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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学院专业学生姓名学号指导教师职称副教授完成日期教务处制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„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„191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4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[3]发送温度、烟雾值到指定手机。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3.2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。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。3.3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.标准工作条件图3-5MQ-2的结构、外形、测试电路图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型气敏元件的灵敏度特性[8]。其中，温度为20℃，相对湿度为65%，氧气浓度为21%，RL=5kΩ，Rs是元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。R0是元件在洁净空气中的电阻。烟雾信号采集电路由烟雾传感器和A/D转换电路组成，将模拟的烟雾信号转换为数字的电信号。A/D转换电路将烟雾传感器检测送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机再对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，若大于或等于预设的报警值，则启动报警电路发出声光报警，并通过GSM模块发送短信到指定手机。TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件[5]9控制电路，转换时间最长17us，TLC549为40000次/s。总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，可用于较小信号的采用。TCL549均有片内系统时钟，该时钟与I/OCLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输出（DATAOUT）端处于高阻状态，此时I/OCLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/OCLOCK，以减少多路A/D并用时的I/O控制端口。[6]烟雾传感器MQ-2与A/D转换器的连接图：图3-8烟雾传感器MQ-2与TLC549连接电路图3.4LCD1602液晶显示器字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1、16*2、20*2和40*2行等的模块。1602LCD采用标准的16脚（带背光）接口，个引脚接口说明如表4：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最强，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择