发出当前温度数据读取指令，传感器将系统得到的温度数据通过单总线的方式回传到单片机的数据变量中。最终实现单周期的温度数据读取操作[11]。3.6按键电路的设计本设计采用轻触按钮实现手动输入信号，按钮按下后单片机引脚会直接和负极导通，程序内部对按钮信号进行扫描检测，如果电平信号为低，说明按钮有按下。同时需要考虑防抖动，需要再程序内部做延时程序处理，确保按钮信号的正确性。具体按钮硬件电路如图3.12所示：图3.12按键电路3.7继电器驱动接口电路的设计在本次设计当中，由于火灾报警器系统具有现场声光报警和这个驱动水泵进行撒水的这个动作，因此，本次设计需要用单片机来对这个蜂鸣器还有继电器进行控制，由于单片机本身输出的电流比较小，不足以驱动继电器，因此，采用三极管对电流进行放大以后再进行继电器的控制。继电器是一种中间辅助器件，用来将弱电控制信号转换成强电控制信号。继电器驱动接口电路如图3.13所示。图3.13继电器驱动电路图3.8SIM900A模块电路的设计3.8.1SIM900A模块简介GSM通信模块是当前无线通讯数据传输的核心技术，也就是我们常说的手机短信。其SIM900A常用于两个固定的频段，即EGSM900MHz和DCS1800MHz。该芯片提高了多种控制接口方式，可以通过引脚实现数据控制，也支持串口通讯的方式实现短信模块的收发控制，其串口通讯方式为常用方式，因为其控制相对简单，指令易读性高。通过AT命令（GSM07.07，07.05和增强AT命令）实现模块的控制。同时芯片模块提供了天线接口，用户可以选配天线来提高设备的通讯能力和数据准确率。其芯片的体积小，功耗低等等优点被广泛应用于无线通讯设备[12]。图3.14SIM900A实物图SIM900A功能图下图展示了SIM900A的功能框图，并说明了主要的功能部分：GSM基带、存储器、GSM射频、天线接口、其他接口图3.15SIM900A功能图3.8.2GSM模块接口设计GSM模块提供多种控制方式，引脚控制和串口通讯控制。由于串口通讯的控制方式简单，数据响应快等等优点，最终选择用串口来对模块进行控制。SIM900A模块是通过自身的串口通讯接口和单片机的串口通讯接口相连实现的数据交换。设备的串口主要通过TXD和RXD引脚实现控制，其他状态信号线RTS和CTS均采用默认电路方式，为了保证串口通讯的稳定性和协调性，在串口相连的电路上串联一个22欧姆的电阻。控制信号线DTR、DCD、DSR、RI均通过电阻接入单片机引脚。对于SIM900A模块的控制主要是通过软件的控制，软件控制相对方式灵活多变，便于系统调试。模块的电源供电建议采用电源通过电感再接入GSM模块供电，这样可以有效的防止高频干扰导致电源异常来影响模块的工作。GSM模块的背面提供了SIM电话卡的卡座，通过电话卡连接到GSM模块上才使得GSM系统成为完整的系统终端。可以成功的接入信号网络实现通话或者短信。模块整体和单片机连接的时候，需要注意模组和单片机晶振尽量远离，使得双方不受相互的干扰。SIM900A模块的串口管脚工作电平为CMOS电平，而单片机串口管脚工作电平是TTL电平。由于双方对电平识别和逻辑高低判断是相互一致性。所以可以实现直接串口引脚互联。同时SIM900A模块的网络指示灯引脚可以实时体现模块的工作状态。系统可以根据需求设计指示灯来显示短信模块是否正常运行[13]。完成基本的控制思路后给出SIM900A的具体电路指导图如下图3.16所示。图3.16SIM900A模块接口4系统的软件设计4.1软件介绍最好的C语言开发环境最少应该具有下面的一些功能[14]。第一个功能开发的程序要有效运行，能够显示程序的结果执行，对于可能出现的硬件上的连接错误，也能够清晰的标识出当前错误地址在哪里。第二种功能就是在线编辑修改程序的功能。对于这样的开发环境，当在程序调试没有通过时，不用重启单片机，直接就可以在线修改程序，同时进行仿真。在一个功能强大的仿真环境当中，仿真软件里所具有的辅助功能的强弱和稳定性也对单片机开发项目具有非常重要的影响，比如编写程序所使用的语言，传统的单片机采用汇编语言进行编写程序，在高级语言还没有出现以前，对于工程师来讲，编写汇编式的程序难度非常大，而且不容易进行团队合作。因此，在高级语言比如C语言出现以后，大家都习惯于采用C语言进行编写程序，在编写程序的过程中，并不需要对单片机的硬件管脚有非常熟悉的了解，都可以直接进行编写应用程序。而且这种不依赖于硬件的编写的程序对于项目一直就有很好的适应性。KeilC51是美国Keil公司针对51系列单片机开发的专用软件，同时支持对各种单片机程序编辑，不同的容量以及不同的硬件参数都集成在编程软件内，可以适用多个单片机项目同时编辑。