基于C51单片机的烟雾报警器设计毕业设计论文

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基于C51单片机的烟雾报警器设计

【摘要】

随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。烟雾报警器也随之被广泛应用于各种场合。本设计是利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾报警系统。论文中主要针对烟雾报警系统中的各个组成部件进行了介绍，对它的主控电路和外围设备电路之间的接口技术，还有软件方面进行了重点介绍。

关键词：报警器、80C51、烟雾传感器

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目 录

1 绪论 .................................................................................................................................................... 3 1.1烟雾报警器的发展及现状 ........................................................................................................... 3

1.1.1 火灾探测技术 ...................................................................................................................... 3 1.1.2 火灾探测器的发展趋势 ...................................................................................................... 3 1.2 论文研究的目的及意义 .............................................................................................................. 4 1.3论文内容 ....................................................................................................................................... 4

2基于C51单片机的烟雾报警的设计方案 ........................................................................................... 5 2.1 任务分析 ...................................................................................................................................... 5 2.2设计方案 ....................................................................................................................................... 5

2.2.1方案设计思想 ....................................................................................................................... 5 2.2.2 总体框图 .............................................................................................................................. 6 3.1主控电路设计 ............................................................................................................................... 7 3.1.1 80C51系列 ......................................................................................................................... 7 3.1.2 80C51的基本结构 ............................................................................................................... 7 3.1.3 80C51单片机的的封装和引脚 ........................................................................................... 8 3.1.4 80C51单片机的时钟 ......................................................................................................... 9 3.1.5 80C51单片机的复位 .................................................................................................... 10 3.2外围接口电路设计 ..................................................................................................................... 11 3.2.1 NIS-09烟雾传感器简介 ................................................................................................... 11 3.2.2 AD574A简介 ....................................................................................................................... 13 3.2.3 AD574A与80C51单片机接口电路 ................................................................................... 15 3.2.4声光报警电路 ..................................................................................................................... 16 3.3总电路设计 ................................................................................................................................. 17

4 软件实现 .......................................................................................................................................... 19 4.1 编程KEIL环境介绍 ................................................................................................................. 19 4.2 程序流程 .................................................................................................................................... 19 4.3 程序 ............................................................................................................................................ 20 5 调试 .................................................................................................................................................... 23 5.1 调试的步骤 ................................................................................................................................ 23 5.2调试过程中遇到的问题及解决方法 ......................................................................................... 24 结束语 .................................................................................................................................................... 26 谢 辞 .................................................................................................................................................... 27 参考文献 ................................................................................................................................................ 28

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1 绪论

1.1烟雾报警器的发展及现状

1.1.1 火灾探测技术

火灾作术为一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，对人类生命财产和社会安全构成了极大的威胁。由此引发的重大安全事故比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究。

火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程，它除了自身的物理化学变化以外还会受到许多外界的千扰，火灾一旦产生便以接触式(物质流)和非接触式〔能量流)的形式向外释放能量。接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等。非接触式如声音、辐射等。火灾探测技术就是利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另外一种易于处理的物理量。各种探测器对应的火灾物理参量及探测器如图1-1所示。

图1-1 各种探测器对应的火灾物理参量及探测器

1.1.2 火灾探测器的发展趋势

探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统探测器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

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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。

1.2 论文研究的目的及意义

目的：随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。家庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火灾的30%左右。家庭起火的原因林林种种，可能在我们注意得到的地方，也可能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。

在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭眼间毁于一旦,有的导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当、报警迟缓,是造成人员伤亡的重要因素。所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾的发生。这就是我们研究烟雾报警器的目的。

意义：在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。假如能根据您家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。烟雾报警器对防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。

一系列火灾造成的惨痛损失也使全国各界意识到了烟雾报警器的必要性。据调查，在最近发生火灾的大多数房屋都没有安装报警器。所以，烟雾报警器在预防火灾发生上有着非常重大的意义。

1.3论文内容

第一章 绪论 本章本主要介绍了烟雾报警器的发展史及发展趋势。对烟雾探测器进行了系统性的阐述。还有论文研究的目的和意义进行了简单的解释。

第二章 基于C51单片机的烟雾报警的设计方案 本章是根据论文的要求分析了论文的主要任务。继而概括出整个设计的主要思想和确定出设计方案。

第三章 系统硬件实现 本章针对的是系统硬件是设计。在对整个系统硬件设计时，我们主要从它的主控电路80C51（单片机的复位电路、时钟电路）的设计和外围电路（声光报警电路、A/D转换电路）的设计来具体介绍。还有对在设计中用到的烟雾传感器进行了重点介绍。

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第四章 软件实现 本章是论文的软件部分。其中，我们熟悉了整个程序设计的运行环境keil。还有程序的编写过程，对程序做了相应的注释。

