【基于单片机的防火防盗报警器的设计与实现8800字（论文）】

III基于单片机的防火防盗报警器的设计与实现目录摘要. I第1章绪论 11.1课题的背景 11.2研究的目的和意义 1第2章系统硬件设计 12.1整体方案设计 12.1.1系统概述 12.1.2系统框图 22.2最小系统模块 22.2.1STC89C52简介 22.2.2最小系统电路 42.3液晶显示电路 52.3.11602液晶简介 53.3.2液晶引脚说明 52.3.3液晶显示模块电路 62.4烟雾检测模块 72.4.1MQ-2型烟雾传感器的工作原理 72.4.2MQ-2型传感器的特性及主要技术指标 82.4.3烟雾检测模块电路 82.5DS18B20传感器电路 92.5.1DS18B20简介 92.5.2DS18B20模块电路图 102.6人体红外检测模块 102.6.1热释电红外传感器的原理特性 102.6.2HC-SR501模块相关介绍 102.6.4人体红外检测电路 112.7按键输入模块 122.8报警模块 122.8.1蜂鸣器报警电路 122.8.2发光二极管报警模块电路 13第3章软件设计 133.1程序语言及开发环境 133.2程序流程图设计 133.2.1总体程序流程图设计 133.2.2液晶程序设计 153.2.3模数转换程序设计 163.2.4温度传感器程序设计 17第4章系统调试 18第5章总结 18鸣谢 19参考文献 20附录 21附录一元件清单 21附录二原理图 22附录三PCB图 23摘要近年来，人们越来越关注个人安全问题，特别是在这个科技与经济高速发展的时代里。大家对防火防盗越来越重视。本设计的防火防盗报警器包括监控功能、输入功能、实时显示功能、光声报警功能等。本文采用单片机和传感器技术设计了防火防盗报警系统。该设计使用到的传感器主要有以下三种，分别是HC-SR501红外传感器模块，18B20温度传感器、MQ-2烟雾传感器，传感器将收集到的信号用单片机进行处理，实现光声报警。系统通过按键初始化温度和烟气浓度，使用LED显示模块实时显示环境的温度和烟气浓度。该系统结构比较简单，性能很稳定，使用比较方便。关键词：报警器；传感器；单片机第1章绪论1.1课题的背景现阶段，我国的社会的经济获得了快速发展，由此也提高了国民的经济水平和生活质量。防火防盗更应该随着时代的发展有新的手段。防火与人身安全有关，防盗与人身安全有关。目前，市场上的防盗措施仍然是基于门窗的传统防盗措施，主要用于使入侵者难以进入以实现防盗目的。但是，它不仅体积大并且不容易安装，而且还影响其外观。发生事故时人们的逃生带来很多不便，因此这些防盗措施逐渐变得不能满足人们的需求。对美感和及时性的影响。同样，由于缺乏及时的劳动，需要将传统的防火措施废除。尤其是在科学技术迅速发展的今天，智能化的防火防盗设备在社会中得到了普及。基于上述情况，笔者主要将单片机作为系统地核心控制芯片，设计并开发一款智能报警系统，能够满足人们日常生活中的安全需要，在发生火灾和盗窃等事件时，能够及时报警。1.2研究的目的和意义自动火灾劲爆系统在工作的过程中，通过各种类型的探测器，能够检测到燃烧过程中产生的各种物理量，如烟雾、热量、以及光线，并将这些检测到的物理量转换成单片机能够识别的电信号，将其传递给火灾劲爆控制器，用以发出警鸣声，引起人们的注意。从一开始的时候，我国火灾自动报警系统的发展过程极为复杂，情报水平越来越高。当前，国内制造商正在使用复杂且昂贵的集中式警报控制方法来专注于大型仓库，购物中心，豪华写字楼，酒店等中使用的大型火灾警报系统。但是，在居民区，计算机房，办公室和其他小型防火设施中，应安装易于使用的报警器。