基于单片机技术的智能消防系统

基于单片机技术的智能消防系统摘要现在，人们进入了一个崭新的时代，但是对于安全问题却一再忽视。各种各样的电子产品的广泛使用，使得火灾问题越来越频繁，造成了不可想象的损失。今天，火灾对人们的生产和生活造成了极大的伤害，因此，在火灾发生之前提前做好准备，可以大大减少人们各方面的损失。在家里面或者公共场合，都存在着我们无法想象的隐患。所以，有必要将火灾报警系统广泛的应用在生活当中，将火灾灭杀于萌芽之中。智能消防系统是火灾报警系统的核心设施，可实时监控日常环境中的温度和烟雾量，一旦发生火灾便会触发警报，该系统主要由最小的STC89C52单芯片组成系统模块，按键模块，温度测试模块，以及该系统由雾度测试模块，蜂鸣器模块和LED显示屏等模块组成，在设定的温度和烟雾值达到一定值后，该系统可以将烟雾传输到单片机传感器上。收到电报后，通过模块背面的按钮进行安装，相反，如果实时测量的温度表和烟雾实时超过标准值，则必须及时报告行车报警系统，以便在报警发生前实现报警。该系统具有相对完善的模块功能，并且价格便宜，因此大多数家庭和公共场所都可以使用它，可以满足日常火灾的监视和控制要求。关键词：烟雾，家居，报警器

Intelligent

fire

control

system

based

on

SCM

technologyAbstractNowadays,peoplehaveenteredabrandnewera,butthesafetyproblemhasbeenrepeatedlyignored.Thewideuseofallkindsofelectronicproductshasmadefireproblemsmoreandmorefrequent,causingunimaginablelosses.Today,fireshascausedgreatharmtopeople’sproductionandlife.Therefore,makingpreparationsinadvanceofafirecangreatlyreducepeople’slossinallaspects.Therearehiddendangersathomeandinpublicthatwecan’tevenimagine.Therefore,itisnecessarytowidelyusethefirealarmsysteminlife,thefirewillbekilledinthebud.Intelligentfireprotectionsystemisthecoreofthefirealarmsystemfacilities,canreal-timemonitorthedailyamountoftemperatureandsmokeintheenvironment,willbeanalarmwhenafirebreaksout,thesystemismainlycomposedofthesmallestSTC89C52single-chipsystemmodule,keysmodule,temperaturetestingmodule,testmoduleandthesystembythefogdegree,buzzermoduleandLEDdisplaymodules,Afterthesettemperatureandsmokevaluereachacertainvalue,thesystemcantransmitthesmoketotheSCMsensor.Afterreceivingthetelegram,itisinstalledthroughthebuttononthebackofthemodule.Onthecontrary,ifthetemperaturemeterandsmokemeasuredinrealtimeexceedthestandardvalueinrealtime,thedrivingalarmsystemmustbereportedintimesoastorealizethealarmbeforethealarmoccurs.Thesystemhasrelativelyperfectmodulefunction,andthepriceislow,somostfamiliesandpublicplacescanuseit,canmeetthedailyfiremonitoringandcontrolrequirements.Keywords:Smog,houseandhome,siren绪论课题研究的背景和研究的意义随着科学的发展，家电、电子等的设备也变得更加的普遍。