第五章 调试 本章着重与软件的调试。在运行环境中我们调试的步骤以及在运行中出现的问题及解决的方法。

最后附上结束语（我的感想）、谢辞和参考文献。

2基于C51单片机的烟雾报警的设计方案

2.1 任务分析

单片机应用系统可以分为只能仪器表和工业测控系统两大类，无论哪仪类，都必须以市场需求为前提。所以，在系统设计前，首先要进行广泛的市场调查，了解该系统的时常应用概况，以分析系统当前存在的问题，研究系统的时市场前景，确定市场开发设计的目的和目标。简单地说，就是通过调研克服旧缺点，开发新功能。

根据论文的设计要求： （1)、熟悉Keil编程环境； （2）、熟悉有关探测器的理论知识； （3）、给出设计方案；

此次的设计先从硬件设计上着手。先要整理出烟雾报警系统的整体思路。确定出方案设计中需要的硬件设备。我们在确定了大的方向基础上，就应该对系统实现进行规划。包括应该采集的信号种种类、数量、范围，输出信号的匹配和转换，传感器的选择，技术指标的确定等。

2.2设计方案

2.2.1方案设计思想

此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学三年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的烟雾报警系统。80C51单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。当周围的环境（温度、湿度、烟雾浓度）达到我们设定的数值时，烟雾传感器把被测的物理量（温度、湿度、烟雾浓度）作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放

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大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。而我们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合A/D转换器的输入等级，这样就可以简化整个系统的设置。传感器将物理信号经过A/D转换器转化为可以利用识别的电信号给单片机，这里我们选择单片机的P1.0为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定（当温度、湿度、烟雾浓度达到设定数值时）会由P2.0作为单片机的输出直接启动报警电路。此时，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时二极管发光，这就达到了声光报警的效果。

2.2.2 总体框图

根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了烟雾报警系统的总体框图如图2-1所示下：

图2-1烟雾报警系统的总体框图

使用80C51单片机，选用烟雾传感器作为敏感元件，利用AD574A转换器和声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位火灾报警的烟雾报警器。整个设计由4大部分构成：烟雾传感器、A/D转换电路、80C51单片机、声光报警电路。

其中，传烟雾感器是将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。

综合考虑各因素，本文选择NIS-09烟雾传感器用作采集系统的敏感元件。火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。NIS-09烟雾传感器能探测CO2，CO，甲烷、煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。A/D转换器选用AD574A转换器。

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3 系统硬件实现

3.1主控电路设计

硬件设计中最核心的器件是单片机80C51，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比较。整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机80C51实现其控制功能。

3.1.1 80C51系列

80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。多年来的应用实践已经证明，80C51的系统结构合理，技术成熟，许多单片机芯片倾力于提高80C51系列产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品的地位，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：

ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机； Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机； 华邦公司提出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机； ADI公司推出的AdμC8ⅹⅹ系列高精度ADC单片机； LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机； Maxim公司推出的DS89420高速(50MIPS)单片机； Cygnal公司推出的C8051F系列高速单片机。

由此可见，80C51已经成为事实上的单片机主流系列，所以，本次设计选择80C51单片机。

3.1.2 80C51的基本结构

80C51的基本结构如图所示

图3-1 80C51的基本结构

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由图可见，80C51单片机主要由以下部分组成：

（1）CPU系统

8位CPU，含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。 （2）存储器系统

4KB的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可扩至64KB）；128KB数据存储器（RAM，可再扩64KB）；特殊功能寄存器SFR。 （3）I/O口和其他动能单元

4个并行I/O口；2个16位定时/计数器；1个全双工异步串行口；中断系统（5个中断源，2个优先级）

3.1.3 80C51单片机的的封装和引脚

80C51系列单片机采用双列直插式（DIP）.QFP44（Quad Flat Pack）和LCC（Leaded Chip Caiier）形式封装。这里仅介绍常用的总线型DIP40封装。如图3-2所示。

40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚 (1) 电源:

VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端；

图3-2 80C51单片机的的封装和引脚

(2)时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 (3) 控制线:控制线共有4根，

ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址

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PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。

RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。

Vpp功能：片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源 Vpp。 (4) I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。 P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

3.1.4 80C51单片机的时钟

(1)振荡器和时钟电路

80C51内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。80C51的时钟产生方法有以下两种。

a 内部时钟方式

利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTALl和XTAL2两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，Cl和C2的值通常选择为30pF左右；Cl、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz～12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl和XTAL2靠近。

图3-3 80C51时钟电路接线方法

b 外部时钟方式

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此方式是利用外部振荡脉冲接入XTALl或XTAL2。HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同。

表3-1 80C51单片机外部时钟接入方法

芯片类型 XTAL1 HMOS CHMOS 接地 接片外时钟脉冲输入端 接线方法 XTAL2 接片外时钟脉输入端（引脚需接上拉电阻） 悬空 3.1.5 80C51单片机的复位

在整个烟雾报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是

单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。

复位电路设计

单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。我们在设计单片机复位时，选用上电复位。

上电复位

上电复位利用电容器的充电实现。图3-4是80C51单片机的上电复位电路。图中给出了复位电路参数。图3-5是80C51单片机的上电+按键复位电路。

上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电阻值和我电容参数为：晶振为12MHZ，电容值为10uF，电阻值为8.2K。

