基于51单片机火灾报警器设计.docx
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摘要 3
Abstract 3
前言 3
第一章绪论 4
第1.1节开发背景 4
第1.2节研究现状 5
第1.3节本系统设计目标 7
第二章系统硬件方案介绍 7
第2.1节主控芯片介绍 7
第2.2节温度传感器介绍 8
第2.3节显示模块介绍 9
第2.4节烟雾检测传感器介绍 9
第2.5节语音芯片的介绍 10
第2.6节系统硬件总设计 10
第三章系统硬件电路设计 11
第3.1节 STC89C51单片机系统设计 11
第3.2节 DS18B20温度传感器的设计 13
第3.3节 LCD1602液晶显示电路设计 14
第3.4节 ADC0832电路设计 16
第3.5节 语音芯片电路设计 18
第3.6节 独立按键电路的设计 18
第3.7节 系统硬件电路总设计 19
第四章系统软件设计 19
第4.1节软件开发环境介绍 19
第4.2节主程序介绍 20
第4.3节 DS18B20温度采集程序的设计 23
第4.4节 LCD1602显示程序的设计 29
第4.5节 语音芯片驱动程序设计 34
第五章系统测试与分析 36
第5.1节系统硬件测试 36
第5.2节系统软件测试 36
第5.3节测试实物图 37
第六章总结与展望 37
参考文献 38
致谢 38
摘要
现在，随着人们生活中所使用的电子产品愈来愈普遍，所发生的火灾事故也愈来愈多，同时我们周围火灾隐患无处不在。
为防止火灾和减少火灾所造成的损失，我们必须遵循"预防危险火，胜于救灾预防，责任重于泰山”的概念设计，提高火灾自动报警系统，该系统将火灾消灭在萌芽状态，最大程度的减少社会财富的损失。
本文设计了一种可以适合用于多个公共场合的火灾报警系统。
该系统采用STC89C51微控制器作为主芯片，该系统包括温度采集模块，烟雾检测器模块，AT24C02数据存储模块，LCD1602液晶显示模块，一按键模组以及语音合成模块。
该系统具有良好的可靠性和实时性，具有广阔的市场前景。
随着计算机技术和信息技术等高新技术的飞速发展，火灾报警技术也得到了快速提升。
火灾报警技术应用是非常广泛的，它与我们的生活和生命财产安全密切相关。
Abstract
Now,withelectronicproductsusedinpeople'slivesbecomeincreasinglycommon,fireaccidentsoccurredalsomoreandmore,whilethefirehazardsarounduseverywhere.Topreventfiresandreducethelossescausedbythefire,wemustfollowthe"dangeroffireprevention,preventionisbetterthandisasterrelief,theresponsibilityisextremelyheavy,"theconceptofdesigntoimprovetheautomaticfirealarmsystem,whichwillfirenippedinthebud,themaximumdegreereductionoflossofsocialwealth.
Thispaperpresentsafirealarmsystemcanbeadaptedforanumberofpublicoccasions.ThesystemusesSTC89C51microcontrollerasthemainchip,thesystemincludesatemperatureacquisitionmodule,thesmokedetectormodule,AT24C02datastoragemodule,LCD1602LCDmodule,akeymoduleandspeechsynthesismodule.Thesystemhasgoodreliabilityandreal-time,andhasbroadmarketprospects.Withtherapiddevelopmentofcomputertechnologyandinformationtechnologyandotherhigh-techfirealarmtechnologyhasalsobeenimprovedrapidly.Firealarmtechnologyapplicationsisverybroad,anditiscloselyrelatedtoourlivesandthelivesandpropertysafety.
