基于STC89C52的智能烟雾检测报警系统论文

青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）I摘 要当今世界已进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。随着这些系统能力的增强，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用法与用途，本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。其中选用 MQ-2 型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。选用的 STC12C5410AD 单片机，其整合了A/D 转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。STC12C5410AD 单片机和 MQ-2 型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。该烟雾报警器是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器，具有一定的实用价值。关键词: 传感器；烟雾报警器； STC12C5410AD 单片机青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）IIAbstractThe world has entered the information age, in the course of the use of information, we must first resolve is to obtain accurate and reliable information, and sensor is to obtain information in the field of natural and production of the main ways and means. In modern industrial production, especially in automated production processes, use a variety of sensors to monitor and control the various parameters of the manufacturing process, so that equipment or the best work in the normal state, and to reach the best quality products. With the enhanced capacity of these systems, sensors have become increasingly important. Sensors have become automated systems and robotics in a key component, as the system composed of a structure, its importance has become increasingly apparent. In order to improve awareness and understanding of the sensor, especially for smoke sensor in-depth research, and its use and purpose, this paper microcomputer with the sensor technology development and design of this smoke control system. In this thesis, smoke sensors and resistive technology as the core MCU and other electronic technology with the combination of skills to design a better smoke alarm. Which use MQ-2 combustible gas sensor type semiconductor Smoke Sensors detect smoke, have high sensitivity, fast response, the advantages of anti-interference ability, and low-cost, long life. Selected STC12C5410AD microcontroller, which integrates A / D conversion, hardware multiplier, the hardware resources such as pulse width modulator with a high speed, low power consumption, the advantages of superior anti-jamming, is similar in cost-effective high technology products. To STC12C5410AD microcontroller and MQ-2-type semiconductor resistance type smoke sensor as the core design of the smoke alarm can achieve sound and light alarm, fault diagnosis, concentration display, alarm limit settings, delay alarm and serial communication with PC functions. The smoke alarm is a simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive, intelligent smoke detectors, has some practical value. Key words：sensors ; smoke alarm ; STC12C5410AD SCM 青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）目 录摘 要 .IAbstract.II1 绪论 .