图3-4 上电复位电路 图3-5上电+按键复位电路

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图3-9 AD574A与80C51单片机的接口电路

当AD574A与80C51单片机配置时，由于AD574A输出12位数据，所以当单片机读取转换结果时，应分两次进行：当A0=0时，读取高8位；当A0=1时，读取低4位。图中AD574A的STS与80C51的P1.0线相连，故采用查询方式读取转换结果。

3.2.4声光报警电路

声光报警电路由单片机P2.0口控制，输出报警信号(高低电平间隔1 s的

脉冲信号)，驱动声光报警电路，直至按复位键RESET和开关键。

声光报警电路由555定时器、扬声器和普通发光二极管组成，电路图如图3-10所示。

其中555定时器接成了一个低频多谐振荡器，其控制电压出入端5脚与单片机80C51的P2.0端相连，受P2.0脚输出的脉冲信号控制。由电容C4的充冲放电作用，当P2.0＝1时，555输出脉冲的振荡频率较低，当P2.0＝0时，555输出脉冲的振荡频率较高。该脉冲信号经隔置电容C2加到扬声器上，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时P2.0脚输出的高低电平间隔1 s的脉冲信号经电阻R1加到发光二极管LED上，LED将闪烁发光，达到声光同时报警的效果。

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图3-10 声光报警电路

3.3总电路设计

根据要求，设计中我们选用80C51单片机。80C51单片机的主控电路包括时钟电路、复位电路。两电路的接法在3.1.4和3.1.5中分别做了详细的介绍，这里不再赘述。

而传感器是将非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量。当今信息时代，随着电子计算机技术的非速发展，自动检测，自动控制技术显露非凡的能力，而大多数设备只能处理电信号，也就需要把被测，被控非电量的信息通过传感器转换成电信号。可见，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕捉和转换，就没有现代自动检测和自动控制系统。没有传感器就没有现代科学技术的迅速发展。设计中，传感器我们选择的是NIS-09烟雾传感器。因为烟雾是比气体分子大得多的微粒悬浮杂气体中形成的，和一般的气体成分的分析不同，必须利用微粒的特点检测。而NIS-09烟雾传感器它的性能参数是我们选择它理由。烟雾传感器连接在A/D转换器的输入接口。

我们将主控电路和外围接口电路（80C51与A/D转换器的接口电路、80C51与声光报警电路）连接起来，就得到了基于80C51的烟雾报警总电路图。

当外部环境（温度、湿度、烟雾浓度）达到一定值时，烟雾传感器就会产生模拟电压，将它作为输出的模拟信号经AD574A转换器转换为80C51单片机所能识别的数字电压量。通过P1.0检测信号。当有信号输入时，经程序设定就会驱动80C51单片机的P2.0。而P2.0是与声光报警电路相连接的。

综上所述，得出总电路图如图3-11所示：

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图3-11 烟雾报警系统总电路图

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4 软件实现

4.1 编程KEIL环境介绍

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 KEILC51标准C编译器为80C51微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强，更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编 器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。

C51 V7版本是目前最高效、灵活的8051开发平台。它可以支持所有8051的衍生产品，也可以支持所有兼容的仿真器，同时支持其它第三 方开发工具。因此，C51 V7版本无疑是8051开发用户的最佳选择。

C51工具包的整体结构， uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

4.2 程序流程

在整个程序流程中，经常要控制一部分指令重复执行若干次，以便简短的程序完成大量的处理任务。这种按某种控制规律重复执行的程序称为循环程序。循环程序有先执行后判断何先判断后执行两种基本结构。而我们要选用的是先判断后执行。

因为烟雾传感器的输出电压量为5.6～6.0v之间。根据单极性输入的转换关系D=4096VIN/VFS，计算出它的数字量最小值:D1=4096×5.6/10=2294;最大值

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D2=4096×6/10=2458.

然后把它们的数字量转化为二进制数。D1、D2转换为二进制数分别是100111110110、100110011010。

由于AD574A输出12位数据，所以当单片机读取转换结果时，应分两次进行：当A0=0时，读取高8位；当A0=1时，读取低4位。AD574A的STS与80C51的P1.0线相连，故采用查询方式读取转换结果。

我们将A/D转换器读取结果存入17H、18H、19H、20H单元中。其中17H存入的是较小数D1的高八位10011111，18H存入的是较小数D1的低四位0110；19H存入的是较大数的高八位10011001，20H存入的是较大值的低四位1010。

将数值存入单元以后，接下来就是比较。当被测的数值经计算机的转换在比较范围内，经程序设定80C51单片机的P2.0就会输出脉冲启动报警电路程序。程序流程图如图4-1所示。

图4-1 流程图

4.3 程序

ORG 0000H

START: MOV DPTR, # 0FFF8H ；送端口地址入DPTR MOVX @DPTR, A ；启动AD574A SET P1.0 ；置P1.0为输入方式 LOOP: JB P1.0, LOOP ；检测P1.0口

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