基于单片机的烟雾报警系统的毕业论文文档格式.doc
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1.4课题的研究内容 6
2烟雾报警器的设计方案 7
2.1烟雾报警器设计思路 7
2.2烟雾报警器的工作结构和原理 7
2.3系统的功能要求及组成 7
3系统的硬件设计 9
3.1主控电路 9
3.2烟雾探测电路的设计 12
3.2.1MQ-2介绍 13
3.2.2ADC0809介绍 14
3.3声光报警提示电路 15
3.3.1灯光提示电路 15
3.3.2声音报警电路 16
3.4温度采集电路 17
3.4.1DS18B20概述 17
3.4.2DS18B20引脚介绍 18
3.4.3DS18B20的程序流程图 18
3.4.4DS18B20的内部结构 19
3.6按键电路 20
4系统的软件设计 21
4.1软件介绍 21
4.2系统程序流程图 23
5烟雾报警器的测试结果及结论 25
5.1调试 25
5.2结论 25
致谢 27
参考文献 28
3
第1章绪论
1.1概述
伴着社会生活水平质量的提高和工业生产能力的发展，单片机的应用的范围越来越多。
单片机和烟雾传感器是制作烟雾报警系统的两大重要零件。
单片机就好像是桥梁，连接着传感器和报警电路的设备。
因为它功能齐全，体积小，成本低，所以它可以应用到任何的电子系统中。
同样，它也广泛的应用在报警技术领域当中，使各种各样的报警装置更加完善功能，令其可靠性大幅度提高，以满足人们生活和社会发展的需要。
传感器是信息技术系统的感官器件，如果没有感官去感受来源信息，或者因为感官迟缓，都将很难形成高精度和高速度的控制系统。
单片机已经渗透到各个领域，例如，导弹上的装置，飞机上各种仪器的操作，计算机的通信网络和数据的传输，工业自动化生产过程中的实时监测和数据处理等，这些地方都离不开单片机。
目前，现代建筑都会有选择地安装不同功能的火灾自动报警系统。
因为火灾自动报警系统是建筑物的神经系统，它能够感受、接收着发生火灾的早期信号并及时报警，发出警报同时告知用户和周边居民。
它就像是一个个称职的更夫，给居住、忙碌或是休息在家庭中的人们以极大的安全感。
在火灾刚发生的时候，准确无误的确定到火情并马上报警，对及时疏散人群，控制火势的蔓延，迅速灭火和减少对住宅居民的损失都具有非常重要的意义。
1.2设计烟雾报警器的目的及意义
伴着现代科技的发展，很多的巨大的安全隐患都是在工业生产和人们的日常生活中产生的。
社会主义现代化的建设，防止因火灾而引起的重大事故，造成严重的经济上的损失，更危及人们的生命安全。
因为要减少火灾的发生，所以必须对烟雾进行所在地的实时检测，使用安全可靠的安全检测仪器，严密监测所在场地中烟雾的浓度，更早发现火灾隐患，采取有效的防范措施，避免发生火灾，这样才能确保工业生产安全和家庭中人们的生活安全。
所以，构思烟雾的检测方法和开发烟雾报警器就成为了传感器技术的发展领域中一个重要方面。
这几年以来，中国主要偏向大型场所的烟雾报警系统的研制开发，但是在居民区内等小型防火单位，却需要实用性高价格好的烟雾报警器。
因为我国现在人口的不断增加，土地也很稀缺，所以为了解决城市用地的不够情况，住宅的楼层越来越高，这不仅方便集中供电、供热、供气，并且也能集中管理和控制设备。
不料，人们在享受着这些现代科技所带来的方便的时候，却也增加了人们意想不到的许多安全隐患。
如果在家里没有安装检查火灾的报警器，一旦在家庭中发生火灾，火灾容易由不被发现的早期火灾而演变成为更大、更严重的大型火灾。
结果因为一家的起火，而不能阻止火势的蔓延，使得火变得更大而导致出现大范围燃烧。
这不仅使的用户本身遭受重大的损失，还容易形成“火烧连营”的局面，给周边家庭和场所造成无法估计的损失和严重的影响。
据公安部消防局2011统计，近年来，我国每年发生家庭火灾5万余起，死亡800余人，占火灾死亡人数的70%以上。
这一些数字，但是背后隐藏的是一些对火灾不重视的情况和导致家庭痛心疾首的惨痛教训。