- 1 -1.1 研究智能烟雾报警器的背景与意义 .- 1 -1.2 智能烟雾报警研究现况 .- 1 -1.3 本设计的主要特点 .- 2 -2 烟雾报警系统的方案选择与论证 .- 3 -2.1 系统总体功能概述 .- 3 -2.2 单片机的选择 .- 3 -2.3 烟雾传感器的选择 .- 4 -2.4 温度传感器选择 .- 5 -2.5 无线发射接收模块的选择 .- 7 -3 烟雾报警系统硬件设计 .- 8 -3.1 无线模块电压调节电路 .- 8 -3.2 无线接受模块电路 .- 8 -3.3 无线发射模块电路 .- 10 -3.4 LCD1602 液晶显示模块 .- 12 -3.5 声光报警电路 .- 13 -3.6 烟雾检测电路 .- 14 -3.7 温度检测电路 .- 14 -4 烟雾报警系统软件设计 .- 16 -4.1 主程序设计 .- 16 -4.2 声光报警程序设计 .- 17 -4.3 按键模块程序设计 .- 18 -5 实际测试 .- 19 -5.1 测试设备 .- 19 -5.2 测试结果 .- 19 -结 论 .- 20 -致 谢 .- 21 -青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）参考文献 .- 22 -附 录 .- 23 -青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 1 -1 绪论1.1 研究智能烟雾报警器的背景与意义世界上无时无刻不在发生各种各样的灾难。其中，最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一就是火灾。火灾是发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有发生。据各种相关的资料和数据显示，全球每年大约发生火灾六千万至七千万次，每年全球死于火灾的人数约为七千人 1。其中，由于欧美类的发达国家的生活水平及消防措施和技术比较发达先进，虽然欧美地区发生的火灾较多，但是死亡人数却比较少；相比而言，由于亚洲地区的发展中国家经济发展程度不高和消防设施不完善，虽然火灾发生频率较低，但人员伤亡较多。据统计，七十年代，我国因火灾导致的年平均损失不超过 2.5 亿元；八十年代，火灾年平均损失将近 3.2 亿元。进入九十年代，尤其从 1993 年开始，火灾造成的年均死亡人数是两千多，由此导致的直接年均财产损失升至十几亿元， 。随着城市建设和经济的快速发展，城市各式各样的建筑日益增多，这很大程度地增加了火灾隐患，火灾发生的频率及其造成的损失呈逐年上升趋势。一旦出现火灾，这会严重威胁到人们的生命和财产。随着社会的进步和经济的发展，火灾给人们造成的危害范围不断扩大。人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，火灾自动报警系统应运而生，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高。火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体 CO，人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了 CO 中毒，从而无力逃生，火灾自动报警系统可监测到 CO 浓度的变化，为人们提供 CO 浓度超标报警信息，通知人们及时疏散。迅速监测火情是火灾自动报警系统的重要功能，能最大限度地降低火灾带来的生命财产损失。火灾自动报警系统能对火灾进行实时监测和准确报警，有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义，有着很大的经济效益和社会效益。1.2 智能烟雾报警研究现况近年来，世界各国都逐渐开始重视起采用无线通信方式的火灾自动报警系统。这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制 2。起初，这青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 2 -种无线模式因价格昂贵，只会用在一些比较难布线的场所。随着科技不断的发展，元器件的价格不断降低，无线火灾报警器的成本也随之减低，而且其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，因此，现在起广泛地用于各类建筑和场所，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。无线火灾报警系统主要分为以下几种方式：分散式、集中式和分布式。分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断;集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向。