基于STC89C52的智能煙霧檢測報警系統(tǒng)論文

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青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）I摘 要當今世界已進入信息時代，在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產品達到最好的質量。隨著這些系統(tǒng)能力的增強，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統(tǒng)和機器人技術中的關鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個結構組成，其重要性變得越來越明顯。為了提高對傳感器的認識和了解，尤其是對煙霧傳感器的深入研究以及其用法與用途，本文利用單片機結合傳感器技術而開發(fā)設計了這一煙霧監(jiān)控系統(tǒng)。本論文以電阻式煙霧傳感器和單片機技術為核心并與其他電子技術相結合，設計出一種技術水平較好的煙霧報警器。其中選用 MQ-2 型半導體可燃氣體敏感元件煙霧傳感器實現(xiàn)煙霧的檢測，具有靈敏度高、響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且價格低廉，使用壽命長。選用的 STC12C5410AD 單片機，其整合了A/D 轉換、硬件乘法器、硬件脈寬調制器等資源，具有高速、低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點，是目前同類技術中性價比較高的產品。STC12C5410AD 單片機和 MQ-2 型半導體電阻式煙霧傳感器為核心設計的煙霧報警器可實現(xiàn)聲光報警、故障自診斷、濃度顯示、報警限設置、延時報警及與上位機串口通信等功能。該煙霧報警器是一種結構簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的煙霧報警器，具有一定的實用價值。關鍵詞: 傳感器；煙霧報警器； STC12C5410AD 單片機青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）IIAbstractThe world has entered the information age, in the course of the use of information, we must first resolve is to obtain accurate and reliable information, and sensor is to obtain information in the field of natural and production of the main ways and means. In modern industrial production, especially in automated production processes, use a variety of sensors to monitor and control the various parameters of the manufacturing process, so that equipment or the best work in the normal state, and to reach the best quality products. With the enhanced capacity of these systems, sensors have become increasingly important. Sensors have become automated systems and robotics in a key component, as the system composed of a structure, its importance has become increasingly apparent. In order to improve awareness and understanding of the sensor, especially for smoke sensor in-depth research, and its use and purpose, this paper microcomputer with the sensor technology development and design of this smoke control system. In this thesis, smoke sensors and resistive technology as the core MCU and other electronic technology with the combination of skills to design a better smoke alarm. Which use MQ-2 combustible gas sensor type semiconductor Smoke Sensors detect smoke, have high sensitivity, fast response, the advantages of anti-interference ability, and low-cost, long life. Selected STC12C5410AD microcontroller, which integrates A / D conversion, hardware multiplier, the hardware resources such as pulse width modulator with a high speed, low power consumption, the advantages of superior anti-jamming, is similar in cost-effective high technology products. To