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基于stc89c52单片机的智能家居防火防盗报警系统protues仿真与keil4编程

摘要

  随着社会的不断进步和科学技术、经济的发展，人们的生活水平得到很大的提高，人们愈加注重人身安全，因而也对防火防盗措施提出了新的要求。

  本设计所做的智能家居控制系统包括室内信息智能监控功能、输入与实时显示功能、声光报警功能等。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一防火防盗报警系统。本设计采用HC-SR501人体红外感应模块、18B20温度传感器和MQ-2烟雾传感器检测信号，然后将信号传送给单片机处理,实现声光报警。该系统通过按键对系统的温度和烟雾的浓度进行初始化设置，利用LED显示模块对系统的温度和烟雾的浓度进行实时显示。该系统结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉，具有一定的实用价值。

关键词：报警器；传感器；单片机

Abstract

  With the continuous progress of society and the development of science and technology and economy, people’s living standard has been greatly improved, and people pay more attention to personal safety. Therefore, new requirements for fire prevention and anti-theft measures have been put forward.
  The design of intelligent home control system includes intelligent monitoring function of indoor information, input and real-time display function, sound and light alarm function, etc… In this paper, a fire alarm system is designed and developed by using single-chip microcomputer combined with sensor technology. This design uses HC-SR501 human infrared induction module, 18B20 temperature sensor and MQ-2 smoke sensor to detect the signal, and then transmits the signal to the MCU to realize the sound and light alarm. The system uses the button to initialize the temperature and smoke concentration of the system, and uses the LED display module to display the temperature and smoke concentration in real time. The system is simple in structure, stable in performance, easy to use and low in price, and has certain practical value.

Keywords: burglar alarm; sensor; single chip microcomputer

第1章 绪论

1.1课题的背景

  我国现代社会经济飞速发展，人们生活水品不断提高，基于国家的十三五发展计划，在党的领导下全面奔小康社会，随着人们不断提高的生活水平，随之而来的使人们对生活质量的提高。其中，防火防盗是重中之重。防火关系到人们自身的生命安全，防盗关系到人们的财产安全。现在市面上的防盗措施仍然是以防盗门、防盗窗为主的传统防盗措施，主要以增加盗贼进入的难度来达到防盗的目的，但是它们不仅笨重，不容易安装，还会影响美观，更为出现事故时人们的逃生带来诸多不便，因此这种防盗方式因为会影响美观还有及时性差已经渐渐不能满足人们对它的要求了。同理，防火也应为人工的及时性差渐渐面临淘汰。随着科学技术的飞速发展，防火防盗的智能化渐渐登上社会舞台。本文论述的报警系统就是基于这样的一个目标而作出的一种基于单片机的，能满足人们日前生活所需的一种能够自动检测火灾和盗窃信息并报警的设备。

1.2 研究的目的和意义

  火灾自动报警系统能够在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量和光辐射等物理量，通过感温、感烟和感光等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，提醒人们注意火灾的发生。我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种简单的、廉价实用的火灾自动报警装置。

  除了火灾给人们带来生命财产安全，意外入侵也时刻威胁着人们的人身安全。从现代人们住宅发展的趋势来看，现代人们住宅主要是向群体花园式住宅区发展，向高空中发展，一般都是一个住宅区有几栋至几十栋以上，但目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅单元，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗报警器进一步完善和提高。本设计就是为了满足现代住宅防火防盗的需要而设计的家庭式电子防火防盗系统。

第2章 系统总体方案设计

2.1 设计要求

  (1)熟悉51单片机集成开发环境，运用C语言编写工程文件；
  (2)熟练应用所选用单片机的内部结构、资源，以及软硬件调试设备的基本方法；
  (3)自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现；
  (4)理解防火防盗报警系统的原理和掌握实现方法。

2.2 方案选择和论证

2.2.1 单片机的选择

  方案一：采用DSP作为系统控制器。DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。DSP具有对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小，容易实现集成，可分时复用，共享处理器，方便调整处理器的系数实现自适应，可用于频率非常低的信号等优点。但DSP硬件电路比较复杂，且价格昂贵，数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。

