基于单片机的家庭火灾警报系统设计

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摘要- I

ABSTRACT II

1  绪论- 1

1.1  研究背景- 1

1.2  研究意义- 1

1.3  国内外研究现状- 2

1.3.1  国内研究现状- 2

1.3.2  国外研究现状- 2

1.4  研究内容- 2

2  系统方案设计- 4

2.1  功能性需求分析- 4

2.2  系统设计思路- 4

2.3  系统总体框图设计- 5

3  系统硬件设计- 6

3.1  主控芯片模块- 6

3.2  烟雾传感器模块- 7

3.3  温度传感器模块- 9

3.4  火焰传感器模块- 10

3.5  GSM通信模块- 11

3.6  声光报警模块- 14

3.7  危险处理装置模块- 14

3.7.1  通风风扇模块- 14

3.7.2  电源切断模块- 15

4  系统软件设计- 16

4.1  开发环境- 16

4.2  主程序设计- 17

4.3  信号采集子程序设计- 18

4.4  系统报警子程序设计- 19

5  系统实现与测试- 20

5.1  系统实现- 20

5.2  系统功能测试- 21

5.2.1  GSM电话号码录入测试- 21

5.2.2  传感器阈值设定测试- 22

5.2.2  报警装置和危险处理装置的测试- 23

5.3  系统测试结果分析- 28

6  总结与展望- 29

6.1  总结- 29

6.2  展望- 29

参考文献- 31

致谢- 33

                                                              

摘  要

随着当前快节奏的生活方式，采用传统的家庭安全防范措施已经不能满足现代人的需求，在这样的背景条件下，需要对家庭安防系统重新设计，以满足现代人的需求，因此研究家庭火灾警报系统具有重要的研究意义。

本文基于物联网技术的发展，设计出一款家庭火灾警报系统，建立了一个以GSM通信模块通过短信发出火灾警报的系统，从而促使家庭火灾警报的智能化得到进一步的升级。整个系统采用的是以STC89C52RC单片机作为系统的主控器。由传感器模块检测家庭内温度、烟雾和火焰的含量是否超标，超标后经过STC89C52RC单片机的处理，开启声光报警，同时将警报信息经过GSM通信模块发送到用户手机终端，并及时启动相应的处置装置，切断室内电源，启动通风风扇。无线通信模块采用GSM技术，将单片机控制器的处理结果发送到手机终端。

整个系统使用户无论是否在家都可以了解到室内情况，从而达到了远程监控房屋是否有火灾发生、避免火灾扩大，帮助室内有可能存在的人员及时安全撤离的目的，该系统对实际应用具有理论指导意义。

关键词：STC89C52RC  远程监控  GSM

ABSTRACT

With the current fast-paced lifestyle, the use of traditional home safety precautions can no longer meet the needs of modern people. Under such background conditions, it is necessary to redesign the home security system to meet the needs of modern people. Therefore, research on family fire alarms the alarm system has important research significance.

Based on the development of Internet of Things technology, this paper designs a home fire alarm system and establishes a fire alarm system with GSM communication module to send out a short message, so as to further upgrade the intelligence of home fire alarm. The whole system uses STC89C52RC MCU as the main controller. The sensor module detects whether the temperature, smoke and flame content in the home exceed the standard. After the standard is processed by STC89C52RC single-chip microcomputer, the alarm signal is sent to the user's mobile phone terminal through the GSM communication module. The sound and light alarm is turned on, and the corresponding treatment device is started in time, the indoor power supply is cut off and the ventilation fan is started. The wireless communication module uses GSM technology to send the processing results of the SCM controller to the mobile phone terminal.

The whole system is that the user can know the indoor situation whether at home or not, so as to achieve the purpose of remote monitoring whether there is a fire in the house, to avoid the expansion of the fire, and to help the indoor personnel who may exist to evacuate safely in time. The system has theoretical guiding significance for the practical application.

Keywords: STC89C52RC  controlling by long distance  GSM

1  绪论

1.1  研究背景

进入到二十一世纪以来，一方面，随着科学技术的快速发展以及人民生活水平的不断提高，电子信息产业得到了长足的发展......

另一方面，随着人们对日常生活的实际需求......

1.2  研究意义

早在二十世纪初期，外国学者就提出过家庭安全与防护系统的概念，经过一个世纪的发展，这种家庭安防系统已经发展到智能化水平。随着科学技术的发展......GSM技术可以使得家庭防火系统的实时性与报警功能更加健全[2]。随着......

