《基于物联网的家用火灾报警系统的设计与实现》5900字（论文）

第1章绪论1.1设计背景和依据随着社会经济的高速发展，电子产品在人类生活中的使用也越来越频繁和广泛，物联网已经逐渐走进了我们的生产生活当中，发挥着重大作用。而由电子产品引起的火灾在近几年也层出不穷，在我们生活的环境中到处都潜伏着安全隐患。为了保障人体生命安全和减小经济财产损失，家用火灾报警系统的存在是非常必要的。本文设计了一种家用火灾报警系统，由GSM模块作为该系统的技术支撑，由STC89C52单片机来做为CPU，温度和烟雾传感器将采集到的数据做出转换后显示在LCD1602屏上，如果超过之前设定的值，然后报警系统和LED做出相应的反应，风扇和洒水泵也会做出相应的处理，GSM模块就会使得单片机将报警信息以短信的形式发送到手机上。1.2设计的主要内容及功能设计及制作一款基于GSM的温度和烟雾的火灾报警系统，能跟51单片机进行通信，运行稳定、结构简单。系统由现场采集和GSM模块两部分组成，以STC89C52单片机为主要控制单元，单片机硬件资源丰富、功能强大、后期进行功能扩展较为方便。采用温度和烟雾传感器和GSM模块完成对现场数据的采集与控制。加入温度和烟雾模块自动调节模块减少了人力资源的浪费。具体功能如下：（1）具有环境温度和烟雾的测量采集功能；（2）现场数据通过GSM模块远程发送到手机的短信上；（3）可自动控制风扇和洒水泵来降低温度和吹散烟雾；（4）具有声光报警功能；（5）可以通过按键来调节温度和烟雾的限定值（阈值）；（6）LCD1602上可显示当前温度和烟雾值以及温度和烟雾的阀值（7）还可以接受GSM发送短信的手机号码按键，当有需求需要更换接受方的短 信时，可通过该按键来修改成接受短信的手机号码，非常方便修改。

第2章设计方案2.1系统构成这次的实验是由软硬件相结合开发，CPU是采用当前流行的51单片机，传感器及电子元器件的选择。当所有材料选择完成后，进行电子电路设计，确保每个电路的顺畅运行。之后按照设计好的电路图将所有材料焊接起来，组成一个单片机系统。硬件部分完成后，开始进行软件设计，用来控制整个单片机系统。软件部分分为模块化编写，有处理的主程序函数，其他模块分别在子程序中完成，包括温度检测程序、烟雾浓度检测程序、按键设置子程序、报警模块子程序、SIM800短信发送模块子程序。本次设计最核心的控制芯片选用STC89C52单片机作为主控制器，按照功能上划分成4个部分，分别是LCD1602屏显示部分、烟雾和温度的采集部分，按键控制部分，还有报警部分，其中报警部分则分为报警值设置，蜂鸣器报警，短信报警，一共3部分。2.2硬件电路设计由图2-1可以看出整个烟雾温度火灾报警系统组成为：温度和烟雾采集模块主要测量和采集当前环境的温度和烟雾值，然后由单片机进行处理，由显示电路展示出当前环境的温度和烟雾的数据。如果此时的温度和烟雾值超过设定值时，则发出指令使蜂鸣器、LED灯模块开始工作，然后风扇或者洒水泵进行工作，同时GSM模块也会发送出相应的信息，起到自动调节当前环境温湿度，给予家庭一个合适的舒服环境。蜂鸣器声光报警按键设置蜂鸣器声光报警按键设置LCD1602显示DS18B2温度采集LCD1602显示DS18B2温度采集GSM短信发送短信ADC0832模数转换GSM短信发送短信ADC0832模数转换继电器控制MQ-2烟雾采集STC89C52单片机继电器控制MQ-2烟雾采集STC89C52单片机图2-1系统总设计框图2.2.1核心模块设计这次的系统采用51系列的STC89C52单片机。STC89C52单片机的运行速度足够快，成本方面也比较便宜，满足我们这次的实验。