STC12C5410AD microcontroller and MQ-2-type semiconductor resistance type smoke sensor as the core design of the smoke alarm can achieve sound and light alarm, fault diagnosis, concentration display, alarm limit settings, delay alarm and serial communication with PC functions. The smoke alarm is a simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive, intelligent smoke detectors, has some practical value. Key words：sensors ; smoke alarm ; STC12C5410AD SCM 青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）目 錄摘 要 ...............................................................IAbstract...........................................................II1 緒論 ..........................................................- 1 -1.1 研究智能煙霧報警器的背景與意義 ..........................- 1 -1.2 智能煙霧報警研究現(xiàn)況 ....................................- 1 -1.3 本設計的主要特點 ........................................- 2 -2 煙霧報警系統(tǒng)的方案選擇與論證 ..................................- 3 -2.1 系統(tǒng)總體功能概述 ........................................- 3 -2.2 單片機的選擇 ............................................- 3 -2.3 煙霧傳感器的選擇 ........................................- 4 -2.4 溫度傳感器選擇 ..........................................- 5 -2.5 無線發(fā)射接收模塊的選擇 ..................................- 7 -3 煙霧報警系統(tǒng)硬件設計 ..........................................- 8 -3.1 無線模塊電壓調節(jié)電路 ....................................- 8 -3.2 無線接受模塊電路 ........................................- 8 -3.3 無線發(fā)射模塊電路 .......................................- 10 -3.4 LCD1602 液晶顯示模塊 ....................................- 12 -3.5 聲光報警電路 ...........................................- 13 -3.6 煙霧檢測電路 ...........................................- 14 -3.7 溫度檢測電路 ...........................................- 14 -4 煙霧報警系統(tǒng)軟件設計 .........................................- 16 -4.1 主程序設計 .............................................- 16 -4.2 聲光報警程序設計 .......................................- 17 -4.3 按鍵模塊程序設計 .......................................- 18 -5 實際測試 .....................................................- 19 -5.1 測試設備 ...............................................- 19 -5.2 測試結果 ...............................................- 19 -結 論 .......................................................- 20 -致 謝 .......................................................- 21 -青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）參考文獻 .......................................................- 22 -附 錄 .......................................................- 23 -青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 1 -1 緒論1.1 研究智能煙霧報警器的背景與意義世界上無時無刻不在發(fā)生各種各樣的災難。其中，最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一就是火災?；馂氖前l(fā)生頻率較高的一種災害，幾乎每天都有發(fā)生。