第2章系统硬件设计2.1整体方案设计2.1.1系统概述这个系统通过STC89C52单片机为与其他元器件配合，构成了最小的单片机系统。其余模块是围绕着最小的单片机系统实现功能的。其中，使用烟雾收集传感器MQ-2与模数转换芯片ADC0832实现烟雾的检测功能。采集周围环境温度时，主要是通过DS1820数字传感器实现的。人体检测使用HC-SR501模块完成人体检测。采用1602液晶作为显示装置，可以在屏幕上实时显示相关信息。警报模块配置有LED，报警时会亮起相应的灯。只要触发任意一种报警设定，蜂鸣器都会响起。4个操作按钮作为输入设备用来调整警报阈值和就绪设置的大小。该系统使用USB5V的电源。2.1.2系统框图2.2最小系统模块2.2.1STC89C52简介STC89C52是一款CMOS8位单片机，在实际使用的过程中，具有高性能的特点。在单片机的内部，包含了8k字节的可重写闪存只读程序存储器，还有一个256字节的RAM。STC89C52单片机具有强大的功能，还具有非易失性存储技术，在系统设计开发中得到了广泛的应用，尤其是可提供更为复杂的系统控制应用。STC89C52单片机一共有40个引脚，外部共有32个端口，外部中断的端口共有2个，16为的可编程定时器计数器共有3个，全双工串型通信短偶和读写端口线各2个。2.2.2最小系统电路如图2-3所示，表示的是STC89C52单片机的最小系统。根据电路图可知，最小系统的组成可以归结为以下三个部分，分别是晶振电路、复位电路、以及电源电路。晶振电路主要由电容和晶振组成。电容共有两个，大小为30pF，分别是和表示；晶振一共有1个，大小为12M，用表示。电容在电路中发挥的作用为起振，通常情况下，电容的取值范围在15-33pF，有利于晶振起振。从晶振的取值来看，也可以是24M，并且，随着晶振值的不断提高，单片机的执行速度也会越来越快。借此，在设计电路的过程中，应将晶振放到接近单片机的位置。单片机的复位电路是系统设计中的一个不可或缺的组成部分，与电脑重启一样。当我们使用电脑时，会出现死机的情况，此时就需要按下电源键强制关机，在此按下电源键，电脑和电脑内的程序都会重新启动。单片机与电脑的运行机理是一样的，当系统在运行的过程中，由于外界环境的干扰，会出现程序跑飞的状况，此时，只需按下复位按钮时，程序就可以从头开始执行。从复位电路的组成来看，主要由1个极性电容和1个电阻组成。极性电容的大小为10uF，用表示，电阻的大小为10K，用表示。对于电容电压而言，具有不能突变的性质。所以，一给系统上电，对应的引脚就会出现高电平，通过值，可以通知高电平持续的时间。对于大部分51单片机来说，当引脚的高电平持续两个机器周期以上，就会出现复位的现象，借此，只需要控制的取值，就能为系统复位提供保障。电源电路，直接使用5V的USB为其供电。此外，手机充电器、电脑USB、以及移动电源灯设备，为其供电。除了上述三个主要电路组成以外，还有其它很多外部外部电路。STC89C52单片机的口属于漏极开路输出，所以，需要在端口处嵌入一个大小为10K的排阻，用表示，同时，还可以将这一端口作为普通的使用。在此次系统设计中，液晶的数据口，主要由口实现。需要引起注意的是，当31脚()接高电平时，复位之后的单片机，会从内部的ROM的0000H开始执行；当这一引脚接低电平时，复位之后的垫片机，会从外部的ROM的0000H开始执行。从系统设计来看，程序存储在了单片机的内部，所以，需要将该引脚接入高电平，用以确保单片机可以从内部直接读取程序，并执行程序。图2-3单片机最小系统2.3液晶显示电路2.3.11602液晶简介为了确保人际交互界面的友好性，在此次系统设计的过程中，使用到了1602液晶显示屏，不仅可以设定用户的作息时间，而且还能将用户查询的信息内容显示出来。