前言
从历史记载的人开始学会了火灾的早期反应了积极成果在控制这些火灾。
当有人发现火灾消防队消防部门通过巡回看守员使用手铃，铃声或教会惊动教堂司事振铃教堂的钟声或工厂气笛。
不幸的是，这些系统都没有提供了非常多的细节，常常冲着消防部门到错误的位置。
火灾自动报警系统可以快速的监测，发现人们不容易发现火灾早期的特点，减少火灾造成的生命损失和财产的最低限度。
火灾早期，会使燃烧物质分解，大量有毒气体沉淀，人们可能会在不知情的火灾，从而无法逃脱一氧化碳中毒，火灾自动报警系统可监测到CO浓度的转变，可以提供CO浓度超标报警信息，通告人们及时撤离。
火灾自动报警系统可作为城市消防系统的单位，通过城市消防管网和城市火灾报警中心网络，及时报警信息被发送到火灾报警中心，市消防报警中心会自动找到起火的位置，并将消防队开发出一条路线图，让消防人员能快速到达火灾现场。
火灾自动报警系统能对火灾进行及时监测和确切报警，有着防备和避免火灾风险、保护人身平安和财富安全的重要意义，有着很大的经济效益和社会效益。
第1章绪论
第1.1节开发背景
在种种灾害中，火灾事故往往是公众安全和社会发展最普遍的威胁，也是主要灾害之一。
火灾发生的频率较高，基本上每天都会发生火灾。
根据联合国"世界火灾统计中心（WFSC）2000统计资料”，全世界每一年大概发生火灾600万至700万次，全世界每一年因为火灾而死亡的人数约为65000至75000人。
此中，火灾发生较多的地区是欧美地区，然而死亡的人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平和消防技术以及相关措施有关;然而，亚洲地区发生火灾次数很少，但死亡的人数却很多，这与亚洲经济发展水平不高、消防设施不完善等原因相关。
据统计，我国70年的平均年损失为2.5元，80年的平均损失火灾近3.2元。
上世纪90年代，特别是1993年代以来，造成了火灾直接财产损失高达数十亿美元，平均每年超过2000人死亡。
随着经济和城市建设的迅速发
展，都市高层、地下和大型综合性建设日趋增加，火灾隐患也大大增长，火灾发生的次数以及其所形成的破坏呈逐年上升的趋向。
一旦火灾，人民的生命财产将遭受造成巨大的伤害。
由此可以看出，随着社会经济的发展，社会经济的发展，社会财富的不断增加，火灾对人类、社会和自然造成的危害越来越大，它不仅破坏了物质财产，造成了社会秩序的混乱，还直接危及性命安全，给人们的精神造成很大的伤害。
惨烈的事实让人们逐步认识到监控预警和消防措施的重要性，优秀的监控体系和实时的报警机制能够大大减少人员的伤亡，也避免了减少不必要的死亡。
火灾自动报警系统（FAS）便是为了满足这一需要而研制出的，而且其本身的技术水平也在随着人们需求的不断地进步，在功用、构造、模式等方面不断地完竣。
火灾自动报警系统可以快速的监测，发现人们不容易发现火灾早期的特点，减少火灾造成的生命损失和财产的最低限度。
火灾早期，会使燃烧物质分解，大量有毒气体沉淀，人们可能会在不知情的火灾，从而无法逃脱一氧化碳中毒，火灾自动报警系统可监测到CO浓度的转变，可以提供CO浓度超标报警信息，通告人们及时撤离。
火灾自动报警系统可作为城市消防系统的单位，通过城市消防管网和城市火灾报警中心网络，及时报警信息被发送到火灾报警中心，市消防报警中心会自动找到起火的位置，并将消防队开发出一条路线图，让消防人员能快速到达火灾现场。
火灾自动报警系统能对火灾进行及时监测和确切报警，有着防备和避免火灾风险、保护人身平安和财富安全的重要意义，有着很大的经济效益和社会效益。
第1.2节研究现状
从历史记载的人开始学会了火灾的早期反应了积极成果在控制这些火灾。
当有人发现火灾消防队消防部门通过巡回看守员使用手铃，铃声或教会惊动教堂司事振铃教堂的钟声或工厂气笛。
不幸的是，这些系统都没有提供了非常多的细节，常常冲着消防部门到错误的位置。
但随着电报的出现，由SamuelFB
莫尔斯发明于1840年初S，消防队员分别获得了更快，更准确的火灾报告制度。
1847年，纽约州成为美国第一个城市开始建设的市消防要求报警系统通过法令来构建造电报，通过在设置地面岗位，从市政厅通信火灾报警器不同的消防局，指示不同的钟铃声，通过使用上述发明的。
第一电气火灾传感器是由沃特金斯成功设计用于商业用途。