據(jù)各種相關的資料和數(shù)據(jù)顯示，全球每年大約發(fā)生火災六千萬至七千萬次，每年全球死于火災的人數(shù)約為七千人 [1]。其中，由于歐美類的發(fā)達國家的生活水平及消防措施和技術比較發(fā)達先進，雖然歐美地區(qū)發(fā)生的火災較多，但是死亡人數(shù)卻比較少；相比而言，由于亞洲地區(qū)的發(fā)展中國家經(jīng)濟發(fā)展程度不高和消防設施不完善，雖然火災發(fā)生頻率較低，但人員傷亡較多。據(jù)統(tǒng)計，七十年代，我國因火災導致的年平均損失不超過 2.5 億元；八十年代，火災年平均損失將近 3.2 億元。進入九十年代，尤其從 1993 年開始，火災造成的年均死亡人數(shù)是兩千多，由此導致的直接年均財產損失升至十幾億元， 。隨著城市建設和經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市各式各樣的建筑日益增多，這很大程度地增加了火災隱患，火災發(fā)生的頻率及其造成的損失呈逐年上升趨勢。一旦出現(xiàn)火災，這會嚴重威脅到人們的生命和財產。隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，火災給人們造成的危害范圍不斷擴大。人們逐漸認識到監(jiān)控預警和消防工作的重要性，火災自動報警系統(tǒng)應運而生，并且其自身的技術水平也在隨著人們需求的不斷地提高?；馂陌l(fā)生的早期，會使得燃燒物質分解，析出大量的有毒氣體 CO，人們可能在毫無察覺火情的情況下就發(fā)生了 CO 中毒，從而無力逃生，火災自動報警系統(tǒng)可監(jiān)測到 CO 濃度的變化，為人們提供 CO 濃度超標報警信息，通知人們及時疏散。迅速監(jiān)測火情是火災自動報警系統(tǒng)的重要功能，能最大限度地降低火災帶來的生命財產損失?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)能對火災進行實時監(jiān)測和準確報警，有著防止和減少火災危害、保護人身安全和財產安全的重要意義，有著很大的經(jīng)濟效益和社會效益。1.2 智能煙霧報警研究現(xiàn)況近年來，世界各國都逐漸開始重視起采用無線通信方式的火災自動報警系統(tǒng)。這種系統(tǒng)引入了無線電通信技術，利用無線通信方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線通信方式，將大多的電器裝置通過無線連接方式進行信息傳輸與控制 [2]。起初，這青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 2 -種無線模式因價格昂貴，只會用在一些比較難布線的場所。隨著科技不斷的發(fā)展，元器件的價格不斷降低，無線火災報警器的成本也隨之減低，而且其具有安裝簡便、對建筑物無損壞作業(yè)、靈活性好，易于擴展等優(yōu)點，因此，現(xiàn)在起廣泛地用于各類建筑和場所，如名勝古跡、體育館、博物館、展覽中心、處于施工階段的建筑物、醫(yī)院等。無線火災報警系統(tǒng)主要分為以下幾種方式：分散式、集中式和分布式。分散式系統(tǒng)由非智能型控制器若干智能型探測節(jié)點組成，由探測節(jié)點完成火災狀態(tài)的判斷;集中式系統(tǒng)由智能型控制器和若干非智能探測節(jié)點構成，探測節(jié)點僅將火災參量傳送給控制器，由控制器智能地判斷火災狀態(tài)；分布式系統(tǒng)的控制器和探測節(jié)點均為智能型，也是今后火災自動報警系統(tǒng)的發(fā)展方向。1.3 本設計的主要特點本設計旨在開發(fā)一個能夠對監(jiān)測點進行實時監(jiān)控、報警的智能煙霧報警系統(tǒng)。智能煙霧報警系統(tǒng)是一個集信號檢測、傳輸、處理、報警于一體的系統(tǒng)，另外本設計主要特點是采用無線信號傳輸?shù)姆绞綄熿F報警信號傳輸?shù)慕K端報警裝置上面，該智能煙霧報警系統(tǒng)是以 STC89C52RC 和 STC11F02E 兩塊單片機作為控制中心，接收、處理火災探測器輸出的煙霧濃度信號，并進行聲光報警。本設計主要完成以下工作：(1)基于 STC89C52RC 的煙霧報警檢測設計方案。(2)數(shù)字溫度傳感器 DS18B20、煙霧傳感器 MQ-2、NRF24L01 無線收發(fā)器的選擇以及與單片機的接口電路設計。(3)LCD1602 液晶顯示器與單片機的硬件連接。(4)設計主要軟件程序模塊，完成軟件設計。青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 3 -2 煙霧報警系統(tǒng)的方案選擇與論證2.1 系統(tǒng)總體功能概述煙霧報警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、單片機控制模塊、無線發(fā)送接收模塊、聲光報警模塊組成。它由煙霧傳感器模塊和溫度傳感器模塊檢測周圍環(huán)境，時時把測得的數(shù)據(jù)傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)判斷是否有火情。2.2 單片機的選擇方案一： PIC 系列單片機。PIC 系列單片機的 CPU 采用 RISC 結構，分別有 33、35、58 條指令(視單片機的級別而定)，屬精簡指令集。 [3]而 51 系列有111 條指令，AVR 單片機有 118 條指令，都比前者復雜。采用 Haryard 雙總線結構，運行速度快(指令周期約 160～200nS)，它能使程序存儲器的訪問和數(shù)據(jù)存儲器的訪問并行處理，這種指令流水線結構，在一個周期內完成兩部分工作，一是執(zhí)行指令，二是從程序存儲器取出下一條指令，這樣總的看來每條指令只需一個周期(個別除外)，這也是高效率運行的原因之一。此外，它還具有低工作電壓、低功耗、驅動能力強等特點。但是此單片機只有 5 個專用寄存器在編程過程中帶來了不少麻煩。方案二： AVR 系列單片機。