  方案二：采用单片机作为系统控制器。单片机具有可靠性强、性价比搞、电压低、功耗低等优点得到迅猛发展和大范围推广，单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种逻辑功能，本身带有定时器、计数器，可以用来定时和计数，并且其功耗低，体积小，计数成熟和成本低等优点。

  通过以上两种方案论证和比较，从设计的实用性，方便性和成本出发，选择了以STC89C52单片机作为中央处理单元进行防火防盗报警器的设计。

2.2.2 显示方案的选择

  方案一：采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格虽适中，对于显示数字也最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线少。但是由于数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往会有很多障碍，所以不采用LED数码管作为显示。

  方案二：采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字、图形。显示多样、清晰可见，对于本设计而言，一个1602的液晶屏即可，价格也还实惠，所以此设计中采用LCD1602液晶显示屏作为显示模块。

第3章 系统硬件设计

3.1 整体方案设计

3.1.1 系统概述

  整个系统以STC89C52单片机为核心器件，配合电阻电容晶振等器件，构成单片机的最小系统。其它个模块围绕着单片机最小系统展开。其中包括，烟雾采集传感器选用MQ-2，由于该传感器输出的是模拟信号，因此需要模数转换芯片ADC0832，把模拟信号转为数字信号再传给单片机；温度采集使用DS18B20数字传感器，该传感器通过单总线和单片机相连；人体检测使用HC-SR501模块，该模块完成了信号的检测、放大、比较等处理，最终输出高低电平信号给单片机；显示设备使用1602液晶，可以在屏幕上显示实时烟雾浓度值、温度值，以及开关状态等信息；报警模块则采用蜂鸣器和LED灯组成，三个LED分别代表了入侵报警指示、烟雾报警指示和温度报警指示，无论哪个检测元素超标，蜂鸣器都会鸣叫报警；本设计还有4个按键作为操作输入设备，可以用来调节报警阈值的大小和布防设置；最后是供电采用常用的USB 5V进行供电。

3.1.2 系统框图

3.2 最小系统模块

3.2.1 STC89C52简介

（1）概述
  STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

  STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

（2）主要功能特性
◆兼容MCS51指令系统；
◆8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM；
◆32个双向I/O口；
◆256x8bit内部RAM ；
◆3个16位可编程定时/计数器中断；
◆时钟频率0-24MHz；
◆2个串行中断；
◆可编程UART串行通道；
◆2个外部中断源；
◆共8个中断源；
◆2个读写中断口线；
◆3级加密位；
◆低功耗空闲和掉电模式；
◆软件设置睡眠和唤醒功能；
（3）8051单片机的引脚功能
  MCS-51系列单片机一般采用40个引脚，双列直插式封装，用HMOS工艺制造，其外部引脚排列如图所示。其中，各引脚的功能为:

① 主电源引脚
  VCC（40脚），接＋5V电源正端；
  GND（20脚），接＋5V电源地端；

② 外接晶体或外部振荡器引脚
  XTAL1（19脚），接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器 的输入端。当采用外部振荡器时，此引脚应接地。

  XTAL2（18脚），接外部晶振的另一个引脚。在片内接至反相放大器的输出端和 内部时钟电路的输入端。当采用外部振荡器时，此脚接外部振荡器的输出端。

③ 控制信号线
  RESET（9脚），复位信号输入端，复位/掉电时内部RAM的备用电源输入端。

  ALE（30脚），地址锁存允许/编程脉冲输入，用ALE锁存从P0口输出的低8位地址。在对片内EPROM编程时，编程脉冲由此输入。

  PSEN（29脚），外部程序存储器读选通信号，低电平有效。

  EA（31脚）,访问外部存储器允许/编程电压输入。EA为高电平时，访问内部存 储器；低电平时，访问外部存储器。

④ 多功能I/O口引脚
  8051单片机设有4个双向I/O口（P0、P1、P2、P3），每一组I/O口线都可以独立地用作输入或输出口，其中：

  P0口（32～39脚）——双向口（三态），可作为输入/输出口，可驱动8个LSTTL门电路。实际应用中常作为分时使用的地址/数据总线口，对外部程序或数据存储器寻址时低8位地址与数据总线分时使用P0口：先送低8位地址信号到P0口，由地址锁存信号ALE的下降沿将地址信号锁存到地址锁存器后，再作为数据总线的口线对数据进行输入或输出。

