引言隨社會不斷地進步，隨著人類社會的發(fā)展，電力、煤氣、易燃的化學材料充斥在生活的每個角落，給人們的生活帶來便利的同時也伴隨著安全隱患。1.1研究的背景在遙遠的過去，人類祖先發(fā)現(xiàn)了火，將它發(fā)展成生活中的工具。但所有的事物都是一把雙刃劍，火也給人類帶來很多煩惱，我們把它稱為“火災”?；馂牟]有隨著科技的發(fā)展而消失，直到今天，人類也無法完全避免火災的發(fā)生。一根未熄滅的香煙，就可能引發(fā)一場能夠造成巨大經(jīng)濟損失的火災，甚至是帶走人類的生命，這樣因大意或疏忽而引起火災的例子在生活中比比皆是。據(jù)消防救援局發(fā)布的2020年全國火災統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年全國發(fā)生火災25.2萬多起，，死亡1183人，受傷775人，直接財產(chǎn)損失40.09億元。從火災亡人的場所分布看，全年共發(fā)生居民住宅火災10.9萬起，占火災總數(shù)的43.4%，造成917人死亡、499人受傷，分別占總數(shù)的77.5%和64.4%，特別是發(fā)生較大火災38起，占總數(shù)的58.5%，多數(shù)為一家老小在火災中傷亡，成為影響火災整體形勢的重要部分。隨著電子科技的不斷發(fā)展，自動火災報警監(jiān)控系統(tǒng)成為火災預警和撲滅火災的重要工具，優(yōu)良的火災報警監(jiān)測系統(tǒng)可以有效降低火災發(fā)生的幾率，大大減少火災造成的人員傷亡和直接的經(jīng)濟損失，并且可以24小時不間斷地進行火災防控，有效的彌補了人力防控火災的不足?；谏鐣馂膱缶O(jiān)測系統(tǒng)的切實需求，本課題設計的火災報警監(jiān)測系統(tǒng)將會更易投入家庭使用。1.2研究的現(xiàn)狀隨著科技的不斷發(fā)展，煙霧警報系統(tǒng)也在不斷地進化，人們把煙霧警報系統(tǒng)分為五大階段。從最開始的溫度式、煙霧式的煙霧警報系統(tǒng)，到現(xiàn)在逐步走向智能化、自動化的計算機智能型、計算機大數(shù)據(jù)型的火災監(jiān)測系統(tǒng)，在這期間發(fā)生過無數(shù)的更新以及技術迭代?；馂淖詣訖z測系統(tǒng)主要包括感煙火災自動探測、感溫火災自動探測、火焰自動探測、氣體火災自動探測等。在國外，20世紀80年代左右，隨著電子科技、經(jīng)濟水平、建筑科學等技術的迅速發(fā)展，開始興起了煙霧警報系統(tǒng)。國外煙霧警報系統(tǒng)從實際需求出發(fā)，融入了高新科學技術，致力于減少誤報幾率、提高靈敏度、提高檢測范圍，煙霧警報系統(tǒng)因此得到了迅速的發(fā)展。目前在國外市場上煙霧警報系統(tǒng)有兩種，一種是非智能煙霧警報系統(tǒng)，采用電子元件進行火災報警，科技含量不高，但成本低，能夠滿足火災防范的基本需求，因此在家庭和小型建筑內(nèi)廣泛采用；另一種是智能化的煙霧警報系統(tǒng)，采用高新科學技術及人工智能，高級硬件配置和軟件支撐，能夠精確的對火災發(fā)生進行報警，同時具有先進的尋址功能，并聯(lián)動控制滅火設備進行自動滅火。高端的煙霧警報系統(tǒng)發(fā)展方向是模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡算法，擁有諸多優(yōu)點，該技術是未來發(fā)展的方向。美國、德國、日本、瑞士等在煙霧警報系統(tǒng)的發(fā)展非常成熟，以瑞士為例，瑞士西伯樂斯公司是世界上具有領先的火災報警技術之一，發(fā)明了世界上第一個可尋址的煙霧警報系統(tǒng)及電子煙感探測器，同時也最早提出了模糊邏輯和人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法，實力可見一斑。國外通過CO探測技術達到高精準度和提早探測火災的目的，通過探測多個火災信號提高報警系統(tǒng)的可靠性，比如同時檢測煙霧、CO、溫度等指標，通過研究模塑神經(jīng)算法大大提高自動火災報警的精確度。我國煙霧警報系統(tǒng)研究起步比較晚，同外國相比，資金投入、人才引導、研發(fā)深度、經(jīng)營管理相對落后，產(chǎn)品在國際上競爭力相對較差。但近年來隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，借鑒了國外發(fā)展的成功經(jīng)驗，我國煙霧警報系統(tǒng)發(fā)展也非?？?