此種單片機內資源豐富，接口也很強大，具有 A\D 轉換等電路，保密性也不錯，在很多場合可以替代 51 系列單片機，但是對位進行操作時，AVR 系列單片機并不能直接對 RAM 中的某位進行位操作，必須通過狀態(tài)寄存器 SREG 的 T 進行中轉。顯然，AVR 對位的操作復雜一些。方案三：MCS-51 系列單片機。51 系列的單片機優(yōu)點之一在于，它從內部硬件到軟件有著一套完整的按位操作系統(tǒng)，即位處理器，也稱布爾處理器，它的處理對象不是字或字節(jié)，而是位，這就意味著它不僅能對片內某些特殊功能寄存器的某位進行處理，例如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，這一點使其他種類單片機很難實現(xiàn)的。此外，51 系列單片機還在片內RAM 區(qū)間特別開辟了一個雙重功能的地址區(qū)間，單元地址為 20H~2FH 的十六個字節(jié)，它既可作字節(jié)處理，也可作位處理，使用起來靈活方便，使得使用者在操作時更加得心應手。51 系列單片機代表型號有 AT89C51，AT89C52，STC89C51，STC89C52。青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 4 -而 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS-51 內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。因此優(yōu)先選擇 STC89C52 單片機作為本系統(tǒng)的控制器。STC89C52 的引腳圖如圖 2-3 所示。 P1.023567RST9XGNDEALVCUstc圖 2-3 STC89C52 的引腳圖2.3 煙霧傳感器的選擇煙霧傳感器的功能：當火災發(fā)生時，它能把火災產生的各種非電量參數(shù)(如煙霧，溫度)變成電量參數(shù)傳送給控制器；其特點是模擬量傳輸，跟隨各種非電量參數(shù)的變化而變化，火災探測器根據(jù)火災發(fā)生時所表現(xiàn)出來的物理現(xiàn)象可以分為：氣敏型、感溫型、感煙型、感光型、感聲型五大類 [4]。方案一:感溫探測器感溫火災探測器是對火災現(xiàn)場溫度參數(shù)響應的火災探測器。按照它對環(huán)境溫度或溫度變化的響應，可分為：定溫、差溫、差定溫三種形式。單一的感溫探測器靈敏度低、探測范圍小，對陰燃情況不響應，因此不適用于火災早期的探測[6].方案二：感煙探測器感煙探測器主要響應燃燒或熱解產生的固體液體微粒即煙霧粒子的探測器，主要用來探測可見或不可見的燃燒產物及起火速度緩慢的初期火災。感煙探測器具有非常好的早期報警功能，即使在不太好的環(huán)境條件場所也會有比較好的青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 5 -探測效果，它一般適用于極高的房屋或空心花板或地下室中。感煙探測器適用于火災前期及早期，產生大量的煙和少量的熱。方案三：氣體探測器氣體檢測儀器是一種檢測氣體濃度的儀器，該儀器適用于存在可燃或有毒氣體的危險場所，能長期連續(xù)檢測空氣中被測氣體爆炸下限以內的含量。可廣泛應用于燃氣，石油化工，冶金，鋼鐵，煉焦，電力等存在可燃或有毒氣體的各個行業(yè)，是保證財產和人身安全的理想監(jiān)測儀器。 方案四：圖像探測器圖像火災探測器是針對室外、隧道和室內高大空間的特殊需求而開發(fā)的工業(yè)等級的火災探測器。該產品實現(xiàn)了“眼睛和大腦”的完美統(tǒng)一，能在各種復雜環(huán)境下對火情做出準確的判斷，同時提供視頻、網(wǎng)絡、開關量三種報警方式，可靈活接入各類火災報警體系。方案五：紅、紫外火焰探測器探測器可探測碳氫化合物燃燒火焰，如氫氣、羥基化合物以及金屬和無機物燃燒火焰火警。探測器對紫外和紅外傳感器接收信號的頻率、亮度和持續(xù)時間進行分析，任何一個傳感器在接收到火焰發(fā)射頻譜后都能夠引發(fā)報警。探測器能夠在高/低溫，高濕，震動等最苛刻的環(huán)境下工作。煙霧濃度是早期火災發(fā)生的重要特性參數(shù)之一，在較大范圍的監(jiān)視場所，煙霧探測一直被廣泛使用的火災探測方法。煙霧報警器就是通過監(jiān)測煙霧的濃度來實現(xiàn)火災防范的，煙感器內部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術先進，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運用到各種消防報警系統(tǒng)中，性能遠優(yōu)于氣敏電阻類的火災報警器 [5]。? 為了將人們的生命財產安全損失降至最低，為此本設計主要采用了能比較早檢測到火情的煙霧傳感器 MQ-2 進行設計。2.4 溫度傳感器選擇本系統(tǒng)中的溫度傳感器采用的是 DS18B20 芯片，其特點是采用獨特的單總線接口方式，只需要一條總線接口就可以實現(xiàn)多點通信，簡化了分布式溫度傳感應用。該器件無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為 3.0V 至5.5V，無需備用電源，測量溫度范圍為-55℃至+125℃ 。精度為±0.5℃。DS18B20 的方框圖如圖 2-4 所示。DS18B20 有三個主要數(shù)字部件： 1）64 位激青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 6 -光 ROM，2）溫度傳感器，3）非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL。器件用如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號線處于高電平期間把能量儲存在內部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。DS18B20 也可用外部 5V 電源供電。