因此，社会发展对火灾情况的监测具有非常长远的意义，对人们的生命安全起到不可忽视的作用。
我国现在科技不断发展，人们生活质量提高，但是我们需要对自己的生命财产安全负责，火灾监测是一项非常重要的课题，不论何时何地，我们都需要对自己周边安全进行监控。
在中国的一些大、中型城市，几乎每一天发生家庭火灾，所以每一个家庭必须始终关注防火。
如果能根据你家的实际情况，提前采取简单的防火措施，有些悲剧是完全可以避免的。
声音和视觉的报警，对减少火灾损失具有现实意义。
一系列悲剧性的损失，由国家从社会各界意识到，声光报警对火灾的报警的必要性。
据调查，在最近的火灾大部分的房子里还没有安装报警器。
因此声光报警，对发生火灾预防具有重要意义。
1.3烟雾报警器的发展及现状
这几年来，在国外，无线火灾报警系统已经被开发，并用到家庭生活和工业生产中。
刚开始的时候，无线火灾报警系统不但是价格比较高，而且还必须连接着布线，但这缺只适合比较特殊的地方，用来检测设备的一部分。
今天，几乎所有的电气装置，可以通过无线遥控改变，并大范围的应用到各种建筑和场所。
美国松柏公司（ITI）是美国最大的无线报警系统的制造商，他的产品占90％的无线报警器在北美的年销售额已接近一亿美元。
该公司生产的无线火灾报警系统还通过了中国的“国家消防电子产品质量监督检验测试中心”的监测，该系统可作为火灾报警系统，但也可作为一个安全的系统，两者的结合，是一个高科技的无线安全系统。
连报警系统都网络化了，还有消防联动控制也智能化。
火灾报警系统在中国相对较晚，与发达国家相比，二十世纪七十年代末的十年间，我们国家也开始生产火灾报警器。
二十世纪八十年代后，国内各大厂商也大多是模仿国外的产品，或引进国外的生产技术，并没有在真正的研究技术。
真正的意义上的火灾报警技术的发展也促进了市场的成熟性，政府逐步开放的大门，在同一时间，外国公司开始进入中国的防火市场，带来先进的技术在20世纪90年代。
在这期间，我国生产的火灾报警的产品的企业也得到了不断的发展，更有一些企业，利用技术上的合作，和跟人合资生产，也取得了非常不错的成绩，但今天在市场上创造了许多强大的企业，有些技术已接近或赶上国际标准。
1.4课题的研究内容
火灾报警器，主要检测温度和烟雾，再通过单片机控制相应的报警和驱动负载。
通过液晶显示当前的烟雾值和温度值，通过按键设定相应的阀值。
该项目主要是为了完成任务，包括：
（1）硬件部分：
包括传感器的选择，显示模块的选择，烟雾信号转换电路的设计，报警驱动电路的设计。
（2）软件部分：
包括微处理器控制程序的编制和原理图的绘制。
（3）系统的综合调试与分析：
在软硬件完成以后，要对系统进行综合的测试与实验，思考烟雾系统的可稳定性和实用性，调整系统不足的地方。
5
第2章烟雾报警器的设计方案
2.1烟雾报警器设计思路
设计的烟雾报警使之能在可燃气体或烟雾超过一定浓度下和温度下通过蜂鸣器报警，提醒该场所有异常情况发生。
烟雾信号采集电路是烟雾传感器和模拟放大电路组成的，将烟雾信号转化为模拟的电信号。
模数转换电路从烟雾检测电路里送出模拟信号，再转换成单片机可识别的数字信号后将信号传到单片机。
单片机会对该数字信号进行一系列的滤波处理，对处理后的数据分析，是大于或等于报警限定值，大于就会启动报警电路发声，小于就是正常状态。
方便检测与监控，让仪器测试人员和用户能了解到所在场所中的可燃烟雾的浓度值，可将浓度值显示在屏幕中。
系统采用蜂鸣器声音报警和LED闪烁状态作为警报信号。
这种报警的方法是建立在声音报警的基础上，加入了灯光报警。
这样可以使闪烁的光信号引起用户和家庭邻居眼球的注意，解决了在喧闹环境中报警声音小的局限，使得报警更加能够让人看清。
以上是根据报警应该具备的功能而提出的烟雾报警整体的设计思路。
2.2烟雾报警系统的工作结构和原理
烟雾报警器是能够检查和测验到所在环境中的烟雾浓度，并且具有报警功能的仪器。
这个报警系统的最基本组成部分应该包括：
信号采集和前置放大电路，模数转换和单片机控制电路，还有字符显示以及声光报警电路，安全保护电路等。