由于设备的长期使用和使用不当，都会引起火灾，所以消防安全预警系统的设计就显得尤为重要。火灾报警系统是智能消防系统的组成部分，其发展十分重要，火灾报警系统极大地保障了居住者的生活安全[1]。众所周知，烟雾是由易燃物质遗留下来的，它是燃烧后产生的主要物质，并具有较高的浓度。如果超出了一定的范围，就有可能造成身体上的损伤，或者是吸入了比平时更多的烟雾，这些烟雾和空气中的一些物质会发生反应，从而引起一些致命的病症。低碳排放、环保、现在的单列汽车行驶状况、大众交通工具的信息传播、交通工具与公交信息的分享，提醒大家坚持低碳出行。未来汽车尾气超标排放必然导致汽车空气净化器中有毒无害物质含量下降[2-3]。火警，是一种用来保护长期从事生产的人的财产和生命的报警装置，由于前者没有正面的防护意识，因此许多人并不了解在厂房内安装的防火装置，其价格比个人要高。这是因为人们生活在一个比较高的地方[4]。产品的简化方面更加重要，不能因为需要复杂的功能而进行繁琐的设计，这样会加大成本，增加消费者负担，因此在保证产品功能性和质量的情况下，我们还要着重考虑生产成本，而使用单片机可以最大化地降低成本让利于民[5-6]。火灾报警系统的国内外研究现状尽管自上个世纪以来，消防预警已经在西方国家得到了广泛的应用，但是，消防预警系统还处在初期阶段。随着时间的推移，消防系统已经落后于时代，人们对消防系统的需求也越来越大，人们也在不断的完善和创新，最终形成了一个更高效、更稳定、更安全的智能消防报警系统。尽管我国消防系统起步较晚，但随着科学技术的飞速发展，目前在人们居住的地方已经形成了一套完整的消防安全体系。尽管它们在某些方面起到了一定的防护作用，但是它们的智能、连接能力还不够强，小区内的消防报警装置也不多见；而英国、美国等发达的国家则因为起步比较晚，适用范围也比较窄。早期，信息化、网络化和设备连接方式有了很大的发展，现在我国发展智能火灾报警系统的力量和技术支持更加强大，适用范围和应用领域更加广泛[7]。课题研究主要内容此次课题的内容是一种设计以单片机保持为核心的住宅火灾报警系统，并选择温度与烟雾传感器两个传感器来检测当前环境下的状况。我们有一个预设好的值域，当检测数值在其中，便会触发报警器发出声音警报。此次毕设的设计内容如下:第1章绪论本文主要介绍说明分析了我国火灾电子报警自动化系统研究的基本背景和以及近几年国内外系统的最新发展及其现状,说明了我国目前使用的报警仍然比较简单而不是通用的。第2章，系统总体设计，主要是根据本设计和设计图纸的来选择合适的零件。第3章，系统硬件电路设计，主要是生产硬件电路，选择AD10图形软件，并根据设计图和每个模块的完整原理，对先前选择的器件进行分析和处理。第4章，软件原型设计,主要是通过正确使用keil4软件来对原理图库中所有要实现用c语言来实现功能的各个功能模块来进行原型编程,并可通过流(分布)来跟踪到每个功能模块的可以实际执行到的功能。第5章，系统性能测试主要是为了防止设计中出现的一些问题，即与硬件断开连接的现象，可以实现软件调试的功能，稳定成熟的设计，所有系统功能均可独立执行。系统总体方案设计火灾报警系统的设计思路本文设计的基于单片机技术的智能消防系统主要功能是检测温度、烟雾浓度状态，当温度或烟雾浓度高于设定值时，蜂鸣器报警，实现报警系统。如图2.1是这个系统的总体框图，该系统可以检测当前所测的温度值和烟雾浓度值。该设计分别采用了传感器技术，包括烟雾检测传感器和温度传感器，单片机技术，显示屏技术和AD转换模块[8-9]。图2.SEQ图2.\*ARABIC1系统总体设计框图本文的智能消防系统是对可能的温度异常和烟雾异常进行预警或警告，首先利用MQ2烟雾传感器检测烟雾状态，通过AD0832将其转换为模拟分钟，再转换为微粉；最后需要利用DS18B20温度传感器检测量此时的温度值，并在LCD显示屏上显示此时的温度。