圖 2-4 DS18B20 的方框圖DS18B20 是用一個高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個門周期，內部計數(shù)器在這個門周期內對一個低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進行計數(shù)來得到溫度值。計數(shù)器被預置到對應于-55℃的一個值。如果計數(shù)器在門周期結束前到達 0，則溫度寄存器（同樣被預置到-55℃ ）的值增加，表明所測溫度大于 -55℃。同時，計數(shù)器被復位到一個值，這個值由斜坡式累加器電路確定，斜坡式累加器電路用來補償感溫振蕩器的拋物線特性。因此，要想獲得所需的分辨力，必須同時知道在給定溫度下計數(shù)器的值和每一度的計數(shù)值。然后計數(shù)器又開始計數(shù)直到 0，如果門周期仍未結束，將重復這一過程 [6]。斜坡式累加器用來補償感溫振蕩器的非線性，以期在測溫時獲得比較高的分辨力。這是通過改變計數(shù)器對溫度每增加一度所需計數(shù)的值來實現(xiàn)的。因此，要想獲得所需的分辨力，必須同時知道在給定溫度下計數(shù)器的值和每一度的計數(shù)值。DS18B20 內部對此計算的結果可提供 0.5℃的分辨力。溫度以 16bit 帶符號位擴展的二進制補碼形式讀出。數(shù)據(jù)通過單線接口以串行方式傳輸。DS18B20測溫范圍-55 ℃~+125℃，以 0.5℃遞增。如用于華氏溫度，必須要用一個轉換因子查找表。DS18B20 內溫度表示值為 1/2℃LSB，如圖 2-5 所示 9bit 格式：青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 7 -圖 2-5 溫度值和輸出數(shù)據(jù)的關系最高有效（符號）位被復制充滿存儲器中兩字節(jié)溫度寄存器的高 MSB 位，由這種“符號位擴展”產生出了示于圖 2-4 的 16bit 溫度讀數(shù)?？捎孟率龇椒ǐ@得更高的分辨力。首先，讀取溫度值，將 0.5℃位 （LSB）從讀取的值中截去，這個值叫做 TEMP_READ。然后讀取計數(shù)器中剩余的值，這個值是門周期結束后保留下來的值(COUNT_REMAIN)。最后，我們用到在這個溫度下每度的計數(shù)值(COUNT_PER_C)。用戶可以用下面的公式計算實際溫度值：（2-1）COUNT_PER-_MAINTEMPRAU=P_ED-0.25=C2.5 無線發(fā)射接收模塊的選擇無線收發(fā)模塊有 NRF 系列、PT2262/ PT2272、CC1101 、等等一系列的無線收發(fā)模塊，綜合性價比、實用性、簡潔性和傳輸距離本設計選擇 NRF24L01作為收發(fā)模塊。NRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于 2.4 GHz～2.5 GHz 頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊,并融合了增強型 ShockBurst 技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm 的功率發(fā)射時，工作電流也只有 9 mA;接收時，工作電流只有 12.3 mA。nRF24L01 還可以兼容NRF24L01、 nRF24L01+、 nRF24LE1、nRF24LU1 等無線模塊，并且它們在一定條件下可以互相通信。本設計經(jīng)過所使用的 NRF24L01 最大的傳輸距離大約為 5m～10m。此無線發(fā)射模塊可以運用在以下方面：無線鼠標，鍵盤，游戲機操縱桿；無線數(shù)據(jù)通訊，安防系統(tǒng)，遙控裝置，智能運動設備等優(yōu)點，所以綜合考慮選擇 NRF24L01 作為無線收發(fā)器。青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 8 -3 煙霧報警系統(tǒng)硬件設計3.1 無線模塊電壓調節(jié)電路由于本設計采用的是無線火災信號傳輸，所用的無線發(fā)送傳輸模塊是NRF24L01,該模塊所需要的標準電壓值為 3.3V，由于其他部分的電壓值是5V，所以，需要將 5V 的電壓值轉換成 3.3V 的電壓值。本設計采用的是 AMS1117 來調節(jié)電壓，AMS1117 是一個低漏失電壓調整器，它的穩(wěn)壓調整管是由一個 PNP 驅動 NPN 管組成的，漏失電壓定義為：VDROP=VBE+VSAT。 AMS1117 有固定和可調兩個版本可用，輸出電壓可以是：1.2V，1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V ，和 5.0V。片內過熱切斷電路提供了過載和過熱保護，以防環(huán)境溫度造成過高的結溫 [7]。 為了確保 AMS1117 的穩(wěn)定性，對可調電壓版本，輸出需要連接一個至少22μF 的鉭電容。對于固定電壓版本，可采用更小的電容，具體可以根據(jù)實際應用確定。通常，線性調整器的穩(wěn)定性隨著輸出電流增加而降低。 AMS1117 內部集成過熱保護和限流電路，是電池供電和便攜式計算機的最佳選擇。用 AMS1117-3.3 把 5V 電壓轉換為 3.3V 的轉換電路如圖 3-1 所示。圖 3-1 AMS1117 電壓轉換電路圖3.2 無線接受模塊電路無線接受模塊的控制芯片我們選擇的是 STC11F02E，它是北京宏晶公司生產的，采用宏晶第六代加密技術，超低功耗，有很強的抗干擾、抗靜電性能，青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 9 -RST1XD2345IN0678GP.VCUstcf速度快，1 個時鐘/機器周期，可用低頻晶振，大幅降低了 EMI（電磁干擾） 。 [8]輸入/輸出口多，最多有 16 個 I/O 口，復位腳如當 I/O 口使用，可省去外部復位電路。圖 3-2 為 STC11F02E 的引腳圖。圖 3-2 STC11F02E 的引腳圖STC11F02E 的主要特性：(1)1 個時鐘/機器周期，增強型 8015 內核，速度比普通 8051 快 6-12 倍。