液晶显示器的类型有很多，而每种类型的显示器显示的数据内容不同。如果是点阵字符型的液晶显示器，除了可以显示数字、字母以及图形符号以外，同时还能将自定义的符号显示出来。这类显示器主要将各个器件安装在了一块印刷板上，最主要的器件有LCD控制器、点阵驱动器、以及字符存贮器。1602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符芯片工作电压:4.5—5.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm2.3.2液晶引脚说明1602的引脚如表3-2所示：表3-21602液晶引脚说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：接地电源VSS。第2脚：5V正电源为VDD。第3脚：表示的是液晶显示器对比度调整窗口，由于所接电源的不同，相应的对比度强弱不同。要想调整对比度，就需要接入一个大小为10K的电位器。第4脚：表示的是寄存器选择。第5脚：表示的是读写信号线，高水平低的读操作，写操作。第6脚：使能端，当其从1切换至0时，将会执行液晶模块中的命令。第7至14脚：D0-D7表示的是8为双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。2.3.3液晶显示模块电路如图2-4所示，为液晶模块的电路图。芯片的第1引脚直接与电路的相连，第2引脚直接与相连。这两个引脚主要用作电源输入脚，用以实现液晶的正常工作。第2引脚与一个大小为10K的电位器相连，并与接地端连接，通过调节电位器的大小，可以对液晶屏的对比度进行调节。第4引脚与单片机的P27引脚相连接。第5引脚，与单片机的P27引脚相连接，用以实现液晶的读些控制。第6引脚与单片机的P25引脚相连接，用以实现液晶的使能功能。第7脚到第14脚分别接到单片的P0口，作为液晶的数据/地址8位总线。最后第15脚和第16脚是液晶的背光电源脚，直接连接系统VCC和GND。图2-4液晶模块连接图2.4烟雾检测模块2.4.1MQ-2型烟雾传感器的工作原理半导体烟雾传感器主要由以下两个传感器件组成，其一为氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，其二为单晶半导体器件制作的烟雾传感器。根据传感器敏感机理的不同，可以将其分为两种类型，分别是电阻型和非电阻型。对于半导体器敏元件而言，又N型和P型的区别。在检测N型阻值时，会随着烟雾浓度的不断加大，阻值反而会越来越小；在检测P型阻值时，会随着烟雾浓度的不断加大，阻值反而会越来越大。半导体气敏传感器的分类，详见表2-3。表2-3半导体气敏传感器的分类类型所利用的特性工作温度代表性被检测气体电阻型电阻表面电阻控制器300～450°C可燃性气体体电阻控制器300～450°C700°C以上乙醇、可燃性气体非电阻型二极管整流特性室温～200°CH2、CO、乙醇晶体管特性150°CH2、H2S此设计中使用的MQ-2烟雾传感器，它主要是利用了二氧化锡半导体气体检测材料，属于典型的N型半导体。当周围的环境温度达到200-300时，空气中的氧气会被二氧化锡吸附，这会在一定程度上降低半导体的电子密度，并导致电阻值增加。在与烟雾接触的过程中，晶粒边界处的势垒会被调节，会导致晶粒表面的电导率发生变化，并通过这一变化，了解到周围环境中的烟雾信息情况。当MQ-2遇到可燃烟雾时，最初吸附的氧气则会被解吸，可燃烟雾也会以阳离子的状态，吸附在二氧化锡半导体的表面上。在氧气解析的过程中，会释放出大量电子，同时，处于阳离子状态下的烟雾，也会释放出大量的电子，这会在一定程度上增加二氧化锡半导体材料上的电子密度，并进一步降低电阻值。