基于单片机的智能火灾报警系统毕设.doc
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毕业设计说明书
课题名称：
基于单片机的火灾报警器
专业系轨道交通
班级2014届广铁供电订单班
学生姓名徐淑玲
指导老师刘运松
完成日期2013年10月
目录
1前言 3
1.1课题的开发背景 3
1.2课题设计的意义 3
1.3课题完成的功能 3
2总体方案设计 5
2.1方案比较 5
2.2方案论证与选择 6
3单元模块设计 7
3.1各单元模块功能介绍与电路设计 7
3.1.1电路显示电路 7
3.1.2无线传输模块 9
3.1.3声光报警模块 10
3.1.4复位、时钟电路 11
3.1.5程序下载模块 12
3.2特殊器件的介绍 13
3.2.1STC89C52单片机 13
3.2.2温度传感器DS18B20 15
3.2.3烟雾传感器QM-N5 18
表3.6QM-N5参数表 19
3.2.4NRF401 20
4软件设计 24
4.1下位机程序流程图 24
4.1.1火灾检测子程序流程图 24
4.1.2温度获取子程序流程图 25
4.2上位机程序流程图 27
5调试 28
5.1调试的步骤 28
5.2调试过程中遇到的问题及解决方法 29
6使用软件介绍 30
7总结与体会 32
8致谢 33
9参考文献 34
附录1：
电路原理图 35
附录2：
设计程序 36
附录3：
外文资料翻译 47
1前言
1.1课题的开发背景
进入上世纪90年代后，我国经济步入高速发展的时期，城市化建设不断加快，城市建筑也由分散式低密度向集中式高密度过渡，林立的高层建筑成了城市的主要的标志。
居民住进了高层塔楼，企业搬进了摩天大楼，高层建筑有效利用空间，节约了城市中本就十分紧张的土地资源。
任何事物的发展都具有两面性，高层建筑中各种通讯线路、动力和照明线路、以及各种系统中线路纵横交错，致使火灾的发生概率也在大幅增加。
加之现代建筑的密闭性较强，一旦发生火灾，整幢大楼就像一个大的火炉，而楼梯道、各种通风管道、线路竖井都是效果极佳的火筒，从而给灭火施救造成了巨大的难度，对火灾发生后及时发现、及时控制的要求促使了火灾报警产品应运而生。
与此同时，现代计算机技术、通讯网络技术和自动控制技术的飞速发展又为人类实现更加理想化的生活提供了可能．智能小区应运而生了。
在智能小区内安装智能型火灾报警控制系统是必不可少的。
智能型火灾报警系统是一个集信号检测、传输、处理和控制于一体的控制系统，代表了当前火灾报警系统的发展方向。
随着科学技术的迅猛发展以及国内外经济的迅速增长，市场上迫切需要一种容量大、性能优越、可靠性高、便于安装、使用和维护的智能型火灾报警控制系统。
1.2课题设计的意义
我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。
目前，国产火灾自动报警系统均采用汉字显示，价格低廉，适合我国国情，但是火灾自动报警系统由于多数没有分布智能，可靠性低，且产品没有形成系列化、品种不全，产品的外观也较差，编程复杂，调试不方便，设备兼容性差。
国外产品多数具有分布智能，可靠性高，产品具有系列化、品种齐全，产品外观美观，人机对话功能强。
缺点是多数没有汉化，操作维护不便，价格较高，设备兼容性差。
根据以上的分析，开发具有国际先进水平的火灾自动报警设备，价格介于进口设备和国产设备之间，从而具有很高的性能价格比，因此，研制一种结构简单、价格低廉的智能型火灾报警器是非常必要的。
1.3课题完成的功能
当报警器监测到火情信息后，将表征火灾参数的物理量转化为电信号，通过电子线路将其放大、变换、传输、处理，直接通过Modem经公用电话交换网迅速向消防指挥中心报告火情信息（包括火灾单位编码、单位名称、火情级别以及报警时间等），同时产生声光报警信号，并按事先预留的电话号码自动拨号通知单位有关负责人。
消防指挥中心根据接收到的火警信息，立即在消防信息数据库中查询单位位置、周围道路、交通、水源情况等基本信息，根据所获得的信息迅速确定最佳救火方案，通过网络将出警命令直接下达各消防中队。
动探测报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的语音数字联网火灾报警器是非常必要的。
第63页
2总体方案设计
2.1方案比较
方案一
方案一的系统框图如下图2.1所示，分为两个部分，发送电路和接收电路两部分组成的，发射电路从传感器接收到的信号经过信号处理电路转化成单片机能接收的信号，单片机接收信号后经过单片机程序的算法，判断是否有火灾发生，如有火灾的时候则一级的声光报警电路发出报警信号，同时单片机将信号通过无线信号，将火灾信号向上位机，上位机总是在查询接收模块，是否有火灾信号的发送，接收电路将接收到的火灾信号传到上位机的单片机，通过单片机程序使上位机的报警电路报警，同时显示火灾的地点通过LCD显示。
图2.1方案一系统框图
探测传感器
信号处理电路
单片机控制电路
无线发射电路
声光报警电路
无线接收模块
单片机控制电路
声光报警电路
液晶显示电路
发射部分电路
接收部分电路
方案二
方案二是通过传感器检测信号到下位机单片机通过RS-485总线传输给上位机通过上位机显示报警信息。
探测传感器
信号处理电路
单片机控制电路
液晶显示模块
单片机控制电路
声光报警电路
RS-485接口
探测传感器
信号处理电路
单片机控制电路
RS-485接口
图2.2方案二系统框图
2.2方案论证与选择
综上所述，方案一无论是从电路的结构复杂程度的角度，还是在生活中应用都是的容易实现，采样无线传输在安装简单，布线相对复杂，在一些恶劣的环境中传输也会受到影响，所以我还是选择方案一。
3单元模块设计
3.1各单元模块功能介绍与电路设计
3.1.1电路显示电路
图3.1LCD接线图
如图3.1是本设计的LCD显示电路，LCD将显示实时温度。
