《基于51单片机的火灾监测控制设计与实现》13000字

穆金虎：无人值守变电站消防监控系统的设计基于51单片机的火灾监测控制设计与实现摘要消防工作很重要，不管是针对社会经济发展还是公民人身安全。但是目前国内很多相关研究，以及其开发和实现，主要是在大中型场所的火灾报警系统，所以有必要设计和实现一种主要由烟雾和温度传感器构成的小型火灾报警系统。认识和掌握各种类型传感器的基本结构、工作原理和特点十分重要。为提高对传感器的认识和理解，特别是对烟雾传感器及其使用和用途的深入研究，根据实用、广泛和典型的原则设计了本系统。采用单片机与传感器技术相结合的方法，研制了这种火灾监控系统。本文以电阻式烟雾传感器为核心，采用单片机技术，结合其它电子相关技术，设计了一种技术水平比较高的火灾报警系统。选择了MQ-2型烟雾传感器，实现了对烟雾的检测，具有灵敏度高，响应快，抗干扰能力强，价格低，使用寿命长等优点。所选STC89c52单片机集成了硬件倍增器、脉宽调制器等多种资源，具有速度快、功耗低、抗干扰能力强等特点，是目前同类技术中性价比最高的产品。采用STC89c52单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器设计的烟雾报警器，可以完成声光报警、故、浓度显示、报警限设定、延迟报警以及与上位机串口通讯等功能。该系统结构简单，性能稳定，使用方便，价格低廉，具有智能化、及时化、稳定化的特点。有较高的经济和社会价值。关键词：火灾监测；烟雾传感器；温度传感器；单片机1 绪论 总体方案设计电源开关电路部分电源电路部分单片机部分AD采集电路部分显示电路部分报警电路部分按键控制电路部分图1.1总体设计框图2.1本章小结3硬件方案设计3.1控制模块设计3.1.1单片机选型该系统的主要核心部件显而易见是单片机，主要用于接收火灾信号、启动报警和发出报警。单片机提供的控制功能需要探测器和用户在正常情况下及时观察实时烟雾浓度和温度水平，因为单片机对计算速度要求较高，您可以进行相应的处理。激活警报系统。同时，在同类微控制器中需要考虑一种低成本、轻量化的机型，能够满足报警系统的各方面功能要求。随着单片机技术的不断升级发展，其中C52系列单片机的优点是成本低、I/O口多、可编程性强。因此，对于监测系统，这类单片机是最理想的，本设计选用STC89C52。STC89C52是一款低功耗高性能的CMOS8位单片机，具有8K可编程闪存。采用高密度非易失性存储技术制造，与80C51工业产品的指令和插针完全兼容。STC89C52具有以下标准功能：8k字节的Flash,256字节的RAM,32位I/O口线，2个数据指针，3个16位的定时器/计数器，一个6-2级中断结构，全双工串行口，片内晶振和时钟电路。下面对STC89C52各引脚的功能进行较为详细的介绍：（1）电源引脚Vcc和Vss。1.Vcc(40脚)：电源端为+5V。2.Vss(20脚)：接地端。（2）时钟电路管脚XTAL1和XTAL2。XTAL2：连接晶片外的晶体引线。在采用芯片内时钟时，两个引线端分别连接石英晶体和电容。XTAL1：连接电容器端口。这是芯片内部振荡电路的反相放大器的输入端。如果使用外部时钟，则可以将其接地。（3）控制信号脚RSTALEPSEN和EA。复位信号：只有在高电平情况下才能起作用。该输入端维持高电流平时，即可完成复位操作。ALE/PROG(30针)：地址锁存器允许信号处理。在STC89C52上电正常工作后，ALE针持续输出正脉冲信号。。PSEN(29脚)；外部程序存储器中的开关信号。在从外部程序存储器取指令的过程中，每台机器运行两次PSEN，但是在访问外部数据存储器时，这两个有效的PSEN信号并没有显示出来。表3.1P3口的第二功能表引脚第二功能P3.0RXD（作为输入口）P3.1TXD（作为输出口）P3.2INT0（作为外部中断0）P3.3INT1（作为外部中断1）P3.4T0（作为定时器0外部中断）P3.5T1（作为定时器1外部中断）P3.6WR（作为存储器写选通）P3.7RD（作为存储器读写通）EA/VPP(31脚)：当EA处于低电流状态时，无论是否有内部程序存储器，外部程序存储器地址都是(0000H-FFFFH)。