1.3 本设计的主要特点本设计旨在开发一个能够对监测点进行实时监控、报警的智能烟雾报警系统。智能烟雾报警系统是一个集信号检测、传输、处理、报警于一体的系统，另外本设计主要特点是采用无线信号传输的方式将烟雾报警信号传输的终端报警装置上面，该智能烟雾报警系统是以 STC89C52RC 和 STC11F02E 两块单片机作为控制中心，接收、处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号，并进行声光报警。本设计主要完成以下工作：(1)基于 STC89C52RC 的烟雾报警检测设计方案。(2)数字温度传感器 DS18B20、烟雾传感器 MQ-2、NRF24L01 无线收发器的选择以及与单片机的接口电路设计。(3)LCD1602 液晶显示器与单片机的硬件连接。(4)设计主要软件程序模块，完成软件设计。青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 3 -2 烟雾报警系统的方案选择与论证2.1 系统总体功能概述烟雾报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、无线发送接收模块、声光报警模块组成。它由烟雾传感器模块和温度传感器模块检测周围环境，时时把测得的数据传送给控制系统，控制系统判断是否有火情。2.2 单片机的选择方案一： PIC 系列单片机。PIC 系列单片机的 CPU 采用 RISC 结构，分别有 33、35、58 条指令(视单片机的级别而定)，属精简指令集。 3而 51 系列有111 条指令，AVR 单片机有 118 条指令，都比前者复杂。采用 Haryard 双总线结构，运行速度快(指令周期约 160200nS)，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期(个别除外)，这也是高效率运行的原因之一。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。但是此单片机只有 5 个专用寄存器在编程过程中带来了不少麻烦。方案二： AVR 系列单片机。此种单片机内资源丰富，接口也很强大，具有 AD 转换等电路，保密性也不错，在很多场合可以替代 51 系列单片机，但是对位进行操作时，AVR 系列单片机并不能直接对 RAM 中的某位进行位操作，必须通过状态寄存器 SREG 的 T 进行中转。显然，AVR 对位的操作复杂一些。方案三：MCS-51 系列单片机。51 系列的单片机优点之一在于，它从内部硬件到软件有着一套完整的按位操作系统，即位处理器，也称布尔处理器，它的处理对象不是字或字节，而是位，这就意味着它不仅能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，例如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，这一点使其他种类单片机很难实现的。此外，51 系列单片机还在片内RAM 区间特别开辟了一个双重功能的地址区间，单元地址为 20H2FH 的十六个字节，它既可作字节处理，也可作位处理，使用起来灵活方便，使得使用者在操作时更加得心应手。51 系列单片机代表型号有 AT89C51，AT89C52，STC89C51，STC89C52。青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 4 -而 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。因此优先选择 STC89C52 单片机作为本系统的控制器。STC89C52 的引脚图如图 2-3 所示。 P1.023567RST9XGNDEALVCUstc图 2-3 STC89C52 的引脚图2.3 烟雾传感器的选择烟雾传感器的功能：当火灾发生时，它能把火灾产生的各种非电量参数(如烟雾，温度)变成电量参数传送给控制器；其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数的变化而变化，火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类 4。方案一:感温探测器感温火灾探测器是对火灾现场温度参数响应的火灾探测器。按照它对环境温度或温度变化的响应，可分为：定温、差温、差定温三种形式。单一的感温探测器灵敏度低、探测范围小，对阴燃情况不响应，因此不适用于火灾早期的探测6.方案二：感烟探测器感烟探测器主要响应燃烧或热解产生的固体液体微粒即烟雾粒子的探测器，主要用来探测可见或不可见的燃烧产物及起火速度缓慢的初期火灾。感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在不太好的环境条件场所也会有比较好的青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 5 -探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中。感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热。方案三：气体探测器气体检测仪器是一种检测气体浓度的仪器，该仪器适用于存在可燃或有毒气体的危险场所，能长期连续检测空气中被测气体爆炸下限以内的含量。可广泛应用于燃气，石油化工，冶金，钢铁，炼焦，电力等存在可燃或有毒气体的各个行业，是保证财产和人身安全的理想监测仪器。 方案四：图像探测器图像火灾探测器是针对室外、隧道和室内高大空间的特殊需求而开发的工业等级的火灾探测器。该产品实现了“眼睛和大脑”的完美统一，能在各种复杂环境下对火情做出准确的判断，同时提供视频、网络、开关量三种报警方式，可灵活接入各类火灾报警体系。