基于单片机的火灾报警系统设计 - 图文

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摘 要

随着经济与技术的迅速发展，火灾成为当今世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题。它给人类社会造成严重的生命、财产损失，为了避免火灾和减少火灾所造成的损失，预防和监测成为重中之重。良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失。监控系统中各种传感器的使用越来越多。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对火灾监测相关传感器的深入研究以及其用法与用途的了解，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术以及无线传输技术而开发设计了这一火灾监控系统。 本文是以单片机技术和无线传输技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计而出的一种技术水平较好的火灾报警系统。以烟雾传感器、火焰传感器、温度传感器监测环境状态，将监测信息发送至单片机，单片机对数据处理之后在LCD1602液晶上显示，并通过无线传输模块传送监测数据，在接受测将数据与预设值对比，超出范围则进行声光报警。

以STC89C52单片机和NRF24L01无线传输模块为核心设计的火灾报警器可实现声光报警、温度显示等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器。具有一定的实用价值。

关键词：火灾报警器，火焰传感器，烟雾传感器，NRF24L01，DS18B20

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Abstract

With the rapid development of economy and technology, the fire is facing today people all over the world a common disaster problem. It caused serious life, property loss to human society, in order to avoid the fire and reduce fire losses caused, the prevention and monitoring become the priority among priorities. Monitoring system and alarm mechanism timely can greatly reduce the casualties, reduce unnecessary loss to the society. To

use

more

and

more

various

sensors in

the

monitoring

system. Therefore, understanding and it is very important to master all kinds of sensor's structure, working principle and characteristics.

In order to improve the awareness and understanding of the sensor, especially the thorough research to the fire monitoring sensor and an understanding of its usage and the use, utility, extensive and typical principles on the design of the system. This combination of sensor technology and wireless transmission technology development and design of the fire control system with single chip microcomputer.

This paper is based on SCM technology and wireless transmission technology as the core and with other electronic technologies, fire a technology level of design and a good alarm system. The flame sensor, smoke sensor, temperature sensor to monitor the state of the environment, will be sent to the single chip microcomputer monitoring information, the data processing after 1602 on the LCD display, and through the wireless transmission module transmits the monitoring data, in accepting the test data and the preset value contrast, beyond the scope of the sound and light alarm.

Based on STC89C52 microcontroller and NRF24L01 wireless transmission module as the core design can realize the smoke alarm sound and light alarm, temperature

display

function. The

fire alarm is a

simple

structure, stable

performance, convenient operation, low price, intelligent. It has certain practical value.

Keywords: fire alarm, a flame sensor, smoke sensor, NRF24L01, DS18B20

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目 录

第1章 绪 论 .................................................................................................................. 1

1.1 目的和意义 ....................................................................................................... 1 1.2 研究概况及发展现状 ....................................................................................... 1 1.3 本系统主要研究内容 ....................................................................................... 2 第2章 总体方案论证与设计 ........................................................................................ 3

2.1主控模块的选型和论证.................................................................................... 3 2.2显示模块的选型和论证.................................................................................... 3 2.3温度检测模块的选型和论证............................................................................ 4 2.4 无线传输模块的选型和论 ............................................................................... 4 2.5系统整体设计概述............................................................................................ 4 第3章 系统硬件电路设计 ............................................................................................ 6

3.1主控模块............................................................................................................ 6

3.1.1 STC89C52单片机主要特性.................................................................. 6 3.1.2 STC89C52单片机的中断系统............................................................ 10 3.1.3 单片机最小系统设计 .......................................................................... 10 3.2 LCD液晶显示器简介..................................................................................... 11

3.2.1 液晶原理介绍 ...................................................................................... 11 3.2.2液晶模块简介....................................................................................... 12 3.2.3液晶显示部分与STC89C52的接口 ................................................... 13 3.3无线传输模块简介.......................................................................................... 14