在FLASH编程过程中，该针还被用来安装12V编程电源(VPP)。（4）I/O(P0,P1,P2,P3的输入/输出端口)P0口：P0口是一种开漏极的8位准双向I/O口。P1口：8位准双向I/O口。P2口：即可做地址总线输出地址高8位，或正常I/O使用。P3口：双功能口，即可做普通I/O口使用。3.1.2单片机最小系统单片机的最小系统非常重要，它是单片机能正常工作的前提，如下图3.1。图3.1单片机最小系统该单片机最小系统由单片机部分、复位电路部分和时钟电路部分组成。微控制器内部有一个高增益反相放大器，构成一个振荡器。使用P1端口P1.0。P1.3设置四个独立按键S2~S5。当按下按钮时，端口P1上的相应引脚变为低电平，此时与按钮相连的发光二极管将会亮起。时钟电路是单片机的核心部分，是控制单片机工作节奏的电路，与振荡电路相对应。其中，XTAL1和XTAL2分别用作反相放大器的输入和输出，反相放大器可配置为片内振荡器。如果您使用外部时钟源来驱动设备，请不要连接XTAL2。由于机器周期包含6个状态周期，每个状态周期有2个振荡周期。即机器周期有12个振荡周期。如果外接晶振的振荡频率为12MHz，则振荡周期为1/12us。内置时钟电路，如下图3.1.1所示。它采用上电自复位电路，如下图3.1.2所示。图3.1.1时钟电路图 图3.1.2复位电路图3.2检测电路设计3.2.1烟雾检测电路（1）烟雾传感器介绍烟雾感应电路是测量仪器和控制系统的重要组成部分，烟雾探测器的主要功能是完成对烟雾警报信号的采集。烟雾探测器将气体浓度的信息转换为电信号，并根据这些电信号的强度获得待测气体在环境中的状态信息。对于检测、监控和报警功能，没有准确可靠的传感器，就没有准确可靠的自动化检测、控制和报警系统。烟雾传感器是报警系统不可或缺的核心部件，决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。烟雾探测器从类型上来说是一种模拟探测器，即气体探测器。将空气中可燃气体的浓度转换为电信号，并通过A/D转换电路将模拟量转换为数字信号量，并进行密集数据处理的气电转换器。对于处理和报警控制，可以将空气中烟尘浓度的变量转换成具有特定对应关系的输出信号。烟气传感器监测环境中烟气的浓度并提供防火保护。当感烟探测器遇到烟雾时，会随着感烟探测器内阻的变化产生并感应一个模拟值。无论你做什么样的烟雾探测器，国产产品都能以高灵敏度和易于安装的方式探测到火灾的发生。但是，它们生产的设备是通用的、独立的，因此不能相互交换或通信。用户对许多制造商生产的烟雾探测器感到困惑。这是国内产品市场的一大缺陷。烟感元件的分类是根据组成烟感元件的物质的形态，一般分为干式和湿式烟感元件，下面介绍一些常用的烟感元件。主要分为以下类型：1.半导体感烟传感器2.触点式燃烧式传感器3.电化学传感器4.聚合物烟雾传感器5.E型离子感烟器（2）MQ-2型半导体感烟器MQ-2半导体传感器是一种N型半导体气敏元件，它以金属氧化物SnO2为主体，在清洁空气中具有较低的导电性。随着烟气浓度的增加，当传感器所在环境中存在烟气时，传感器的电导率会随着烟气浓度的增加而增加。当设计警报时，只需用一个简单的电路就可以把电导率的变化转换成相应于气体浓度的输出信号。这种传感器具有一般半导体烟雾传感器的高灵敏度，电导变化大，响应和恢复时间短，抗干扰能力强，输出信号大，寿命长，工作稳定等优点，在市场上得到了广泛的应用。SnO2半导体气敏元件(SnO2)主要特性有：SnO2材料具有优良的物理和化学稳定性。与其他类型的气体传感器相比，SnO2气体传感器具有更长的寿命、更高的稳定性和更好的耐腐蚀性；SnO2气体传感器可逆检测气体，吸附/分离时间短，可长期连续使用；SnO2气体传感器结构简单，价格低廉，工作可靠，各方面性能表现良好。