LCD1602采用16脚DIP封装，他与单片机连接有11个I/O口，其中D0~D7并行数据端口，与单片机P0.0~P0.7连接，LCD的E，R/W，RS分别与单片机P2.0~P2.2连接。
而LCD的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，液晶模块执行命令R/W脚为读写控制脚。
R/W为高电平时为读操作;低电平时为写操作。
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。
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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[3]。
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，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显,控制简单。
由于LCD有两横数计显示位置，因此系统通电后，LCD有两种显示方式：
①LCD第一横显示“weidushi:
”和当前温度值；（正常显示）
②LCD除显示第一种①方式外还在第二横显示“chuxianyichang”字样。
（异常显示）
当温度采集模块，红外、烟雾检测模块三项电路模块中任意两种检测电路发生异常时，LCD以显示第③方式显示，只有当两项出现异常的检测电路中任意一项电路异常排除时才恢复正常显示。
当把手动控制模块中控制按键按下时，LCD异常显示，只有当按1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表3.1所示：
表3.11602控制表
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
表3.1：
控制命令表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）[3]
指令1：
清显示，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：
光标和显示模式设置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者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，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：
高电平时移动显示的文字，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，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
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：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据。
3.1.2无线传输模块
图3.2无线收发器件电路连接
单片机与无线收发器件NRF401的连接电路图如下3.2所示，单片机的P2.1口接NRF401的频道选择端口，选择收发器件的工作频率，当P2.1为高电平的时候，选择的频率是434.33MHz的2通道，当P2.1为低电平的时候，选择的传输的频率是433.92MHz的1通道。
在本设计都是选择通道2频率为434.33MHz的。
PWR_UP是NRF401的节电控制当PWR_UP=1为NRF401的工作模式，当PWR_UP=0时为NRF401的待机模式，在待机模式下收发器件比较节电，所有如果没有数据传输的时候尽量选择待机模式，使P2.0为地电平。
TX-EN引脚发射/接收选择端口，当TX-EN给高电平是为发射信号，当TX-EN给低电平是接收信号。
所以下位机的NRF401为高电平的发射信号，上位机的NRF401为低电平的接收信号。
DI为输入信号当接收的时候，同单片机的串口接收信号，经过单片机的RX传输到NRF401的DI。
当接收模式的时候，无线接收模块，接收到的信号通过DO传给单片机，使单片机接收到无线信号。
3.1.3声光报警模块
图3.3声光报警模块
本设计上下位机都有声光报警电路，上位机的报警电路如上图3.3所示，上位机与下位机的报警电路都是相同的，只是与单片机的连接的引脚不同，下位机是通过P2.3和P2.4口发出声光报警信号的，上位机是通过P1.3和P1.4口发出报警信号的。
上位机的P1.4口发出低电平是这时不报警，即三极管VT3不导通，发光二极管不点亮，当P1.4发出高电平时，使三极管VT3导通，从而使发光二极管点亮，即发出报警信号。
在本设计中使用了语音芯片，发布火灾报警信号，使用的是KD9561的语音芯片，在KD9561的6脚与7脚接一个120K欧姆的电阻，单片机的P1.3口接1K欧姆的电阻接三极管的基极，三极管的射极接地，集电极接KD9561的VSS端，当单片机P1.3口输出高电平是三极管导通，使输入到KD9561的VSS为地电平，使语音芯片工作，发出报警声。
当单片机P1.3口输出地电平时，三极管不导通，使语音芯片不工作，即不发出报警声。
关于语音芯片KD9561报警声的选择如下表3.2所示，这里要产生是火灾报警声，则在SEL1接电源VDD，SEL2不接。
表3.2KD9561语音芯片输出声选择接线表
SEL1
SEL2
输出声音
不接
不接
警车声
VDD
不接
火警声
VCC
不接
救护车声
任意接
VDD
机关枪声
3.1.4复位、时钟电路
图3.4复位、时钟电路
MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。
单片机的工作就是从复位开始的。
当89C52的RST引脚加高电平复位信号（保持2个以上机器周期）时，单片机内部就执行复位操作。
复位信号变低时，单片机开始执行程序。