1.3  国内外研究现状

1.3.1  国内研究现状

目前，我国的火灾报警系统的开发和生产已经有了很大的飞跃。在大约九十年代，我国的火灾警报系统研究才刚刚起步。我国曾与很多合资企业达成合作，在产品上有一定的突破，一些技术标准也已经符合了国际标准。但是，那时候的产品与国外产品相比，技术含量仍有欠缺，社会认可度也不高。然而......

在当前，国内关于火灾报警系统的研究已经处于.......

1.3.2  国外研究现状

国外对于家庭安防系统的设计与研究要早于国内近20年。从世界范围来看......。

目前，国外对于火灾报警系统的研究的主要以传感器的精准测量来实现火灾的报警，......国外针对房屋环境的信息量的测量，综合房屋信息及时反馈给控制器，充分利用计算机的数据处理能力以及互联网通信的功能优势......

近年来，国外采用无线通信方式的......

1.4  研究内容

（1）本系统是由硬件部分和软件部分这两个部分组成。

（2）本系统的功能是当业主在休息、娱乐或没人在房屋里的时候，能够提前告知房屋的主人屋内有火灾隐患或火灾已发生的状况。当设备打开时，设定在无人看管的状态下的警报系统的各个探测器开始工作，当检测到屋内的温度值、每立方米的可燃气体或烟雾含量值和火焰趋势发生变化时，向处理器传送信号，判断经过处理器处理过后的信号是否超过系统设置的门限值。如果室内环境处于正常状态，则表明无火灾隐患。如果有检测数据超标，那么说明在室内有可能发生天然气泄漏、插排短路起火等危险情况，那么在这种情况下......

（3）在生活中，单纯的声光警报器已不能满足实际的警报需求，发现险情后给手机自动发送消息的功能是室内无人时最好的提醒方式。所以，当传感器检测到危险发生时，GSM通信模块向房屋的主人发送警报信息......

（4）当有火灾情况发生时，尽管会通过GSM通信模块以及声光报警器报警来及时的通知到业主以及周边人员。但是考虑到如果在火情发生时室内居住有老人与小孩需要及时疏散和撤离，为了避免室内人员因燃烧产生的有毒气体而中毒，系统设计相应的可行性措施。当发生火灾时......

2  系统方案设计

2.1  功能性需求分析

通过查阅国内外文献，分析国内家庭安防系统的研究现状，最终设计节约、智能化的家庭火灾警报系统，系统需要实现的功能如下。

（1）数据的采集功能

本系统需要通过传感器对室内温度、烟雾浓度等数据的实时监测，对室内是否有火灾隐患和已经发生火灾的数据进行采集......。

（2）控制器的处理功能

STC89C52RC单片机作为整个系统的控制器，需要接收传感器实时检测到的室内数据，并且可以根据不同的使用地点控制室内环境检测的正常阈值。通过多个数据的值与设定正常阈值的对比，判断出当前屋内是否有火灾隐患或已经发生火灾，并及时做出相应指令......。

（3）完善的报警功能

在家居环境内有火灾隐患或火灾已发生时，不仅需要提供对室内人员的报警，还要考虑到室内无人员情况下对户主的移动设备的及时报警......。

（4）危险处理的功能

系统在可以提供报警的同时，也需要提供对室内人员的保护措施，以助于人员的疏散和撤离以及后期的救火人员的救火工作的顺利开展......。

2.2  系统设计思路

本系统的是由传感器检测端对室内三个环境变量进行检测，实时检测温度、可燃气体与烟雾在空气中的含量以及火焰程度，设定三个变量在正常情况下的参考值，当三个变量变化明显，系统会将检测到的微弱的信号传输到单片机控制器，单片机控制器对检测信号进行放大等处理，然后判断其气体含量是否超标、温度是否超标......

基本工作原理是：首先通过矩阵按键设定传感器检测阈值，可燃气体或烟雾、温度和火焰传感器一直对环境实时监测并在显示屏中实时显示，当烟雾含量或室内温度过高或火焰过大时，该信号将会通过放大电路，滤波电路传送给MCU......

2.3  系统总体框图设计

本系统的电路的硬件部分由几个电路所构成：温度、烟雾和火焰传感器电路、STC89C52RC单片机控制电路、GSM短信模块电路及火灾警报电路等[7]。房屋主人的手机在这个系统中起到了接收前面采集的信息的作用，无论身处何方都可以做到对家中的情况随时掌握，对家中是否有火灾情况的发生起到远程监控的效果。当有火灾发生时......