3.3.1模块性能及特点................................................................................... 14 3.3.2 NRF24L01应用领域 ........................................................................... 15 3.3.3 NRF24L01技术参数 ........................................................................... 16 3.3.4 NRF24L01工作方式及工作原理 ....................................................... 16 3.4声光报警模块设计.......................................................................................... 17

3.4.1蜂鸣器报警........................................................................................... 17 3.4.2灯光报警............................................................................................... 17

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3.5温度检测模块设计.......................................................................................... 18

3.5.1温度传感器工作原理........................................................................... 18 3.5.2 DS18B20使用中的注意事项 .............................................................. 20 3.5.3 DS18B20硬件电路设计 ...................................................................... 21 3.6烟雾传感器模块介绍...................................................................................... 21

3.6.1烟雾检测报警器设计思路................................................................... 21 3.6.2 MQ-2型烟雾传感器的工作原理 ........................................................ 22 3.7 火焰传感器模块介绍 ..................................................................................... 22

3.7.1火焰传感器用途................................................................................... 23 3.7.2火焰传感器模块特............................................................................... 23 3.7.3火焰传感器模块使用........................................................................... 23 3.6.3 MQ-2型传感器的特性 ........................................................................ 24 3.8电源稳压模块设计.......................................................................................... 25

3.8.1 5V电源稳压 ......................................................................................... 25 3.8.2 3.3V电源稳压 ...................................................................................... 26

第4章 系统软件设计 .................................................................................................. 27

4.1系统软件设计.................................................................................................. 27

4.1.1主程序设计........................................................................................... 27 4.1.2传感器程序设计................................................................................... 28 4.1.3无线传输程序设计............................................................................... 28 4.2程序设计原理.................................................................................................. 29 第5章 系统调试 .......................................................................................................... 31

5.1硬件调试.......................................................................................................... 31 5.2软件调试.......................................................................................................... 31 5.3调试结果.......................................................................................................... 31 第6章 结论与展望 ...................................................................................................... 34 参考文献 ....................................................................................................................... 35 附 录 ............................................................................................................................ 36

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系统整体原理图 ................................................................................................... 36 系统源程序 ........................................................................................................... 37

发送侧部分程序 ........................................................................................... 37 接受测部分程序 ........................................................................................... 38

致 谢 ............................................................................................................................ 41

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第1章 绪 论

1.1 目的和意义

随着科技的发展，越来越多的火灾隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。

为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾、温度以及火光进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表严密监测，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研制火灾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。

1.2 研究概况及发展现状

探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了火灾检测的应用领域，为一些传统检测技术无法胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术弱信号处理技术、低功耗MCU技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。火灾着极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐。

近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到任何电子系统中去，同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。

我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪 70 年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。进入80年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始

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发育。火灾报警产品真正发展是在 90 年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平。

1.3 本系统主要研究内容

本系统设计制作一个基于单片机的火灾报警器。包括有以下几种功能：

（1）由检测模块检测温度值、烟雾信号和火光信号并通过24L01无线传输模

块收发。

（2）单片机读取接收到的烟雾传感器电位变化获取烟雾信息并在LCD1602上进行显示。

（3）单片机读取接收到的火焰传感器电位变化获取火光信息并在LCD1602上实时显示。

（4）通过温度传感器实时监测环境温度并在液晶显示屏上实时显示。 （5）单片机将接收数据与预设值比较判定，若超出预设范围则驱动报警电路进行声光报警。

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第2章 总体方案论证与设计

根据所要实现的功能划分，系统一共需要以下几个模块：主控模块、显示模

块、检测模块和无线传输模块和声光报警模块，以下就针对这几个模块的选型和论证进行讨论。

2.1主控模块的选型和论证

方案一：

采用MSP430系列单片机，该单片机是TI公司1996年开始推向市场的一种16

位超低功耗的混合信号处理器。其内部集成了很多模拟电路、数字电路和微处理器，提供强大的功能。不过该芯片昂贵不适合一般的设计开发。 方案二

采用51系列的单片机，该单片机是一个高可靠性，超低价，无法解密，高性

能的8位单片机，32个IO口，且STC系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。

因此选用方案二中的51系列单片机作为主控芯片。

2.2显示模块的选型和论证

方案一：

采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格虽适中，对于显示数字也最合适，

而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用单片机口线少。但是由于数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往有很多障碍，所以不采用LED数码管作为显示。 方案二：