到了1870年年初沃特金斯曾开发了使用远程监控火灾报警系统热探测器在1873年形成了第一家民营火灾报警一家名为波士顿火灾自动报警公司，即现在的亚洲电影大奖，火灾自动报警公司。
现代火灾报警系统能够从一个小火焰，水流的自动喷水灭火系统或激活拉站探测烟雾和热量，并报告该信息现场人员通过专用电话线连接到世界上的任何位置。
虽然从安装角度来看一个看似简单的装置，火灾报警器的工作可以说是相当复杂的，尤其是当你考虑到所涉及的巨大的道德和法律责任。
也有一些最近的一些更新的技术在过去的几年中值得一提的。
在火灾报警系统舞台上的最新重大发展已引进的寻址头。
这些更新前，在发生报警时，在文字显示在控制面板上显示该区域受到影响-类似“火灾报警
-区6栋东座三楼。
”随着可寻址头系统;然而，确切的位置被精确定位。
此外，可寻址头系统提高诊断能力。
这是一个很大的优势，因为当一个系统出现故障，时间是在恢复防火的建筑精髓。
与寻址头升级或完全取代传统系统的选项，以通过建立业主与内部电工和外部顾问的投入要慎重考虑。
对于大集建筑，消费升级可能是巨大的。
近年来，在我国悄然兴起了使用无线通信火灾自动报警系统。
该系统引入了无线通信技术，使用无线通信，而不是传统的有线通信，大多数电气装置的通过无线连接来发送信息和控制，适用于所有类型的建筑物和地。
自动无线火灾报警系统最初仅用于特殊场合，如不恰当的布线博物馆，纪念馆等的情况下，但其价格也相对较高。
随着技术进步和降低零部件成本，开发成本，并自动生成无线火灾报警系统也减少，这在性能和价格方面的竞争非常激烈，其市场潜力已经显现。
在中国，使用的火灾自动报警系统，并更多地关注无线通信方法。
由于它易于安装，以建设工作无损伤，柔韧性好，易于扩展等优点，适合多种场合，如古迹，体育场馆，博物馆，会展中心，建设医院的施工阶段的。
智能火灾自动报警系统主要体现在判断和协调消防管理，一般分为分散，集中式和分布式，
分散式系统由多个智能节点的检测非智能控制器，由火灾探测节点分析完成州;集中式系统由智能控制器和多个非智能检测节点，该节点将只发送火灾检测参数
到控制器，控制器智能地确定火灾状况;控制器和检测节点分布式系统是很智能，而且也是火灾自动报警系统发展的未来方向。
第1.3节本系统设计目标
火灾报警系统协同工作，以检测并通过视觉和音频设备警告人们，当烟，火，一氧化碳或其他紧急情况是存在的设备数量。
这些报警可以从烟雾探测器，热探测器激活。
报警可以是机动的钟声或壁挂安装探测器或牛角。
它们也可以是发出警报声，接着是语音疏散信息通常状态的注意事项“的行喇叭闪光灯，注意事项。
消防应急的报道。
请留下通过最近的出口建设。
切勿使用电梯逃生！
“它们也可以通过手动火灾报警激活设备，如手动报警按钮被激活或拉站。
火灾报警器发声器可以被设置为某些频率和不同音调包括低，中，高取决于设备的国家和制造商。
最火的报警系统在欧洲听起来像交替频率的警笛声。
在解开国家火灾报警探测器可以是连续的或设置为代码，也可以设置成不同的音量。
较小的建筑物可以具有报警设置为较低的体积和较大的建筑物可以具有设置为更高的级别报警。
基于社会和经济方面的需要，本设计目的在于设计一个能够对监测点及时监控、报警的智能火灾报警系统。
智能型火警系统是一个集信号探测、传送、报警、处理于一体的系统。
随着经济和都市建设的迅速发展，城市高层、地下建设和大型综合性建筑逐渐增加，火灾的隐患也大大增长，火灾发生的次数以及火灾造成的损失变现为逐年上升趋向，市场上迫切需要一种大容量、高可靠性、使用起来比较简单的智能型火灾报警控制系统。
该火灾报警系统是把
STC89C51单片机作为主控的核心，能够处理火灾探测器输出的温度信号、烟雾浓度信号，并进行声光警报。
第2章系统硬件方案介绍
第2.1节主控芯片介绍
方案一：
采用STC89C51单片机作为主控芯片。
STC89C51是宏晶科技公司生产的一款低功耗、高性能的八位CMOS微处理器，片内具有8k在线编程Flash存储器。
STC89C51单片机的内核采用的是MCS-51内核，指令完全兼容MCS-51，但是该单片机越做了升级使得芯片具有很多传统的51单片机不具备的功能，例如该芯片还有4K的EEPROM存储，在需要使用到掉电存储数据的时候就可以直接使用单片机内部的存储，不在需要在外接存储芯片进行存储。
STC89C51单片机具有的开发简单、可在线编程下载、成本低是非常不错的选择。
方案二：
采用MSP430单片机作为主控芯片。