系统总体框图如图2-1所示。

图2-1  系统总体框图

3  系统硬件设计

3.1  主控芯片模块

STC89C52RC单片机在市场上使用广泛，且有着强大的实现功能。在单芯片上，它拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，512字节RAM，32位I/O口线，最高运作频率为35MHz，并且，此单片机功耗低......

STC89C52RC单片机与STC89C52单片机相比较，有以下优点。

（1）支持STC的串行下载模式可以使下载程序更加便利；

（2）......；

（3）......；

（4）......；

（5）......；

（6）.......；

（7）.......。

STC89C52RC单片机实物图如图3-1所示。

图3-1  STC89C52RC单片机实物图

该系统的其它元件只有等单片机正常工作之后才能进入正常工作状态，因为STC89C52RC单片机是该系统的核心控制元件。本设计主控器件能够......。

复位电路通过与单片机的复位引脚RST进行连接......。

对于晶振电路的设计，其构成是由Y1晶振源和两个滤波电容C1、C2组成。晶振源选取的是......。

最小系统原理图如下图3-2所示。

 图3-2  最小系统原理图

3.2  烟雾传感器模块

MQ-2型烟雾气敏传感器被用来测量每立方米空气中可燃气体或烟雾的含量。他根据烟雾在空气中的浓度改变自己的电阻，转压或者转流之后，输出可以被单片机......。

MQ-2型烟雾气敏传感器由二氧化锡半导体气敏性材料制成，在高温下，这种材料会自动吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，造成材料中电子密度变少，从而增加......。

在这个传感器中信号取出需要4个管状引脚，提供加热电流需要2个，这6个引脚全部来自封装好的气敏元件。综合来看，该款传感器......。MQ-2型烟雾气敏传感器如图3-3所示。

  图3-3  MQ-2型烟雾气敏传感

在厌恶检测模块中，U4单元为负责检测室内的可燃气体与烟雾含量烟雾传感器的电路。U5单元为AD模数转换电路，由于单片机只能识别数字量信号，......。烟雾检测模块引脚连接图如图3-4所示。

 图3-4  烟雾检测模块引脚连接图

3.3  温度传感器模块

本系统所采用的温度检测传感器型号为DS18B20，该温度传感器是一种以单总线进行传输的温度检测芯片。通常DS18B20温度传感器与上位机......。

本系统采用DS18B20温度传感器是因为其具有较好的检测精度，误差一般不超过正负0.5℃，它的最小工作温度为-55℃，最大工作温度为+125℃，电源电压为3V~5.5V。DS18B20温度传感器的内部结构主要分为ROM数据存储单元......。

除此之外，这种64位序列号寻址方法可以扩展传感器，......。DS18B20温度传感器实物图如图3-5所示。

  图3-5  DS18B20温度传感器实物图

温度传感器采用DS18B20芯片对室内温度进行采集。通过引脚2将温度信息传输到单片机......。DS18B20温度传感器引脚连接图如图3-6所示。

 图3-6  DS18B20温度传感器引脚连接图

3.4  火焰传感器模块

火焰传感器是火灾警报系统不可缺少的传感器之一，它是用来检测火焰大小，或火焰亮度的传感器。物体在燃烧时产生的火焰含有的杂质各不相同，导致它产生不同的辐射强度和波长。普通的火焰传感器可以探测波长在760nm到1100nm之间的火焰，其灵敏度......。火焰传感器模块实物图如图3-7所示。

 图3-7  火焰传感器实物图

火焰传感器模块特色如下。

（1）常见的火焰传感器可以探测波长在760nm到1100nm之间的火焰，因此探测范围是比较精准的。

（2）......。

（3）可根据实际情况，......。

（4）......能力强等优点。

（5）工作电压......。

（6）输出......。

（7）尺寸也比.....。

（8）使用寿命......。

本系统的火焰传感器模块中，U3单元即为火焰传感器。引脚接线如下图所示，......。火焰传感器引脚连接图如图3-8所示。

 图3-8  火焰传感器引脚连接图

3.5  GSM通信模块

SIM800L模块主要由三部分组成：GSM模块、ZIF连接器和天线接口。该模块的功能是将硬件电路直接集成到芯片中......。SIM800L模块如下图3-9所示。