如果空气中不存在烟雾，二氧化锡则会吸附大量的氧阴离子，并将电阻值提高到初始状态。上述过程，便是MQ-2可燃烟雾传感器的工作原理。通过该传感器，能够检测周围环境中的烟雾，传感器的外观如图2-5所示。图2-5MQ-2型传感器的外观2.4.2MQ-2型传感器的特性及主要技术指标MQ-2型传感器的一般特点(a)对天然气、液化石油气等烟雾的灵敏度较高，对烷类烟雾的敏感程度更高。(b)不仅具有良好的重复性，而且还具有长期稳定性。初始状态比较稳定，工作过程中的响应时间短，能够确保在长时间的工作中，能够保持良好的工作性能。(c)抗干扰性能良好，能够将刺激性气味地可燃性烟雾干扰信息排除。(d)电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。MQ-2型传感器的基本特性(a) 灵敏度特性。(b) 初期稳定特性。(c)加热特性。MQ-2型传感器的特性参数(a)回路电压：(Vc)5~24V(b)取样电阻：(RL)0.1~20K(c)加热电压：(VH)5±0.2V(d)加热功率：(P)约750mW(e)灵敏度：以甲烷为例R0(air)/RS(0.1%CH4)＞5(f)响应时间：Tres＜10秒(g)恢复时间：Trec＜30秒2.4.3烟雾检测模块电路如图2-6所示，为系统的烟雾检测模块电路图。从MQ-2的输出来看，属于模拟量。借此，通过ADC0832芯片，将模拟量转换成数字量，然后将数字量发送到相应单片机进行处理。ADC0832是一种串行8位A/D转换器，是由NS生产的。在三线接口的作用下，能够与单片机连接到一起，在低功耗、性能高的系统中的使用频率较高，而且在袖珍型智能设备中的应用也比较广泛。ADC0832是一个8位分辨率的A/D转换芯片，最大分辨率为256级，对于那些比较常见的模拟量转换要求，都比较适用。此外，芯片还具有双数据输出功能，在数据验证中经常会使用到，并且会降低错误的出现。超快的数据转换速度，以及强大的稳定性。通道功能的选择可以通过DI数据输入端子轻松实现。图2-6烟雾检测模块电路图2.5DS18B20传感器电路2.5.1DS18B20简介（1）概述如图2-7所示，DS18B20是美国的DALAS半导体公司发布的。首款支持“1-wirebus”，可以将接口的温度传感器转化成数字信号处理器。从传感器的温度测量范围来看，大致在-55-125之间，允许温度的测量误差在0.5以内。相较于热点偶传感器，能够进行高精度温度测量。图2-7DS18B20图（2）特性独特的1-Wire总线接口，在通信时，只需要一个引脚就能实现。唯一的64位序列号被写入每个设备的内部ROM。多通道采集功能，为分布式温度采集器提供了方便。无需外部组件。电源范围为3.0V至5.5V。可测温度范围：-55C至+125C（-67F至+257F）;在温度范围超过-10-85时，精度在+-0.5。用户能够定义内部温度采集精度，范围在9-12位之间。当转换精度为12位时，温度转换时间达到最大值750ms。自定义非易失性温度警报设置；定义温度警报搜索命令以及温度超过用户定义的设定值时；与DS1822程序兼容。（3）管脚定义Pin1：(VDD)，可选的电源引脚；Pin2：(DQ)，单线运用的数据输入/输出引脚；Pin3：(VDD)，接地端，电源负极；（4）应用领域该产品在冷冻库、粮仓、以及电力机房中得到了广泛的应用。轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。