总控制电路如图2-1-1所示。图2-2总控制电路图2.2.2温度采集模块这次实验采用的温度传感器是DS18B20，该温度传感器操作方便，总共有3个引管，非常好控制，程序也好写。是一线式总线的一类传感器，它将采集到的数据给到单片机进行处理和判断，然后在1602显示屏上显示其相应的温度值。因其较小的体积和高密封性使得DS18B20具有应用方便，抗干扰能力强，精度高，价格便宜的优点。其结构框图如图2-2所示。GNDGND存储器和控制逻辑温度传感器高温度触发器TH低温度触发器TL64位ROM和单线接口VDDVDDDQ供电方式检测便笺式存储器CRC发生器图2-3框架结构图2.2.3烟雾采集模块本系统采用MQ-2作为烟雾采集模块，它将采集到的数据给到单片机进行处理和判断，然后在1602显示屏上显示其相应的烟雾值，该模块的电路结构图的如下面的图2-3所示。图2-4烟雾采集模块2.2.4通信模块这次的实验我们采用的GSM模块是以文本模式来进行数据的传输，最后选用的SIM800 模块进行短信的读取与发送，该模块操作方便，体积也非常比较小，但该模块不适合插入电信卡。2.2.5继电器驱动模块设计这次的实验中我们用到了两个继电器，分别是控制风扇和洒水泵的，继电器的操作非常简单，只要51单片机那边能给出低电平后，继电器就会闭合工作，相应的风扇和洒水泵就会得到相应的控制。其实可以理解继电器为开关控制通断而已。继电器的电路如下面图2-5。图2-52.3系统软件设计2.3.1软件主程序架构当硬件端设计调试完成后，就要针对单片机和外设传感器进行软件设计。系统设计首先要构思清楚，首先画一个流程图，然后按照传感器先后顺序，进行系统设计。首先各个硬件开始初始化，温度传感器，烟雾传感器，LCD1602液晶屏，蜂鸣器，SIM800短信模块，之后各个模块开始工作，不断实时地检测到烟雾的浓度和温度值，并进行相应的报警操作。启动的步骤为：GSM模块初始化，温度传感器检测当前温度和烟雾浓度。可以通过按键的加和减来设定温度和烟雾浓度的报警上限值。当超出温度和烟雾浓度上限值时，蜂鸣器报警，对应的LED报警指示灯亮起，同时SIM800模块发送报警短信到手机。整个主流程图如图3-1所示：开始开始GSMGSM串口初始化ADC0832烟雾初始化ADC0832烟雾初始化 手机端发送短信获取信息/控制DS18B20初始化手机端发送短信获取信息/控制DS18B20初始化LCD1602显示当前信息LCD1602显示当前信息否否按键设置温度上限否返回按键设置温度上限否返回按键设置烟雾上限按键设置烟雾上限超过上限超过上限超过上限超过上限是是是是GSM发送短信GSM发送短信蜂鸣器声光报警蜂鸣器声光报警

图3-12.3.2LCD1602显示流程图本次设计采用LCD1602液晶屏作为显示器，LCD1602液晶显示屏上电后，进行LCD1602子函数中，首先进行屏幕初始化操作，屏幕上的数据清零，内部存储清空。之后和单片机进行双向通信，单片机控制显示屏亮度和显示内容，延时一定时间后，进入数据写入操作，将检测到的温度和烟雾浓度在液晶显示屏上。此外，在设置温度和烟雾浓度报警值上限时，根据按键操作，屏幕上实时变换数值。单片机操控写入引脚写入要显示内容的命令。之后显示屏执行指令，将内容显示出来。LCD1602显示流程图如如3-2所示：图2-72.3.3串口GSM函数流程图当GSM模块和单片机连接好后，插入一张SIM卡，进行供电，按下GSM模块的开关，电源指示灯亮起。首先进行串口初始化，这时LCD1602液晶显示屏上显示GSMINIT，之后单片机开启总中断，当有信号输出后，进入总中断，然后开启串口中断，当需要发送短信时，进入串口中断。