(2)工作電壓：5.5V-4.1V/3.7V(5V 單片機)。(3)工作頻率：0-35MHz ，相當于普通 8051 的 0-420MHz。(4)通用 I/O 口有 12 個，復位后為：準雙向口/弱上拉?？稍O置成四中模式：準雙向口/弱上拉，強推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個 I/O 口驅動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不要超過 100mA。(5)ISP（在系統(tǒng)可編程）/LAP （在應用可編程） ，無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（RxD/P3.0 ，TxD/P3.1 ）直接下載程序，數(shù)秒即可完成。(6)內部集成 MAX810 專用復位電路。(7)內置一個對內部 Vcc 進行掉電檢測電路，可設置為中斷或復位。無線接收模塊整體電路如圖 3-3 所示：青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 10 -RST1XD2345IN06789GP.VCUstcfEKMOQFLkWB圖 3-3 無線接受電路3.3 無線發(fā)射模塊電路NRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于 2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊,并融合了增強型 ShockBurst 技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。Nrf24L01 功耗低,在以-6 dBm 的功率發(fā)射時，工作電流也只有 9 Ma;接收時，工作電流只有 12.3 Ma，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設計更方便 [9]。NRF24L01 發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將 Nrf24L01 配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址 TX_ADDR 和有效數(shù)據(jù) TX_PLD 按照時序由 SPI 口寫入 Nrf24L01 緩存區(qū)，TX_PLD 必須在 CSN 為低時連續(xù)寫入，而 TX_ADDR 在發(fā)射時寫入一次即可，然后 CE 置為高電平并保持至少 10μs，延遲 130μs 后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動應答開啟，那么 Nrf24L01 在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進入接收模式，接收應答信號（自動應答接收地址應該與接收節(jié)點地址 TX_ADDR 一致） 。如果收到應答，則認為此次通信成功，TX_DS 置高，同時 TX_PLD 從 TX FIFO 中清除;若未收到應答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動重發(fā)已開啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC) 達到上限，MAX_RT 置高，TX FIFO 中數(shù)據(jù)保留以便再次重發(fā) ;MAX_RT 或 TX_DS 置高時，使 IRQ 變低，產生中斷，通知 MCU。最后發(fā)射成功時 ,若 CE 為低則Nrf24L01 進入空閑模式 1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且 CE 為高，則進入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且 CE 為高，則進入空閑模式 2。 　　接收數(shù)據(jù)時,首先將 Nrf24L01 配置為接收模式，接著延遲 130μs 進入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當接收方檢測到有效的地址和 CRC 時，就將數(shù)據(jù)包存儲在 RX FIFO 中，同時中斷標志位 RX_DR 置高，IRQ 變低，產生中斷，通知MCU 去取數(shù)據(jù)。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發(fā)射狀態(tài)回傳應答信青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 11 -號。最后接收成功時，若 CE 變低，則 Nrf24L01 進入空閑模式 1[10]。參考數(shù)據(jù)如表 3.1 所示。表 3.1 NRF24L01 參考數(shù)據(jù)參數(shù) 數(shù)值 單位最低供電電壓 1.9 V最大發(fā)射功率 0 dBm最大數(shù)據(jù)傳輸率 2000 kbps發(fā)射模式，電流消耗 11.3 Ma接收模式，電流消耗 12.3 Ma溫度范圍 -40～+85 ℃掉電模式，電流消耗 900 Na數(shù)據(jù)傳輸為 1000Kbps 時的靈敏度-85 dBmNRF24L01 封裝及引腳排列和功能如圖 3-4 所示。圖 3-4 NRF24L01 芯片引腳NRF24L01 各引腳功能如下： ①CE：使能發(fā)射或接收。 　?、贑SN，SCK，MOSI，MISO：SPI 引腳端，微處理器可通過此引腳配置Nrf24L01。③IRQ：中斷標志位。 　　④VDD：電源輸入端。 　　⑤VSS：電源地?！∏鄭u理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 12 -⑥XC2，XC1：晶體振蕩器引腳。⑦VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為 1.8 V。 　