  P1口（1～8脚）——准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。用作输入线时，口锁存器必须由单片机先写入“1”，每一位都可编程为输入或输出线。

  P2口（21～28）——准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。可作为输入/输出口，实际应用中一般作为地址总线的高8位，与P0口一起组成16位地址总线，用于对外部存储器的接口电路进行寻址。

  P3口（10～17脚）——准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。双功能口，作为第一功能使用时，与P1口一样；作为第二功能使用时，每一位都有特定用途，其特殊用途如下表所示：

端口引脚	第二功能	注释
P3.0	RXD	串行口数据接收端
P3.1	TXD	串行口数据发送端
P3.2	/INT0	外中断请求0
P3.3	/INT1	外中断请求1
P3.4	T0	定时/计数器0外部计数信号输入
P3.5	T1	定时/计数器1外部计数信号输入
P3.6	/WR	外部RAM写选通信号输出
P3.7	/RD	外部RAM读选通信号输出

3.2.2 最小系统电路

  STC89C52的最小系统如下图所示，整个最小系统由三个部分组成，晶振电路部分、复位电路部分、电源电路等三个部分组成。

  晶振电路包括2个30pF的电容C2和C3，以及12M的晶振X1。电容的作用在这里是起振作用，帮助晶振更容易的起振，取值范围是15-33pF。晶振的取值也可以是24M，晶振的取值越高，单片机的执行速度越快。在进行电路设计的时候，晶振部分越靠近单片机越好。

  单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

  复位电路由10uF的极性电容C1和10K的电阻R4构成。利用电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电，RESET脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RESET脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。

  最后一个是电源部分，采用5V的USB直接供电，可采用手机充电器、电脑USB口、移动电源等设备进行供电。

  此外，除了单片机最小系统的3个部分之外，这里还多了一些外部电路。

  由于STC89C52的P0口是漏极开路输出，因此在P0口接了一个10K的排阻R1，使得P0口可以作为普通的I/O口使用，本设计用P0口来做液晶的数据口。

  特别注意的是，对于31脚(EA),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行；当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。由于我们的程序存储在了单片机内部，所以EA要接高电平，保证单片机是从内部读取程序去执行的。

3.3 液晶显示电路

3.3.1 1602液晶简介

  液晶显示器是一种显示器件，具有小体积、轻重量、低功耗等特色。由于其功耗低、显示的信息量大（例如，文本，图形，曲线等）、无电磁辐射、使用寿命长，它已被广泛应用在便携式电子产品。

  本系统显示采用了工业字符型液晶模块1602，可显示2行16个字符，能方便显示英文字母大小写、阿拉伯数字、常用符号等。通过自定义还可显示简单的汉字。

  本系统采用的1602是一款物美价廉的液晶显示屏，可以显示2行标准字符，每行共有16个字符。在通信系统，智能操作仪表和办公设备的自动化中被广泛的应用，主要功能是显示ASCII字符，因此被称为“字符型显示装置”。当在内部没有适合的汉字库的液晶类型显示器想要表达汉字的时候，第一步就是要获得想要的汉文或者图形的子模数据。子模块的软件不能直接提取的子模块的数据5×8点阵，可以从手工提取汉字的字体以模具。第二步，把取得的汉字子模数据保存在液晶存储器里面。

  1602液晶分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图所示：

1602LCD主要技术参数：
◆显示容量:16×2个字符
◆芯片工作电压:4.5—5.5V
◆工作电流:2.0mA(5.0V)
◆模块最佳工作电压:5.0V
◆字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm

3.3.2 液晶引脚说明

1602的引脚如下表所示：

编号	符号	引脚说明	编号	符号	引脚说明
1	VSS	电源地	9	D2	数据
2	VDD	电源正极	10	D3	数据
3	VL	液晶显示偏压	11	D4	数据
4	RS	数据/命令选择	12	D5	数据
5	R/W	读/写选择	13	D6	数据
6	E	使能信号	14	D7	数据
7	D0	数据	15	BLA	背光源正极
8	D1	数据	16	BLK	背光源负极

第1脚：接地电源VSS。
第2脚：5V正电源为VDD。
第3脚：VL为液晶显示器对比度调整的端口，对比度的强弱由接电源的不同决定，对比度的调整可以通过一个10k的电位器。
第4脚：RS是寄存器选择，高水平的数据寄存器，低选择指令寄存器。
第5脚：R / W的读和写信号线，高水平低的读操作，写操作。其中RS与R/W的关系决定了当时状态，例如两端共同为0时能够写入命令或者显示其地址，当两端同为1时可以读忙碌信号，当RS为1，R/W为0时能够将数据录入。
第6脚：使能端E，当E端由1至0时，液晶模块中的命令开始被运行。
第7至14脚：D0-D7为8位双向数据线。
第15脚：背光源正极。
第16脚：背光源负极。

3.3.3 指令介绍

清屏指令
指令如下所示

功能：
  1）能够将液晶显示屏删除，就是讲DDRAM所有内容都添加进“空白”的ASCII 码20II；
  2）能够使光标回到原始位置，就是把光标重新摆放回液晶显示屏的左上方；
  3）把地址显示器即AC的数值归位零

3.4烟雾检测模块

3.4.1烟雾传感器的选型

  烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。

  烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：一是利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃 烧烟雾传感器等；二是利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等；三是利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。

  一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：(a)能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；(b)对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；©对检测信号响应速度快，重复性好；(d)长期工作稳定性好；(e)使用寿命长；(f)制造成本低，使用与维护方便。

  下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。

  固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广 泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中有优势。

  接触燃烧式传感器，当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持300°C~400°C的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道烟雾的浓度。

  高分子烟雾传感器，利用高分子气敏材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。

  电化学传感器，由膜电极和电解液封装而成。烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性烟雾检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

  热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。

  红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。 不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃烟雾(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。

  由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。表3-14简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。

  烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。

  使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。

  半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳 定性(使用寿命)。

  经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。

3.4.2 MQ-2型烟雾传感器的工作原理

  半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。半导体气敏传感器的分类如表3-15所示。
表3-15半导体气敏传感器的分类
类型 所利用的特性 工作温度 代表性被检测气体

电阻型 电阻 表面电阻控制器 300～450°C 可燃性气体
体电阻控制器 300～450°C
700°C以上 乙醇、可燃性气体
非电阻型 二极管整流特性 室温～200°C H2、CO、乙醇
晶体管特性 150°C H2、H2S

  本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以 获得这种烟雾存在的信息。

  遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自 动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理，其外观如图3-6所示。

3.4.3 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标

MQ-2型传感器的一般特点
  (a)对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。
  (b)具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。
  (c )具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息。
  (d)电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。

MQ-2型传感器的基本特性
  (a) 灵敏度特性。烟雾传感器在最佳工作条件下，接触同一种烟雾，其电阻值RS随气体浓度变化的特性称之为灵敏度特性，用K表示。K=RS / R0 (2-1)，式中R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电阻值。 虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性K的值也会各有差异，但是它们都遵循同一规律，
logRS = mlogC + n(2-2)，式中m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于烟雾，m值为1/2~1/3；C为检测烟雾的浓度。n为与检测烟雾，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。

  (b) 初期稳定特性。半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电存放时间达到15天左右时，初期稳定时间一般需要5分钟左右。