复位电路通常采用两种基本形式：
一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位，本系统电路设计中采用的上电与按键复位电路。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容来实现的。
当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电位。
当时钟频率选用11.0592MHz时，C取22pF，R取2.2K。
除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
通常实际运用中大都采用的是按键与上电复位电路，电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
在单片机运行期间，还可以利用按键完成复位操作。
MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。
因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种方式为外部时钟方式,在本设计中使用的是内部时钟方式。
电路中的电容C1和C2典型值通常选择为22pF左右。
对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHz～12MHz之间。
晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。
但反过来运行速度快对存储器的速度要求也就相对高，对印制电路板（也称印刷电路板）的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小；晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。
为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的电容。
3.1.5程序下载模块
图3.5MAX232串口通信电路图
3.2特殊器件的介绍
3.2.1STC89C52单片机
单片机（Microcontroller，又称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。
8051单片机的基本结构见图。
图3.6单片机基本结构
8051是MCS-51系列单片机的一个产品。
MCS-51系列单片机是Intel公司推出的通用型单片机，8051单片机系列指的是MCS-51系列和其他公司的8051衍生产品。
这些衍生品是在基本型基础上增强了各种功能的产品。
这些产品给8位单片机注入了新的活力，给它的开发应用开拓了更广泛的前景。
8051系列的内部结构可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时器/计数器、中断逻辑几部分。
（1）中央处理器
8051的中央处理器由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）。
算术逻辑单元ALU能对数据进行加、减、乘、除等算术运算；“与”、“或”、“异或”等逻辑运算以及位操作运算。
ALU只能进行运算，运算的操作数可以事先存放到累加器ACC或寄存器TMP中，运算结果可以送回ACC或通用寄存器或存储单元中，累加器ACC也可以写为A。
B寄存器在乘法指令中用来存放一个乘数，在除法指令中用来存放除数，运算后B中为部分运算结果。
程序状态字PSW是个8位寄存器，用来寄存本次运算的特征信息，用到其中七位。
PSW的格式如下所示，其各位的含义是：
PSW
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
CY
AC
F0
RS1
RS0
OV
P
CY：
进位标志。
有进位/错位时CY=1，否则CY=0。
AC：
半进位标志。
当D3位向D4位产生进位/错位时，AC=1，否则AC=0，常用于十进制调整运算中。
F0：
用户可设定的标志位，可置位/复位，也可供测试。
RS1、RS0：
四个通用寄存器组选择位，该两位的四种组合状态用来选择0~3寄存器组。
OV：
溢出标志。
当带符号数运算结果超出-128~+127范围时OV=1，否则OV=0。
当无符号数乘法结果超过255时，或当无符号数除法的除数为0时OV=1，否则OV=0。
P：
奇偶校验标志。
每条指令执行完，若A中1的个数为奇数时P=1，否则P=0，即偶校验方式。
控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器、译码器以及地址指针DPTR和程序寄存器PC等。
单片机是程序控制式计算机，即它的运行过程是在程序控制下逐条执行程序指令的过程：
从程序存储器中取出指令送指令存储器IR，然后指令译码器ID进行译码，译码产生一系列符合定时要求的微操作信号，用以控制单片机的各部分动作。
8051的控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机发出若干控制信息。
这些控制信息的用专门的控制线，诸如PSEN、ALE、EA以及RST，也有一些是和P3口的某些端子合用，如WR和RD就是P3.6和P3.7，他们的具体功能在介绍8051引脚是一起叙述。
（2）存储器组织
8051单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构称为哈佛结构单片机。
这种结构与通用微机的存储器结构不同，一般微机只有一个存储器逻辑空间，可随意安排ROM或RAM，访存时用同一种指令，这种结构称为普林斯顿型。
8051单片机在物理上有四个存储空间：
片内程序存储器和片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。
