基于单片机的火灾远程监控系统的设计

基于单片机的火灾远程监控系统的设计与实现BasedontheMCUremoteautomaticfirealarmsystemdesign【Abstract】ThesystemtakeSTC89C51asacontroller,choiceoftemperaturesensorDS18B20,MQ-2smokesensorforthefiredetectionsensor,useofTC335sendtextmessagestodesignatedphoneaalarmmode,designsuitableforhousing,offices,restaurantsandotherplacesofsimpleandpracticalautomaticfirealarmsystem.【Keyword】microcontrollerSTC89C51,DS18B20,MQ-2,TC35,TLC549,firealarm基于单片机的远程火灾监控系统的设计摘要：系统以STC89C51为控制器，选用温度传感器DS18B20、烟雾传感器MQ-2为火灾探测的敏感元件，采用TC35发送短信到指定手机的报警方式，设计出适用于住房、办公室、餐厅等场所简单实用的火灾监控报警器。关键字：单片机STC89C51、DS18B20、MQ-2、TC35、TLC549、火灾报警1.引言1.1社会背景火灾作为现代城市的主要灾害，越来越受到人们的广泛关注。随着消防报警技术和计算机网络技术的飞速发展，融合这两门学科的城市和各类区域的消防智能化自动报警网络的建设因而倍受瞩目。消防自动报警远程监控系统主要面向于城市、各类区域和行业内部的消防管理部门。火灾指燃烧引起的在任何环境中发生的难以控制的灾害，可由自然原因和人类活动引起，有的大火甚至能横扫整个城市。国内外的实践表明，火灾对城市的威胁很大，它能造成城市人口严重伤亡，使社会财富大量被毁，甚至能导致城市瘫痪。历史上的莫斯科市、伦敦市、芝加哥市、旧金山、东京市、横滨市都发生过毁灭性火灾，我国北京、武汉、长沙、杭州等市历史上屡次被烧，重庆市1949年9月2日大火，三昼夜大火熊熊、浓烟蔽空、日月无光，数千人葬身火海，数十万居民无家可归。据瑞士——保险公司调查报告，1970年~1985年世界平均每周发生3起大火，15年共造成150万人丧生，使全球5000万人无家可归，如果说天灾是人类共同面对的大敌，那么在尚不发达的发展中国家则是天灾与人祸并重，火灾隐患日益严重。火灾是日常生活中一种常见的灾害，所以准确的预报是极其重要的。很多因为没有在火灾发生的初期做出及时的补救而火势蔓延，造成极大的灾害。[1][2]1.2功能分析本系统利用GSM网络覆盖广、信号稳定、保密性好、数据传输量大、可以把现场采集到的信息及时传输到远端，远端也可以及时发出相应的处理信号的优点。将GSM网络与火灾报警器相结合，即使主人不在家时也能第一时间将火灾情况通过短信发送到手机上，以降低火灾造成的损害。单片机系统以其简单、高效的特点，在工业控制和日常生活中应用越来越广泛。目前大多数单片机系统是以51单片机为核心，与检测、伺服、显示设备配合起来实现监控功能通过基于单片机的火灾远程监控系统的设计与现系统可以帮助建设单位了解联网单位消防报警设备的开通情况、运行情况，对于不按规定安装、使用和维护消防自动报警设备的单位，及时要求其作出相应整改。可以帮助建设单位实时了解联网单位消防值班人员的在岗情况，杜绝因各种因素造成的人员脱岗现象。可以帮助单位进行上述各类数据的统计并编制报表。辅助联网单位消防控制室的值班人员及时、准确地确认和上报火警，最大限度提早报警时间、缩短报警过程，争取宝贵时间迅速出警灭火。1.3建设目标对现有火灾报警设备进行集中联网，在不更换设备的前提下，通过各地提供的通讯接口和协议以及增加相应的采集模块、协议转换模块实现系统集成。安全设施集中联网监控系统是运用现代计算机、通信、自动控制、图像处理、智能测控等先进技术，利用先进的通信网络对分布于本区域或者远程区域的机房和工作区进行实时相互式监控，以实现图像监控、智能门禁、环境监控、烟雾探测、防盗报警、故障告警、紧急时事件处理、记录并处理相关数据，从而实现对在一个区域或不同区域里的各个及工作区域进行集中监控。安全设施集中监控系统是一个综合利用计算机网络技术、数据库技术、通信技术、自动控制技术、新型传感技术等构成的计算机网络，其监控对象是机房内动力设备、消防设备、机房环境监测和图像采集等。安全设施集中监控系统的建设充分利用人力资源，加强维护支持手段的建设，保障通信设备稳定运行和机房安全，提高劳动生产率和网络维护水平。1.4指导思想消防联网工程的设计和建设要秉承先进、实用、灵活、稳定、高效、易于建设和扩展升级、并最终能够大范围推广应用的设计指导思想。使整个消防自动报警系统的建设与其他单位相比较具有更加先进、实用的功能，系统采用模块化结构设计思路，系统建设比较灵活、并可根据实际需要和资金情况、分步骤来建设和完善整个系统，这样一来系统的建设可实现自由组合、配置。1.6设计原则系统设计必须按照先进、可靠、长远发展的要求进行，以适应当今数字化、网络化、系统化、多维化发展的需要。监控中心的各分系统有机的结合起来，在总体规划的指导下，按照现有条件分期、分步实施。充分考虑多种设备、系统的连接。网络设计要考虑到进一步与其他各系统的网络连接，实现多系统整合。系统应具备相当的网络设备容量及处理能力，软、硬件预留接口，使系统具有充分的可扩充性。系统设计必须采用成熟的先进技术，同时必须注重实用性，系统采用的设计思路、设计原理，系统结构，系统中选用的产品性能、通信方式、计算机软、硬件系统必须遵循先进性和实用性原则。2.理论分析2.1电路设计最终方案决定综上各方案所述,对此次作品的方案选定:采用STC89C51RC作为主控制系统；LCD1602液晶作为显示；数字式温度传感器DS18B20；可燃气体、烟雾传感器MQ-2；采用TC35为GSM模块。