基于单片机的火灾报警系统设计

摘 要

随着科技的不断发展，各种新技术在各行各业不断的产生以及应用。例如各种新的材料的出现，提高了制造行业的发展水平，各种新型变换器的出现提高了电力的用途以及使用效率，各种计算机技术的兴起提高了工厂自动化的程度，这些方面的发展使得普通居民的生活水平得到了极大的提高，但同时也存在着一些负面的影响。例如各种电子产品的信息与普及以及各种装饰材料的丰富，每个家庭都会存在较大的安全隐患，随时可能发生大型的火灾。为了确保人们能够同时享受科技带来的福利，同时也尽量减少火灾带来的伤亡和损害，应当对火灾的预警和处理进行相关研究，尽量通过相关技术将火灾发生的可能性减少到最低，或者在火灾刚有苗头时就将其扑灭，从而保护人民的生命财产安全。
根据上述的社会整体发展目标和要求，本文主要对如何进行火灾的智能处理系统进行了研究，研究过程中采用单片机为控制芯片能够实现对火灾现场的及时预警和处理。设计的预警系统中主要包含烟雾传感器，温度传感器和单片机控制芯片以及相关的外围电路和控制电路。系统通过不断的对周围环境的烟雾和温度等信号进行监测，并将相关信息传输到控制芯片中进行分析处理，从而产生及时的报警预警信号。本次设计的报警系统，采用简单的检测电路和控制电路以及信号发生电路，能够以较低的成本产生较为可靠的信号，具有一定的研究以及实际应用价值。

关键词：烟雾；温度；报警器；传感器；单片机

1 系统整体方案设计

1.1 系统方案的选择

方案一：将DSP作为系统控制器。DSP（Digital Signal Processor）是一种独特的微处理器，它使用数字信号来处理大量信息。DSP对元件值的容差不敏感，而且环境和温度等其他因素也不会对它造成较大的影响。DSP很容易实现集成，并且能够进行实践复用和共享处理器。DSP在调整处理器的系数十分便易，同时可以实现高频和低频信号复用，满足不同的功能单元对于频率的不同要求。但是由于DSP，在外围辅助电路较为复杂，需要通过各个芯片进行搭建，同时还需要较为耗电的有源设备构成。
方案二：单片机作为中央处理器，能够处理接收到的输入信号，同时具有小损耗，低电压，低成本等特点，因此收到了嵌入式设备的广泛欢迎。单片机本身可以实现较为复杂的运算，同时支持多种变成环境和语言，为研究者的开发过程提供了大量的便利。有可以用于计时和计数的计时器和计数器，它具有低功耗，小尺寸，计数成熟和低成本的优点。
DSP硬件电路相对复杂且昂贵，单片机STC89C52具有8k的闪存空间，同时特殊器具有稳定的存储能力和方便的改写能力，每个控制芯片都配备8位的CPU和编程闪存，使该芯片成为大多数嵌入式应用系统产品的首选。因此通过综合考虑，本次研究采用方案二即STC89C52单片机作为系统的中央处理器。

1.2 系统方案设计

1.2.1 系统概述

本次设计的报警系统主要包含环境检测单元，控制单元，信号报警单元以及A/D转换单元。系统中采用传感器作为检测单元的主要设备采用单片机作为控制单元的抓处理器。火灾报警系统可以实时收集和检测室内和室外的烟雾和温度，如果在测量过程中，火灾报警系统发现温度和烟雾浓度高于预警值时火灾报警器系统自动报警。系统采集的温度和烟雾浓度信号可以通过检测装置产生的电压信号被调节电路转换为数字信号，将相关数据传入到中央处理器中。不同的电压信号会被调节电路调制成在一定电压范围内的电压信号，然后通过单片机输入端口的比较器被转换为数字信号，并且调节电路还会产生模拟信号的滤波。单片机在接收到数字信号后会获得相关数据，将相关数值与提前设阈值进行比较，则能够得到目前是否应当发出报警信号的质量。
1.2.2系统框图