当设置好温度和烟雾的上限值之后，如果检测值超过我们所设置的上限时，LED灯就会亮起同时蜂鸣器发出警报，提醒人们发生火灾[10]。系统的关键技术单片机技术本文选择了一种市场上应用最多的控制芯片STC89C52RC。选取本系统核心控制芯片前，进行了多种单片机技术的对比，各种单片机模型对比如表2.1所示：表2.1各类单片机的优缺点比较单片机类型特点优点MSP430MCU是一款16位高性能混合信号处理芯片，在应用于计算要求高的工业自动控制领域极低的能耗、快速的执行速度、强大的计算能力、简单且高度集成的汇编指令集、简单的用户操作STC系列单片机基于宏晶科技开发的AVR和51系列单片机的单时钟周期多功能开发功耗低，运行速度快，抗干扰功能强PIC单片机PIC微控制器上运用RISC指令集结构，系统架构采用哈佛双总线方式，从内存中读取和执行指令体积小、可放在仪表内部、输入输出接口简单总结：在网上查资料设计系统时，主要考虑的因素应该是功能要求、运行可靠性和成本，根据系统需要，最终使用的核心控制器芯片是STCMCU系列STC89C52RC，具有稳定性强，执行速度快，兼容8051MCU指令集，价格低廉等[11]。烟雾传感器技术烟雾传感器在生活中能够经常看到。在发生火灾的时候可以检测此时的烟雾浓度值，且具有价格低廉，易于安装，便于携带等优点，在各种公共场合或者家庭住宅里面都有安装，用于众多场所的火灾检测。常见的烟雾传感器实物图如图2.2所示。图2.2烟雾传感器实物图烟雾传感器有几种类型，市场上经常使用的有两种。它们的优缺点如表2.2所示。根据其优点和工作原理，本设计使用离子烟雾传感器MQ2。表2.2各类烟雾传感器的优点及工作原理烟雾传感器分类优点工作原理离子式烟雾传感器防火、价格低廉、精度高、硬件调试方便当检测到烟雾时，将两个非离子分离重新分配电压，模块转换为电压并测量AD处理后的雾度浓度光电烟雾传感器反应灵敏，精测准，稳定性高，高分贝报警声通过红外线进行检测，超过设定值，会发出模拟警报，适合进行检测温度传感器技术在查阅了大量资料之后，最终在两种温度传感器之间进行选择，第一种是DS18B20温度传感器，第二种是DHT11温湿度模块，图2.3是两种温度传感器的介绍与比较。图2.3温度传感器的介绍与比较综上所述，本设计采用温度采集模块DS18B20，这是一种采用单总线材料制成的复杂灵敏的传感器，通过变送器内外的数字采集技术，可以保证方便性和非均匀性。与温度相关的芯片技术有一个电路微电脑，可以完美地测量对方的温度并实时做到。显示屏技术在本设计工作中，经过分析、设计和比较，采用LCD1602液晶显示屏作为信息显示模块。生活中常见的显示屏技术主要有以下三种，如表2.3所示：表2.3两种显示屏技术的优缺点比较显示屏技术优点缺点数码管显示价格便宜，亮度高，显示大，驱动部份的软件简单与液晶相比，耗电及体积大LCD1602字符型LCD，字符和数字显示更方便，操作简单，成本低。显示的字体大小有限，不能显示图形和曲线。LCD12864低功耗、体积小、不占空间、重量轻、超薄液晶显示器信息量大，程序和电路复杂，价格昂贵。与上表相比，LCD1602是更适合这种设计的显示技术。其实物如图2.4所示：图2.4LCD1602显示模块硬件电路设计此设计图的步骤如下：1）绘制设计图的第一步是使用好绘图软件AD10，如果安装解码正确，就可以正常使用了。2)可根据设计图的大小选择合适的设计图放置，合理布置设计部件后开始电路连接。3）连接原理图后，开始设计原理图。4）为了更有效地使用PCB，增加了额外的按钮，例如在PCB生产过程中精确的手动布线和将零件准确定位到最后一块板将出现的位置，但由于不准确而没有采用。原理图如下REF_Ref35793297\h图3-1所示：图3.SEQ图3.\*ARABIC1设计原理图3.1STC89C52单片机最小系统电路本设计采用单片机技术，采用STC89C52RC单片机，是宏晶科技公司开发生产的STC系列主控单片机。下面对此进行详细介绍。STC89C52在单芯片上使用现有的MCS-51内核，并具有智能8位CPU和在系统可编程闪存，使STC89C52成为许多嵌入式控制应用系统的高度灵活和高效的解决方案[12]。