常用编程语言有C语言和汇编，由于汇编可读性差，移植效率低，目前没有被广泛使用，但是汇编有一个优点就是直接操作机器码，他的响应效率最高，但是这个优点并没有得到大家的认可，由于C语言优点很多，代码阅读方便，所以被各大项目使用，兼容各种编程软件。编程软件可以实现多项目集成方案，对系统的多个功能可以分类，程序也可以分功能标注，不同的功能使用一个不同的主文件，下面可以包含此功能需要调用的子函数，使得项目结构更加清晰[15]。KeilC51软件同时还支持软件独立调试，针对程序在软件内部可以实现纠错和问题查询，简单的逻辑问题可以通过软件内部仿真来找到。复杂的问题，特别是涉及到外部硬件控制，就需要软件和硬件实现通讯调试，软件支持LINK连接方式，单片机和软件通讯，软件可以实时监控程序运行的情况，大大提高了系统调试的效率[16]。其Keil_c软件界面如图所示：图4.1Keil_c软件界面Protel99SE是一款早期经典的针对电子电路设计的软件，其软件功能丰富并强大，系统可读性强，同时还支持中文版，大大提高了软件的受众群体。EDA公司在电子电路行业发展期，快速的发布了这一款针对电路设计的软件，很快占领了国际市场，软件使用方便，内部元件库众多，满足基本的元件需求，如果用户有自己硬件的特殊封装需求，软件是支持自建元件库，可以加入自己设备常用的封装，大大提高了便捷性。就编辑页面来说，增加了网络标，同一个网络可以使用同一个标示符，表示相互连通，大大减少了画面的连线，使画面更加整洁和方便管理维护。里面的元件库均为国际标准通用。软件可以根据用户自动生成元件表和焊接表，元件的引脚标注也提供多参数，可以设置引脚的注释名，方便用户对器件的理解和更新。软件还提供各种电源标准，根据用户自身需求，添加电源模型，只需要对内部参数调整与项目实际一致即可。完成原理图后，系统可以自动生成PCB电路板，如果对线路要求不高，软件还提供了线路自动布线的功能，内部自动算法实现电路的自动布线。如果需要设计EMC相关的电路，就需要对各个部分的线路进行自我设计，就不能完全依赖于软件的自动布线功能，完成布线后，软件提供自动覆铜，设置覆铜参数后，自动完成。软件还提供大量的工业标准例子电路供设计人员参考。这不仅规范了电子电路设计的行业，也提高了设计人员的设计水平。图4.2Prtel99SE软件界面4.2系统程序流程图系统开始运行后，首先系统初始化参数，对设备硬件初始化，定时器和通讯串口进行初始化，系统读取温度和烟雾数据，再判断数据和设置数据比较，结果控制对应设备进行数据处理，满足报警条件就进行声光报警和短信报警。并将当前读取的温度和烟雾数据显示在系统液晶屏幕，方便用户实时查阅[17]。开始初始化读取AD转换烟雾值判断按键是否按下执行相应的指示控制N设置相应参数显示设置数值结束Y判断当前温度、烟雾浓度声光报警、驱动相应继电器发送信息YN图4.3程序流程图

开始初始化读取AD转换烟雾值判断按键是否按下执行相应的指示控制N设置相应参数显示设置数值结束Y判断当前温度、烟雾浓度声光报警、驱动相应继电器发送信息YN图4.3程序流程图5系统的调试5.1系统的硬件调试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，烟雾探测电路，控制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[18]。硬件调试首先用观察法需要对电路板元件确认有无虚焊。焊接是制造电子产品的重要环节之一，在当我们设计好电路时，如果说我们存在虚焊的情况，则会导致电路板上面元器件无法正常工作，甚至还会对我们造成危险，因此在我们进行焊接之前我们要确保焊锡的质量，焊枪的温度，还有就是焊接时间的长短，把这些都考虑在内了，才能保证调试的成功。其次万能表通断档位查看系统电路有无短路或者断路情况，最后给系统供电，观察指示灯是否得电。在硬件调试上可谓困难重重，最初给系统通电发现指示灯不亮，而且蜂鸣器也无法正常工作，最终用排查法检测出是设备引脚出现虚焊，可能的原因就是焊接的质量有些问题导致的虚焊。重新使用焊锡加固后，再一次对设备的引脚进行重新的焊接，问题得到解决。初步完成观察法后，对单片机进行硬件的调试，先使用串口单片机下载软件把编辑好的单片机程序下载到单片机设备中，如果能够下载成功，即可证明单片机最小系统的供电正常，时钟晶振回路正确，串口通讯回路正确。可是在硬件初步下载程序时，发现无法导入单片机程序，单片机下载软件提示下载失败，根据经验需要源头查找，分析有电源问题、晶振回路问题、串口芯片线路问题。最终根据查询发现串口芯片的RXD和TXD脚和单片机的串口发送接收引脚焊接反了，对调后下载程序成功。硬件调试实物图如图5.1所示。