半导体气体烟雾传感器MQ-2适用于检测烟气、天然气、煤气、氢气、烷烃、汽油、煤油、乙炔、氨气等可燃气体(CH4、C4H10、H2等)。该传感器对烟气具有很好的灵敏度，能在很宽的浓度范围内检测多种可燃气体，非常适用于家用漏气报警装置。它是一种非常方便携带的气体探测仪器，非常适用于各种低成本的传感器。它的个小技术指标见下表。表3.2MQ-2的技术指标指标说明加热电压（Vh）回路电压（Vc）负载电阴（Rl）清洁空气中电阻（Ra）灵敏度（S=Ra/Rdg）响应时间(trec)恢复时间(trec)元件功耗检测范围使用寿命AC或DC5±0.2V最大DC24V2KΩ≤2000KΩ≥4(在1000ppmC4H10中)≤10S≤30S≤0.7W50—10000ppm2年传感器的机理和结构也因物理量和范围的不同而不同。烟雾传感器的输出通常是模拟电信号。如果信号与A/D转换器的输入电平不匹配，则需要使用放大放大器，反之，如果信号与A/D转换器的输入电平匹配，则不需要使用放大放大器。因此，如果要将MQ-2半导体烟雾传感器采集到的烟雾浓度的模拟信号传输到单片机控制器，需要将模拟信号转换成A/D转换器能够识别的无线电信号并传送它。图3.2.1烟雾浓度采集电路当烟雾传感器开启后，这个时候它的内阻会变得很小，但过一段时间可能会恢复到之前的稳定状态。所以，为避免误报的情况发送，MQ-2传感器在使用前应先开启几分钟进行“预热”。（3）烟雾检测的AD采集电路MQ-2传感器用于烟雾探测。通过采集ADC0832，可以得到各种烟雾浓度下的电压值。因此，这样可以确定了理想的烟雾报警数值。如上图3.2.1所示。3.2.2温度检测电路温度传感器是该电路主要的组成部分。其中PT100是用于温度测量电路的传感器。PT100传感器用于温度测量，具有随着组织变化而改变温度的能力。具有抗振、稳定、准确、耐高压等特性。但是，使用起来比较复杂。而DS18B20同样可用作温度传感电路中的温度传感器。由于其独特的单线接口，DS18B20温度传感器的温度输出只需要单口通讯。它允许多个DS18B20组件组成一个传感器网络，允许系统建立和组合。与其他温度传感器相比，该传感器在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面均表现优异，为用户提供更方便、更满意的测量结果。DS18B20直接输出数字温度值，所以不需要再进行校正操作。（1）DS18B20简介通过独特的接口，它的温度输出仅需单口通讯。它能使多个DS18B20组件组成传感器网络，为系统的建立与组合提供了可能。与其它温度传感器相比，该传感器在温度测量精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面都有较大的提高，为用户提供了更方便、更满意的测量结果。本文对基于DS18B20的测温控制系统的组成、设计方案、电路原理及程序设计进行了系统的介绍。以AT89C52单片机为控制核心，DS18B20为控制对象，采用数字管显示和C语言编程，实现了DS18B20智能温度传感器的多种功能。通过设计，实现了冷库温度监测、报警等功能。DSl8B20采用了3脚PR35或8脚SOIC封装技术，内部结构框图如3.2.2所示：图3.2.2DSl8B20的内部结构图DS18B20其内部主要由四部分组成：64位光刻ROM，温度传感器，不挥发性温度报警触发器，配置寄存器。图3.2.3所示DS18B20的管脚排列：图3.2.3DS18B20的管脚DS18B20的引脚说明如下：GND:地DQ：数据I/OVDD:电源本系统介绍了基于DS18B20的多点测温控制系统的配置、设计方案、电路原理、程序设计和系统仿真过程。采用AT89C52单片机为控制核心，DS18B20为智能温度传感器，DS18B20采用数码管显示，通过C语言编程实现系统各项功能，使DS18B20成为冷藏温度监测报警器系统，我会的。温度测量，设置上下限温度报警值。使用Keil进行编程调试，并根据电路仿真图完成电路焊接调试，可以很好的完成相关目标。