  ©加热特性。半导体烟雾传感器一般要在较高的温度(200~450°C)下工作，所以需要对其加热。由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相接，当加热丝局部短路造成器件过热或放电时，可能引发事故。所以必须使用传感器生产厂家推荐的加热电压，使其工作在较安全的范围内。MQ-2型烟雾传感器加热电压为5±0.2V，加热电阻为31±3。

MQ-2型传感器的特性参数
  (a)回路电压：(Vc) 5~24V
  (b)取样电阻：(RL) 0.1~20K
  ©加热电压：(VH)5±0.2V
  (d)加热功率：§约750mW
  (e)灵 敏 度：以甲烷为例R0(air)/RS (0.1%CH4)＞5
  (f)响应时间：Tres＜10秒
  (g)恢复时间：Trec＜30秒

3.4.4 烟雾检测模块电路

  烟雾检测模块的电路的连接图如图所示，由于MQ-2输出的是模拟量，因此需要把检测结果通过芯片ADC0832转换为数字量，再传给单片机进行处理。ADC0832是NS(National Semiconductor)公司生产的串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

3.5 DS18B20传感器电路

3.5.1 DS18B20简介

（1）概述
  DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强，易配微处理器等优点，可直接将温度转化成数字信号处理器处理。测量的温度范围是-55°C—125°C。可编程分辨率9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。相较热电偶传感器而言可实现高精度测温。

（2）特性
  独特的1-Wire总线接口仅需要一个管脚来通信；
  每个设备的内部ROM上都烧写了一个独一无二的64位序列号；
  多路采集能力使得分布式温度采集应用更加简单；
  无需外围元件；
  供电范围为3.0V至5.5V；
  温度可测量范围为：-55℃至+125℃（-67℉至+257℉）；
  温度范围超过-10℃至85℃之外时具有±0.5℃的精度；
  内部温度采集精度可以由用户自定义为9-Bits至12-Bits；
  温度转换时间在转换精度为12-Bits时达到最大值750ms；
  用户自定义非易失性的的温度报警设置；
  定义了温度报警搜索命令和当温度超过用户自定义的设定值时；
  与DS1822程序兼容。

（3）管脚定义
  Pin1：(VDD)，可选的电源引脚；
  Pin2：(DQ)，单线运用的数据输入/输出引脚；
  Pin3：(VDD)，接地端，电源负极；

（4）应用领域
  该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等。
  轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。
  汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。
  供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。

3.5.2 时序说明

  单总线信号 DS18B20需要严格的单总线协议以确保数据的完整性。协议包括集中单总线信号类型：复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。

  复位序列，和DS18B20间的任何通讯都需要以初始化序列开始，初始化序列见下图。一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明DS18B20已经准备好发送和接收数据。

  在初始化序列期间，总线控制器拉低总线并保持480us以发出（TX）一个复位脉冲，然后释放总线，进入接收状态（RX）。单总线由5K上拉电阻拉到高电平。当DS18B20探测到I/O引脚上的上升沿后，等待15-60us,然后发出一个由60-240us低电平信号构成的存在脉冲。

  写时序由两种写时序：写1时序和写0时序。总线控制器通过写1时序写逻辑1到DS18B20，写0时序写逻辑0到DS18B20。所有写时序必须最少持续60us，包括两个写周期之间至少1us的恢复时间。当总线控制器把数据线从逻辑高电平拉到低电平的时候，写时序开始（3-10）。

  总线控制器要生产一个写时序，必须把数据线拉到低电平然后释放，在写时序开始后的15us释放总线。当总线被释放的时候，5K的上拉电阻将拉高总线。总控制器要生成一个写0时序，必须把数据线拉到低电平并持续保持（至少60us）。

  总线控制器初始化写时序后，DS18B20在一个15us到60us的窗口内对I/O线采样。如果线上是高电平，就是写1。如果线上是低电平，就是写0。

  读时序，总线控制器发起读时序时，DS18B20仅被用来传输数据给控制器。因此，总线控制器在发出读暂存器指令[BEh]或读电源模式指令[B4H]后必须立刻开始读时序，DS18B20可以提供请求信息。除此之外，总线控制器在发出发送温度转换指令[44h]或召回EEPROM指令[B8h]之后读时序。