2.5.2DS18B20模块电路图DS18B20的模块电路图如下图所示：图2-8DS18B20模块连接图2.6人体红外检测模块2.6.1热释电红外传感器的原理特性热释电红外传感器热电偶有着相同的工作原理，都是基于热电效应原理实现的。从传感器的制作工艺来看，是对两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式。借此，即便不和物体接触，也能将物体发射出的红外线能量的变化情况检测出来，然后将检测到的信息内容转化成电信号，输出出来。。对于人体而言，发射出的红外辐射的中心波长在9-10m之间。对于检测元件而言，波长灵敏度在0.2-20m之间的检测结果都是稳定。在传感器的顶部，专门设计了一个装有滤光镜的窗口，波长在7-10nm的光可以通过该滤光镜，在人体红外检测时，使用的比较广泛，最重要的是，能够吸收其他波长的红外线。由此可见，DS18B20是专门用于检测红外线的传感器。如果，有人进入到检测区域内，热释元件便会将聚集到反射镜的人体红外线接收。但是，两个热释元件接收到的热量存在着差别，同时也具有不一样的超导性，并且输出通过信号处理输出电压。2.6.2HC-SR501模块相关介绍在此次系统设计中，红外传感器模块的型号为HC-SR501，是一种自动控制模块，主要基于红外技术。该模块还融入了德国进口的LHI778红外探头。具有非常高的灵敏度，以及超强的可靠性。在各种类型的自动感应电器设备中的使用频率最高，尤其是电池供电的自动控制产品。实物图片如图2-9所示。2-9HC-SR501实物图（1）使用范围1、安防产品2、人体感应灯具3、人体感应玩具4、工业自动化控制等（2）电气参数2.6.4人体红外检测电路如图2-10所示，表示的是LCD模块的电路连接图。该模块一共引出了3个引脚，1引脚与VCC相连，3引脚与GND相连接，1引脚与IO端口的P10相连。在模块感应的区间范围内，如果有人出现的话，该引脚会输出高电平，通常情况下处于低电平状态。图2-10人体红外检测电路2.7按键输入模块在此次系统设计中，使用到的案件数量是比较少的，只设计了4个按键，分别代表“设置键”“减键”、“加键”、以及“布防/撤防键”。借此，在按键设计部分，采用的是独立键盘的方式。如图2-11所示，为按键的连接图。图2-11按键电路2.8报警模块本此次系统设计，除了具有检测功能以外，还有报警功能。当周围环境中的烟雾、以及温度有一项超过了系统给定的值，蜂鸣器就会被启动，并发出警报。与此同时，电路中的LED指示灯也会闪亮，达到实现声光报警功能。2.8.1蜂鸣器报警电路如图2-12所示，表示的是蜂鸣器电路图。在蜂鸣器工作的过程中，对电流的要求比较高，而对于单片机的IO口而言，对电流的要求又比较小，所以，在电路设计时，需要接入三极管，通过它的开关功能，用来控制蜂鸣器发音。在此次系统设计中，使用的PNP三极管型号为S8550。并且，在此次系统设计中，使用到的蜂鸣器属于有源蜂鸣器，也就是说，在蜂鸣器的内部安装了震荡电路，简化了电路设计的同时，也简化了程序的设计。图2-12蜂鸣器电路2.8.2发光二极管报警模块电路如图2-13所示，表示的是LED报警电路。LED的正极直接与1K电阻串联到电路中，电源的正极和负极相连，负极与IO端口相连。借此，在系统工作时，只需要确保单片机的IO口，输出的为低电平，就可以点亮LED指示灯。此次系统设计，一共设计了三组LED灯，分别用于高温警报指示器，高烟浓度警报指示器和人为入侵警报指示器。图2-13LED灯电路第3章软件设计3.1程序语言及开发环境在此次设计的过程中，主要使用到Keil软件编写程序，使用的编程语言为C语言。3.2程序流程图设计3.2.1总体程序流程图设计从图3-1中可以看出，此次系统软件流程。首先，对LCD进行初始化处理，既可以出事后功能和内容，并对警报值进行初始化处理。