单片机引脚介绍该实物采用的是STC89C52芯片，该芯片的引脚图如图3.2所示：、图3.SEQ图3.\*ARABIC2引脚图单片机共有40个端口，其中P1、P2、P3、P0可以直接连接外部端口，共32个。其中P3口还具有第二功能，如REF_Ref21550\h表3.1所示：表3.SEQ表3.\*ARABIC1P3端口功能I/O引脚名称第二功能引脚名称第二功能P3^0串口RXD串口通信接收端P3^1串口TXD串口通信发射端P3^2外部中断INT0外部中断0P3^3外部中断INT1外部中断1P3^4定时器T0定时/计数器0P3^5定时器T1定时/计数器1P3^6外部写引脚WR外部写选择信号端P3^7外部读引脚RD外部读选择信号端单片机最小系统单片机最小系统可以配合其它模块板实现实验功能，主要分为三个部分：电源部分、时钟振荡部分、复位部分。其结构如图3.3所示：图3.SEQ图3.\*ARABIC3单片机最小系统.1）电源供电端口的电路图如图3.4所示：图3.SEQ图3.\*ARABIC4电源输入原理图2）时钟振荡电路时钟振荡电路是系统的核心处理器，在整个电路中非常重要，它可以降低系统时钟误差或让单片机达到更高的频率，使整个系统充分工作。并且有条不紊地进行。振荡器电路原理图如图3.5所示。图3.SEQ图3.\*ARABIC5时钟振荡电路3）复位电路复位电路是单片机最小系统的一部分，是在电子系统中的程序损坏或程序停止时实现的重启装置。系统复位有两种情况，一种是按键复位，另一种是断电复位，两种方式都可以实现系统的自动重启和程序初始化。其接口图如图3.6所示：图3.SEQ图3.\*ARABIC6接口图烟雾信号采集及A/D转换电路很多模数转换芯片如ADC0832、0809等在烟雾采集系统中经常见到。本文使用的0832是美国开发的双通道8位8脚芯片。在电子设计中，有很多模数转换芯片如ADC0832、0809等。0832是美国开发的双通道8位8针芯片。芯片顶视图如图3.7所示：图3.SEQ图3.\*ARABIC7芯片顶视图芯片接口说明如表3.2所示：表3.2芯片接口说明接口功能CS_片选使能芯片，低电平芯片使能CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用GND芯片参考0电位（地）DI模拟的信号的输入端口，选择通道来控制DO模拟的信号输出端口，转换数据输出CLK芯片时钟输入Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）其具备连个通道，分别是CH0和CH1,可以对两路模拟量进行转换。温度采集电路DS18B20的特点及选择原因：首先从该种温度传感器的主要特征来看，其次是DS18B20的测温原理：DS18B20主要是由两部分组成，分别是64位ROM，9字节暂存器。其中64位ROM的的内容是64位序列号，它可以被看成是DS18B20的地址序列码，它的作用是使每一个DS18B20各不相同，这样可以实现一根总线上链接多个DS18B20.而9字节暂存器主要包含温度传感器，上限触发TH高温报警器，下限触发TL低温报警器，告诉暂存器和8位CRC产生器[13]。DS18B20的测温原理图如图3.8所示：图3.SEQ图3.\*ARABIC8DS18B20测温原理图LCD显示电路本文采用LCD1602液晶显示屏，可以直观地显示测量数据，显示两行字符。限制字符长度最长为16个，满足室内的温度值和烟雾浓度值的数据显示。图3.9为液晶显示屏电路图。以下为LCD1602液晶显示模块引脚的主要功能：表3.3LCD1602引脚功能引脚功能VSS共同点VDD与正极电压为5V的电源连接VL以改变电压值的方式对屏幕对比度调节，此处还有一个电位器RS向控制模块内部寄存器写入数据，选取发送的数据为显示数据或者命令R/W对读取与写入数据控制，本文在此设置该模式为写入E使能端口，处于高电平下可读取数据，下降时顺着控制模块运行主控制模块输入功能D0〜D7全双工数据传输端口BLA表示屏幕背光电源上的正极，可依据实际环境选取BLK表示屏幕背光电源上的负极液晶显示电路如图3.9所示。图3.SEQ图3.