基于单片机的远程火灾自动报警系统的设计.docx
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基于单片机的远程火灾自动报警系统的设计
泉州师范学院
毕业论文（设计）
题目基于单片机的远程火灾自动报警系统的设计
学院专业
学生姓名学号
指导教师职称副教授
完成日期
教务处制
基于单片机的远程火灾自动报警系统的设计物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业070303001黄晋森
指导老师：
蔡植善副教授
摘要：
系统以STC89C51为控制器，选用温度传感器DS18B20、烟雾传感器MQ-2为火灾探测的敏感元件，采用TC35发送短信到指定手机的报警方式，设计出适用于住房、办公室、餐厅等场所简单实用的火灾自动报警器。
关键字：
单片机STC89C51、DS18B20、MQ-2、TC35、TLC549、火灾报警
摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„42系统基本方案选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
2.1单片机芯片的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
2.2显示模块选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
2.3温度传感器的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
2.4烟雾传感器的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
2.5GSM模块的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
2.6电路设计最终方案决定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„53主要元器件功能介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5
3.1主控制器STC89C51RC介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5
3.2温度传感器DS18B20介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6
3.3烟雾传感器MQ-2介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8
3.4LCD1602液晶显示介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
3.5TC35短信收发模块介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„114主要程序流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„135系统调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„146设计总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16附录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18程序清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19
1引言
火灾指燃烧引起的在任何环境中发生的难以控制的灾害，可由自然原因和人类活动引起，有的大火甚至能横扫整个城市。
国内外的实践表明，火灾对城市的威胁很大，它能造成城市人口严重伤亡，使社会财富大量被毁，甚至能导致城市瘫痪。
历史上的莫斯科市、伦敦市、芝加哥市、旧金山、东京市、横滨市都发生过毁灭性火灾，我国北京、武汉、长沙、杭州等市历史上屡次被烧，重庆市1949年9月2日大火，三昼夜大火熊熊、浓烟蔽空、日月无光，数千人葬身火海，数十万居民无家可归。
据瑞士——保险公司调查报告，1970年~1985年世界平均每周发生3起大火，15年共造成150万人丧生，使全球5000万人无家可归，如果说天灾是人类共同面对的大敌，那么在尚不发达的发展中国家则是天灾与人祸并重，火灾隐患日益严重。
火灾是日常生活中一种常见的灾害，所以准确的预报是极其重要的。
很多因为没有在火灾发生的初期做出及时的补救而火势蔓延，造成极大的灾害。
[1][2]
本系统利用GSM网络覆盖广、信号稳定、保密性好、数据传输量大、可以把现场采集到的信息及时传输到远端，远端也可以及时发出相应的处理信号的优点。
将GSM网络与火灾报警器相结合，即使主人不在家时也能第一时间将火灾情况通过短信发送到手机上，以降低火灾造成的损害。
2系统基本方案选择
2.1单片机芯片的选择采用STC89C51芯片。
STC89C51功能强，速度快，寿命长，价格低。
可直接将编好的程序用伟福软件配带的STC-ISPV39软件下载到STC89C51中，MCU则可执行相应的功能，而且STC89C51芯片还可以反复的进行擦写，断电不丢失。
2.2显示模块选择
采用LCD1602液晶显示。
LCD1602具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等优点。
而且LCD1602液晶能够同时显示32个字符（16列2行），1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，使用起来更加快捷方便。
2.3温度传感器的选择
采用数字式温度传感器DS18B20，此传感器是仅需要一条数据线进行数据传输的数字式传感器，与单片机连接简单，不需要再添加A/D模块，简化硬件电路同时降低成本。
而且，数字式温度传感器测量精度高、测量范围广。
2.4烟雾传感器的选择