，差距在逐漸減少，創(chuàng)新能力逐步增強，產(chǎn)品質(zhì)量也在逐步提高。1.3研究的意義隨著超級大型城市的誕生，人口聚集到一起，易燃材料充斥著生活的每個角落，電力、燃氣的廣泛應用也增加了發(fā)生火災的幾率。在高樓大廈或者存放易燃物品的倉庫中進行人為防火巡查非常必要，但有些火災隱患僅靠人為巡查也無法及時發(fā)現(xiàn)，比如電線老化、電器老舊、設備異常，因此只靠人工檢查不能完全避免火災的發(fā)生。煙霧警報系統(tǒng)能夠很好的彌補人工巡查的不足，且監(jiān)測準確，能夠24小時不間斷的進行實時監(jiān)測。凡是安裝了自動煙霧警報系統(tǒng)的場所，火災發(fā)生的幾率以及火災造成的損失都會大大降低。我國自動煙霧警報系統(tǒng)安裝率比較低，絕大部分居民家中沒有自動煙霧警報系統(tǒng)，其原因是價格昂貴、使用不方便。本課題使用單片機以及其它電子元件設計火災自動報警監(jiān)測器，該火災報警監(jiān)測器具有體積小、監(jiān)測靈敏、價格便宜、使用方便等優(yōu)點，能夠在火災發(fā)生初期進行提醒，把火災撲滅在萌芽階段，在生活中解決實際問題。通過本課題也使我更加詳細了解單片機的工作原理以及流程，提高了自我設計電路的能力和動手能力，打下了在電子行業(yè)發(fā)展的基礎?？傮w設計方案基于單片機的煙霧報警器具有顯示數(shù)據(jù)、發(fā)出警報等功能，可以滿足社會市場對于當前煙霧報警器的要求，數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉換及控制模塊等各方面的設計內(nèi)容如下：2.1總體設計方案火災有人為災害和自然災害，不管是哪種災害，都極具危害性，產(chǎn)生的后果都難以控制?；馂陌l(fā)生的三個要素：可燃物，助燃劑，點火源，缺一不可，當可燃物獲取助燃劑蒸發(fā)分解可燃物，如CO、H2，這些氣體團與空氣中未燃燒充分的懸浮物結合，形成了阻礙視力的煙霧，燃燒的同時還會釋放出大量的溫度，造成局部溫度升高。通過上述文字，我們可以知道火災報警探測器的兩個重要的監(jiān)測因素是溫度和煙霧，所以我們可以通過監(jiān)測他們的數(shù)值來對火情進行及時的預防。本次煙霧警報系統(tǒng)是一個雙因素監(jiān)測系統(tǒng)，本設計監(jiān)測目標有兩個，既有溫度監(jiān)測，同時具備煙霧可燃氣體監(jiān)測，系統(tǒng)由溫度和可燃氣體探測器，控制器，聲光報警器和顯示器構成，當火災報警器探測到環(huán)境中溫度，化學物質(zhì)（可燃氣體）超出正常范圍時，將傳感器獲取的模擬信息轉換成MCU可以接受的數(shù)字信息，進行數(shù)字分析后，發(fā)出控制指令，進行聲光報警并將當前的環(huán)境溫度和煙霧值實時顯示，以供大家了解當下的環(huán)境條件。系統(tǒng)方案結構整體框圖：圖2-1系統(tǒng)方案結構整體框圖2.2.1煙霧采集方案從內(nèi)在機能上來說，煙霧傳感器就是監(jiān)測煙霧的濃度，通過化學或者物理作用檢測到電勢差的傳感器，相比于氣敏電阻式的火災報警器，靈敏度更高，技術更為先進，可選擇性也比較高。離子式對小分子的煙霧更為靈敏，而光電傳感對較大的煙霧感應靈敏，不同場景下，可選擇不同的傳感器。由于物理結構和感煙功能不一，使用場合也就有所區(qū)別，如果火光較為明顯，燃燒比較劇烈，空氣中的小分子微粒比較多，灰煙和濃煙比較重的情況下，選擇離子煙霧探測器比較合適；當發(fā)生悶燒，無明火，伴隨較大煙霧時，空氣中的大分子煙霧顆粒比較多，如果同時安裝了光電式和離子式，光電式肯定比離子式先進行預警，從以上分析可以得出，離子煙對各種煙均能靈敏反應，應用場景更加廣泛，所以本設計選擇離子式的MQ2作為我們煙霧探測裝置。一．MQ-2的工作原理MQ-2型煙霧傳感器屬于表面離子式N型半導體。處于200~300攝氏度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會引起表面導電率的變化，利用這一點可以知道煙霧的存在情況。二．MQ-2的特性1、對煙霧有很高的靈敏度，具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息。2、初始穩(wěn)定，響應時間短，長時間工作性能好。3、電路設計電壓范圍較大，小于24V以下即可，加熱電壓5±0.2V。三．MQ-2的結構引腳及封裝圖如下所示：圖2-2引腳及封裝圖圖2-3MQ-2元器件示意圖MQ-2的計算公式：阻值R與空氣中被測氣體的濃度C的計算關系式：logR=mlogC+n(m，n均為常數(shù))2.2.2溫度采集方案溫度傳感器顧名思義是將溫度轉換成可以被計算機接受的輸出電壓信號，電平信號，對于傳感器而言最重要的器件就是內(nèi)部的感溫器件，感溫器件可以分為接觸傳感和非接觸傳感。