之后启动定时器1，一定时间后发送报警短信，然后设置串口的工作方式，这里设置1，最后给定时器设置初值，整个流程进行完毕。串口的作用是单片机和SIM800模块之间进行通信，将报警短信发送给设定的手机号。串口初始化流程图如图3-3所示：开始开始选择定时器选择定时器 串口初始化串口初始化打开总中断和串口中断ES=1;EA=1; 打开总中断和串口中断ES=1;EA=1;初始化AT指令，装载发送短信号码初始化AT指令，装载发送短信号码否否是否发送短信是否发送短信是是返回返回图2-82.3.4温度检测流程图开启开关电源后，温度传感器开始工作，首先将温度传感器放置在空气中，然后进入温度监测子程序中，温度传感器将空气中的温度转换成电信号进行输出，单片机接收到数据后进行计算，之后显示在LCD1602液晶显示器上。DS18B20数字温度测温模块首先初始化，然后读取DS18B20数字温度测温模块序列号，发送跳过RAM信号，之后进行温度转换，随后复位DS18B20数字温度测温模块，若无中断，则读取数据，若有中断，则继续回归到复位操作。温度检测流程图如图3-4所示：图2-92.3.5烟雾浓度程序流程图本次的设计中采用的MQ-2型烟雾报警器，当烟雾采集到当前的数据后，把模拟量传输给adc0832进行处理，ADC0832进行初始化后，因为ADC0832有2个通道，所以要进行选择，本次设计选择的数据通道为0，然后进行读取数据，一个字节为8位，进行一位一位读取，把当前读取的信息转换为数字量，换算成当前的电压值。烟雾检测模块流程图如图3-5所示。开始开始ADC0832初始化ADC0832初始化产生时钟信号产生时钟信号选择数据通道0选择数据通道0NN判断ADC是否转换完毕判断ADC是否转换完毕YY读取字节读取字节一位一位读取数据一位一位读取数据结束，计算当前电压值结束，计算当前电压值通过当前电压，得到转换数据，显示当前烟雾浓度通过当前电压，得到转换数据，显示当前烟雾浓度返回返回图2-102.3.6烟雾浓度程序流程图主函数执行后，一直检测是否发生中断，首先通过按键设定好温度和烟雾浓度的报警上限，然后检测是否超出上限值，烟雾浓度和温度通过循环函数判断其值是否超出上限，当报警时，蜂鸣器报警，对应的LED报警指示灯亮起，同时SIM800发送报警短信到对应的手机上。报警流程图如图3-6所示：图2-11

第3章系统调试3.1PCB设计设计电子电路前，首先要进行PCB设计，将本次设计要覆盖到的一些芯片，传感器，按键等元器件按照功能划分，在PCB图上找到合适的位置进行绘制，这里要注意打孔的位置和上下层PCB连接，先绘制STC89C52单片机，然后再绘制单片机最小系统，在P0口绘制上拉电阻，确定好位置后放入LCD1602液晶屏，之后根据引脚所在位置和整体排布放置各个模块的位置，再用导线将对应的引脚连接，保证线路畅通，没有交叉。Pcb图如图3-1所示：图3-13.2实物焊接调试准备好所有的材料和电烙铁，按照设计好的电路板原理图，开始单片机电路板的焊接。首先将插排焊接上去，之后焊接单片机最小系统的晶振和复位电路。确定好LCD1602液晶显示屏位置，将上拉电阻焊接在P0口，之后通过导线连接显示屏。后面分别焊接各个传感器模块，温度传感器，烟雾浓度采集模块，AD数模转换，SIM800短信模块，蜂鸣器，电源电路。最后用导线将各个模块按照电路图连接起来，确保没有出现短路现象。STC89C52单片机用烧录器将编译好的软件烧录进去，最后插入到插排上。