\*ARABIC9液晶显示屏电路图蜂鸣器报警电路蜂鸣器是一种用直流电压驱动的报警模块，在大多数的电子产品，如冰箱、洗衣机、电视、空调等上都会用到，一种提醒您错误或警告的警报。蜂鸣器可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。该设计使用有源蜂鸣器，其主要功能是通过微控制器通过驱动器内部的电流发出警报。由于单片机驱动端口的能力很弱，所以在这个设计中引入了一个三极管来放大和驱动它，从而增加电流[14]。蜂鸣器电路图如图3.10所示：图3.SEQ图3.\*ARABIC10蜂鸣器电路图自适应控制系统的数控在设计实物的环节之中，除了硬件设计之外，还要有软件部分的设计，我用的是C语言编程来进行软件代码的编译，而对于相对更容易的是汇编语言，让其和汇编语言比较，C语言在性能这方面比较有优势，这是因为，虽然C语言机器处理所需要的时间比较大，但是一般差别不大，所以C语言和汇编语言的性能差别不大，汇编语言也不常见。它不能像C语言那样直接使用。接下来程序开始更新代码，C语言编程使过程相对清晰易编辑，可以用电子代码减少开发，通过包含汇编代码来解决代码效率更高的代码。被认为是时间成本[15]。如REF_Ref24972\h图4.1是该设计程序编写的组成页面。图4.SEQ图4.\*ARABIC1Keil软件图创建程序时，如果创建了HEX文件，则编译的程序代码不会出现什么问题。如REF_Ref35796027\h图4.2所示：图4.SEQ图4.\*ARABIC2编译成功页面下图是把上一步骤得到的hex下载致单片机内。如下REF_Ref35796153\h图4.3是下载完成的页面。图4.SEQ图4.\*ARABIC3下载完成页面把程序用到这个下载软件之后，该设计就可以用了。主程序设计及流程图当用户给电子设备通电时，整个程序被初始化，初始化完成后，按按钮设置报警极限值。打开主控芯片，其他部分可以通过温度传感器和烟雾传感器实时传输的数据进行控制，当温度或烟雾值超过预设阈值时，音频信号会产生信号通过蜂鸣器或LED发出警报，如果未达到预定阈值，它将返回并继续监视。主程序流程图如图4.4所示：图4.SEQ图4.\*ARABIC4主程序流程图按键控制子程序流程图所需要检测的温度值和烟雾浓度值都是可以通过按钮来调节的。具体的按键子程序控制流程图如REF_Ref38014287\h图4.5所示。图4.SEQ图4.\*ARABIC5按键控制子程序流程图报警子程序流程图因为本设计中烟雾传感器MQ2和温度传感器DS18B20用于响度温度和雾度测量的精度很高，所以可以通过以下过程的流程图查看触发警报的顺序。具体的报警子程序流程图如REF_Ref38015066\h图4.6所示。图4.SEQ图4.\*ARABIC6报警子程序流程图系统调试电路的焊接在进行电路的焊接过程中，我和同学一起去到学校的实验室，利用老师所教导的焊接技术和实验室里面的工具和自己购买的材料进行电路的焊接。在焊接的过程中，有操作不当被焊锡丝烫到手，有弄坏材料的，并且在实验室就是一整天的，我克服了诸多困难。电路的焊接也不是一天两天就可以完成的，在电路的焊接中，我甚至将自己制作实物的材料给弄坏了，导致浪费了太多的时间和精力。但是在实验室中，有老师的指导和同学们的帮忙，以及我运用AD10软件制作的电路图，在经过无数次的失败之后，一步一步的完成了电路的焊接。在实验室里面，也要注意安全问题。在焊接电路板的时候电烙铁用完之后是否把插头拔出，电烙铁用完之后放的位置是否会产生危险。喝水的时候要远离电源，当发现实验室中电路出现问题时，要及时关闭总电源，同时应注意有无一些异味气体等。当完成当天的焊接任务时，要记得关闭自己使用的电源和将实验室的物品放回原处。调试在这一次毕业设计之中，对于毕设我进行了无数次调试，同时我也发现了很多难以解决问题。其中大多数问题都是主要体现在我焊接电路板的过程中，在我进行焊接的过程经常出现有一些元件忘记焊接，在有需要一处地方焊接多次的时候，我很容易出现将焊锡丝焊到一块，形成多点焊接，这样容易造成焊锡丝的浪费和材料的损坏。比如说，当我在焊接电路板时，有一次因为电烙铁烧了很长的时间，我就进行一个点的多点焊接，但是因为温度太高的原因导致焊锡丝瞬间被融化成一大块，造成多点焊接，导致了很多问题。