隨著科技騰飛，電子產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，現(xiàn)在的傳感器件都可以封裝在一個IC之內(nèi)，而IC輸出又可分為模擬輸出和數(shù)字輸出。相較于模擬輸出，數(shù)字輸出具有更高的優(yōu)勢，模擬輸出需要接A/D轉換才能接入MCU，或者直接接入自帶A/D接口的系統(tǒng)，而數(shù)字輸出可直接接入MCU無需任何中間轉換器件，節(jié)省成本和硬件開銷。本設計選擇的溫度傳感器具有以下優(yōu)勢：1.全數(shù)字溫度轉換及輸出；2.先進的單總線數(shù)據(jù)通信；3.精度可達±0.5℃；4.可選擇寄生工作方式；5.溫度檢測范圍為-55°C—+125°C；6.內(nèi)置EEPROM,降溫報警功能；7.64位光刻ROM，產(chǎn)品序列號內(nèi)置，允許多機連接；8.多樣封裝形式，適應不同硬件。DS18B20的溫度檢測模塊和數(shù)字數(shù)據(jù)輸出模塊集成在一個芯片內(nèi)，抗干擾能力比其他芯片更強，一個工作周期既可以溫度檢測又兼具數(shù)據(jù)分析的工作，故我們選擇測溫模塊傳感器為DS18B20。圖2-4測溫模塊傳感器DS18B202.2數(shù)據(jù)采集方案2.3模數(shù)轉換方案本設計中選擇的溫度傳感器由于內(nèi)部集成感溫器件和數(shù)字處理模塊，單線制輸出的數(shù)據(jù)可以直接被MCU接收并識別，然而煙霧探測傳感器輸出的數(shù)據(jù)是隨著煙霧濃度變化的模擬信號，這個中間過程就需要AD來進行轉換，本設計選用的AD模塊具有差分和單端輸入兩種模式，模擬信號容易受外界環(huán)境影響，差分輸入可以降低外界干擾，利用差分信號對之間的電壓差進行數(shù)據(jù)的傳送，降低共模環(huán)境影響，加大差模數(shù)據(jù)的傳輸，但是由于煙霧探測傳感器輸出的是單端的模擬信號，如果為了防止干擾在中間加上一個單端轉差分的模塊，對于這個簡單的系統(tǒng)來說過于復雜，所以本設計我們選擇單端輸入。ADC0832屬于8位逐次逼近式的雙通道轉化芯片，以下是它的接口說明和介紹：表1-ADC0832接口說明及介紹2.4控制模塊方案市面上有許多種類的主控芯片，我根據(jù)功能的需求，選擇了51單片機。此款單片機具有在線編輯的調(diào)試功能，串口就可以直接下載，免去使用專門的編程器，為開發(fā)者提供了更為方便的開發(fā)途徑。考慮到環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)不需要多位的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，同時為了使得資源合理利用，綜合考慮過后決定采用STC89C52單片機負責控制中心控制模塊和采集模塊之間通訊。硬件電路設計系統(tǒng)分為單片機最小系統(tǒng)、信息采集模塊、按鍵模塊、聲光報警模塊和顯示模塊。信息采集模塊經(jīng)過單片機處理后完成信號轉換，最終在顯示屏上面呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)信息。3.1系統(tǒng)結構火災險情監(jiān)測系統(tǒng)從功能模塊可以分為單片機最小系統(tǒng)、信息采集模塊、按鍵模塊、聲光報警模塊和顯示模塊，其中單片機最小系統(tǒng)包括復位電路和晶振電路，信息采集模塊包括溫度采集電路、煙霧采集電路、模數(shù)轉換模塊，報警模塊包括蜂鳴器聲音報警電路和發(fā)光二極管光報警模塊，本設計用STC89C52作為核心控制器，監(jiān)控火災險情。系統(tǒng)方案設計圖，如下圖所示：圖3-1系統(tǒng)結構圖從圖3-1可以看到火災險情監(jiān)測系統(tǒng)是由溫度傳感器和煙霧探測器將采集到的預警信息轉換成MCU可以接收的二進制信號后通過控制模塊將數(shù)據(jù)實時的顯示出來，并啟動蜂鳴器和LED報警裝置進行聯(lián)動控制。3.2信號采集模塊信號采集模塊是實現(xiàn)火災險情溫度和煙霧的實時采集。采集電路把捕獲到的信號處理成單片機能夠處理的二進制信號并傳送給信號采集控制模塊。信號采集模塊用于信號的實時采集和處理。