采用可燃气体、烟雾传感器MQ-2，适用于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。
此传感器具有探测范围广、高灵敏度/快速响应恢复、驱动电路简单、寿命长等优点。
2.5GSM模块的选择
TC35是Siemeils公司推出的新—代无线通信GSM模块。
自带RS232通讯接口,可以方便地与PC机、单片机连机通讯。
它具有体积小、重量轻、低功耗等特点。
可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务（ShortMessageService）和传真，方便用户的应用开发和设计。
2.6电路设计最终方案决定
综上各方案所述,对此次作品的方案选定:
采用STC89C51RC作为主控制系统；LCD1602液晶作为显示；数字式温度传感器DS18B20；可燃气体、烟雾传感器MQ-2；采4
用TC35为GSM模块。
给出的系统方框图如下：
图2-1硬件组成
如图2-1，本系统主要由单片机控制模块、温度采集模块、烟雾探测模块、LCD显示模块、声光报警模块、GSM短信发送模块组成。
设计原理：
单片机巡回检测温度、烟雾并在LCD上显示其值，如果其中一项发生异常（即超过设定值时），发出声光报警，并通过GSM模块
[3]发送温度、烟雾值到指定手机。
3主要元器件功能介绍
3.1主控制器STC89C51RC
STC89C51RC单片机是宏晶科技
推出的新一代抗干扰、高速、低功
耗的单片机，指令代码完全兼容传
统8051单片机。
STC89C51RC是40
引脚的双列直插芯片，有P0，P1，
P2，P3四个I/O口，每条I/O口都
能够独立作为输出或者输入。
单片
机最小系统如图3-1所示，第18引
脚和第19引脚接时钟电路，XTAL1
接外部晶振和微调电容的一段，在
片内是振荡器倒相放大器的输入，
XRAL2接外部晶振和微调电容的另
一端，在片内是振荡器和倒相放大
器的输出。
第9引脚是复位输入端，
接上电容、电阻及开关后构成电复
位电路。
第20引脚为接地端，第40
引脚为电源端。
图3-1单片机最小系统图
3.2温度传感器DS18B20
DS18B20测温原理如图3-2所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
[4]
图3-2DS18B20测温原理图
根据DS18B20通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换须经过三步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60us左右，后发出60～240us的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
图3-3DS18B20程序流程图
图3-4温度传感器DS18B20与单片机的接口电路
DS18B20的性能特点:
1．可通过数据线供电，电压范围：
3.0~5.5V；
2．测温范围：
-55~+125℃；
3．无须外部器件，独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
4．多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；
5．零待机功耗；
6．用户可定义的非易失性温度报警设置；
7．报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
8．可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；
9．负压特性：
电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
3.3烟雾传感器MQ-2
MQ-2气体烟雾传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。
当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-2气体烟雾传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其他可燃蒸汽的检测也很理想。
这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。
表1.标准工作条件
图3-5MQ-2的结构、外形、测试电路
图3-6为MQ-2的温湿度特性曲线图。
给出了MQ-2型气敏元件的温湿度特性。
其中，Ro在为20℃，33%RH条件下，1000ppm氢气中元件电阻。
Rs是在不同温度，湿度下，1000ppm氢气中元件电阻。
图3-6MQ-2气敏元件温湿度特性曲线
图3-7MQ-2气敏元件的灵敏度特性曲线
图3-7是MQ-2的气敏元件的灵敏度特性曲线给出了MQ-2型气敏元件的灵敏度特性[8]。
其中，温度为20℃，相对湿度为65%，氧气浓度为21%，RL=5kΩ，Rs是元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。
R0是元件在洁净空气中的电阻。
烟雾信号采集电路由烟雾传感器和A/D转换电路组成，将模拟的烟雾信号转换为数字的电信号。
A/D转换电路将烟雾传感器检测送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。
单片机再对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，若大于或等于预设的报警值，则启动报警电路发出声光报警，并通过GSM模块发送短信到指定手机。
TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。
具有4MHz片内系统时钟和软、硬件[5]9
控制电路，转换时间最长17us，TLC549为40000次/s。
总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗为6mW。