然后，烟雾传感器会检测空气中的烟气浓度，对应的浓度值为显示在1602上。接着，对读取到的烟气浓度和温度值进行判断，并确定是否有外界入侵，如果是，则打开相应的警报灯并启动蜂鸣器发出声光警报。接着，判断“设置”按钮是是否被按下。如果被按下，需要调整警报值的大小。最后，重新检测，标记和判断。图3-1主函数流程图3.2.2液晶程序设计图3-2液晶显示流程图3.2.3模数转换程序设计在读取ADC0832芯片收集的数据之前，微控制器首先需要向ADC芯片发送启动信号，因为ADC0832具有两个AD转换通道，所以它还需要发送通道选择信号以告知ADC芯片要连接哪个通道。选择。进行转换。之后，读取收集结果。ADC芯片返回2个字节的数据。第一个字节用于正向传输，第二个字节用于反向传输。发送两次的原因是2个字节的数据检查传输中是否有错误。最后读取的AD结果返回到主函数。图3-3模数转换流程图3.2.4温度传感器程序设计读取温度值的流程图如图3-4所示。第一步是初始化传感器，这与重置过程相同，此设计仅连接到一个传感器，因此无需区分串行。如果输入传感器编号并直接跳到0xcc命令，它将搜索ROM，然后将0x44命令发送到传感器以开始温度转换。然后再次重置传感器，并以相同的方式跳过ROM命令0xcc并将0xbe发送到传感器以准备读取传感器的检测结果，并最终读取传感器返回的检测结果。图3-4温度传感器程序流程图第4章系统调试4.1系统调试步骤1调试单片机最小系统。2.调试1602液晶显示电路3调试MQ-2烟雾传感器。4调试DS18B20数字温度传感器。5调试ADC0832A/D转换电路。6调试报警电路。7调试整合所有电路。第5章总结经过为期三个月的努力，以单片机为核心的，防火和放到报警系统已经初步实现。但从系统设计的主题来看并不新鲜，但是通过系统的设计与实现，的确可以给我们的日常生活带来很大的帮助。而且，此次系统的设计与实现，也是一个难得的锻炼机会，通过反复不断地调试、以及修改程序代码，不仅能够锻炼自身的编码能力，同时也能提高自身独立解决问题的能力。将理论与实践结合到一起，有利于提高大学生的实践能力。通过收集相关的信息和内容，可以增强自我实践技能。此外，也提升了我们主动接受知识的能力，这是学习方法的重大转变。对于传统的学习模式而言，我们能够记住课本中的知识，但是我们也在整个过程中，明白了如何学以致用。直截了当地，克服挑战，灵活学习和运用。该设计的设计演示和完成过程将基于模拟电路和基于数字电路的几门课程的内容有机地结合在一起，例如单片机原理，C语言程序。通过实际分析和应用来加深您对这些关键知识的理解。此外，我们已经掌握了系统开发的各个流程，从需求分析，到硬件、软件设计，再到系统的实现，调试等，这在未来的工作中都是不小的收获。在硬件方面，积累了大量的丰富经验，会在一定程度上提高单片机的功能，但是具体的实现原理是不变的。从本系统的设计来看，功能相对简单，但是确实一次不错的锻炼机会，可以将理论能力转化成时间能力，从整体上提升了自身的能力。这个毕业项目加深了学习专业知识的重要性，理解了理论和实践相结合的含义，并测试了四年大学研究的结果。该设计中知识的应用和联系还不够好。但是，我将来会继续努力，将来会继续改进我的工作和学习。为期三个月的设计是系统地改进和扩展我过去所学知识的过程，我将继续加深我的理论基础和实践技能，并在未来的工作和学习中取得进一步的进步。在设计过程中，时间紧张，不可避免地存在许多缺陷，但是，在未来的工作过程中，会继续完善本系统，对以往设计进行回顾，并通过扩展设计的功能，来改进此设计的应用。参考文献[1]陈连生.可燃烟雾探测器及其设置安装要领.石油工程建设.1996(1):23~25[2