  所有读时序必须最少60us,包括两个读周期间至少1us的恢复时间。当总线控制器把数据线从高电平拉到低电平时，读时序开始，数据线必须至少保持1us,然后总线被释放（见图14）。在总线控制器发出读时序后，DS18B20通过拉高或拉低总线上来传输1或0。当传输逻辑0结束后，总线将被释放，通过上拉电阻回到上升沿状态。从DS18B20输出的数据在读时序的下降沿出现后15us内有效。因此，总线控制器在读时序开始后必须停止把I/O脚驱动为低电平15us,以读取I/O脚状态。

3.6 人体红外检测模块

3.6.1 热释电红外传感器的原理

  热释电红外线(PIR)传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件，是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。本设计所用的热释感器就采用这种双探测元的结构。

  热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰 ，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。

  热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达104MΩ，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器来完成阻抗变换。

  热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。

3.6.2 热释电红外传感器的原理特性

  热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。

  人体辐射的红外线中心波长为9–10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2–20um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7–10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而输出电压信号。

3.6.3 HC-SR501模块相关介绍

  本设计采用人体红外感应模块HC-SR501，该模块是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778 红外探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。

使用范围
1、安防产品
2、人体感应灯具
3、人体感应玩具
4、工业自动化控制等

3.7 报警模块

  本设计不但具有检测功能，还具有报警功能。可以给本系统设定烟雾和温度的报警阈值，当测量到的结果大于报警值时，或者检测到有火焰时，都会启动蜂鸣器鸣叫报警，同时电路对应的LED指示灯，达到声光报警的效果。

3.7.1 蜂鸣器的介绍

  蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

  蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。当接通电源后多谐振荡器起振，输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。本设计使用的是电磁式蜂鸣器。

  此外，蜂鸣器还有有源蜂鸣器与无源蜂鸣器的区别。注意这里的“源”不是指电源，而是指震荡源。也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫；而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫，必须用2K-5K的方波去驱动它。本设计使用的是有源蜂鸣器。

第4章 软件设计

4.1 程序语言及开发环境

  C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔实验室的Dennis M. Ritchie于1972年推出，1978年后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件、三维、二维图形和动画，具体应用例如单片机以及嵌入式系统开发。

  Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

4.2 程序流程图设计

4.2.1 总体程序流程图设计

  本系统的软件流程最开始先进行液晶的初始化，包括液晶功能初始化和液晶显示内容初始化，接着就进行报警值的初始化。然后就进入了一个循环处理的过程，包括先读取传感器检测到的烟雾浓度，然后在1602液晶上面显示出来，接着读取温度值，同样的显示到1602液晶上面。然后判断读取到的烟雾浓度和温度值是否大于设定的报警值，以及是否有外人入侵，是的话则点亮对应的报警灯，同时启动蜂鸣器进行声光报警。再往下就是判断设置按键是否被按下，是的话则调整报警值的大小。然后开始新一轮的检测、显示、判断。

4.2.2 液晶程序设计

  液晶开始显示之前，必须先确定一个位置，表示要在哪个地方显示，比如第1行第5列的位置。在完成坐标定位之后就可以开始显示内容了。液晶在显示的时候，是一位一位完成的。比如数字“123”，就会先显示百位的“1”，然后是十位的“2”，最后是个位的“3”。显示字符串的话，也是一样的道理，比如显示“hello”，也是从最开始的字母“h”开始显示，一位一位的完成，直到显示完字母“o”，才完成一次显示任务。要说明的是，每次显示一串字符或一个数字的时候，只需在最开始的时候完成一次定位，之后每显示完一个字符，液晶会自动跳到下一个位置的，无需每个字符都定位一次。