3.2.1溫度采集電路當DS18B20接到MCU的一個GPIO上，總線需要外接一個10K的上拉電阻，當控制器發(fā)出搜索報警芯片指令時，對于溫度高于TH或小于TL報警條件的芯片做出反應，當系統(tǒng)掛載多個溫度檢測芯片的時候，可以快速找到超標芯片。只要芯片不斷電，報警狀態(tài)會一直保存，直到溫度達到警戒值之下。DS28B20運用豐富的操作指令，不僅可以將報警值存放在RAM中為了防止掉電數(shù)據(jù)丟失，還將數(shù)據(jù)存到E2PROM，運用AD轉換，執(zhí)行一次指令可進行一次數(shù)據(jù)轉換，控制器可以間隔性的讀取芯片的數(shù)據(jù)，并進行比較，隨之進行聲光報警。圖3-2信號檢測電路3.2.2煙霧采集電路圖3-3信號放大電路從圖3-3中可以看到MQ2的4、6腳輸出可隨煙霧濃度變化的直流電壓信號，1、2、3腳接電源電壓，此設計接5V電壓，5腳與電源電壓之間串接R1電阻，我們知道MQ2的內(nèi)部電阻是電導率的導數(shù)，當煙霧濃度大的時候，內(nèi)部電阻就會很小，這樣很容易燒斷，導致無法工作，所以在上電初期必須注意上電電壓不能過大，而電阻R1的設計就是為了降低這種風險的存在，R1串入傳感器的加熱回路，可以保護加熱絲免受冷上電時的沖擊。3.2.3AD轉換電路AD轉換單元把MQ2輸出的直流模擬電壓信號轉換成單片機能夠處理的二進制信號。如圖3-4所示：圖3-4電壓比較器從圖3-4中可以看到MQ2輸出的直流電壓信號經(jīng)過ADC0832進行數(shù)據(jù)轉換而沒有直接進入MCU,其實本身89C51也是有再帶的AD,但是由于資源有限，模塊還要預留接口給顯示屏，故此需要外接AD芯片，為了與MCU進行相互通信，此轉換芯片必須具有串口I2C輸出，此設計選擇的ADC0832既有雙端模擬輸入，又有I2C接口輸出，而且8位逐次逼近型，性能表現(xiàn)優(yōu)異，將MQ2的輸出接到單端輸入接口CH0，ADC0832芯片支持雙端差分輸入和單端模擬輸入，差分輸入可以降低共模信號干擾，但是只能對接差分信號數(shù)據(jù)，MQ2輸出數(shù)據(jù)為直流電壓信號，故選擇為單端模擬輸入。3.3控制模塊為了讓整個系統(tǒng)能夠正常工作，控制模塊協(xié)調(diào)各個模塊的工作，控制模塊由中心控制模塊和采集控制模塊組成。采集模塊把接收到的模擬信號進行處理成MCU能識別的二進制模式，當溫度，煙霧濃度達到報警值時系統(tǒng)進行聲光報警。采集控制模塊通過串口總線與中心控制模塊之間的數(shù)據(jù)交換，中心控制模塊接收信號采集模塊發(fā)過來的二進制信號，把接收到的信號進行處理通過液晶顯示屏顯示出來。中心控制模塊除了與采集模塊進行數(shù)據(jù)交換，還要把溫度和濃度實時的在晶顯示屏上顯示出來，如圖3-5所示的信號采集控制模塊原理圖圖3-5控制模塊原理圖控制模塊單片機在5V的電壓下正常工作。圖3-5中存儲器選擇端需接高電平，告訴單片機使用片內(nèi)存儲器，系統(tǒng)才會執(zhí)行燒寫的程序。XTAL1（第18腳）和XTAL2（第19腳）接震蕩電路，其中電容C2和C3與晶振發(fā)生自激作用，產(chǎn)生時鐘頻率。RST（第9腳）接復位電路，該電路中電阻R3和電容C1控制復位時間。芯片上電后，按下作為開關的電容即可通電，在通電的一瞬間，電容內(nèi)有電流流過，RST處于高電平，斷開電流后，RST變?yōu)榈碗娖??？刂颇K由許多小單元組成，使各個模塊互相配合使用，系統(tǒng)就可以實現(xiàn)自動監(jiān)控和報警等功能。3.3.1電源電路電源模塊為控制模塊提供正常工作的電壓。如圖3-6所示的電源模塊電路：圖3-6電源模塊電路從圖3-6中能夠看到，電源模塊的一端接入DC電源，為系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供恒定的電壓。由于長時間工作，開關經(jīng)常會出現(xiàn)接觸不良的問題，故此安排了帶鎖定的正極4個接線柱，負極4個接線柱的設計結構。當開關閉合時，會有5V電壓接入電路。3.3.2按鍵電路圖3-7輸入電路從圖3-7中可以看到3個按鍵通過單片機的并行I/O口引出，按下按鍵，主控芯片將得到一個低電平信號，單片機根據(jù)這3個低電平信號做出相應的反應。其中S2進行界面的選擇，分別對應溫度，煙霧濃度以及閾值的顯示，當上電界面顯示當前溫度和煙霧濃度，以及的上限閾值，S1,S3為閾值上下限加減按鍵，當開機液晶屏第一行顯示：”SETT:XXE:XXX”，第二行顯示當前的溫度與煙霧濃度：“NOWT:XX.XE:XXX”,第一行是用來設置溫度和煙霧濃度的閾值顯示，第二行是當前的溫度和煙霧濃度，當按下S2可以選擇對溫度或者煙霧濃度進行閾值設置，即表示，此時我選擇對溫度或者煙霧度進行操作，當按下S1對應溫度或者煙霧濃度的上限值加，S1按下加1，當按下S3對應溫度或者煙霧濃度的上限值減1，S3按下減1。