方案五：红、紫外火焰探测器探测器可探测碳氢化合物燃烧火焰，如氢气、羟基化合物以及金属和无机物燃烧火焰火警。探测器对紫外和红外传感器接收信号的频率、亮度和持续时间进行分析，任何一个传感器在接收到火焰发射频谱后都能够引发报警。探测器能够在高/低温，高湿，震动等最苛刻的环境下工作。烟雾浓度是早期火灾发生的重要特性参数之一，在较大范围的监视场所，烟雾探测一直被广泛使用的火灾探测方法。烟雾报警器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟感器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器 5。 为了将人们的生命财产安全损失降至最低，为此本设计主要采用了能比较早检测到火情的烟雾传感器 MQ-2 进行设计。2.4 温度传感器选择本系统中的温度传感器采用的是 DS18B20 芯片，其特点是采用独特的单总线接口方式，只需要一条总线接口就可以实现多点通信，简化了分布式温度传感应用。该器件无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为 3.0V 至5.5V，无需备用电源，测量温度范围为-55至+125 。精度为0.5。DS18B20 的方框图如图 2-4 所示。DS18B20 有三个主要数字部件： 1）64 位激青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 6 -光 ROM，2）温度传感器，3）非易失性温度报警触发器 TH 和 TL。器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS18B20 也可用外部 5V 电源供电。图 2-4 DS18B20 的方框图DS18B20 是用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55的一个值。如果计数器在门周期结束前到达 0，则温度寄存器（同样被预置到-55 ）的值增加，表明所测温度大于 -55。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。然后计数器又开始计数直到 0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程 6。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨力。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。DS18B20 内部对此计算的结果可提供 0.5的分辨力。温度以 16bit 带符号位扩展的二进制补码形式读出。数据通过单线接口以串行方式传输。DS18B20测温范围-55 +125，以 0.5递增。如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表。DS18B20 内温度表示值为 1/2LSB，如图 2-5 所示 9bit 格式：青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 7 -图 2-5 温度值和输出数据的关系最高有效（符号）位被复制充满存储器中两字节温度寄存器的高 MSB 位，由这种“符号位扩展”产生出了示于图 2-4 的 16bit 温度读数。可用下述方法获得更高的分辨力。首先，读取温度值，将 0.5位 （LSB）从读取的值中截去，这个值叫做 TEMP_READ。然后读取计数器中剩余的值，这个值是门周期结束后保留下来的值(COUNT_REMAIN)。最后，我们用到在这个温度下每度的计数值(COUNT_PER_C)。用户可以用下面的公式计算实际温度值：（2-1）COUNT_PER-_MAINTEMPRAU=P_ED-0.25=C2.5 无线发射接收模块的选择无线收发模块有 NRF 系列、PT2262/ PT2272、CC1101 、等等一系列的无线收发模块，综合性价比、实用性、简洁性和传输距离本设计选择 NRF24L01作为收发模块。NRF24L01 是一款新型单片射频收发器件,工作于 2.4 GHz2.5 GHz 频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型 ShockBurst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm 的功率发射时，工作电流也只有 9 mA;接收时，工作电流只有 12.3 mA。nRF24L01 还可以兼容NRF24L01、 nRF24L01+、 nRF24LE1、nRF24LU1 等无线模块，并且它们在一定条件下可以互相通信。本设计经过所使用的 NRF24L01 最大的传输距离大约为 5m10m。此无线发射模块可以运用在以下方面：无线鼠标，键盘，游戏机操纵杆；无线数据通讯，安防系统，遥控装置，智能运动设备等优点，所以综合考虑选择 NRF24L01 作为无线收发器。青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 8 -3 烟雾报警系统硬件设计3.1 无线模块电压调节电路由于本设计采用的是无线火灾信号传输，所用的无线发送传输模块是NRF24L01,该模块所需要的标准电压值为 3.3V，由于其他部分的电压值是5V，所以，需要将 5V 的电压值转换成 3.3V 的电压值。本设计采用的是 AMS1117 来调节电压，AMS1117 是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管是由一个 PNP 驱动 NPN 管组成的，漏失电压定义为：VDROP=VBE+VSAT。 