为了解决焊接电路的种种问题，我在网上浏览了了许多方法，并请教指导老师和同学们进行指导，最终成功完成了本次的实物设计。实物图如下图5.1所示：图5.1实物图正面本实物的模块主要有液晶显示屏，单片机，温度传感器，继电器，烟雾传感器和三个可调节按键。当接通电源的时候，可以由按键设置温度和烟雾浓度地值。在实验中，我使用了一个打火机来测量温度值和烟雾浓度（因为我选用的MQ2烟雾传感器可以识别可燃气体）。我设置的温度值是10-40摄氏度，烟雾浓度值为3。当我用打火机在温度传感器周围点火时，温度超过40摄氏度指示灯就会变红并且蜂鸣器发出警报；当我用打火机的气体在烟雾传感器周围释放出的时候，浓度值超过3的时候指示灯变红并且蜂鸣器发出警报。上述实验证明了我的实验成功和实物的完成。实物的完成离不开郭老师的指导和自己的不懈努力以及同学们地互帮互助。在此期间，也是自己真正意义上的第一次创作，通过本次实物的制作，也增强了我的学习能力和动手能力。总结我的论文题目是基于单片机技术的智能消防系统，其实物就是设计一种智能化的火灾报警设计，它能够对输入的温度的温度和烟雾浓度进行测量，就以打火机输出的温度值和烟雾浓度值来说。当其温度值和烟雾浓度值超过我所设定的区域时，指示灯就会变红并且发出警报。当然，我所设置的知识一个范围，当我的这种设计运用在生活中的时候，可由按钮设置其报警区域，这样就可以更好地检测和有效地控制火灾的发生，对人们的生命和财产安全更有效地保护。对于实物制作的材料的购买，有郭祥老师的意见指导和自己在网上查阅的诸多资料，我选择的是STC89C52单片机，这种单片机价格便宜并且我查阅其特性，且这种单片机有以下有点：高速，低功耗，超强的抗干扰性。选用的温度传感器为为DS18B20，原因是它有超小的体积，超低的硬件开销和抗干扰能力强。选用MQ2烟雾传感器，不仅有优于其他烟雾传感器的优点，它还适合于可燃气体。选用LCD1602液晶显示屏，可直观显示所有测量数据，可显示两行字符，最大字符长度限制为16个字符。此长度已达到实际显示要求，室内湿度及湿度数据显示。在四年的大学生生活之中，我们学习的基本都是书本上的理论知识，而对于毕业设计的制作确实第一次，显得尤其的陌生。相对于习惯了用脑的过程，动手制作的过程尤为困难，理论与实际的转换，也是困住我的第一步。但是遇到问题不能坐以待毙，在设计制作的过程中，有老师的悉心指导和同学们的互帮互助，我最终如期完成了毕设的制作。在毕设完成之后，我对其进行了多次实验，由于我选的材料比较方便，所以我用打火机就可以完成毕设的模拟实验。在我对我的毕设进行多次的试验之后，我已经能够实现其基本的报警功能，它用于生活中的时候，也可以基本满足公共场合和家居中的基本消防措施。虽然实物已经完成，我自身仍有许多不足，在日后的生活学习当中，我会更加勉励自己。参考文献陈技,林洪钟,黄园梅.火灾自动报警系统设计若干问题探讨[J].建筑电气,2019,38(10):39-47.刘磊.智能建筑火灾自动报警与消防联动系统设计研究[J].工程建设与设计,2019(18):258-259.李睿.火灾自动报警系统设计探讨[J].建材与装饰,2019(27):113-114.王琳琳,陈瑜,陈俊.试论基于多传感器信息融合的无线火灾定位报警系统[J].通讯世界,2019,26(06):285-286.张定波.传感器在火灾自动报警系统中的应用与研究[J].工程技术研究,2019,4(12):110-111.汪汉.某综合交通枢纽火灾自动报警系统设计研究[J].智能建筑与智慧城市,2019(06):34-36.毛效禹.基于数据融合技术和WSN的民用智能火灾报警系统的研制[D].东华理工大学,2019.马赫驰.基于光纤光栅的感温火灾报警技术研究[D].沈阳工业大学,2019.靳晶.基于单片机火灾自动报警系统设计[J].山东工业技术,2019(03):137.张旭芬.火灾自动报警系统设计基础知识浅谈[J].南方农机,2018,49(23):159.张智斌.火灾自动报警系统新老规范在地铁设计中的差异化研究[J].科技风,2018(35):126.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