4.2.3 模数转换程序设计

  读取ADC0832芯片的采集数据之前，单片机要先发一个起始信号给ADC芯片，由于ADC0832有两路AD转换通道，因此还需要发一个通道选择信号，告诉ADC芯片要选择哪个通道进行转换。之后就进行采集结果的读取，ADC芯片会返回2字节数据，第1字节是进行正向传输，第2字节是反向传输，之所以要进行两次的传输，是因为可以把这两字节数据进行校验，以判断传输是否出错。最后把读取的AD结果返回给主函数。

4.2.4 温度传感器程序设计

  读取温度值的流程图如图4-4所示，首先是初始化传感器，相当于是一次复位的过程，由于本设计只接了一个传感器，因此无需区别传感器的序列号，直接发一个指令0xcc跳过ROM寻找，接着发一个0x44的指令给传感器，让传感器启动温度转换。然后再次复位传感器,接着还是一样的跳过ROM指令0xcc，再往下就是发0xbe给传感器准备读取传感器的检测结果，最后就是读取传感器返回的检测结果。

第5章 系统调试

5.1 元器件的选择与测量

  本次设计的元器件主要有：单片机、晶振、电阻、电容、按键、开关、电源座、三极管、蜂鸣器、温度传感器、烟雾传感器、红外热释传感器、数模转换芯片、液晶等。这些元器件的引脚需要我们认真查找资料，了解每个器件的特性再进行焊接。这些元器件直接根据型号到电子元器件市场就很容易买到。其中焊接时要注意元件正负极性，电阻电容大小、芯片引脚顺序等细节。一般电阻的大小可以通过色环读取，或直接用万用表进行测量；电容和晶振等的大小会标准在元件本身；元件的正负可以遵循长正短负的原则，一些特殊元件可以通过查找资料获知正负极。

5.2 元件的焊接与组装

  组装电路通常采用焊接和在面包板上插接两种方法，无论采用哪种方法均应注意以下几方面。

  (1)所有元器件在组装前应尽可能全部测试一遍，以保证所用元器件均合格。

  (2)所有集成电路的组装方向要保持一致，以便于正确进行焊接合理安排布线。

  (3)分立元件时应仔细辨明器件的正反向，标志应处于比较容易观察的位置方便检查和调试。对于有正负极性的元件，例如电解电容器、晶体二极管等，组装时一定要特别注意极性，否则将会造成实验失败。

  (4)为了便于焊接查线以及后期的检查电路，可根据电路中接线的不同作用选择不同颜色的导线。一般习惯是正电源用红色线、负电源用蓝色线、地线用黑色线、信号线用黄色线等。当然使用一种颜色也是可以的。

  (5) 在实际焊接中连线需要尽量做到排版简洁连线方便。连线不跨接集成电路芯片上，必须从其周围通过。同时应尽可能做到连线不相互穿插重叠、尽量不从电路中元器件上方通过。

  (6)为使电路能够正常工作与调测，所有地线必须连接在一起，形成一个公共参考点。正确的组装方法和合理的布局，不仅可使电路整齐美观、工作可靠，而且便于检查、调试和排除故障。如果能在组装前先拟订出组装草图，则可获得事半功倍之效果，使组装既快又好。

5.3 电路的调试

  调试是指系统的调整、改进与测试。测试是在电路组装后对电路的参数与工作状态进行测量，调整则是在测试的基础上对电路的某些参数进行修正，使满足设计要求。在进行调试前应拟订出测试项目、测试步骤、调试方法和所用仪器等，做到心中有数，保证调试工作圆满完成。

5.3.1 调试方法

  调试方法原则有两种。第一种是边安装边调试的方法。它是把复杂的电路按原理框图上的功能分成单元进行安装和调试，在单元调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完成整机调试。这种方法在新设计的电路中比较常用。第二种方法是在整个电路系统全部焊接完毕后，实行一次性调试。这种方法比较适用于电路相对来说比较简单，系统不复杂的电路调试。