AMS1117 有固定和可调两个版本可用，输出电压可以是：1.2V，1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V ，和 5.0V。片内过热切断电路提供了过载和过热保护，以防环境温度造成过高的结温 7。 为了确保 AMS1117 的稳定性，对可调电压版本，输出需要连接一个至少22F 的钽电容。对于固定电压版本，可采用更小的电容，具体可以根据实际应用确定。通常，线性调整器的稳定性随着输出电流增加而降低。 AMS1117 内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机的最佳选择。用 AMS1117-3.3 把 5V 电压转换为 3.3V 的转换电路如图 3-1 所示。图 3-1 AMS1117 电压转换电路图3.2 无线接受模块电路无线接受模块的控制芯片我们选择的是 STC11F02E，它是北京宏晶公司生产的，采用宏晶第六代加密技术，超低功耗，有很强的抗干扰、抗静电性能，青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 9 -RST1XD2345IN0678GP.VCUstcf速度快，1 个时钟/机器周期，可用低频晶振，大幅降低了 EMI（电磁干扰） 。 8输入/输出口多，最多有 16 个 I/O 口，复位脚如当 I/O 口使用，可省去外部复位电路。图 3-2 为 STC11F02E 的引脚图。图 3-2 STC11F02E 的引脚图STC11F02E 的主要特性：(1)1 个时钟/机器周期，增强型 8015 内核，速度比普通 8051 快 6-12 倍。(2)工作电压：5.5V-4.1V/3.7V(5V 单片机)。(3)工作频率：0-35MHz ，相当于普通 8051 的 0-420MHz。(4)通用 I/O 口有 12 个，复位后为：准双向口/弱上拉。可设置成四中模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过 100mA。(5)ISP（在系统可编程）/LAP （在应用可编程） ，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（RxD/P3.0 ，TxD/P3.1 ）直接下载程序，数秒即可完成。(6)内部集成 MAX810 专用复位电路。(7)内置一个对内部 Vcc 进行掉电检测电路，可设置为中断或复位。无线接收模块整体电路如图 3-3 所示：青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 10 -RST1XD2345IN06789GP.VCUstcfEKMOQFLkWB图 3-3 无线接受电路3.3 无线发射模块电路NRF24L01 是一款新型单片射频收发器件,工作于 2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型 ShockBurst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。Nrf24L01 功耗低,在以-6 dBm 的功率发射时，工作电流也只有 9 Ma;接收时，工作电流只有 12.3 Ma，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便 9。NRF24L01 发射数据时，首先将 Nrf24L01 配置为发射模式：接着把接收节点地址 TX_ADDR 和有效数据 TX_PLD 按照时序由 SPI 口写入 Nrf24L01 缓存区，TX_PLD 必须在 CSN 为低时连续写入，而 TX_ADDR 在发射时写入一次即可，然后 CE 置为高电平并保持至少 10s，延迟 130s 后发射数据;若自动应答开启，那么 Nrf24L01 在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址 TX_ADDR 一致） 。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS 置高，同时 TX_PLD 从 TX FIFO 中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC) 达到上限，MAX_RT 置高，TX FIFO 中数据保留以便再次重发 ;MAX_RT 或 TX_DS 置高时，使 IRQ 变低，产生中断，通知 MCU。最后发射成功时 ,若 CE 为低则Nrf24L01 进入空闲模式 1;若发送堆栈中有数据且 CE 为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且 CE 为高，则进入空闲模式 2。 接收数据时,首先将 Nrf24L01 配置为接收模式，接着延迟 130s 进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和 CRC 时，就将数据包存储在 RX FIFO 中，同时中断标志位 RX_DR 置高，IRQ 变低，产生中断，通知MCU 去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 11 -号。最后接收成功时，若 CE 变低，则 Nrf24L01 进入空闲模式 110。参考数据如表 3.1 所示。表 3.1 NRF24L01 参考数据参数 数值 单位最低供电电压 1.9 V最大发射功率 0 dBm最大数据传输率 2000 kbps发射模式，电流消耗 11.3 Ma接收模式，电流消耗 12.3 Ma温度范围 -40+85 掉电模式，电流消耗 900 Na数据传输为 1000Kbps 时的灵敏度-85 dBmNRF24L01 封装及引脚排列和功能如图 3-4 所示。