 图3-9  SIM800L模块

GSM模块内含有GSM基带处理器、无线收发模块、......。GSM模块功能结构框图如下图3-10所示。

 图3-10  GSM模块功能结构框图

SIM800L芯片所默认的是8位数据传输的串行通信方，它可以手动自动随意切换,因为它的波特率一般在......。

AT指令及PDU工作模式如下。

（1）AT指令简介

采用RS-232连接控制器与GSM模块，采用AT指令来实现相互间的通信。常用的一些短信息命令如表3-1所示。

（2）PDU编码协议格式

数据包的传送是GSM03.04的标准进行规范的，并且传送的顺序是以短信息中心地址、PDU类型、信息附注、目的地址、协议鉴别符、数据编码表、....。PDU编码说明如表3-2所示。

GSM通信模块采用芯片SIM800L的标准AT命令窗口可以实现GSM的短信息功能。通过引脚P31，单片机将室内环境信号传输给SIM800L，在需要报警时单片机发送指令，.....GSM通信模块引脚连接图如图3-11所示。

图3-11  GSM通信模块引脚连接图

3.6  声光报警模块

本系统的报警器使用的是LED-1101J声光报警器，次报警器具备声光旋转报警灯以及高分贝蜂鸣器提供警报，灯罩坚固、安全可靠......。声光报警器实物图如图3-12所示。

图3-12  声光报警器实物图

声光报警模块中，J1声光报警器的电源由外接的12V电源配置器提供，......。声光报警电路如图3-13所示。

图3-13  声光报警引脚连接图

3.7  危险处理装置模块

3.7.1  通风风扇模块

在有火情发生时，可燃物的燃烧产生的一氧化碳等有毒物质可致人中毒甚至死亡，所以风扇的转动，可以使室内空气得以流通。整个......。通风风扇电路如图3-14所示。

图3-14  灭火风扇电路

3.7.2  电源切断模块

电源切断电路设计如下，当有火灾发生，室内的电源如果不断开，那么有可能会引起电火，这会增大火势的蔓延，增大救火难度......。LED连接方式如图3-15所示。

图3-15 
LED连接方式

4  系统软件设计

4.1  开发环境

基于单片机的家庭火灾警报的系统设计使用的开发软件为Keil μVision5开发系统，Keil μVision5软件是功能强大的集成开发调试工具，也能为系统提供丰富的库函数，全Windows界面，开发人员可以方便的对编写内容进行运行调试......。Keil μVision5开发界面如图4-1所示。

图4-1  Keil μVision5开发界面

4.2  主程序设计

火灾预警系统的主程序的工作原理是：当系统通电后，系统会先进行初始化操作，以消除外部干扰，保证所有的部件都进入......。

单片机根据传感器的检测信号，判断其是否超出设定的温度值、烟雾浓度值和是否有火焰产生，若有超出阈值的信号输入......。

开启报警电路和危险处理装置电路后，系统会根据传感器实时的检测值判断报警电路和危险处理装置电路是否可以结束......。主程序工作流程图如图4-2所示。

图4-2  主程序工作流程图

4.3  信号采集子程序设计

本系统中采用了MQ-2烟雾传感器、温度传感器和火焰传感器来采集所需的信号。在检测开始前，通过设定阈值......。信号采集电路流程图如图4-3所示。

 图4-3  信号采集电路流程图

4.4  系统报警子程序设计

当系统通电开启时，火灾报警系统会对当时现场检测到的温度和烟雾气体的数据进行采集和判断，这个过程是实时持续进行的，......。

综合对比三个传感器采集到的现场温度、烟雾和火焰信号，将这三个信号进行比较判断，若发生异常时，寄存器的变量为1，否则为0。根据现场温度、烟雾气体浓度和火焰是否产生的寄存器变量状态，可以判断现场的情况：......。

该系统中的警报信息发送是连接到GSM通信模块的发送引脚11，对应单片机STC89C52RC的P3.1的IO端口，且此端口为高电平......，短信报警电路流程图如下图4-4所示。

图4-4  报警电路流程图

5  系统实现与测试

5.1  系统实现

首先在制作实物之前，按照选择的器件型号画出正确的硬件原理图，确认各个引脚的正确连接方式，......。

基于单片机的家庭火灾报警系统实现如图5-1所示。整个系统中1为STC89C52RC单片机，是整个系统的核心器件；2为火焰传感器，用以检测室内是否有火焰存在；3为温度传感器，用来检测室内温度；4为烟雾传感器，可以测量室内烟雾浓度；5为显示器，用来显示实时温度和气体浓度值等系统；6为GSM通信模块，用于发送警报短信；7为声光报警器，用于提供高分贝的声音报警和警示灯报警；8为通风风扇，用于室内通风，防止室内人员因燃烧产生的毒气而中毒；9为接收报警短信的移动手机设备。

