1.1課題研究背景及意義
在所有災(zāi)害中，火災(zāi)事故是最常見、最廣泛的重大災(zāi)害之一，威脅著群眾的安全以及社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。它威脅著每個人的身心健康，生命和財(cái)務(wù)安全。一旦發(fā)生火災(zāi)，就可以立即將無數(shù)資產(chǎn)變成灰燼，造成的損失大約是地震災(zāi)難的五倍，僅次于干旱和臺風(fēng)災(zāi)害、洪水災(zāi)害。火災(zāi)事故是指因可燃材料著火而造成的災(zāi)難，這些可燃材料會隨著時(shí)間的流逝而失去控制。在古代火種雖然給人們帶來文明的發(fā)、活力和溫暖，但是在失控時(shí)也會給人們帶來巨大的災(zāi)難。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)的飛速發(fā)展，大城市的高層住宅樓，地下樓房和大中型綜合工程樓房也在增加，以至于火災(zāi)隱患也大大增加。因此火災(zāi)事故和造成的破壞總數(shù)正在逐步增加。
實(shí)際上，火災(zāi)事故對社會的發(fā)展會造成很多危害。它不僅會破壞資產(chǎn)并導(dǎo)致公共秩序混亂，而且會直接威脅到人身安全。殘酷的現(xiàn)實(shí)使每個人都應(yīng)該認(rèn)識和了解消防安全的必要性。監(jiān)控系統(tǒng)和即時(shí)報(bào)警系統(tǒng)可以大大減少員工的傷亡，并減少對社會發(fā)展的不必要損害。為了更好地滿足這一需求，開發(fā)了智能火災(zāi)事故自動報(bào)警設(shè)備，并且隨著功能、結(jié)構(gòu)和方法的不斷改進(jìn)，智能火災(zāi)事故自動報(bào)警設(shè)備自身的技術(shù)實(shí)力也在不斷提高。毫無疑問，建立一個功能齊全的自動控制系統(tǒng)和消防設(shè)備對于確保人們的自身安全至關(guān)重要[2]。
隨著電子設(shè)備在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用變得越來越普遍，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已不再是傳統(tǒng)意義上的簡單報(bào)警系統(tǒng)，而是已集成到電子信息技術(shù)。各個行業(yè)的專業(yè)知識，例如設(shè)備的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)最終將獲得快速的發(fā)展趨勢，銷售市場迫切需要一種體積小，穩(wěn)定性高，應(yīng)用簡單的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)自動控制。
2.1設(shè)計(jì)要求
系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為CPU進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)采集溫度，使用4位數(shù)字顯像管顯示溫度值，設(shè)置三個功能鍵調(diào)節(jié)報(bào)警溫度值，當(dāng)溫度超過設(shè)定的上限和下限時(shí)報(bào)警。系統(tǒng)硬件配置電路分為五個部分：溫度電路、鍵盤電路、煙霧A / D轉(zhuǎn)換電路、聲音報(bào)警電路和顯示電路。當(dāng)氣體傳感器檢測到火災(zāi)事故釋放的濃煙時(shí)，數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)腁DC0832將對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以解決位移系數(shù)轉(zhuǎn)換，然后由單片機(jī)設(shè)計(jì)并執(zhí)行解決方案。當(dāng)濃度值超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，將發(fā)出警報(bào)。另外，系統(tǒng)軟件還可以檢查溫度，發(fā)生火災(zāi)時(shí)工作溫度會升高。當(dāng)檢測到溫度超過設(shè)定的警報(bào)溫度時(shí)，發(fā)出警報(bào)。
設(shè)置三個功能鍵，緊急報(bào)警功能鍵，人為報(bào)警和取消報(bào)警，即手動報(bào)警。左邊的第一個是警報(bào)溫度的設(shè)置。按一次進(jìn)入警報(bào)溫度限制設(shè)置。此時(shí)，將執(zhí)行極限溫度設(shè)置并閃爍指示。按兩次進(jìn)入警報(bào)溫度下限設(shè)置，開始下限溫度設(shè)置，閃爍指示。按三次進(jìn)入警報(bào)煙氣濃度值水平設(shè)置。此時(shí)，發(fā)生1，進(jìn)行濃度值水平設(shè)定，并閃爍指示。第二個功能鍵是減小鍵，按1減小。第三個功能鍵是提升鍵，按一次提升鍵1。
2.2總體設(shè)計(jì)方案
更全面地講，本設(shè)計(jì)方案的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由火災(zāi)事故檢測部分（溫度和煙霧傳感器），報(bào)警控制板（微計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)），報(bào)警器和指示部分（數(shù)字顯示管）組成。系統(tǒng)軟件的打字部分、解決部分、輸出部分。火災(zāi)事故檢測部分是基于火災(zāi)事故中的煙霧濃度和蒸汽溫度來實(shí)現(xiàn)的，并將檢測到的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并發(fā)送到控制板，這是單片機(jī)設(shè)計(jì)。單片機(jī)設(shè)計(jì)將在接收到數(shù)據(jù)信號后分析并解析該數(shù)據(jù)信號，以區(qū)分是否超出了報(bào)警系統(tǒng)設(shè)定的值，并在顯示屏上指示當(dāng)前的溫度和煙氣濃度值。如果識別出火災(zāi)事故，警報(bào)系統(tǒng)將在微控制器設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下啟動警報(bào)，以警告發(fā)生火災(zāi)事故。系統(tǒng)框圖如下圖2-1所示：
圖2-1 系統(tǒng)框圖
3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
3.1.1單片機(jī)的最小系統(tǒng)
單片機(jī)的最小系統(tǒng)：就是通過使用最少的元器件使得單片機(jī)可以正常進(jìn)行工作的器件，在此次選擇的單片機(jī)STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)的最小系統(tǒng)主要包括單片機(jī)STC89C52。晶振電路和復(fù)位電路，選擇的單片機(jī)STC89C52微控制器為40引腳雙列直插式集成IC。 MCS-51 MCU具有4個8位I / O端口（分別為P0，P1，P2，P3），每個I / O線都可以多帶帶輸出或輸入。
第9引腳是復(fù)位輸入端子。連接電容，電阻和電源開關(guān)后，就是上電復(fù)位電路了。 20引腳是接地端子，而40引腳是電源端子。晶體振蕩選擇12MHZ。由于微控制器設(shè)計(jì)僅訪問片內(nèi)Flash ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的命令，因此由微控制器設(shè)計(jì)的31引腳連接到高電平VCC[12]。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3-1所示。