MSP430单片机称之为混合信号处理器，它可以将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位
超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。
该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。
而却开发难度相对
比较大、价格昂贵。
所以在一些简单的设计中不宜采用。
方案三：
采用PIC16F877A单片机作为主控芯片。
PIC16F877A是由Microchip公司所生产开发的新产品，属于PICmicro系统8位单片机微机，具有Flash程序内存功能，可反复擦写程序。
但是开发成本高，难度相对大。
综合上述的描述，考虑到资源的合理利用和成本以及开发的难易程度最终决定采用宏晶科技的STC89C51单片机作为主控芯片。
第2.2节温度传感器介绍
方案一：
使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。
此设计方案需用A/D转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。
方案二：
采用模拟温度传感器AD590，该传感器的输出电流会随温度的变化而变化，从而需要设计电路转换成电压的变化，进而通过A/D转换后接到单片机中，这种方法固然麻烦，而却费用比较高，而却在电流电压转换和A/D转换中会产生误差。
方案三：
采用数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除A/D模块，降低硬件成本，简化系统电路。
另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。
所以最终我们采用数字型DS18B20作为温度采集芯片。
第2.3节显示模块介绍
方案一：
采用LED数码管动态扫描显示。
LED数码管的价格适中，对于显示数字或者简单的字母会比较合适。
但是采用动态扫描法与单片机连接时占用CPU的I/O口较多，并且由于单片机的IO口输出电流不够，所以需要一个驱动电路，通过驱动电路放大电流后控制数码管，还有就是采用数码管进行显示的话显示的内容多了对于电路的焊接机会增大难得容易焊接错误。
方案二：
采用LCD1602液晶显示屏。
LCD1602液晶又叫LCD1602字符型液晶。
液晶显示功能强大，可以同时显示出16*2即32个字符，可包括数字、字母、符号、或者自定义字符。
LCD1602液晶显示器中的每一个字符都是由5*7的点阵组成。
LCD1602采用并行数据传输也可以采用串行数据传输，控制简单，和市面上的大多基于HD44780液晶的控制原理完全相同。
方案三：
采用LCD12864液晶显示屏。
带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。
利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。
虽然LCD12864液晶显示的功能强大，但是显示的内容偏大造成了，显示空间的浪费，再来该液晶的成本高。
综合上述的描述，最终根据本设计中的功能要求考虑采用LCD1602液晶显示器比较合理。
第2.4节烟雾检测传感器介绍
方案一：
采用视频图像检测烟雾。
视频图像检测方法是通过采集图像进行分析图像中灰度区域，通过对比后得出是否有烟雾。
该方法要求环境物体保持不动，如果物体会动可能就会影响检测结果，出现误判的现象。
而却该方法对算法的要求比较高，成本相对比较大。
方案二：
采用MQ-2传感器检测烟雾浓度。
MQ-2是属于二氧化锡半导体气敏材料，MQ-2对烟雾，可燃气体具有很高的灵敏度，并且具有良好的抗干扰能力，可准确的排除有刺激性飞可燃性烟雾的干扰信息，如酒精等。
MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性，响应时间短，长时间工作性能好，并且价格便宜。
综合上述的描述，考虑到设计的成本在本设计中采用MQ-2烟雾传感器。
第2.5节语音芯片的介绍
本系统采用SC805语音合成芯片。