1.1系统框图

本次设计的系统采用STC89C52单片机作为主要处理器进行数据的接收运算以及报警信号的输出。系统中还配备着信号检测单元，报警单元和A/D转换单元。其中信号检测单元采用MQ-2型烟雾传感器进行周围环境原物质浓度的检测，当检测装置产生的电压信号会被模数转换芯片ADC0832构成的调节电路调制成在一定电压范围内的电压信号，然后通过单片机输入端口的比较器被转换为数字信号，并且调节电路还会产生模拟信号的滤波。其中温度传感器采用DS18B20型这一传感器，直接与单片机相连。单片机会将采集的温度直接显示在1602液晶屏上。因此最终液晶屏上会对周围环境的烟雾，浓度，温度等信息进行显示。报警单元采用LED灯和蜂鸣器进行报警，其中LED灯可以对烟雾和温度进行分别报警，当任意一个条件达到设定值时，蜂鸣器都会进行报警。

2 系统硬件设计

2.1 单片机STC89C52

(1) 概述
STC89C52单片机具有8k的闪存空间，以及512字节的RAM存储空间，它本身只需采用3.3V电压进行驱动，同时可以进行复杂的运算逻辑和数字计算，同时单片机与51 指令相兼容，装处理器为8位通用型，因此可以通过单片机实现较为复杂的控制过程。
单片机本身具有40个引角，其中具有32个输入输出型引脚，两个中断引脚以及3个16位编程计数器引脚和两个全双工串行通信引脚。
(2) 8051单片机的引脚功能
8051单片机具有40个引脚，其相关设置如图2.2所示。

图2.2 STC89C52引脚图

3 系统软件设计

3.1 程序流程图设计

3.1.1 总体程序流程图设计

下图3.1所示即为本报警系统的整体软件流程图。系统开始工作后，首选对液晶功能及其显示内容进行初始化，然后对报警值进行初始化，将整个系统置于源点。之后则开始循环检测处理，将传感器检测到的烟雾浓度和温度值以此显示到1602液晶上，并对数值进行综合判定，对比报警值进行判断，若超过报警值则开始声光报警，然后检测设置按键是否被激活，是则重新调整报警值，否则归零继续重复检测、判断、报警。

                             图3.1主函数流程图

3.1.2 模数转换程序设计

读取ADC0832芯片的采集数据之前，单片机要先发一个起始信号给ADC芯片，由于ADC0832有两路AD转换通道，因此还需要发一个通道选择信号，告诉ADC芯片要选择哪个通道进行转换。之后就进行采集结果的读取，ADC芯片会返回2字节数据，第1字节是进行正向传输，第2字节是反向传输，之所以要进行两次的传输，是因为可以把这两字节数据进行校验，以判断传输是否出错。最后把读取的AD结果返回给主函数。

3.1.3 温度传感器程序设计

系统温度值读取功能的实现流程见下图3.4。在系统运行过程中首先对温度传感器执行初始化操作，即复位。鉴于本设计仅安装一个传感器，所以直接对其发布0xcc指令跳过ROM寻找即可，无需在系统中对传感器序列号进行区分和二次查找。传感器复位之后发送0x44指令开启温度转换功能，然后再次对传感器执行复位操作，并同样0xcc跳过ROM，之后以0xbe指令至读取传感器温度检测结果，结束一次温度读取流程。

                       图3.4 温度传感器程序流程图

4 总 结

经过几个月的努力，本次毕业设计的任务——基于单片机的火灾报警系统已经完成。本次毕设的课题是一个成熟度很高的课题，尽管在创新性上面稍有不足，但其整体设计开发流程是十分完善的，能够让我自最开始的设计论证，到编程、制版，再到最后的调试验收全过程参与进行，这种系统性的开发设计经验是非常难得的，对我的提升也是全方位的。
步入新世纪以来，基建行业的飞速发展再加上社会不断的发展进步，各行各业都认识到了防火的重要性，并随之诞生了一系列的设计和产品。但这些产品大多集中于公共场合和大型建筑物的防火报警，在私人场合和家庭防火方面有所欠缺。因此针对该类场合研发并制造一种结构简单、实用性强、成本较低的烟雾报警装置，能够很好的填补市场空白需求。本次毕设让我对单片机指令编程及传感器相关理论的认知更加深刻，对单片机内部结构等方面的了解也更加深入。