⑧ANT1,ANT2：天線接口。 　?、酙REF ：參考電流輸入。工作模式通過配置寄存器可將 Nrf241L01 配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式：①待機模式 1 主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的。　　 ②待機模式 2 則是在當 FIFO 寄存器為空且 CE=1 時進入此模式。③待機模式下，所有配置字仍然保留。④在掉電模式下電流損耗最小，同時 Nrf24L01 也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。工作模式如表 3.2 所示。表 3.2 工作模式模式 PWR-UP PRIM-RX CE FIFO 寄存器模式接收模式 1 1 1 —發(fā)射模式 1 0 1發(fā)射模式 1 0 1～0待機模式 2 1 0 1待機模式 1 1 — 0掉電 0 — —數(shù)據(jù)在 TX FIFO 寄存器中停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完TX FIFO 為空無數(shù)據(jù)傳輸NRF24L01 在不同模式下的引腳功能如表 3.3 NRFf24L01。表 3.3 NRFf24l01 引腳功能引腳名稱 方向 發(fā)送模式 接收模式 待機模式 掉電模式CE 輸入 高電平 高電平 低電平 —CN 輸入 SPI 片選使能，低電平使能SCK 輸入 SPI 時鐘MOSI 輸入 SPI 串行輸入MISO 三態(tài)輸出 SPI 串行輸出IRQ 輸出 中斷，低電平使能無線發(fā)射模塊和單片機的連接電路如圖 3-5 所示：青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 13 -GND1CE2SK3MIO4RQ567V8FL0P.圖 3-5 無線發(fā)射模塊連接電路3.4 LCD1602 液晶顯示模塊LCD1602 液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在各類儀表和低功耗系統(tǒng)中得到廣泛的應用。 根據(jù)顯示內容可以分為字符型液晶，圖形液晶。根據(jù)顯示容量又可以分為單行 16 字，2 行 16 字，兩行 20 字等。LCD1602 位數(shù)多，可顯示 32 位，32 個數(shù)碼管體積相當龐大了，顯示內容豐富，可顯示所有數(shù)字和大、小寫字母。 [11]程序簡單，如果用數(shù)碼管動態(tài)顯示，會占用很多時間來刷新顯示，而 1602 自動完成此功能。便與設計，它的連接電路如圖 3-6 所示。 vsr/wendb9lakc圖 3-6 LCD1602 液晶顯示電路3.5 聲光報警電路聲光報警是一種通過聲音和各種光來向人們發(fā)出示警信號的方式。如果出現(xiàn)火情，聲光報警電路就會在單片機的控制下，發(fā)出聲光警示信息。在聲報警電路中，由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的 I/O 口是無法直接驅動的，所以要利用放大電路來驅動，一般使用三極管來放大電青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 14 -流就可以了。聲音報警電路由單片機的 P0 引腳進行控制，當 P0.4 輸出的電平為低電平時，三極管導通，蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音報警；否則，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)出聲音。由單片機的 P0.2 口進行光報警控制，當有火警信號出現(xiàn)時，P0.2 口會處于低電平，發(fā)光二極管出現(xiàn)閃爍，形成光報警 [12]。如圖 3-7 所示。 kSWPBQL1KR920DVCGNEUZY345678.圖 3-7 聲光報警電路3.6 煙霧檢測電路MQ-2 煙霧傳感器原理簡單，如圖 4 為傳感器的基本測試電路。該傳感器需要施加 2 個電壓：加熱器電壓 VH 和測試電壓 VC。其中 VH 用于為傳感 器提供特定的工作溫度。VC 則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻 RL 上的電壓 VRL。這種傳感器具有輕微的極性，VC 需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下 VC 和 VH 可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能需要選擇恰當?shù)?RL 值 [13]。如圖 3-8 所示 MQ-2 的檢測電路。圖 3-8 MQ-2 的檢測電路圖煙霧檢測電路的工作電壓為 5V，方便與 51 單片機組成系統(tǒng)，且其 工作穩(wěn)定，特點如下：(1) 具有信號輸出指示。(2) 雙路信號輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出） 。(3) TTL 輸出有效信號為低電平。 （當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機） 。 (4) 模擬量輸出 0~5V 電壓，濃度越高電壓越高。(5) 對液化氣，天然氣，城市煤氣，煙霧有較好的靈敏度。青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 15 -此傳感器適用于家庭或寢室的煙霧監(jiān)測,它的檢測電路圖如圖 3-9 所示。1234MQGNDVCP.圖 3-9 煙霧檢測電路3.7 溫度檢測電路DB18B20 獨特的一線接口，與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊能力，簡化了分布式溫度傳感應用 無需外部元件 可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為 3.0 V 至 5.5 V 無需備用電源 測量溫度范圍為-55 ° C 至+125 ℃ 。