图 3-4 NRF24L01 芯片引脚NRF24L01 各引脚功能如下： CE：使能发射或接收。 CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI 引脚端，微处理器可通过此引脚配置Nrf24L01。IRQ：中断标志位。 VDD：电源输入端。 VSS：电源地。青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 12 -XC2，XC1：晶体振荡器引脚。VDD_PA：为功率放大器供电，输出为 1.8 V。 ANT1,ANT2：天线接口。 IREF ：参考电流输入。工作模式通过配置寄存器可将 Nrf241L01 配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式：待机模式 1 主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的。 待机模式 2 则是在当 FIFO 寄存器为空且 CE=1 时进入此模式。待机模式下，所有配置字仍然保留。在掉电模式下电流损耗最小，同时 Nrf24L01 也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。工作模式如表 3.2 所示。表 3.2 工作模式模式 PWR-UP PRIM-RX CE FIFO 寄存器模式接收模式 1 1 1 发射模式 1 0 1发射模式 1 0 10待机模式 2 1 0 1待机模式 1 1 0掉电 0 数据在 TX FIFO 寄存器中停留在发送模式，直至数据发送完TX FIFO 为空无数据传输NRF24L01 在不同模式下的引脚功能如表 3.3 NRFf24L01。表 3.3 NRFf24l01 引脚功能引脚名称 方向 发送模式 接收模式 待机模式 掉电模式CE 输入 高电平 高电平 低电平 CN 输入 SPI 片选使能，低电平使能SCK 输入 SPI 时钟MOSI 输入 SPI 串行输入MISO 三态输出 SPI 串行输出IRQ 输出 中断，低电平使能无线发射模块和单片机的连接电路如图 3-5 所示：青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 13 -GND1CE2SK3MIO4RQ567V8FL0P.图 3-5 无线发射模块连接电路3.4 LCD1602 液晶显示模块LCD1602 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。 根据显示内容可以分为字符型液晶，图形液晶。根据显示容量又可以分为单行 16 字，2 行 16 字，两行 20 字等。LCD1602 位数多，可显示 32 位，32 个数码管体积相当庞大了，显示内容丰富，可显示所有数字和大、小写字母。 11程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而 1602 自动完成此功能。便与设计，它的连接电路如图 3-6 所示。 vsr/wendb9lakc图 3-6 LCD1602 液晶显示电路3.5 声光报警电路声光报警是一种通过声音和各种光来向人们发出示警信号的方式。如果出现火情，声光报警电路就会在单片机的控制下，发出声光警示信息。在声报警电路中，由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的 I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 14 -流就可以了。声音报警电路由单片机的 P0 引脚进行控制，当 P0.4 输出的电平为低电平时，三极管导通，蜂鸣器的电流形成回路，发出声音报警；否则，三极管截止，蜂鸣器不发出声音。由单片机的 P0.2 口进行光报警控制，当有火警信号出现时，P0.2 口会处于低电平，发光二极管出现闪烁，形成光报警 12。如图 3-7 所示。 kSWPBQL1KR920DVCGNEUZY345678.图 3-7 声光报警电路3.6 烟雾检测电路MQ-2 烟雾传感器原理简单，如图 4 为传感器的基本测试电路。该传感器需要施加 2 个电压：加热器电压 VH 和测试电压 VC。其中 VH 用于为传感 器提供特定的工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻 RL 上的电压 VRL。这种传感器具有轻微的极性，VC 需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下 VC 和 VH 可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能需要选择恰当的 RL 值 13。如图 3-8 所示 MQ-2 的检测电路。图 3-8 MQ-2 的检测电路图烟雾检测电路的工作电压为 5V，方便与 51 单片机组成系统，且其 工作稳定，特点如下：(1) 具有信号输出指示。(2) 双路信号输出（模拟量输出及 TTL 电平输出） 。(3) TTL 输出有效信号为低电平。 （当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机） 。 (4) 模拟量输出 05V 电压，浓度越高电压越高。(5) 对液化气，天然气，城市煤气，烟雾有较好的灵敏度。青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 15 -此传感器适用于家庭或寝室的烟雾监测,它的检测电路图如图 3-9 所示。1234MQGNDVCP.