图5.1硬件调试实物图5.2系统的软件调试软件调试首先通过编程软件对程序进行编译，会提示编程是否有语法错误，变量定义重复或者函数错误等等。首先初步解决这些问题后，再将单片机程序下载进实物单片机系统中，进而调试硬件设备功能和单片机程序是否匹配。初步程序编辑完成没有任何语法错误，将程序导入单片机实物中，发现单片机系统液晶LCD1602没有显示，根据资料查询发现，硬件单片机和液晶LCD1602数据相连的是P0口，而程序却编辑是P1口，所以数据传输实现不了。最后将程序中P1改成P0，重新下载程序实现实物液晶LCD1602正常显示。后续调试烟雾感应时，发现数据不对。由于烟雾传感器是感应烟雾值的不同，自身内阻得到不同的改变。根据电阻不同实现电压的变化，系统经过ADC0809进行模拟量转换送给单片机系统。所以根据原理需要对过程中的器件进行一一排查[19]。最终发现ADC0809时钟引脚和数据引脚没有正确接到单片机软件设置的引脚上，导致出现数据不正确。经过调整，最后实现数据正常显示。其他器件温度采集和短信模块都根据厂家提供的相关例子程序实现轻松嵌入到自己的程序系统中，实现对应的功能[20]。编译界面如图5.2所示。图5.2程序编译界面结论随着科技的进步和经济的发展，我国居民的生活水平得到了很大的提高，人民的生活也变的更加的幸福，一个非常明显的现象就是几乎所有的家庭都开始使用智能化的家用电器。然而，随着我国居民生活条件的不断改善，在生活和生产中也出现了很多能够对居民造成威胁的不安定因素也在持续增长。比如，居民使用液化气或者使用煤气的越来越多，还有的就是居民使用的家用电器也越来越多，对原来建筑物当中的供电设备造成了很大的负担，也给居民的生活带来了很大的安全隐患。随着居民生活条件的不断改善，人们对于家居中使用的物品也越来越多，并且制造这些物品的材料很多都是易燃易爆危险品，如果发生火灾，那么对于家庭居民的生命会构成严重的伤害甚，对居民的财产也会造成损害甚至危及生命。在家居环境中，家居物品由于燃烧失去控制所引发的家庭灾害，对人们的生命安全和财产保障构成了极大的挑战，由此引发的重大安全事故从来都没有停歇过，所以人类也一直保持着对火灾起因和灭火的要求灭火的研究，人民希望通过这些研究，来降低火灾所造成的危害，给予人民安全的生活环境。本文通过对国内外火灾报警器研究资料的对比分析，针对传统的火灾报警器存在的问题，通过研读各类资料，提出了一种多传感器融合的并且具有无线远程报警功能的火灾报警器设计方法，这种新型火灾报警器，相比较于之前的传统的报警器，在功能上取得了很大的提升与进步，提高了该产品的实用性和市场竞争力。本次设计的火灾检测报警器系统由温度传感器电路烟雾传感器电路和GSM无线传输电路三大部分组成，控制处理器采用的是红军科技公司的STC89C52单片机能，他能够实时地对两路传感器输入的信号。进行处理编程语言采用单片机C语言对信号进行采集和处理，充分利用STC单片机的内部资源，提高了代码的效率。本次设计的火灾检测报警器具有报警精准、应用场合广、稳定性好、可以适应各种各样的应用场所，并且还具有价格低廉性能优质的特点。因此，该火灾报警器具有很好的市场应用前景。通过本次毕业设计的锻炼，使我对之前大学几年所学的知识进行了回顾，特别是对模拟电子电路、数字电子电路、单片机控制原理有了深刻的认识，在使用绘图工具方面更加熟练。但是通过此次毕业设计，我十分明显的发现了我的不足之处。在此次毕业设计开始之前，我还是对自己的知识储备有信心的，在研究单片机的部分的时候还是可以对一些问题做出回答的。但是，当我做到学校老师没教过我们的烟雾传感器、温度传感器电路以及GSM短信模块的时候，我才发现我是多么的无助，根本不了解MQ-2、DS18B20、还有GSM的工作过程，就连最基本的工作原理我都是不清楚的。之后，通过去图书馆查阅大量文献资料，提取了很多有价值的内容，再就是通过指导老师的以及同学们的帮助，对我一些不了解的知识进行了讲解，才使我完成我的毕业设计论文。在具体做电路设计的过程中，我发现仅仅具有单一的课程的知识是远远不够的，因为毕业设计是需要实物的，这就要考验我们的动手能力了，因为仅仅有理论知识，是不能够成功的，做毕业设计是需要有多种课程的知识整合起来的混合式控制，而且只有将理论和实践相结合起来，才会将设计做的更加完美。在实际制作实物的过程中，我也是遇到了很多的困难。虽然我们在学校学习过焊接方面的知识，但都是在学校老师的带领下完成的，而且还是那些很简单的电路。像此次毕业设计的电路，对我们来说难度特别的大，这就需要我们对电子元器件焊接有一定的了解。从得到毕业设计的控制指标开始，我就十分认真的开始对焊接实物进行学习，去向老师询问，去向专业上的前辈学习，了解相关的知识。再到设计原理图，购买元件和编写程序，都需要