圖3-1 單片機(jī)最小系統(tǒng)
3.2DS18B20測溫電路
此次選擇的測溫電路為DS18B20,該測溫傳感器和其它的傳感器相比，具有可直接讀取溫度值，接線簡單的優(yōu)點(diǎn)，接線如下圖3-2所示，如若單線接口的話，只需要一個接口的引腳就可以進(jìn)行通訊。該傳感器可以在三線制上并聯(lián)連接，使得可以構(gòu)成更多的聯(lián)網(wǎng)，他還具有設(shè)置報(bào)警的功能。用戶可以通過報(bào)警的定義進(jìn)行設(shè)置。在電源正負(fù)連接時(shí)，如果連接錯誤，也不會因?yàn)檫^熱而被燒壞，只是不能正常工作而已[13]。

圖3-2 DS18B20測溫電路

3.3.1MQ-2煙霧傳感器工作原理
本設(shè)計(jì)方案采用MQ-2煙霧傳感器。根據(jù)原理，它可以分為電阻型和非電阻型。還有用于半導(dǎo)體材料的N型和P型煙霧傳感器。在檢查過程中，N型電阻值會隨著煙氣濃度值的增加而減小； P型的電阻值隨著煙氣濃度值的增加而增加。該傳感器具有很多的優(yōu)點(diǎn)：靈敏性高、響應(yīng)速度快、使用壽命長、抗干擾能力強(qiáng)。
MQ-2的工作原理為：在檢測到可燃?xì)怏w時(shí)，可燃?xì)怏w被離子吸收在該傳感器的二氧化錫表面，使得降低了二氧化錫的電子濃度，降低了傳感器的電阻值。當(dāng)檢測不到煙霧濃度的時(shí)候，傳感器表面的二氧化錫會自動去修復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使得電阻值可以恢復(fù)到開始的狀態(tài)[14]。
3.3.2MQ-2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo)
MQ-2傳感器具有出色的抗干擾能力，并且可以準(zhǔn)確地除去刺激的和不可燃濃煙的信息內(nèi)容。電路工作中具有很寬的工作電壓范圍，可以低于24V。加熱工作電壓為5±0.2V。 MQ-2傳感器的主要參數(shù)：控制回路工作電壓：（Vc）5?24V；采樣電阻：（RL）0.1?20K;加熱工作電壓：（VH）5±0.2V;制熱輸出功率：（P）約750mW；響應(yīng)速度：Tres <10秒；修復(fù)時(shí)間：Trec <30秒[15]。
3.3.3煙霧傳感器轉(zhuǎn)換電路
煙霧傳感器MQ-2由ADC0832轉(zhuǎn)換，然后連接到MCU端口號。引腳7連接到引腳P3.5，引腳5和6連接到引腳P3.6，煙霧傳感器轉(zhuǎn)換電路如圖3-3所示。