图 3-9 烟雾检测电路3.7 温度检测电路DB18B20 独特的一线接口，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯能力，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为 3.0 V 至 5.5 V 无需备用电源 测量温度范围为-55 C 至+125 。华氏相当于是 67 F 到 257 华氏度 -10 C 至+85 C范围内精度为0.5 C。它与控制系统的连接方式如下图 3-10 所示。S8B0KR7图 3-10 温度传感器的连接电路青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 16 -4 烟雾报警系统软件设计在本系统的软件编程使用的是 Keil C51。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。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。4.1 主程序设计在火灾报警系统的软件设计中采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的。既使得程序结构清晰，又便于以后进一步扩展其功能。系统程序流程图如图 4-1 所示。青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 17 -图 4-1 主程序流程图4.2 声光报警程序设计声光报警程序流程图如图 4-2 所示。青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 18 -图 4-2 声光报警程序流程图4.3 按键模块程序设计按键模块程序设计流程图如图 4-3 所示：青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 19 -图 4-3 按键模块程序流程图青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 20 -5 实际测试5.1 测试设备表 5.1 测试设备仪器名称 型号 用途 数量计算机 Dell 调试及下载程序 1数字万用表 优利德 测量电路工作情况 1蚊香（有烟） 任意 测试烟雾传感器 15.2 测试结果本设计安放在宿舍，通过对宿舍环境实际测试，得出如表 5.2 所示的结论。表 5.2 报警器各项功能测试 烟雾检测 温度检测 发送检测 接受检测 声光报警 电压转换正常工作 正常工作 正常工作 正常工作 正常工作 正常工作无线收发模块理论无障碍距离是 510m，实际测得有障碍传输距离为010m 左右。实物测试图如图 5-1 所示青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 21 -图 5-1 烟雾报警器测试图青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 22 -结 论烟雾检测报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用，研制烟雾检测报警系统的目的是改变我国防火报警技术的落后现状，提高我国防火报警产品的水平。本文对火灾报警系统进行了深入的分析，设计了烟雾检测报警系统，该报警系统能够准确无误的发出报警信号，对通过 LCD 显示出当前的报警信息，为火灾预测报警提供了很大的便利。本文完成了如下工作：(1)设计了火灾报警系统的控制器。该控制器具有烟雾检测，温度检测和声光报警等功能，并采用 LCD 显示器进行报警系统所需各种信息显示。(2)完成了火灾报警温度传感器的设计。该温度传感器采用的是 DS18B20单总线式通信协议，实现了对被测环境温度信息的检测。(3)完成了火灾报警烟雾传感器的设计。该传感器采用的是汉威电子的MQ-2 型烟雾传感器，通过对被测环境中烟雾信息的监测，判断是否有火灾发生。本文设计的火灾报警系统能有效地防止和减少火灾危害，为社会发展提供安全保障，其完成对保护人身安全和财产安全具有现实意义。青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 23 -致 谢在毕业设计期间，我的指导老师武成超给了我热心的指导。自始至终关心督促毕业设计进程和进度。帮助解决毕业设计中遇到的许多问题。还不断向我传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的方向，使我在毕业设计过程中少走很多弯路。另一方面，还要感谢同学,在我遇到困难时, 给予我技术上的支持和精神上的鼓励。在此，谨向你们致以衷心的谢意！其次，感谢我的室友和同学三年来对我学习、生活上的关心和帮助！最后，要感谢的是我的父母，他们不仅培养了我认真专注的精神，让我在漫长的人生旅途中受益匪浅，而且也为我能够顺利的完成毕业论文提供了巨大的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！感谢党和国家对我的教育，感谢学院三年来对我的栽培！青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 24 -参考文献1 康华光. 电子技术基础（模拟部分） 【M】. 北京: 高等教育出版社, 2004.2 孟立凡，蓝金辉 .传感器原理与应用.北京：电子工业出版社,2007.8.3 马忠梅. 单片机的 C 语言应用程序设计 北京航空航天大学出版社,2007.4 花铁森 . 消防报警产品和系统的技术现状与市场 【J】. 安防科技, 2003, (6): 4-12.5 宋中才. 智能建筑中火灾自动报警系统的设计【J 】. 重庆邮电学院学报(自然科学版), 2003, (9). 6 杨武. 新型火灾报警系统信号处理器设计【D】 . 