采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，可用于较小信号的采用。
TCL549均有片内系统时钟，该时钟与I/OCLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。
当CS为高时，数据输出（DATAOUT）端处于高阻状态，此时I/OCLOCK不起作用。
这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/OCLOCK，以减少多路A/D并用时的I/O控制端口。
[6]
烟雾传感器MQ-2与A/D转换器的连接图：
图3-8烟雾传感器MQ-2与TLC549连接电路图
3.4LCD1602液晶显示器
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1、16*2、20*2和40*2行等的模块。
1602LCD采用标准的16脚（带背光）接口，个引脚接口说明如表4：
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最强，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7—14脚：
D0—D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表所示
1602液晶模块的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
（说明：
1为高电平，0为低电平）
指令1：
轻显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：
光标和显示位置设置I/D，光标移动方向，高电平右移，低电平左移，S:
屏幕上所有文字是否左移或右移，高电平表示有效，低电平表示无效。
指令4：
显示开关控制。
D:
控制整体的显示开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。
C:
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标。
B:
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位。
S/C：
高电平时显示移动的文字，低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令。
DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线。
N:
低电平时为单行显示，高电平时为双行显示。
F:
低电平时显示5*7的点阵字符，高电平时显示5*10的显示字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号和光标地址。
BF：
忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或数据，如果为低电平表示不忙。
3.5TC35短信收发模块
TC35模块是Siemens最新推出的新一代GSM模块，它与GSMphase2/2+兼容、双频（GSN900/GSM1800）、RS232数据口、符合ETSI标准GSM0707和GSM0705且易于升级为GPRS模块；该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语言、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。
TC35模块如图3-9所示，从功能上看主要由4部分组成：
GSM基带处理器、GSM射频部分、电源A-SIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）、Flash。
GSM基带处理器是整个模块的核心，它由一个C166CPU和一个DSP处理器内核控制着模块内各种信号的传输、转换、放大等处理过程。
GSM射频部分是一个单片机收发器SMARTi，它由一个外差式接收器、
[7]
上变频调制环路发送器（upconversionmodulationlooptransmitter）、一个射频锁相环路和一个全集成中频合成器4个功能块组成，共同完成对射频信号的接受和发送等处理。
GSM模块电流变化非常大，空闲时电流小于3.5mA，而在通话期间电流最大可达2.3A，这就对供电电路提出了较高的要求。
GSM模块电源ASIC部分使用线性电压调节器把外部输入的电源电压Vbatt+进行稳压处理后供GSM基带处理器和GSM射频部分使用，此外它还输出一个
2.9V/70mA的电压供模块外的其他电路使用。
GSM射频部分的功率放大器对电源电压要求不高，所以直接使用外部的输入电压Vbatt+。
Flash用来存储一些用户配置信息、电话本和其他信息。
图3-9TC35功能框图
图3-10为TC35引脚图。
TC35共有40个引脚，通过一个ZIF（ZeroInsertionForce）连接器引出。
这40个引脚可以划分
为5类，即电源、数据输入/输出、
SIM卡、音频接口和控制。
第1-14
脚为电源部分，其中1-5为电源电
压输入端Vbatt+，6-10为电源地
GND，11、12充电引脚，13对外输
出电压（共外电路使用），14为ACCU。
TEMP接负温度系数的热敏电子；
24-29为SIM卡引脚，分别为CCIN、
CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC和CCGND；
33-40为语音接口用来接电话手柄；
15、30、31和32脚为控制部分，15
为点火线IGT（Ignition），当TC35
通电后必须给IGT一个大于100ms
低电平，模块才启动，30为RTC
backup，31为Powerdown，32为
SYNC；16-23为数据输入/输出分别
为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、
RTS0\DTR0和DCD0。
图3-10TC35引脚图