華氏相當于是 67 ° F 到 257 華氏度 -10 ° C 至+85 ° C范圍內精度為±0.5 ° C。它與控制系統(tǒng)的連接方式如下圖 3-10 所示。S8B0KR7圖 3-10 溫度傳感器的連接電路青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 16 -4 煙霧報警系統(tǒng)軟件設計在本系統(tǒng)的軟件編程使用的是 Keil C51。Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全 Windows 界面。Keil C51 生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能 體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。4.1 主程序設計在火災報警系統(tǒng)的軟件設計中采用了模塊化程序設計方法，系統(tǒng)各個模塊的具體功能都是通過子程序調用實現(xiàn)的。既使得程序結構清晰，又便于以后進一步擴展其功能。系統(tǒng)程序流程圖如圖 4-1 所示。青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 17 -圖 4-1 主程序流程圖4.2 聲光報警程序設計聲光報警程序流程圖如圖 4-2 所示。青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 18 -圖 4-2 聲光報警程序流程圖4.3 按鍵模塊程序設計按鍵模塊程序設計流程圖如圖 4-3 所示：青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 19 -圖 4-3 按鍵模塊程序流程圖青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 20 -5 實際測試5.1 測試設備表 5.1 測試設備儀器名稱 型號 用途 數(shù)量計算機 Dell 調試及下載程序 1數(shù)字萬用表 優(yōu)利德 測量電路工作情況 1蚊香（有煙） 任意 測試煙霧傳感器 15.2 測試結果本設計安放在宿舍，通過對宿舍環(huán)境實際測試，得出如表 5.2 所示的結論。表 5.2 報警器各項功能測試 煙霧檢測 溫度檢測 發(fā)送檢測 接受檢測 聲光報警 電壓轉換正常工作 正常工作 正常工作 正常工作 正常工作 正常工作無線收發(fā)模塊理論無障礙距離是 5~10m，實際測得有障礙傳輸距離為0~10m 左右。實物測試圖如圖 5-1 所示青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 21 -圖 5-1 煙霧報警器測試圖青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 22 -結 論煙霧檢測報警系統(tǒng)對現(xiàn)代建筑起著極其重要的安全保障作用，研制煙霧檢測報警系統(tǒng)的目的是改變我國防火報警技術的落后現(xiàn)狀，提高我國防火報警產品的水平。本文對火災報警系統(tǒng)進行了深入的分析，設計了煙霧檢測報警系統(tǒng)，該報警系統(tǒng)能夠準確無誤的發(fā)出報警信號，對通過 LCD 顯示出當前的報警信息，為火災預測報警提供了很大的便利。本文完成了如下工作：(1)設計了火災報警系統(tǒng)的控制器。該控制器具有煙霧檢測，溫度檢測和聲光報警等功能，并采用 LCD 顯示器進行報警系統(tǒng)所需各種信息顯示。(2)完成了火災報警溫度傳感器的設計。該溫度傳感器采用的是 DS18B20單總線式通信協(xié)議，實現(xiàn)了對被測環(huán)境溫度信息的檢測。(3)完成了火災報警煙霧傳感器的設計。該傳感器采用的是漢威電子的MQ-2 型煙霧傳感器，通過對被測環(huán)境中煙霧信息的監(jiān)測，判斷是否有火災發(fā)生。本文設計的火災報警系統(tǒng)能有效地防止和減少火災危害，為社會發(fā)展提供安全保障，其完成對保護人身安全和財產安全具有現(xiàn)實意義。青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 23 -致 謝在畢業(yè)設計期間，我的指導老師武成超給了我熱心的指導。自始至終關心督促畢業(yè)設計進程和進度。幫助解決畢業(yè)設計中遇到的許多問題。還不斷向我傳授分析問題和解決問題的辦法，并指出了正確的方向，使我在畢業(yè)設計過程中少走很多彎路。另一方面，還要感謝同學,在我遇到困難時, 給予我技術上的支持和精神上的鼓勵。在此，謹向你們致以衷心的謝意！其次，感謝我的室友和同學三年來對我學習、生活上的關心和幫助！最后，要感謝的是我的父母，他們不僅培養(yǎng)了我認真專注的精神，讓我在漫長的人生旅途中受益匪淺，而且也為我能夠順利的完成畢業(yè)論文提供了巨大的支持與幫助。在未來的日子里，我會更加努力的學習和工作，不辜負父母對我的殷殷期望！我一定會好好孝敬和報答他們！感謝黨和國家對我的教育，感謝學院三年來對我的栽培！青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）- 24 -參考文獻[1] 康華光. 電子技術基礎（模擬部分） 【M】. 北京: 高等教育出版社, 2004.[2] 孟立凡，藍金輝 .傳感器原理與應用.北京：電子工業(yè)出版社,2007.8.[3] 馬忠梅. 單片機的 C 語言應用程序設計 北京航空航天大學出版社,2007.[4] 花鐵森 . 消防報警產品和系統(tǒng)的技術現(xiàn)狀與市場 【J】. 安防科技, 2003, (6): 4-12.[5] 宋中才. 智能建筑中火災自動報警系統(tǒng)的設計【J 】. 重慶郵電學院學報(自然科學版), 2003, (9). 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