从表3.3可以看出，假如给定分辨率越大，所需要的温度数据转换的时间也就越久。因此，对于分辨率和转换时间这两个数值要根据实际情况进行配置。通过一系列的配置就可以用来保证通讯的有效性。表3.3数据分辨率和转换时间R1R0分辨率温度最大转换时间/ms00994.230110184.211011232.151112756.23DS18B20传感器在收到温度转换命令时开始转换，如表3.4所示。转换完成后，温度值以16位有符号二进制补码扩展格式存储在1,2字节快速临时存储器中。单片机可以通过单线接口读取数据。读取时，低位在前，高位在后。数据格式表示为0.0625°C/LSB并计算相应的温度。如果符号位S=0，则二进制系统直接转换为十进制系统。如果S=1，则将补码转换为原始码，然后计算十进制值。表3.4码制转换温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8位CRC当它完成温度转换后，温度值与TH、TL内储存的触发值比较，由于这些寄存器只有8位，因此在比较时忽略0.5℃位。最大有效位TH或TL直接对应于6位符号位。若测温得到的结果高于TH或低于TL时，设备内部报警标志将被放置。这个标志在每次温度测量时更新。DSl8B20会在报警信号被设置后，对报警搜索命令做出回应。这样，在测量温度的同时，可以将多个DSl8B20并联。当某一温度超过某一限度时，就能识别正在报警的装置，并能立即读取，此时，就不需要读取非报警装置。（2）DS18B20具体参数及工作方式DS18B20的部分温度转换值如表3.5所示表3.5部分温度转换值温度输入（2进制）输出（16进制）+125℃000001111101000007D0H+85℃00000101010100000550H+25.0625℃00000001100100010191H+10.125℃000000001010001000A2H+0.5℃00000000000010000008H0℃00000000000000000000H-0.5℃1111111111111000FFF8H-10.125℃1111111101011110FF5EH-25.0625℃1111111101011110EE6FH-55℃1110111001101111FE90H（3）接口电路接口电路的电路图如图3.2.4所示图3.2.4温度传感器接口电路图DS18B20有6条控制命令：温度转换44H启动DS18B20温度转换，BEH读取寄存器，BEH读取9字节寄存器，写入寄存器4。复制暂存器48H，将暂存器TH和TL字节写入E2RAM，重新调整E2RAMB8H，将E2RAMTH和TL字节写入临时文件TH和TL字节，设置功耗模式B4H。读取并引导DS18B20发送到下一个电源模式信号。本设计采用DS18B20供电方式的功耗模式。3.3显示和报警电路设计3.3.1显示电路图3.3.1显示电路图显示电路使用用的4位阴极数码管，其中数码管由单片机控制，4位不同显示，P2.4～P2.7是必须选择的，P0.0～P0.7是不必须选择的。如上图所示。烟雾浓度显示的前两位数字表示0°~9°的温度范围，后两位数字表示0°~99°的温度范围。3.3.2报警电路三极管基极上面电路通过串联一个电阻与单片机P3.6端口来实现控制喇叭是否鸣叫。蜂鸣警报电路图如下图。图3.3.2蜂鸣报警电路图此外，三极管基极上串联一个电阻与单片机P3.6端口相连，来控制风扇是否转动排烟。风扇的转动电路图见图3.3.2。图3.3.2风扇转动电路图3.4按键控制和电源设计图3.4按键控制和电源电路图如上图，一共有四个按键。即一个设置键，可以进入设置状态。一个加键，进行数值的增加。一个减键，进行一个数值的减少。一个立即报警键，可以再遇到紧急情况时，按下它，喇叭会立即蜂鸣，并且风扇同时转动排烟。3.5本章小结