圖3-3 煙霧傳感器轉(zhuǎn)換電路
3.5顯示部分設(shè)計(jì)
在此階段，控制面板使用液晶顯示器更為普遍。 LCD1602顯示主要通過采用點(diǎn)陣取字符的方法進(jìn)行顯示。盡管點(diǎn)矩陣LCD屏幕沒有TFT顯示屏，但它更美觀，更優(yōu)雅，顯示更全面，而且在成本，人工和編碼方面具有很大的優(yōu)勢。因此，當(dāng)不需要使用TFT時(shí)，可以使用LCD1602。根據(jù)應(yīng)用程序，我們可以應(yīng)用已經(jīng)封裝好的英文字母的點(diǎn)陣字符及其數(shù)字的字模，從而進(jìn)一步提高工作效率。可以根據(jù)LED背光源的顏色來改變LED背光源，這將導(dǎo)致不同的顏色標(biāo)識符[18]。自然地，如果選擇純色段LCD屏幕比較容易，但是這種顯示并不適合所有人，并且必須要去模，但是優(yōu)點(diǎn)是易于調(diào)整，而且更加美觀大方。

圖3-5 LCD顯示電路原理圖

4.2主程序流程設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的主流程圖如圖4-2所示。在主程序中：首先對各個模塊進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入while主循環(huán)，在主循環(huán)中，首先進(jìn)入第一個函數(shù)按鍵函數(shù)，該函數(shù)主要分為兩部分，第一部分為調(diào)用按鍵掃描函數(shù)獲取按鍵鍵值，第二部分通過鍵值進(jìn)行相應(yīng)的處理操作，比如切換界面、設(shè)置溫度最大值、煙霧濃度最大值等；緊接著進(jìn)入第二個函數(shù)監(jiān)測函數(shù)，該函數(shù)主要通過調(diào)用溫度檢測模塊和煙霧檢測模塊分別檢測溫度和煙霧濃度；緊接著進(jìn)入第三個函數(shù)顯示函數(shù)，該函數(shù)根據(jù)不同的顯示模式標(biāo)志位，顯示不同的界面，包括主界面顯示溫度、煙霧濃度，其他界面顯示溫度最大值、煙霧最大值、發(fā)送時(shí)間等；緊接著進(jìn)入第四個函數(shù)處理函數(shù)，該函數(shù)首先判斷當(dāng)前溫度、煙霧濃度是否大于最大值，如果大于最大值，則繼電器閉合，進(jìn)行聲光報(bào)警并發(fā)送“火災(zāi)報(bào)警”短信，若火災(zāi)未滅，則一分鐘后再發(fā)送一次“火災(zāi)報(bào)警”短信；最后，通過一個延時(shí)函數(shù)和計(jì)數(shù)公式，限制各函數(shù)掃描時(shí)間。其部分主程序源碼如下所示：

4.3按鍵函數(shù)流程設(shè)計(jì)
按鍵函數(shù)子流程圖如圖4-3所示；按鍵設(shè)置函數(shù)首先通過按鍵掃描函數(shù)，獲取按鍵按下的鍵值，通過不同的鍵值，進(jìn)行相應(yīng)變量的改變。如果獲取的鍵值為1，則切換界面。如果獲取的鍵值為2，在界面1時(shí)，溫度最大值+1；在界面2時(shí)，煙霧濃度最大值+1；在界面3時(shí)，發(fā)送時(shí)間+1。如果獲取的鍵值為3，在界面1時(shí)，溫度最大值-1；在界面2時(shí)，煙霧濃度最大值-1；在界面3時(shí)，發(fā)送時(shí)間-1。其部分程序源碼如下所示：

第五章 仿真測試

proteus仿真圖

系統(tǒng)原理圖及PCB板

原理圖

PCB線路板圖

第六章 系統(tǒng)調(diào)試
6.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
首先要做的是電路焊接，分為十三個模塊，分別是電源模塊、顯示模塊、單片機(jī)模塊、復(fù)位電路模塊、晶振電路模塊、下載模塊、獨(dú)立按鍵模塊、GSM模塊、溫度檢測模塊、煙霧檢測模塊、繼電器帶動負(fù)載模塊、LED和蜂鳴器。單片機(jī)模塊采用了STC89C52芯片；顯示模塊采用LCD1602顯示溫度、煙霧濃度；獨(dú)立按鍵用于調(diào)整溫度最大值、煙霧濃度最大值、發(fā)送時(shí)間；GSM模塊用于給手機(jī)發(fā)送短信；溫度檢測模塊采用DS18B20檢測溫度；煙霧檢測模塊采用MQ-2和ADC0832獲取煙霧濃度；下圖5-1為焊接完整系統(tǒng)圖：

圖6-1 完整焊接系統(tǒng)圖
6.2設(shè)置溫度、煙霧最大值系統(tǒng)測試
如圖5-2-1所示，接入電源，測試一切正常后，此時(shí)顯示當(dāng)前的溫度、煙霧濃度。通過按鍵中的S2“設(shè)置”鍵切換到設(shè)置溫度、煙霧濃度最大值的界面，如圖6-2-2所示。然后通過S4“減”鍵和S3“加”鍵調(diào)整溫度、煙霧濃度最大值，如圖5-2-3所示。此外，在調(diào)整最大值時(shí)，光標(biāo)會閃爍。

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