采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，

显示多样，清晰可见，对于本设计而言一个LCD1602的液晶显示屏即可，价格也还能接受，需要的接口线较多，但会给调试带来诸多方便。

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所以本设计中方案二中的LCD1602液显示屏作为显示模块。

2.3温度检测模块的选型和论证

方案一：

AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4 V至30 V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1 μA/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K (25°C)时输出298.2 μA电流。由于该芯片输出为模拟量还同时需要AD转换器对其进行采集。因此不适用于本设计。 方案二：

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，

螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

因此本设计采用方案二中的DS18B20芯片进行温度采集。

2.4 无线传输模块的选型和论

方案一：

NRF905是美国Nordic VLSI公司设计而成，体积小，传输距离远，同时抗干扰能力强，通信稳定，且为微功率模块。 方案二：

NRF24L01具有NRF905基本特点，并且成本更低，编程更加容易。 因此本设计选择方案二中的NRF24L01模块进行无线传输。

2.5系统整体设计概述

本系统以单片机为控制核心，对系统进行初始化，主要完成对火光、烟雾信号的采集、液晶显示、测温且由无线收发模块传输采集数据等功能的控制，起到

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总控和协调各模块之间工作的作用。

根据以上设计需要，系统拟采用以下技术方案，系统的结构框图如下图所示。

图2-1 发送侧系统结构框图

图2-2 接收侧系统结构框图

系统由STC89C52，LCD1602，火焰传感器，烟雾传感器， DS18B20等组成，系统由两部分组成分别是火灾检测部分和火灾报警部分，通过调整烟雾传感器的灵敏度来控制烟雾浓度的上限值，通过程序设定温度值的上限，当超过浓度后，或者温度超过后，单片机会进行声光报警。

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第3章 系统硬件电路设计

3.1主控模块

主控模块模块在整个系统中起着统筹的作用，需要检测键盘，时间检测、烟雾浓度检测、语音报警等功能，同时驱动液晶显示相关参数，在这里我们选用了51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。

51系列单片机最初是由Intel 公司开发设计的，但后来Intel 公司把51 核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如 SST、Philip、Atmel 等大公司。因此市面上出现了各式各样的均以51 为内核的单片机。这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51 指令、并在51 的基础上扩展一些功能而内部结构是与51一致的。

STC89C52有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。STC89C52的存储器系统由4K的程序存储器(掩膜ROM)，和128B的数据存储器(RAM)组成。

STC89C52单片机的基本组成框图见图3-1。

图3-1 STC89C52单片机结构图

3.1.1 STC89C52单片机主要特性

1. 一个8 位的微处理器(CPU)。

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2. 片内数据存储器RAM(128B)，用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89 系列单片机最多提供1K 的RAM。

3. 片内程序存储器ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31 等。目前单片机的发展趋势是将RAM 和ROM 都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。SST 公司推出的89 系列单片机分别集成了16K、32K、64K Flash 存储器，可供用户根据需要选用。

4. 四个8 位并行I／O 接口P0~P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。

5. 两个定时器／计数器，每个定时器／计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的52 系列单片机都会提供3 个16 位定时器/计数器。

6. 五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只5 个中断源，例如SST89E58RD 就有9 个中断源。

7. 一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I／O 口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。

8. 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为12MHz。SST89V58RD 最高允许振荡频率达40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。

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图3-2 STC89C52单片机管脚图

部分引脚说明：

1.时钟电路引脚XTAL1 和XTAL2：

XTAL2(18 脚)：接外部晶体和微调电容的一端；片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。