3.3.3顯示電路液晶顯示模塊是LCD1602液晶顯示器，其實現(xiàn)實時的顯示當前的溫度和煙霧濃度度以及相應的上限閾值，當系統(tǒng)開機屏幕顯示的是“”SETT:XXE:XXX”，NOWT:XX.XE:XXX”，如圖3-8所示的液晶顯示。圖3-8液晶顯示從圖3-8中可以看到單片機與液晶屏通過P0口的8位并行數(shù)據(jù)進行交互。液晶的電源地（第1引腳）和腳背光負極（第16引腳）接地，電源正極（第2引腳）和腳背光正極（第15引腳）接VCC。3腳為對比度調(diào)整端，6腳為使能管腳，本設計我們使用電位器來調(diào)整灰度。當系統(tǒng)上電開機，蜂鳴器滴長響一聲，紅燈亮一下，然后熄滅，液晶工作時顯示內(nèi)容為“SETT:XXE:XXX”，NOWT:XX.XE:XXX””，然后按下按鍵，系統(tǒng)開始工作。3.3.4報警電路報警電路單元實現(xiàn)的是當達到報警條件時進行報警，系統(tǒng)上電P20設定高電平，晶體管工作在截止狀態(tài)，相當于開關斷開；當外界的溫度或者煙霧濃度達到設定的閾值時，系統(tǒng)給P20一個低電平，晶體管工作在飽和狀態(tài)，相當于開關閉合，此時三極管導通，報警電路導通，進行聲音報警，如圖3-9所示的報警電路：圖3-9液晶顯示指示燈報警是與蜂鳴器報警同時進行的報警，但是區(qū)別于溫度報警和煙霧濃度報警，當單片機上電，P22、P24初始化完成，處于高電平狀態(tài)，指示燈不亮，當環(huán)境溫度或者煙霧濃度達到設定的閾值，MCU管腳給出一個低電平，指示燈導通，進行報警，溫度超標，紅燈亮，煙霧濃度超標，黃燈亮，燈亮的同時，蜂鳴器進行報警，達到聲光報警的聯(lián)動響應。指示燈報警如下所示：圖3-10指示燈報警電路3.3.5繼電器驅動電路圖3-11報警電路在火災險情的情況下，我們僅要針對險情進行報警，還要及時排除煙霧，撲滅火源。此次設計的繼電器驅動電路可以外接風扇和水泵，當發(fā)生火災煙霧濃度較重，P2.5由正常的高電平轉為低電平，給繼電器一個低電平信號，三極管導通，繼電器吸合，外接的風扇啟動，及時將煙霧排出，接水泵可以進行滅火操作。第四章軟件設計硬件設備主要為提供各電路模塊，而軟件部分主要是溫度和煙霧濃度采集的程序設計，最后將采集和處理過的數(shù)字信號由LCD液晶顯示屏顯示出來。并在數(shù)據(jù)超過警戒值時發(fā)出聲光警報。4.1主程序設計此程序的功能為顯示溫度及煙霧濃度，用外部按鍵S2進行界面的選擇,S1、S3進行上限值的加減。本設計的主程序設計包括初始化程序、液晶顯示程序、判斷按鍵程序、報警程序、上限加減程序，子程序包括溫度讀取程序、煙霧濃度讀取程序。程序在不斷電的情況下會循環(huán)檢測按鍵并上報報警信息。以下為整體系統(tǒng)程序流程圖：圖4-1中心控制端流程圖系統(tǒng)主程序為：voidmain(void){ u8key; wendu=check_wendu(); //初始化時調(diào)用溫度讀取函數(shù)防止開機85°C Init1602(); //調(diào)用初始化顯示函數(shù) LCD_Write_String(0,0,"SETT:00E:000");//開機界面 LCD_Write_String(1,0,"NOWT:00.0E:000"); delay_ms(1000); wendu=check_wendu(); //初始化時調(diào)用溫度讀取函數(shù)防止開機85°C while(1) //主循環(huán) { key=Key_Scan(); //按鍵掃描 yanwu=Adc0832(0); //讀取煙霧值 wendu=check_wendu(); //讀取溫度值 if(key==KEY_SET) { Mode++; } switch(Mode) //判斷模式的值 { case0: //監(jiān)控模式 { Display_1602(yushe_wendu,yushe_yanwu,wendu,yanwu);//顯示預設溫度，預設煙霧，溫度值，煙霧值 if(yanwu>=yushe_yanwu) //煙霧值大于等于預設值時 { Led_Reg=0; //煙霧指示燈亮 Buzzer=0; //蜂鳴器報警 relay=0; //開水泵 } else //煙霧值小于預設值時 { Led_Reg=1; //關掉報警燈 } if(wendu>=(yushe_wendu*10)) //溫度大于等于預設溫度值時 { Buzzer=0; //打開蜂鳴器報警 relay=0; //開水泵 Led_Yellow=0; //打開溫度報警燈 } else //溫度值小于預設值時 { Led_Yellow=1; //關閉報警燈 } if((yanwu<yushe_yanwu)&&(wendu<(yushe_wendu*10))) //當煙霧小于預設值并且溫度也小于預設值時（&&：邏輯與，左右兩邊的表達式都成立（都為真，也就是1）時，該if語句才成立） { relay=1; //關水泵 Buzzer=1; //停止報警 } break; } case1://預設溫度模式 { SelectPosition(0,5); //指定位置 write_com(0x0d); //陰影閃爍 if(key==KEY_ADD) //加鍵按下 { yushe_wendu++; //預設溫度值（閥值）加1 if(yushe_wendu>=99) //當閥值加到大于等于99時 yushe_wendu=99; //閥值固定為99 LCD_Write_Char(0,6,yushe_wendu,2);//顯示預設溫度 } if(key==KEY_MINUS) //減鍵按下 { if(yushe_wendu<=1) //當溫度上限值減小到1時 yushe_wendu=1; //固定為1 yushe_wendu--; //預設溫度值減一,最小為0 LCD_Write_Char(0,6,yushe_wendu,2);//顯示預設溫度 } break; //執(zhí)行后跳出switch } case2: //預設煙霧模式 { SelectPosition(0,12); //指定位置 write_com(0x0d); //打開顯示無光標光標閃爍 if(key==KEY_ADD) //加鍵按下 { if(yushe_yanwu>=255)//當閥值加到大于等于255時 yushe_yanwu=254;//閥值固定為254 yushe_yanwu++; //預設煙霧值（閥值）加1,最大為255 LCD_Write_Char(0,13,yushe_yanwu,3);//顯示預設煙霧 } if(key==KEY_MINUS) //減鍵按下 { if(yushe_yanwu<=1) //當煙霧上限值減小到1時 yushe_yanwu=1; //固定為1 yushe_yanwu--; //預設溫度值減一,最小為0 LCD_Write_Char(0,13,yushe_yanwu,3);//顯示預設煙霧 } break; } default : { write_com(0x38);//屏幕初始化 write_com(0x0c);//打開顯示無光標無光標閃爍 Mode=0; //恢復正常模式 break; } } }4.2數(shù)據(jù)讀取模塊計算過程：第一步：將兩次得到的低8位數(shù)據(jù)和高8位數(shù)據(jù)和在一起 第二步：將16位數(shù)據(jù)乘以0.0625變?yōu)槭M制的浮點數(shù) 第三步：將浮點數(shù)放大10倍進行四舍五入圖4-2輸入程序流程圖數(shù)據(jù)讀取程序為：voidInit1602(){uchari=0;write_com(0x38);//屏幕初始化write_com(0x0c);//打開顯示無光標無光標閃爍write_com(0x06);//當讀或寫一個字符是指針后一一位write_com(0x01);//清屏 }voidDisplay_1602(yushe_wendu,yushe_yanwu,c,temp){ //顯示預設溫度 LCD_Write_Char(0,6,yushe_wendu,2); //顯示預設煙霧 LCD_Write_Char(0,13,yushe_yanwu,3); //時時溫度 LCD_Write_Char(1,6,c/10,2); write_data('.'); LCD_Write_Char(1,9,c%10,1); //時時煙霧 LCD_Write_Char(1,13,temp,3);}4.3報警程序設計采集模塊報警單元是為提醒用戶當前環(huán)境的溫度，煙霧濃度。工作時，當采集到的溫度和煙霧濃度超過設置的閾值時，MCU通過程序設置，給出一個低電平，三極管導通，驅動蜂鳴器報警和LED燈閃爍。圖4-4為采集端報警程序流程圖：圖4-4采集端報警程序流程圖在系統(tǒng)監(jiān)控的過程中，采集端接收到中心控制端發(fā)送的信號，對信號進行分析處理。在該信號中查詢報警信號，當找到報警信號時啟動采集端的報警單元。