用5V直流电源供电，按下开关，观察LCD1602液晶显示屏是否正常显示，正常显示后，说明显示电路正常，之后观察其他传感器是否正常工作，显示屏上是否有输出，如果正常显示，则一切都没问题，当出现问题时，就要找出具体出问题的部分，逐一解决。成品图如图3-2所示图3-23.3功能调试单片机焊接测试没问题后，进行功能调试，测试软件是否正确。首先给单片机重新上电，这是LCD1602液晶屏和SIM800首先进行初始化操作，LCD1602液晶屏上应该出现“SYSTEMINIT”，这一步没问题后，接下来测试各个传感器功能。LCD1602显示屏页面分为两行，上面显示测得的温度和烟雾浓度，单位是摄氏度和浓度，下面显示报警上限。将温度传感器放置于室内，检测几秒后，可以在LCD1602液晶显示屏上看到对应的温度、浓度值。可以通过加和减两个独立按键设定温度和浓度报警的上限值，然后设定的相应值会在LCD1602液晶显示屏上显示出来。将温度传感器握在手中，使其超过设定的报警上下限值，这时蜂鸣器报警，点燃纸并放置在传感器下面，这时蜂鸣器报警。对应的LED报警灯亮起，单片机通过SIM800发送短信到手机上，可以看到手机接收到短信。可以观察到，报警时震动传感器工作，用于警示，同时可以在手机上接收到紧急短信。至此，所有功能测试完成。测试图如图3-3所示图3-3

第4章总结本设计论文系统描述了基于物联网的家用火灾报警系统功能和思路以及对各个芯片的相关说明和使用方法，从硬件设计到软件编码。在设计单片机系统的时候，一开始就要考虑很多的问题，包括整个单片机系统的工作原理，各个传感器芯片的选型、每一个单片机和传感器的引脚功能、各个传感器模块和芯片使用的优缺点，单片机系统的硬件设计，焊接时的电路的连接以及最终的程序编写等。这次的实验主要是由51单片机和各种各样的传感器相结全构成了本次系统，例如单片机控制震动传感器进行震动提示，通过GSM模块发送报警短信到手机上。在设计的时候同样面临了一些困难和问题，比如在调试温度传感器的时候，怎么样都读取不到数值，经过仔细排查，发现是传感器的输出引脚焊接位置不对，导致单片机没有检测到输出信号。文件编译好之后没有问题，用JLINK烧录的时候，总是提示烧录失败，仔细排查之后，发现是单片机和JLINK连接的RX和TX要反接，反过来连接之后，烧录成功。本次设计存在一些优缺点，优点在于采用模块化的设计，这种设计思路将整个单片机系统分成几部分进行拼接，当出现问题的时候，可以快速定位到问题所在，后期还可以进行其他模块的替换或者增加，重复性较好，此外在设计之初就做了全面的分析，确保每一个传感器和芯片都是最合适的，保证系统工作的稳定性和持久性。缺点的话自我认为系统还有更多可以挖掘的功能去实现，此次设计主要的功能就是监测温度和烟雾浓度并进行报警，但设计到了大量的传感器、按键、显示屏和蜂鸣器，在之后的设计中可以增加wifi模块或蓝牙模块，实时将监测结果远程发送到手机端进行展示，这样整体功能更加丰富，使用也更加方便。参考文献邹立华.智能楼寓火灾报警系统的研制[J].现代电子技术,2004(14):97-98.杨宁.单片机与控制技术[M]北京：北京航空航天大学出版社出版，2005李中望.一种智能火灾报警系统的设计方案[J].安防科技,2008(02):48-49+37.张岩.浅谈化工厂智能火灾报警系统[J].盐业与化工（现《盐科学与化工》），2012，41（8）：30-31胡允娥.无线火灾报警系统的研制[D].华南理工大学,2012.孙小春基于单片机的无线火灾报警系统研究[J].海南大学学报自然科学版，2013,31(3):254-256徐实.浅谈高层建筑火灾自动报警系统和相关设备联动中存在的问题及对策[J].科技信息,2013(25):435-438.史红彦,王举