从内在原理来说，烟雾报警系统就是通过监测所在场所中的烟雾的浓度来进行火灾的防范的。
该系统的工作由烟雾信号采集及放大电路将收到的所在环境的烟雾浓度的信息转化为放大的模拟电信号。
然后模数转换电路再将这个模拟信号转换成单片机能够识别的数字信号，最后传入单片机。
2.3系统的功能要求及组成
本系统的研制主要包括以下几项功能：
（1）火情探测功能：
为了提高火灾报警的准确性和及时性，火灾报警系统需要使用各种方法进行火灾探测。
火灾探测是监测所在环境中的情况，一旦有了火灾，探测就会将火灾的特征，比如环境的温度和烟雾，还有可燃气体等转换成电信号，并立即报警通知。
但是在实际生活生产中，根据不同的防火场所，用户可以选用温度探测法、可燃气体检测法及烟雾探测法等合适的火灾探测方法，来有效的探测火灾；
（2）灯光报警功能：
当室内烟雾浓度过大、有火情产生、故障等异常情况发生时，报警器要进行灯光报警。
当烟雾超过最大设定值时，可以蜂鸣器报警。
本设计主要由烟雾探测传感器电路、单片机、灯光报警电路、负载驱动电路、控制程序和编解码程序等组成。
系统的组成结构如下：
AD烟雾采集模块
声光报警提示模块
温度采集模块
液晶显示模块
按键模块
晶振电路
单
片
机
复位电路
图2.1
第3章系统的硬件设计
3.1主控电路
STC89C51是一种功能损耗较低、性能较高的CMOS8位微控制器，它有8K在系统用于编程Flash的存储器。
在它的单芯片上，有着灵活的8位CPU，用于系统编程Flash，能够让STC89C51为大部分嵌入式的控制应用的系统提供灵活度比较高，是非常有效果的方案。
包括了以下几种标准的功能：
8k字节的Flash，512字节的RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB的EEPROM，还有MAX810的复位电路，三个16位的定时器/计数器，一个6向量2级的中断结构，全双工串行口。
另外还有就是STC89X51可降低到0Hz静态的逻辑操作，能够使用2种软件的选择节电模式。
STC89C51的主要功能如下表1所示，其DIP封装如图1所示：
表1：
STC89C51主要功能
主要功能特性
兼容MCS51的指令系统
4K能够反复擦写的FlashROM
32个双向的I/O口
256x8bit内部的RAM
3个16位可编程定时/计数器的中断
时钟频率范围在0-24MHz
2个串行中断
可编程UART的串行通道
2个外部的中断源
共6个中断源
2个读写的中断口线
3级的加密位
功能损耗低的空闲和掉电模式
可以用软件设置睡眠和唤醒功能
STC89C51引脚介绍
①主电源引脚（2根）
VCC（Pin40）：
电源输入，＋5V电源
GND（Pin20）：
接地线
②外接晶振引脚（2根）
XTAL1（Pin19）：
片内振荡电路输入端
XTAL2（Pin20）：
片内振荡电路输出端
③控制引脚（4根）
RST/VPP（Pin9）：
复位引脚，出现2个机器周期的高电平，单片机复位。
ALE/PROG（Pin30）：
是地址的锁存允许信号
PSEN（Pin29）：
外部存储器读选通信号
EA/VPP（Pin31）：
程序存储器的内外部选通，从外部程序的存储器读指令就接低电平，要从内部程序的存储器读指令接高电平。
④能够编程的输入/输出引脚（32根）
STC89C51单片机一共有4组8位的可编程I/O口，分别是P0、P1、P2、P3口，并且每个口有8位，就是8根引脚，所以共32根。
图3.1STC89C51DIP封装图
单片机和所需要并且必要的电源和时钟，还有复位等部件是最小的系统所包含的，它能够让单片机的运行状态持续正常运行。
单片机能够正常运行的必备条件包括电源、时钟等电路，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。
STC89C51是包含有ROM/EPROM的单片机，其芯片组成的最小系统简单可靠。