4软件方案设计4.1总体系统设计MQ-2有一段时间没有上电，所以需要先先开启一段时间进行初始化。程序初始化完成后，传感器进行预热处理，然后进行信号采集，并通过AD转换，进行单片机判定处理，最后才会进入报警子程序。下图是总体系统设计的流程图。程序初始化程序初始化传感器预热处理开始单片机处理，判断否超过设定报警值A/D转换进入报警子程序信号采集YN 图4.1总体系统设计流程图ADC0832的转换过程对整个系统的运行过程进行分析处理，判断系统是否发出告警。主程序包括LED8段数码管密度字符显示功能、手动报警功能、报警浓度设置功能、中断子程序等，使报警功能更加完善、方便。预热后，程序将被初始化。接下来，定时器0中断使能位1，定时器0开启，蜂鸣器关闭，绿灯亮，报警限制设置。4.2滤波设计在信号采集过程中，传感器会遇到一些脉冲干扰现象。这种干扰通常会影响单个采样点的数据，导致数据与其他采样点的数据存在显着差异。对于这种问题，大致的解决方法是使用中值均值滤波先比较X个样本数据，去掉最大值和最小值，然后对剩下的X-2个样本数据进行算术运算，可以计算出平均值。 流程如图4.2所示，开始设置采样次数N=10，然后调用AD采样，如果采用已经达到10次，则对这10次的采样数值进行排序，并且得到2到9采样值的和，得到和之后，将其除以8，最后将得到的值写入寄存器中。这种方法可以消除脉冲干扰和小的随机干扰。能够保证了报警装置对烟雾浓度检测的准确性，减少了误报的可能性。求2到9采样值的和求2到9采样值的和设置采样次数N=10开始已采样10次调用A/D采样将10次采样值排序值写入寄存器和除以8NY图4.2滤波流程图4.3线性化处理设计应用于火灾监测控制系统时，必须进行静态校准，得到测量信号之间关系的输出曲线，作为测量的度量标准。然而，在校准过程中，输出曲线往往不是一条理想的直线。因此，将校准曲线线性化并用匹配线代替输出曲线是智能电表的典型特征。警报主要用于检测烟雾和温度。软件线性化后，基于传感器对烟雾和温度的响应曲线。对于MQ-2传感器，当烟雾浓度的增加，其阻值减小，MQ-2传感器的输入电压降低。所以电压值与烟雾浓度呈非线性关系。为了实时显示废气浓度，需要对废气浓度进行线性化处理。根据校准曲线的形状和单片机的处理能力，在误差范围内将其分成若干小段，对每个小段进行线性化处理。4.4报警设计报警大致思路为，在烟雾浓度和温度超过设定值时，报警器发出近似于警笛的呼啸声，同时风扇转动，相应指示灯亮起，进而提示操作人员采取安全措施或自动控制相关安全装置，以保证生命财产安全，可以很大程度的避免火灾事故的发生。为了防止误报，在报警程序的设计上，采用了烟雾浓度和温度的快速重复检测和延迟报警两种方法，这样可以很大程度的避免误报。具体流程见图4.4。返回上电状态返回上电状态返回监控状态启动故障报警是否大于20%读取处理后的空气浓度值开始延迟20秒采集一组浓度数据是否大于20%传感器故障自诊断传感器有问题启动报警消音键是否按下YNNY N图4.4报警流程图4.5按键控制设计本系统采用自锁复位开关的方式进行调整设置值，从而再达到超出设定值时能触发报警功能，按键处于活跃状态，开始扫描键值，当有键值按下时，则触发10ms抖动，否则继续进行扫描检测。当抖动过后，还是有键值按下，则会获取键值，然后调用键盘子程序。其按键控制设计流程图如图4.5所示。获取键值获取键值结束调用键盘子程序是否有键按下延时10ms去抖动是否有键按下扫描键值开始NYNY图4.5按键控制流程图4.5本章小结

5调试方案设计总体调试方案主要分为以下部分：感官上的测量。即凭借经验和实际物品进行测量。因为单片机系统的电路都是手工焊接，所以每一个焊接点都要仔细检查并且核对，着重检查是否存在虚焊等现象。使用仪器测试。即使用万用表检查目测可疑的连接或连接点，看是否符合系统设计要求，然后用万用表检查电源和地面有无短路等现象。使用加电检测。当系统加上电后，首先就是要检查所有插座或装置的插头的电源端，是否有符合要求的电压值，接地端的电压值是否接近于零，接通固定电平的插头端的电平。使用在线测试。在硬件电路的调试过程中，也遇到了不少的问题，第一次焊完所有的元件后，都要进行调试，才能发现正负极的插针离得太近，难以接通电源，这些错误本来就不该发生，这些都是自己的疏忽造成的，因此说做任何事情都要“三思而后行”，不要有半点马虎，否则会浪费时间和精力。