此時單片機的P2.0口將會產(chǎn)生一個低電平，讓蜂鳴器報警，并讓相應接口的LED燈閃爍。采集端要實現(xiàn)報警的功能，必須要接收到中心控制端發(fā)送的報警信號。圖4-5為采集端數(shù)據(jù)接收流程圖：圖4-5采集端數(shù)據(jù)接收流程圖其程序為：while(1) //主循環(huán) { key=Key_Scan(); //按鍵掃描 yanwu=Adc0832(0); //讀取煙霧值 wendu=check_wendu(); //讀取溫度值 if(key==KEY_SET) { Mode++; } switch(Mode) //判斷模式的值 { case0: //監(jiān)控模式 { Display_1602(yushe_wendu,yushe_yanwu,wendu,yanwu);//顯示預設溫度，預設煙霧，溫度值，煙霧值 if(yanwu>=yushe_yanwu) //煙霧值大于等于預設值時 { Led_Reg=0; //煙霧指示燈亮 Buzzer=0; //蜂鳴器報警 relay=0; //開水泵 } else //煙霧值小于預設值時 { Led_Reg=1; //關掉報警燈 } if(wendu>=(yushe_wendu*10)) //溫度大于等于預設溫度值時（為什么是大于預設值*10：因為我們要顯示的溫度是有小數(shù)點后一位，是一個3位數(shù)，25.9°C時實際讀的數(shù)是259，所以判斷預設值時將預設值*10） { Buzzer=0; //打開蜂鳴器報警 relay=0; //開水泵 Led_Yellow=0; //打開溫度報警燈 } else //溫度值小于預設值時 { Led_Yellow=1; //關閉報警燈 } if((yanwu<yushe_yanwu)&&(wendu<(yushe_wendu*10))) //當煙霧小于預設值并且溫度也小于預設值時（&&：邏輯與，左右兩邊的表達式都成立（都為真，也就是1）時，該if語句才成立） { relay=1; //關水泵 Buzzer=1; //停止報警 } break; }系統(tǒng)構成功能調(diào)試硬件與軟件構成整體，使整個系統(tǒng)可以按照設計要求運轉，以下主要講述了該系統(tǒng)的調(diào)試與實現(xiàn)問題。5.1系統(tǒng)構成及功能介紹火災險情報警聯(lián)動控制系統(tǒng)在硬件和軟件設計上進行了全方位的考量，在上電之初，我們考慮到MQ2的電阻絲容易被燒斷的情況，將MQ2串聯(lián)一個小電阻，大大降低了器件的受損率，在ADC轉換芯片的選擇上更是為了節(jié)省成本，直接選用擁有單端輸入和串口輸出特性的ADC0832，由于ADC的輸入和輸出并不會同時進行，所以我們直接將輸入輸出并聯(lián)，減少了串口資源的占用，溫度傳感器上選擇集溫度感知和數(shù)據(jù)處理于一體的數(shù)字芯片，更是大大簡化設計成本和費用成本。相對于傳統(tǒng)的將煙霧探測直接與模擬的電壓比較器電路報警，本電路設計時不僅將比較器設置在程序內(nèi)，更能直觀的在液晶屏上顯示當前的溫度與煙霧濃度信息，使現(xiàn)場狀況更為直接和清晰。以下將會展示液晶屏顯示，聲光報警和按鍵上下限功能，并用實例更進一步驗證輸出特性。此系統(tǒng)由信息采集模塊，顯示模塊，電源模塊，報警模塊，繼電器驅動模塊構成，系統(tǒng)實物圖如下圖所示：圖5-1系統(tǒng)實物圖（1）STC89C52最小系統(tǒng)控制通過串口接收采集信息，根據(jù)設置的上限預警值判斷采集數(shù)據(jù)是否超標，并發(fā)出聲光預警提示信息，并將采集到的信息實時顯示到液晶屏上；（2）按鍵可以切換顯示界面，設置報警警戒值，將設置結果傳送到單片機，作為單片機判斷是否需要發(fā)出報警提示音的依據(jù)；（3）蜂鳴器和LED指示燈用于在采集到的信息超出閾值時發(fā)出報警提示；（4）信息采集模塊為控制器提供溫度，煙霧濃度等有效信息；（5）LCD1602液晶顯示采集到的火災險情溫度和煙霧濃度信息，屏幕的灰度由變阻器控制；（6）電源模塊為系統(tǒng)硬件提供穩(wěn)定的5V工作電源；5.2系統(tǒng)調(diào)試（1）調(diào)試工具介紹①示波器：示波器用于確定硬件電路的工作電壓，輸出波形，由輸出波形判定功能實現(xiàn)，判定MCU是否正常工作，以及程序運行的驗證；②萬用表：將萬用表調(diào)到蜂鳴檔，可以在制版最初判定電路是否有短路現(xiàn)象，及時的對硬件電路進行問題定位和分析。