STC89C52单片机组成最小应用系统时，在单片机上接上时钟电路和复位电路就可，结构如图3.2所示，受单片机集成度的限制，这个最小的应用系统就只能作为一些比较小型的控制单元。
时钟电路
STC89C51单片机
I/O口
图3.2单片机最小系统原理框图
（1）时钟电路
STC89C51单片机中时钟信号会有两种方式：
内部时钟方式和外部时钟方式。
内部的时钟方式电路如图3.3所示。
能够在单片机的内部里产生一些时钟脉冲信号。
图中电容C1和C2是稳定电路频率和让电路迅速起振，电容值在6~30pF，典型值是30pF。
晶振CYS是在1.2~12MHz间振荡频率，典型值是12MHz和6MHz。
图3.3STC89C51内部的时钟电路
（2）复位电路
如果STC89C51单片机的RST引脚上引入高电平，并且让它保持2个机械周期的话，单片机内部执行复位操作，假如引脚保持在高电平，单片机会循环复位的状态。
上电自动复位如果是通过外部的复位电路中的电容来充放电进行实现就是最简单的上电自动复位电路。
单单设置不超过1msVcc的上升时间,自动上电复位。
除了自动上电复位外，也需手动复位的按键。
设计是利用按键进行手动复位的。
利用按键进行手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
电平复位是通过RST（9）端与电源Vcc连接实现。
图3.4STC89C51复位电路
（3）STC89C51中断技术概述
中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。
这是由片内的中断系统来实现的。
当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。
中断服务处理程序处理完中断服务请求后，返回原来被中止的程序的地方（断点），在那里再继续进行被中断的主程序的执行操作。
图3.5为整个中断响应和处理过程。
图3.5中断响应和处理过程
如果单片机没有中断系统，单片机的大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生的定时查询操作上。
采用中断技术完全消除了单片机在查询方式中的等待现象，大大地提高了单片机的工作效率和实时性。
3.2烟雾探测电路的设计
图3.6烟雾探测电路
如图3.6所示，在这个电路上主要两个部分组成，主要是烟雾传感器检测烟雾，将电压信号给ADC0809，模数转换电路将模拟信号转换成数字信号，再传入单片机内，单片机最后读取相应的数值，进行分析处理。
3.2.1MQ-2介绍
在我们现代科技的发展中，社会上的MQ-2型气体的传感器主要是检测含有大量氢气中的居民用的煤气，工业的天然气和生产生活中液化石油的含量，抗干扰能力强，水蒸气和烟等干扰气体对它的影响几乎等于零。
MQ-2型气敏元件具有以下特点：
（1）采用烧结半导体所形成的敏感烧结体，具有稳定的R（即器件在纯洁空气中的阻抗）阻值，从而保证了长期工作的稳定性。
（2）它是单电源供电的，功能损耗在0.7W左右。
（3）对所测试的气体有极高的灵敏度和信噪比。
MQ-2型气敏元件有两种型号。
MQ-2A型适用于天然气、居民用的煤气、生产生活的液化石油气、丙丁烷和氢气等气体；
MQ-2型的适能够用在烟雾等减光型的有害气体的检测。
器件的灵敏度：
S=Ro/Rx为10~30。
常见为QM系列的S值仅8左右。
Rx为器件在丁烷浓度为0.2%时的阻抗。
3.2.2ADC0809介绍
图3.7ADC0809的引脚图
ADC0809芯片上一共有28条引脚，双列直插式的封装，如图3.7所示。
各引脚在下面说明。
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
2-1～2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，选通8路模拟输入。
ALE：
地址锁存的允许信号，输入高电平有效。
START：