5.3.2 调试步骤

（1）通电前检查
  电路焊接完毕后, 不要急于通电，首先要根据原理电路认真对照检查电路中的接接线是否正确，包括错线（连线一端正确、另一端错误），少线（安装时漏掉的线），多线（连线的两端在电路图上都是不存在的）和短路（特别是间距很小的引脚及焊点间），并且还要检查每个元件引脚的使用端数是否与图纸相符。查线时最好用指针式万用表“Ω×1”档进行检查, 或是用数字万用表“Ω”档的蜂鸣器来测量，而且要尽可能直接测量元器件引脚，这样同时可以发现接触不良的地方。

（2）通电观察
  在电路安装没有错误的情况下接通电源（先关断电源开关，待接通电源连线之后再打开电路的电源开关）。但接通电源后不要立即进行电路功能的测试，首先要充观察整个电路有无异常现象，电路中元器件是否有发热烧坏等现象，是否有漏电现象，电源是否有短路和开路现象等。如果电路在测试过程中出现异常，首先应该立即关闭电源，检查后排除故障再重新通电测试。然后再按要求测量各元器件引脚电源的电压，而不只是测量各路总电源电压，以保证元器件正常工作。

（3）单元电路调试
  在调试单元电路时应明确本部分的调试要求。调试顺序应按照电路原理图中信号流向进行，这样可以把整个电路进行分步调试，把前面调试好的电路的输出信号作为后一级电路的输入信号。从而保证电路的调试更加顺利方便。
单元调试包括静态和动态调试。静态调试一般是指在没有外加信号的条件下测试电路各点的电位，特别是有源器件的静态工作点。通过它可以及时发现已经损坏和处于临界状态的元器件。动态调试是用前级的输出信号或自身的信号测试单元的各种指标是否符合设计要求，包括信号幅值、波形形状、相位关系、放大倍数和频率等。对于信号产生电路一般只看动态指标。把静态和动态测试的结果与设计的指标加以比较，经深入分析后对电路与参数提出合理的修正。在调试过程中应有详尽记录。

（4）整机联调
  各单元电路调试好以后，并不见得由它们组成的整体电路性能一定会好，因此还要进行整体电路调试。整体电路调试主要是观察和测量动态性能，把测量的结果与设计指标逐一对比，找出问题及解决办法，然后对电路及其参数进行修正，直到全部电路的性能完全符合设计要求为止。

第6章 总结

  本次设计任务——基于单片机的防火防盗报警系统虽然不是新的，但从中能体现到一个系统开发设计的过程，足于让我们受益。能够从设计、论证、制板、编程到最终的调试成功。完成整个系统的设计，这是一次难得的实践机会。

  理论联系实践，体现出大学生的动手能力。通过查资料和收集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动接受知识转换为主动寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大突破。在以往的传统学习模式下，我们可能会记住很多书本知识，但是通过毕业设计，我们学会了如何将学到的知识化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题，把握重点，攻克难关，活学活用。

  设计论证和完成本次设计的过程，将单片机原理、C语言程序、模拟电路基础与数字电路基础等多门课程的内容有机地结合应用在了一起。通过实际的分析与应用深化了对这些主干知识的认识。此外掌握了从系统的需求、方案论证、功能模块的划分、原理图的设计和绘制、PCB板制作、程序设计到软硬件调试的设计流程，积累了硬件设计的经验。单片机的功能日益强大，但其基本原理是相对不变的。因此虽然本次设计任务的功能较为简单，但是能够较全面的涉及单片机各项基本知识，提高了自己的单片机设计能力，是一次将理论能力向实践能力转化的好机会。

  通过这次设计，深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了学习成果。虽然在这次设计中对知识的运用和衔接还不够熟练。但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，今后我将不断加深理论基础和实践能力，在以后的工作学习中取得更大的进步。
在设计过程中由于时间仓促有很多地方难免存在不足之，但在以后的工作中，我们会严格要求自己最求完美。回头再看看该设计，还可以扩展设计的功能，比如加上自动灭火设备、短信通知、无线数据传输等，都可以提高本设计的适用范围。