8051片内有256K数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。
除此之外，还可以在片外扩展RAM和ROM，并且各有64KB的寻址范围。
也就是最多可以在外部扩展2*64KB存储器。
8051的存储器组织结构如图2.3所示。
64K字节的程序存储器（ROM）空间中，有4K字节地址区对于片内ROM和片外ROM是公用的，这4K字节地址是0000H~FFFH。
而1000H~FFFFH地址区为外部ROM专用。
CPU的控制器专门提供一个控制信号EA用来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区：
当EA接高电平时，单片机从片内ROM的4K字节存储器区取指令，而当指令地址超过0FFFH后，就自动的转向片外ROM取指令。
当EA接低电平时，CPU只从片外ROM取指令。
程序存储器的某些单元是保留给系统使用的：
0000H~0002H单元是所有执行程序的入口地址，复位以后CPU总是丛0000H单元开始执行程序。
0003H~002AH单元均匀地分为五段用做五个中断服务程序的入口用户程序不应进入上述区域。
图3.7存储器组织结构图
8051的RAM虽然字节数不很多，但却起着十分重要的作用。
256个字节被分为两个区域：
00H-7FH时真正的RAM区，可以读写各种数据。
而80H~FFH是专门用于特殊功能寄存器（SFR）的区域。
对于8051安排了21个特殊功能寄存器，每个寄存器为8位，所以实际上128个字节并没有全部利用。
内部RAM的各个单元，都可以通过直接地址来寻找，对于工作寄存器，则一般都直接用R0~R7，对特殊功能寄存器，也是直接使用其名字较为方便。
8051内部特殊功能寄存器都是可以位寻址的，并可用“寄存器名.位”来表示，如ACC.0，B.7等。
本设计采用51系列中的STC89C52单片机。
3.2.2温度传感器DS18B20
DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的单总线可组网数字式温度传感器。
它的测量范围为-50℃至+125℃，精度可达0.1℃不需A/D转换电路，直接将温度值转换成数字量。
DS18B20遵循严格的单线串行通信协议，每一个DS18B20在出厂时都用激光进行了调较，并具有唯一的64位序列号，所以多个DS18B20可以共存与同一条线上。
DS18B20的内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。
封装为TO-92的DS18B20将全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内如图2.3。
其外围电路简单，可广泛应用于温度控制，温度测量，工作系统及任何热敏感系统中。
图3.8DS18B20引脚
DS18B20的内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM、单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM）用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。
DS18B20的内部结构如图3.9所示。
图3.9DS18B20内部结构
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。
DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f。
，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。
当计数门打开时，DS18B20对f。
计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。
芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。
测量结果存入温度寄存器中。
一般情况下的温度值应为9位（符号占1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表3.3给出了温度和数字量的关系。
表3.3DS18B20输出数据与温度关系
DSl820工作过程分三步，如下：
（1）初始化
单总线上的所有处理均从初始化开始
（2）ROM操作命令
总线主机检测到DSl820的存在便可以发出ROM操作命令之一，如表3.4。
表3.4DS18B20ROM操作命令
（3）存储器操作命令
存储器命令如表3.5。
表3.5DS18B20存储器操作命令
DS1820使用中注意事项
（1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。
（2）在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。
当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
（3）连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。
当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。
当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。
因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
（4）在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，
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