最后，经过多次和多步骤的测试，实现的功能主要有：可设定报警值，可进行立即紧急报警，也可手动取消立即紧急报警，可按应急报警键进行报警，并具有断电保存，设定参数保存于单片机EEPOM内。探头检测到火灾报警，信号经ADC0832处理后转换成单片机处理，当检测到浓度超标时，蜂鸣器发出嘀嗒声，同时风扇旋转。同时，该系统还可以探测到火灾发生时，环境温度会随之升高。如果发现温度超过了设定的报警温度，蜂鸣器也会发出报警信号，同时风扇转动。系统按键操作非常方便，进入设定界面后，如果不按按钮的状态过了30秒后，系统也会自动退出设定界面。经过多次和多步骤的测试和不断的调试，很好的达到了设计要求，具备火灾监测控制，能很好的完成使命。5.1本章小结本章主要是对整个系统进行调试，主要分为目测、万用表检测、充电检测、在线联机检测等四个部分，调试过程会发现很多问题，通过一步一步的排查，最终还是得到了解决。6论文总结本篇论文在深入研究烟雾传感器及报警技术的基础上，综合比较了国内外同类产品的技术特点，合理确定了系统的设计方案。同时，对仪器的总体设计和各部分进行了详细的分析和设计。本次设计的烟雾温度火灾报警系统，主要由烟雾信号采集电路，温度信号采集电路和单片机控制电路几大部分所组成。我之所以选择MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器，是因为这个传感器在较宽的较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，其中，对液化气，丙烷，氢气的识别灵敏度较高，可以有效地，及时的监测。并且它的使用寿命较长，成本相比于其他烟雾传感器也很低，不管是在家庭还是工业中都有很好的性价比。而作为温度传感器的DS18B20，我选择它的原因是：体积很小，在很多场合都适合使用。并且，它的灵敏度也很高，可以及时监测温度的变化，同时也具有干扰能力强精度高的优点。而且接线方便，在封装之后适用很多场合。STC89C52单片机芯片具有高性能的特点，充分利用系统的高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现仪器的小型化、智能化。该仪器具有结构简单，性能稳定，体积小，价格低廉等优点。因为烟感传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应速度越快，反应和恢复时间越短。为了加快传感器的响应时间，并且保证传感器能够准确、稳定的工作，需要对烟雾传感器连续提供5V加热电压。烟幕报警装置可以在很宽的温度范围内工作，烟幕浓度显示采用LED数码管。在烟气浓度达到设定值时，进行报警。本次设计的烟雾温度报警系统以单片机为核心，可通过监测周围环境的烟雾浓度或者是环境温度，只要是其中一个超过预设的值，就可以灯光，声音报警，并且可以自动开启风扇进行排烟功能，可以有效帮助火灾中的人群脱离危险。本报警器电路结构简单，维护相对容易，成本低，实现了烟雾和温度的实时监测，可以适用于居家家庭，工厂，人群密集的商场。但是也存在跟多不足，比如只能实现了排烟的功能，并不能对火情有很好的控制。因此，此系统还有很大的提升、改善空间参考文献[1].刘婷.传感器设计中应用单片机技术的分析[J].数码设计,2017,6(09):85.[2].张毅坤等.单片微型计算机原理及应用.西安电子科技大学出版社,2006.[3].潘新民等.微型计算机控制技术.电子工业科技大学出版社,2003.[4].陈伟.MCS一52系列单片机实用子程序集锦.清华大学出版社,1993.[5].吴佑寿.LabVIEW7实用教程.电子工业出版社,2007.[6].肖骁,戈文祺.电气传动系统中单片机技术的应用解析[J].中国标准化,2017(22):250-252.

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