 图5-1  基于单片机的家庭火灾报警系统实现

5.2  系统功能测试

在系统实物成功制作完成后，在现有实验条件下，对温度、火焰、可燃气体或烟雾浓度的数据变化进行测试......。

5.2.1  GSM电话号码录入测试

在USB电源通电后，系统启动，小灯正常亮起，......。GSM模块手机号录入如图5-2所示。

图5-2  GSM模块手机号录入

GSM手机号录入代码关键代码如下。

 

5.2.2  传感器阈值设定测试

接下来通过按键对温度传感器阈值调为45℃，对烟雾传感器阈值调为30%，......。设置传感器阈值如图5-3所示。

图5-3  设置传感器阈值

以温度传感器为例，设置传感器阈值的关键代码如下。

 

5.2.2  报警装置和危险处理装置的测试

（1）当有火焰出现时，火焰传感器对火焰正常检测，并且单片机发送指令到继电器，控制声光报警器电路和电源切断电路，达到启动声光报警、切断电源开关小灯熄灭的目标，检测到火焰的相应处理如下图5-4所示。

图5-4  检测到火焰的相应处理

（2）当室内温度超过预设阈值时，温度传感器将信号传输到单片机，显示屏正确显示当前温度，并且声光报警器报警，切断电源开关小灯熄灭，温度超过阈值的显示和处理如下图5-5所示。

图5-5  温度超过阈值的显示和处理

（3）当可燃气体或烟雾传感器检测到室内气体含量超过预定阈值时，传感器将信号传输到单片机，显示器正确显示当前室内烟雾浓度，并且声光报警器报警，切断电源开关小灯熄灭，烟雾含量超过阈值的显示和处理如图5-6所示。

 图5-6  烟雾含量超过阈值的显示和处理

判断测试值是否阈值的关键代码如下。

 

（4）当烟雾、温度、火焰传感器同时检测到超过预设阈值的信号时，可以确定火灾发生，显示器实时显示当前室内温度与可燃气体、烟雾浓度，声光报警器报警，通风风扇启动，GSM模块向预设电话号码中发送报警信息。报警系统和应急处理模块启动如图5-7所示，GSM模块信息发送成功如下图5-8所示，户主接收到报警信息如下图5-9所示。

图5-7  报警和应急处理模块启动

  

图5-8  GSM模块信息发送成功         图5-9  户主接收到报警信息

系统的核心代码如下。

 ......

5.3  系统测试结果分析

基于单片机的家庭火灾警报系统经过测试，上电后显示屏各项数据显示正常，按键功能正确，各传感器正常工作，......。

此系统的主要作用体现在火灾发生的初期，通过温度传感器、火焰传感器和烟雾传感器将火灾产生时的模拟信号转换为......。

家庭火灾警报系统的根本目的就是为了在火灾发生的初期就检测到它的发生，让户主有更多的时间采取措施，......。

6  总结与展望

6.1  总结

本论文在当前火灾警报技术的基础上，主要是对家庭火灾警报这一部分进行细致的研究。尤其是基于通信技术.......。

基于单片机的火灾报警系统中，火灾检测及报警是本文主要研究的核心内容，STC89C52RC作为主控器，在室内接入烟雾传感器......。

当检测信号超过阈值时，系统自动认为处于紧急状态。当温度传感器和烟雾传感器检测值超标，表示有可能发生火灾，此时声光报警器......。

6.2  展望

在居于单片机的家庭火灾警报系统中，受到传感器分布范围不广，检测距离较短等因素影响，系统也存在一定的不确定性.......。

随着物联网以及5G通信技术的发展，未来家庭安防系统的研究与发展将会更加全面与智能，本文是针对火灾进行分析，......。

 参考文献

......

致  谢

四年的在校生活在这......。

本论文是在指导老师的热情......。

本次论文撰写过程中我也学会了很多......。

最后，我要再次对关心、帮助、支持和鼓舞激励我的领导、老师和同学们表示我真诚的感谢。

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本文标签： 警报单片机火灾家庭系统