基于单片机的远程火灾自动报警系统的设计

1泉州师范学院毕业论文（设计）题目基于单片机的远程火灾自动报警系统的设计物信学院电子信息科学与技术专业07级1班学生姓名黄晋森学号070303001指导教师蔡植善职称副教授完成日期2011.4教务处制2基于单片机的远程火灾自动报警系统的设计物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业070303001黄晋森指导老师：蔡植善副教授摘要：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自动报警器。关键字：单片机STC89C51、DS18B20、MQ-2、TC35、TLC549、火灾报警3目录摘要………………………………………………………………………………………………21引言………………………………………………………………………………………………42系统基本方案选择………………………………………………………………………………42.1单片机芯片的选择…………………………………………………………………………42.2显示模块选择………………………………………………………………………………42.3温度传感器的选择…………………………………………………………………………42.4烟雾传感器的选择…………………………………………………………………………42.5GSM模块的选择……………………………………………………………………………42.6电路设计最终方案决定……………………………………………………………………53主要元器件功能介绍……………………………………………………………………………53.1主控制器STC89C51RC介绍………………………………………………………………53.2温度传感器DS18B20介绍…………………………………………………………………63.3烟雾传感器MQ-2介绍……………………………………………………………………83.4LCD1602液晶显示介绍……………………………………………………………………103.5TC35短信收发模块介绍…………………………………………………………………114主要程序流程图………………………………………………………………………………135系统调试………………………………………………………………………………………146设计总结………………………………………………………………………………………16参考文献…………………………………………………………………………………………16附录………………………………………………………………………………………………18程序清单…………………………………………………………………………………………1941引言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]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。2系统基本方案选择2.1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。2.2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。2.3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。2.4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。2.5GSM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。2.6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5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]3主要元器件功能介绍3.1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。图3-1单片机最小系统图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63.2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。7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℃；89．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。3.3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应的输出信号。MQ-2气体烟雾传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其他可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。表1.标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压≤15VACorDCVH加热电压5.0V±0.2VACorDCRL负载电阻可调RH加热电阻31Ω±3Ω室温PH加热功耗≤900mW表2.环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-10℃-50℃Tas储存温度-20℃-70℃RH相对湿度小于95%RHO2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于２％图3-5MQ-2的结构、外形、测试电路表3.灵敏度特性符号参数名称技术参数备注Rs敏感体表面电阻3KΩ-30KΩ(1000ppm异丁烷)探测浓度范围：100ppm-10000ppm液化气和丙烷300ppm-5000ppm丁烷5000ppm-20000ppm甲烷300ppm-5000ppm氢气100ppm-2000ppm酒精α(3000/1000)异丁烷浓度斜率≤0.6标准工作条件温度：20℃±2℃Vc:5.0V±0.1V相对湿度：65%±5%Vh:5.0V±0.1V预热时间不少于25小时9图3-6为MQ-2的温湿度特性曲线图。给出了MQ-2型气敏元件的温湿度特性。其中，Ro在为20℃，33%RH条件下，1000ppm氢气中元件电阻。Rs是在不同温度，湿度下，1000ppm氢气中元件电阻。图3-6MQ-2气敏元件温湿度特性曲线图3-7MQ-2气敏元件的灵敏度特性曲线图3-7是MQ-2的气敏元件的灵敏度特性曲线给出了MQ-2型