给出的系统方框图如下：图2-1硬件组成如图2-1，本系统主要由单片机控制模块、温度采集模块、烟雾探测模块、LCD显示模块、声光报警模块、GSM短信发送模块组成。设计原理：单片机巡回检测温度、烟雾并在LCD上显示其值，如果其中一项发生异常（即超过设定值时），发出声光报警，并通过GSM模块发送温度、烟雾值到指定手机。[3]功能层次结构STC89C51控制模块温度采集模块GSM短信发送模块烟雾探测模块声光报警模块LCD显示模块3.实验研究3.1单片机芯片的选择采用STC89C51芯片。STC89C51功能强，速度快，寿命长，价格低。可直接将编好的程序用伟福软件配带的STC-ISPV39软件下载到STC89C51中，MCU则可执行相应的功能，而且STC89C51芯片还可以反复的进行擦写，断电不丢失。3.2显示模块选择采用LCD1602液晶显示。LCD1602具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等优点。而且LCD1602液晶能够同时显示32个字符（16列2行），1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，使用起来更加快捷方便。、3.3温度传感器的选择采用数字式温度传感器DS18B20，此传感器是仅需要一条数据线进行数据传输的数字式传感器，与单片机连接简单，不需要再添加A/D模块，简化硬件电路同时降低成本。而且，数字式温度传感器测量精度高、测量范围广。3.4烟雾传感器的选择采用可燃气体、烟雾传感器MQ-2，适用于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。此传感器具有探测范围广、高灵敏度/快速响应恢复、驱动电路简单、寿命长等优点。3.53.5GSM模块的选择TC35是Siemeils公司推出的新—代无线通信GSM模块。自带RS232通讯接口,可以方便地与PC机、单片机连机通讯。它具有体积小、重量轻、低功耗等特点。可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(ShortMessageService)和传真，方便用户的应用开发和设计。3.6.主要元器件功能介绍主控制器STC89C51RCSTC89C51RC单片机是宏晶科技推出的新一代抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机。STC89C51RC是40引脚的双列直插芯片，有P0，P1，P2，P3四图3-1单片机最小系统图个I/O口，每条I/O口都能够独立作为输出或者输入。单片机最小系统如图3-1所示，第18引脚和第19引脚接时钟电路，XTAL1接外部晶振和微调电容的一段，在片内是振荡器倒相放大器的输入，XRAL2接外部晶振和微调电容的另一端，在片内是振荡器和倒相放大器的输出。第9引脚是复位输入端，接上电容、电阻及开关后构成电复位电路。第20引脚为接地端，第40引脚为电源端。3.7温度传感器DS18B20DS18B20测温原理如图3-2所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。[4]图3-2DS18B20测温原理图根据DS18B20通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换须经过三步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60us左右，后发出60～240us的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。表3-2ROM指令表指令约定代码功能读ROM33H读DS1820ROM中的编码（即64位地址）符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS1820使之响应，为下一步对该DS1820的读写作准备。搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址。为操作各器件作好准备。跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820发温度变换命令。适用于单片工作。告警搜索命令0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。开始延时初始化DS18B20写入OXCC(跳过读序列号操作)写入OXCC指令发送64位ID检验（跳过读序列号操作）写入OX44指令写入OXBE指令（启动温度转换）（读取温度寄存器）读出8字节数据延时初始化DS18B20结束图3-3DS18B20程序流程图图3-4温度传感器DS18B20与单片机的接口电路DS18B20的性能特点:1．可通过数据线供电，电压范围：3.0~5.5V；2．测温范围：-55~+125℃；3．无须外部器件，独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；4．多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；5．零待机功耗；6．用户可定义的非易失性温度报警设置；7．报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；8．可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；9．负压特性：电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.8烟雾传感器MQ-2MQ-2气体烟雾传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对