③KEIL軟件：本程序設計是用C語言在KEIL軟件中進行編程，KEIL是最便捷也是最易上手的編程軟件，對于初學者來說，很容易定為低級的語法錯誤，運用其自帶的調(diào)試功能，可以輕松設置寄存器的參數(shù)信息。（2）硬件測試利用萬用表進行硬件測試時確保焊接的連線能夠符合電路設計的要求。經(jīng)測量無短路后對硬件上電，具體的測試步驟如下：運用示波器先查看單片機的復位管腳是否上電正確，如果單片機在上電瞬間會有一個由低到高的充電過程，則代表復位信號正確，再將示波器調(diào)到頻率檔位，測量晶振是否正常起振，如果能觀察到頻率為12M的正弦波，則代表晶體正常起振，由此單片機最小系統(tǒng)正常工作。測量板上按鍵是否正常工作，是通過當按下按鍵開關，用萬用表量到電路是低電平，則表示按鍵開關正常，如若量不到任何電平變化，應考慮換一個按鍵開關；當上電正常液晶屏幕應該點亮。若沒有點亮，則表示線路有問題，及時進行排查；以上測試通過后，硬件測試完成。（3）軟件測試硬件電路測試無誤就需要搭載程序進行功能實，們在通過專用的串口將程序下載到MCU內(nèi)部ROM時，上電之初，要實現(xiàn)蜂鳴器響和紅燈亮的現(xiàn)象，因為在上電過程中，系統(tǒng)的管腳會有一個由低變高的過程，當有低電平的時候，蜂鳴器導通，LED燈導通，發(fā)出一聲上電正常的預告，上電初始化后，控制器的每個管腳默認都是高電平，所以三極管斷開，蜂鳴器不響，LLED燈不亮。我們首先編寫測試程序，確保單片機能夠執(zhí)行軟件，隨后分別驗證顯示程序、按鍵程序和報警程序。具體步驟如下：在KEIL環(huán)境下建立主程序，在程序中將P2.0寫0，硬件電路上此管腳將會輸出一個低電平，如果此時蜂鳴器報警，則表示報警程序正確，如果沒有達到預期結果，則需要調(diào)試程序，查找原因；編寫液晶程序對顯示的輸出進行控制，現(xiàn)在第1行顯示若顯示正常，改變顯示地址，對第2行顯示進行測試，確保液晶顯示結果和軟件輸出的結果保持一致；按鍵程序包括溫濕度和光照度界面的選擇和上下限的設置，如果按下S1可以進行界面的選擇，則代表程序正常，接著測試上下限的按鍵設置，看是否在軟件程序上可以體現(xiàn)出相應值的加減，若一致，則代表程序正確，若沒有反應，需要調(diào)試程序；主程序和子程序模塊分別調(diào)試成功后，通過設置全局變量和局部變量將程序進行整合，構建出完整的控制程序，并在KEIL中進行編譯。軟件編譯圖見5-2所示：圖5-2軟件編譯圖5.3系統(tǒng)功能測試根據(jù)設計好的軟件和硬件電路等制作后，對實物的功能進行測試。（1）以溫度上限值設置為50℃為例：當用打火機不間斷的對溫度傳感器加熱，當溫度一旦超過50，報警紅色指示燈馬上亮起，蜂鳴器長鳴，停止對其加熱，當溫度降50度以下，紅色指示燈滅，蜂鳴器不響。（2）煙霧度濃度設置上限為100，當我們用氣體打火機對著MQ2，當煙霧濃度超過100，黃色指示燈亮，蜂鳴器長鳴，當停止打火，用風扇將煙霧吹散，液晶顯示屏顯示當前濃度為10的時候，指示燈已經(jīng)不亮，蜂鳴器不響。當溫度為28.4℃，煙霧濃度為10的測試效果如圖5-3：圖5-3系統(tǒng)功能調(diào)試圖結論本文講述了基于單片機的煙霧警報系統(tǒng)的實現(xiàn)方式。使用USB進行供電，采用溫度傳感器和煙霧度傳感器管進行信號采集，應用STC89C52單片機作為控制系統(tǒng)的核心芯片。最終實現(xiàn)了對火災險情溫度和煙霧度的實時監(jiān)控，并具備聲音和燈光報警功能。測試數(shù)據(jù)表明，在文中所使用的調(diào)試環(huán)境下，該系統(tǒng)的報警誤差溫度在2度以內(nèi)，煙霧度在5以內(nèi)，這個誤差對于該設備在實際應用中并不會存在較大的影響。如果在高精度要求和重要場合，此設備并不適用。本課題設計還存在許多不足，在后續(xù)的繼電器驅動模塊方面還可以繼續(xù)加深，如在繼電器驅動時可以選擇雙驅動，當溫度超標時，驅動繼電器進行水泵滅火操作，當煙霧超標時，驅動另一個控制繼電器，使風扇進行排煙操作。本文設計的火災險情監(jiān)控系統(tǒng)在精度上還不夠完善，其誤差相對來說較大，在誤差方面可以把數(shù)據(jù)處理的更精確。文中的通訊方式還需要進一步加強，在系統(tǒng)的核心控制芯片的選擇上存在著不足，可以選在當下普遍的STM32系列芯片，可以進行無線模塊擴展，進行遠程監(jiān)控等。參考文獻[1]王斌.CRH380B型動車組火災報警系統(tǒng)功能可靠性研究[J].甘肅科技縱橫,2020,49(11):35-38.

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