厦门: 厦门大学, 2008.7 张忠. 火灾报警系统的应用与集成【D】. 上海 : 上海交通大学, 2008.8 曾杰. 鼓励保险介入深化消防监督 【J 】. 消防技术与产品信息, 2001, (3): 38-40.9 宋国珍, 张立明. 纺织厂火灾探测器的选择 【J】. 浙江建筑, 2005, 22(6): 54-55.10 李朝青. 单片机原理及接口技术【M】. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005: 34-40.11 谢自美. 电子线路设计实验 测试【M 】. 武汉: 华中科技大学出版社, 2000: 92-97.12 丁璐，李春华，杨戍.火灾探测技术的分析【J 】.煤矿现代化.2007(4):29-31.13 宋文绪. 传感器与检测技术【M】. 北京: 高等教育出版社, 2004.青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 25 -附 录附录一，整体电路图： P1.02345678RST9XGNDEALVCUstcKvr/wendblakMIOQFBWZYf青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 26 -附录二，实物图:青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 27 -附录三，部分源程序代码：主程序：#include#include#includelcd1602.h#includeds18b20.htypedef unsigned char uint;unsigned int num,Temp;uchar Temp_l,frq;bit flag;sbit CSN =P23;sbit MOSI =P22;sbit IRQ =P24;sbit MISO =P25;sbit SCK =P27;sbit CE =P26;uchar TxBuf32=0x01,0x02;/*NRF24L01*#define TX_ADR_WIDTH 5#define RX_ADR_WIDTH 5 #define TX_PLOAD_WIDTH 2#define RX_PLOAD_WIDTH 2 uint const TX_ADDRESS5= 0x34,0x43,0x10,0x10,0x01; /本地地址uint const RX_ADDRESS5= 0x34,0x43,0x10,0x10,0x01; /接收地址/*NRF24L01 寄存器指令*#define READ_REG 0x00 / 读寄存器指令#define WRITE_REG 0x20 / 写寄存器指令#define RD_RX_PLOAD 0x61 / 读取接收数据指#define WR_TX_PLOAD 0xA0 / 写待发数据指令#define CONFIG 0x00 / 配置收发状态，CRC 校验模式以及收发状青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 28 -态响应方式#define EN_AA 0x01 / 自动应答功能设置#define EN_RXADDR 0x02 / 可用信道设置#define SETUP_AW 0x03 / 收发地址宽度设置#define SETUP_RETR 0x04 / 自动重发功能设置#define RF_CH 0x05 / 工作频率设置#define RF_SETUP 0x06 / 发射速率、功耗功能设置#define STATUS 0x07 / 状态寄存器#define OBSERVE_TX 0x08 / 发送监测功能#define CD 0x09 / 地址检测 #define RX_ADDR_P0 0x0A / 频道 0 接收数据地址#define RX_ADDR_P1 0x0B / 频道 1 接收数据地址#define RX_ADDR_P2 0x0C / 频道 2 接收数据地址#define RX_ADDR_P3 0x0D / 频道 3 接收数据地址#define RX_ADDR_P4 0x0E / 频道 4 接收数据地址#define RX_ADDR_P5 0x0F / 频道 5 接收数据地址#define TX_ADDR 0x10 / 发送地址寄存器#define RX_PW_P0 0x11 / 接收频道 0 接收数据长度#define RX_PW_P1 0x12 / 接收频道 0 接收数据长度#define RX_PW_P2 0x13 / 接收频道 0 接收数据长度#define RX_PW_P3 0x14 / 接收频道 0 接收数据长度#define RX_PW_P4 0x15 / 接收频道 0 接收数据长度#define RX_PW_P5 0x16 / 接收频道 0 接收数据长度#define FIFO_STATUS 0x17 / FIFO 栈入栈出状态寄存器设置uint bdata sta; /状态标志sbit RX_DR =sta6;sbit TX_DS =sta5;sbit MAX_RT =sta4;/*长延时*void Delay(unsigned int s)青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 29 -unsigned int i;for(i=0; i0;n-)_nop_();/*函数：uint SPI_RW(uint uchar)功能：NRF24L01 的 SPI 写时序*/uint SPI_RW(uint uchar)uint bit_ctr;for(bit_ctr=0;bit_ctr0;x-)for(y=123;y0;y-);/大概 z*1ms/*-温度显示程序-*/void Disp_te