在对TC35的开发过程中，进行功能测试是一个非常重要的环节，这可以了解它的工作过程、工作方式以及对各种AT命令的反应。
测试方法是把TC35的RS232数据接口通过电平转换电路和PC机的串口相连，同时接上SIM卡，在超级终端中输入AT命令即可进行功能测试。
TC35的AT命令集是在业界标准贺氏（Hayes
）命令的基础上增加了一些有关短消息和12
SIM卡的处理命令而形成的集语言、数据、短消息、传真、SIM卡和SIEMENS自定义命令于
[8]
一体的命令超集，共有150多条。
它的所有操作都是通过AT命令来实现的。
一些常用的
TC35但不支持汉字，仅适合传输ASCII码字符。
PDU模式支持汉字，但需要进行Unicode编解码。
一般模块默认的都是PDU模式，可以使用如下命令切换到TEXT模式：
AT+CMGF=1；如果想再切换到PDU模式，使用：
AT+CMGF=0。
通过AT+CMGR指令判读短信来电，并与事先写入单片机EEPROM的授权手机号码、控制命令内容进行比对，即可实现认证短信发送方手机号码，并执行相应控制（如解防/设防、开启/关闭单片机某一个I/O端口所对应的电器设备等）。
现场警报传感器触发时，系统则立即将对应的报警短信内容发送到指定的手机上。
[9]
TXET模式收发短消息：
<1>模块上电并且AT命令同PC串口通信顺畅。
<2>SIM卡没有欠费，并且已经登陆GSM网络（可以使用AT+CREG？
查询，如果返回1或者5表示正常）。
<3>AT+CMGF=1设置为TXET模式。
<4>从串口输入：
AT+CMGS=“”，然后按回车键（设置接受短信号码）。
<5>这时可以看到有个大于号“>”弹出，提示可以输入消息的内容。
假如想发送“helloword”，直接在“>”后面输入即可，输入完后按“CTRL^Z”,稍等一会消息就发送出去，如果是编程的话则输入发送内同的ASCII即可。
全部过程如下：
AT+CMGS=“”>helloword+CMGS:
199
OK
需要等到OK返回，才能确定是发送成功。
如果不能正常发送，返回ERROR，则说明需要格式化，可以发送AT&F命令格式化。
发送：
AT&F<回车>返回：
AT&F<回车>OK
4主要程序流程图
5系统调试
TEXT发送模式：
发送；AT<回车>
返回；AT<回车>
OK
发送：
AT+CMGF=1<回车>
返回：
AT+CMGF=1<回车>
OK
发送：
AT+CSCA=+86<回车>
返回：
AT+CSCA=+86<回车>
OK
发送：
AT+CMGS=<回车>
返回：
AT+CMGS=<回车>
>
发送：
0123456789ABCDEFG
返回：
0123456789ABCDEFG
发送：
1A（十六进制发送）<回车>
返回：
+CMGS:
178
OK
上电后，单片机自动复位，LCD1602显示当前烟雾浓度值78，温度值21.0℃。
设置不同报警值进行多次测量，检测系统的可靠性。
设置烟雾报警值为4000：
设置温度报警值为30℃
设置烟雾报警值为3000：
设置温度报警值25℃：
根据调试结果可知：
本系统在测试过程中未曾出现过误报现象，虽然测试数据与实际数据存在一定的误差，但不影响系统的准确性与可靠性。
在接收短信报警时，会有3-5S的短信接收延时时间，不会对火灾的控制造成大的影响。
因此，本系统的稳定性、准确性与可靠性符合火灾报警器的要求。
本系统仅适用于小型场所，如家里、餐厅、小型办公室等，对于大型场所要使烟雾值达到准确的报警值需要产生更大量的浓度，不能够在火灾发生初期就做出准确的报警，因此不能适用于大型较空旷场所。
6设计总结
本系统利用GSM网络覆盖广、信号稳定、保密性好、数据传输量大、可以把现场采集到的信息及时传输到远端的特点，将GSM与火灾报警器结合起来，证明了远程火灾报警的可行性。
改善了传统火灾报警在无人情况下报警无效的不足，更有利于消防工作的快速进行。
经过这段时间的研究设计，反复学习及改进，基于单片机的远程火灾自动报警系统的功能基本实现，调试的最后数据也达到预期目标。
在这个过程中学习到了很多新知识，同时也丰富了自己的生活，对自己的人生是个不可或缺的经历。
致谢
本次毕业设计，得到蔡植善老师的大力支持，在选题以及电路功能的实现中提供了许多宝贵的意见，悉心指导了毕业论文，使我的毕业设计顺利完成，对此我表示衷心的感谢。
参考文献：
[1]蒋维,金磊.《中国城市综合减灾对策》.[M].中国建筑工业出版社，1992.10.
[2]杨晓光.火灾自动报警系统的发展和前景[J].广东公安科技,2007年第4期:
53-55.
[3]岳静.家用火灾自动报警装置的设计[J].安防科技,2008,3:
33-34.
[4]温度传感器DS18B20数据手册.XX文库.
.
[5]烟雾传感器,Q-2数据手册.XX文库...
[6]TLC549数据手册.XX文库..
[7]LCD1602数据手册.XX文库..
[8]吴玉田,王瑞光,郑喜凤,肖传武.《GSM模块TC35及其应用》.[D].计算机测量与控制.2002.10（8）
[9]苏林,全书海,卫国爱.《基于TC35模块的通信基站安防遥控系统设计》.[D].空军雷达学院学报,2009.4.第23卷第2期
BasedontheMCUremoteautomaticfirealarmsystemdesign
PhysicsandInformationEngineeringinstituteScienceandTechnologyofElectronicInformation
070303001HuangJinsen
Guidingteacher:
CaiZhiShanAssociateProfessor
【Abstract】ThesystemtakeSTC89C51asacontroller,choiceoftemperaturesensorDS18B20,MQ-2smokesensorforthefiredetectionsensor,useofTC335sendtextmessagestodesignatedphoneaalarmmode,designsuitableforhou
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