A/D转换启动脉冲的输入端，输入一个至少100ns宽的正脉冲才能启动，脉冲上升沿是0809复位，下降沿启动A/D转换。
EOC：
A/D转换的结束信号，输出并且当A/D转换结束，输出一个高电平。
OE：
数据输出允许信号，输入高电平有效。
A/D转换结束，输入一个高电平，打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端，不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
两个都是基准电压。
Vcc：
是电源，单一+5V。
GND：
地。
这些转换数据的传送A/D转换在得到的数据之前，应该及时给单片机进行处理分析。
怎样确认A/D转换的完成是数据传送的至关问题，我们只有确定完成后，才能进行传送阶段。
为了这个，我们采用下面这三种方式。
（1）定时传送的方式
对于A/D转换器，转换时间是一项技术指标，这个是已经知道和固定所有的。
比如ADC0809转换时间在128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机里共64个机器周期。
设计延时子程序，在A/D转换启动之后，调用这个子程序，等延迟的时间一到，转换完成后能进行数据传送。
（2）查询方式
A/D转换芯片有表明转换完成时信号的状态，比如ADC0809的EOC端。
用查询方式进行测试EOC状态，确认转换是否完成，最后进行数据的传送。
（3）中断方式
转换完成的信号的状态（EOC）用中断请求信号，就可用中断的方式进行数据的传送。
不论使用上述三种的任意一种方式，一旦确定了转换能够完成，就能通过指令进行数据传送。
送出口的地址让信号有效时，OE信号有效，将转换数据传到数据总线，给单片机接受信号。
3.3声光报警提示电路
3.3.1灯光提示电路
图3.8灯光提示电路
LightEmittingDiode，是一种发光二极管，即是LED，能把电能转化为可见光的固态半导体的器件，能将电直接转化为光；
发光二极管与白炽灯钨丝发光和节能灯三基色粉发光是不同的发光原理，它是利用电场进行发光。
LED具有非常明显的特点，不但寿命比其他灯长，而且光效也比较高，辐射较低，功能损耗也低。
这个成为当代最受欢迎的新一代光源，因为LED具有亮度比较高，热量比较低，寿命比其他长，而且无毒，可回收再利用等优点，它被称为21世纪最有发展前景的绿色照明光源。
二十世纪七十年代的时候，LED产业就开始起步，经过长达40年的研究制作，现在LED应用在景观照明和普通照明等广泛领域，这些年来，伴随着人类对半导体发光材料不断层层深入的研制发明，发光二极管的制造工艺水平的不断发展与进步和新材料，也就是氮化物晶体和荧光粉的应用和开发等，来指示烟雾浓度的报警。
3.3.2声音报警电路
蜂鸣器是一体化结构电子讯响器，需直流电压供电。
蜂鸣器中主要有压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
蜂鸣器用字母“H”或“HA”表示。
压电式蜂鸣器包括的主要器件是压电蜂鸣片和阻抗匹配器，还有多谐振荡器以及共鸣箱和外壳等等。
也有在外壳上装有发光二极管的压电式蜂鸣器。
图3.9声音报警电路
蜂鸣器的驱动电路包含三极管、蜂鸣器和限流电阻。
蜂鸣器是个发声元件，两端施加直流电压或者方波，参数主要是外形的尺寸，还有工作电压和工作频率，以及工作电流和驱动方式，分为直流或者方波等。
其根据需要来选择。
设计中运用有源蜂鸣器。
开关作用是三极管Q1，基极的低电平让三极管饱和导通，让到蜂鸣器发声，基极是高电平使三极管关闭掉，导致蜂鸣器停止运作。
3.4温度采集电路
图3.10温度采集电路
3.4.1DS18B20概述
温度传感器是DS18B20，体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度更高，在当代检
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