要检查振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2 端是否有脉冲信号输出。

XTAL1(19 脚)：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。 2.控制信号引脚RST,ALE,PSEN 和EA：

RST/VPD(9 脚)：RST 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持备用电源的输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将＋5V 电源自动两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。RST 引脚的第二功能是VPD,即接入RST 端，为RAM 提供备用电源，以保证存储在RAM 中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。

ALE/PROG(30 脚)：地址锁存允许信号端。当8051 上电正常工作后，ALE 引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fOSC 的1/6。CPU 访问片外存储器时，ALE 输出信号作为锁存低8 位地址的控制信号。

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平时不访问片外存储器时，ALE 端也以振荡频率的1/6 固定输出正脉冲，因而ALE 信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果想确定8051/8031 芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。如有脉冲信号输出，则8051/8031 基本上是好的。

ALE 端的负载驱动能力为8 个LS 型TTL(低功耗甚高速TTL)负载。 此引脚的第二功能PROG 在对片内带有4KB EPROM 的8751 编程写入(固化程序)时，作为编程脉冲输入端。

PSEN(29 脚)：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引肢接EPROM 的OE 端(见后面几章任何一个小系统硬件图)。PSEN 端有效，即允许读出EPROM／ROM 中的指令码。PSEN 端同样可驱动8 个LS 型TTL 负载。要检查一个8051/8031 小系统上电后CPU 能否正常到EPROM／ROM 中读取指令码，也可用示波器看PSEN 端有无脉冲输出。如有则说明基本上工作正常。

EA/Vpp(31 脚)：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA 引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令，但当PC(程序计数器)的值超过0FFFH(对8751/8051 为4K)时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。当输入信号EA 引脚接低电平(接地)时，CPU 只访问外部EPROM/ROM 并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内ROM 的8031 或8032,需外扩EPROM，此时必须将EA 引脚接地。此引脚的第二功能是Vpp 是对8751 片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压(一般12V～21V)的输入端。 3.输入/输出端口P0/P1/P2/P3：

P0口(P0.0～P0.7，39~32 脚)：P0口是一个漏极开路的8 位准双向I/O口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8 个LS 型TTL 负载。当P0 口作为输入口使用时，应先向口锁存器(地址80H)写入全1,此时P0 口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写1,这就是准双向口的含义。在CPU 访问片外存储器时，P0口分时提供低8 位地址和8 位数据的复用总线。在此期间，P0口内部上拉电阻有效。

P1口(P1.0～P1.7，1~8 脚)：P1口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向I/O

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口。P1口每位能驱动4 个LS 型TTL 负载。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存地址(90H)写入全1,此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。

P2口(P2.0～P2.7，21~28 脚)：P2口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向I/O口。P口每位能驱动4个LS 型TTL 负载。在访问片外EPROM/RAM 时，它输出高8 位地址。

P3口(P3.0～P3.7，10~17 脚)：P3口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向I/O口。P3口每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口与其它I/O 端口有很大的区别，它的每个引脚都有第二功能，如下：

P3.0：(RXD)串行数据接收。 P3.1：(RXD)串行数据发送。 P3.2：(INT0#)外部中断0输入。 P3.3：(INT1#)外部中断1输入。

P3.4：(T0)定时/计数器0的外部计数输入。 P3.5：(T1)定时/计数器1的外部计数输入。 P3.6：(WR#)外部数据存储器写选通。 P3.7：(RD#)外部数据存储器读选通。 3.1.2 STC89C52单片机的中断系统

STC89C52系列单片机的中断系统有5个中断源，2个优先级，可以实现二级中断服务嵌套。由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求；由中断优先级寄存器IP安排各中断源的优先级；同一优先级内各中断同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。

在单片机应用系统中，常常会有定时控制需求，如定时输出、定时检测、定时扫描等；也经常要对外部事件进行计数。STC89C52单片机内集成有两个可编程的定时/计数器：T0和T1，它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1还可以作为串行口的波特率发生器。 3.1.3 单片机最小系统设计

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