SC8065是一颗单芯片CMOS一次性编程语音芯片，使用最新崁入式EPROM架构的OTP（OneTimeProgrammable）语音晶元，具有1个Input脚和2个I/O脚，利用精准的内阻震荡故不需外加震荡电阻，只有一组PWM输出，故无须再加任何零件。
语音合成方式为4-
bitAdvancedLOG-PCM,语音还原度高,在6KHz采样频率最大可以录制65秒语音,两种控制方式,按键模式最大可以分128段语音,串行脉冲控制模式最大可以分127段.可将不同的语音资料写录进芯片ROM中.可应用在很多领域，例如：
电子琴、高级玩具、儿童学习机、防盗设备、智能家电、保健与理疗产品、仪器仪表，以及各类自动控制系统等。
第2.6节系统硬件总设计
通过上述对各个模块介绍，我们最终选择了STC89C51作为本设计的主控芯片，通过LCD1602进行实时显示信息，采用MQ-2烟雾传感器检测烟雾通过ADC0832将烟雾信号转换成数字芯片传输到单片机处理，DS18B20温度传感器采集环境温度。
单片机通过反馈的烟雾和温度芯片进行控制蜂鸣器和LED灯的报警，并设立三个独立按键进行设置温度和烟雾的限值，并且设置好后存储于AT24C02中。
本设计的具体的系统方案如下图2.6.1所示。
电源电路
A/D转换电路
晶振电路
蜂鸣器/LED提示电路电路
复位电路
STC89C52
主控芯片
MQ-2烟雾传感器
独立按键电路
DS18B20温度传感器
LCD1602显示电路
AT24C02存储电路
图2.6.1
第3章系统硬件电路设计
第3.1节 STC89C51单片机系统设计
单片机最小系统说的通俗易懂的话就是以最少的元器件组成能让单片机工作起来的系统，接下来开始介绍51单片机最小系统必备的器件及其作用。
首先电源这对于一个电子产品的话是必不可少，它提供能源给系统运作，在本设计中由于51单片机的工作电压在4.5~5.5V之间都可以正常工作所以我们采用了USB电源线连接手机充电器插头或者5V的移动电源给系统进行供电。
其次晶振电路，XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。
图
3.1中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在
XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。
一般来说晶振可以在1.2~12MHz 之间任选，甚至可以达到24MHz 或者更高，但是频率越高功耗也就越大。
在本实验套件中采用的12M的石英晶振。
和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。
当采用石英晶振时，电容可以在20 ~40pF 之间选择（本设计
使用30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30~50pF之间。
通常选取30pF的陶瓷电容就可以了。
C130PF
XTA
Y112MHZ
XTA
L2
C3
30PF
L1
图3.1.1 晶振电路
再来就是复位电路，复位电路分为：
上电自动复位和开关复位。
图3.1.2中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。
上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位。
随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。
并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。
一般来说，只要RST管脚上保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。
图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。
R1
10K
C2
RST10UF
下下下下
VCC
图3.1.2 复位电路
完整的STC89C51单片机最小系统电路图如图3.1.3所示。
P1.0VCCP1.1P0.0
P1.2P0.1
P1.3P0.2
P1
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