基于51的新型煙霧濃度測量監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u175041緒論 2326491.1課題來源及研究背景 2157011.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 453221.2.1國外研究現(xiàn)狀 4327201.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 4160561.3本文所做的工作 6177952課題研究方案 7236302.1系統(tǒng)的總體思路 7300422.2方案選擇 8135932.2.1單片機(jī)的選擇 8111742.2.2顯示屏的選擇 8254322.2.3溫度傳感器的選擇 9297322.2.4煙霧傳感器的選擇 10154312.2.5藍(lán)牙模塊的選擇 11198973系統(tǒng)硬件設(shè)計 1139753.1硬件總體設(shè)計 1132303.2單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計 1279393.2.1復(fù)位電路設(shè)計 1359613.2.2時鐘電路電路設(shè)計 14314273.3.1溫濕度采集模塊電路設(shè)計 1570113.3.2煙霧濃度模塊設(shè)計 1621833.4外部模塊電路設(shè)計 178923.4.1蜂鳴器報警模塊設(shè)計 17320433.4.2顯示屏模塊電路設(shè)計 18315884系統(tǒng)軟件設(shè)計 21322804.1軟件開發(fā)工具及語言 21834.2系統(tǒng)程序代碼設(shè)計 2149435系統(tǒng)測試與分析 2390275.1系統(tǒng)測試 2358515.2對系統(tǒng)測試結(jié)果的分析 2559326總結(jié)與展望 26298566.1總結(jié) 26127976.2展望 261緒論1.1課題來源及研究背景在這個信息爆炸的時代，科技發(fā)展速度非?？欤呖萍籍a(chǎn)品更新的重復(fù)速度也越來越快。在很多產(chǎn)品的應(yīng)用中，其發(fā)展方向都逐漸向一體化、信息化靠攏。在這個移動互聯(lián)網(wǎng)大時代的背景下,已經(jīng)逐漸開始出現(xiàn)了越來越多的新型智能化產(chǎn)品,如雨后春筍般的出現(xiàn),不論是在我們的日常生活中,還是網(wǎng)絡(luò)科技等高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,大量數(shù)字化的智能裝置同互聯(lián)網(wǎng)科技相結(jié)合,為廣大人們的日常生活提供了巨大的便利[1]。特別需要大家注意的一點(diǎn)就是智能家居和電子產(chǎn)品在各個方面的使用范圍已經(jīng)被廣泛的傳播和擴(kuò)展到我們?nèi)粘Ｉ畹拿恳粋€領(lǐng)域，其中包括太陽能空調(diào)、電熱水器、電冰箱等家具和設(shè)備,不但徹底改變了現(xiàn)代社會人們的生活和工作方式，更是為智能家用電子產(chǎn)品的整體設(shè)計和理念提供了新的思考和方向[2]。目前,智能化的技術(shù)和產(chǎn)品逐步地進(jìn)入到千戶人家,已經(jīng)逐漸地成為了人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊粋€重要的組成部分。隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展及居民物質(zhì)生活水平的進(jìn)一步提高,市場上還涌現(xiàn)出了許多越來越好的智能化產(chǎn)品[3]。其中,在制造智能化家用電器的產(chǎn)品中,還有一個很重要的組成部分,那么就是火災(zāi)報警控制系統(tǒng)的設(shè)計,本文將以此項(xiàng)技術(shù)作為主要的研究內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)基于微處理器的家用電器火災(zāi)報警控制系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。當(dāng)下市場中存在的各類火災(zāi)報警系統(tǒng)品種繁多，功能質(zhì)量也是良莠不齊，并且價格普遍較高，對于普通的家庭來說，都是一筆不小的開支，這就使得一種廉價且高效的基于微處理器的電器使用火災(zāi)報警系統(tǒng)成為了一個需求點(diǎn)伴隨著我國現(xiàn)代電子科技的信息化和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步和發(fā)展,在家用電器領(lǐng)域已經(jīng)取得了一個長足的發(fā)展與進(jìn)步,極大的方便了現(xiàn)代人們的工作和生活，但是與之而來的是各類電器使用過程中帶來的家庭失火各類新聞的相關(guān)報道。有相關(guān)資料顯示，在家用電器的銷量增長的同時，社會中報道的相關(guān)由于家用電器使用過程中導(dǎo)致的火災(zāi)新聞也隨之增長[4]。盡管在我們很方便的使用家用電器的同時，但是一定要注意在使用過程中避免發(fā)生火災(zāi)事故。這對于維護(hù)家庭安全和社會的穩(wěn)定來說具有十分重要的意義。但是即使如此，也不可能保證在使用家庭電器的過程中給人們百分之百的安全保障，這就需要一些輔助手段的提醒來提高人們的防火意識。根據(jù)調(diào)查顯示，目前社會中對于家庭安全造成最大的威脅的原因之一就是火災(zāi)?；馂?zāi)不但給人們的生活帶來了大量物質(zhì)上的損失，更重要的是甚至?xí)o人們的生命安全帶來嚴(yán)重的威脅[5]?；馂?zāi)帶來的危害是很大的，一般來說，在無人的房屋內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，等到被發(fā)現(xiàn)的時候，往往火勢是難以得到控制的。在一些可能會影響到家庭安全的自然災(zāi)害中,火災(zāi)頻繁地高居其第一位,不僅可能會給我們造成嚴(yán)重的損失和家庭財產(chǎn)安全,甚至可能對每個人的身體和生命安全構(gòu)成威脅[6]。引起此類火災(zāi)事故發(fā)生的原因是多種多樣，難以提前預(yù)警，如何避免或者減小火災(zāi)帶來的危害與每一個人都息息相關(guān)。但是由于引起火災(zāi)原因的多樣性，比如部分人的用火不慎、或是用火設(shè)備的不當(dāng)操作、甚至是由于孩子貪玩引起的火災(zāi)，這些都是難以預(yù)測到的，而一旦發(fā)生就會帶來極大的危害[6]。基于以上原因，本次設(shè)計提出了一種基于51單片機(jī)檢測煙霧濃度的火災(zāi)報警系統(tǒng)。整個系統(tǒng)主要是通過采集家庭生活中各種情況下產(chǎn)生的煙霧濃度，將這個濃度采集到之后，將溫度數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)中，由單片機(jī)對其處理之后，可以將采集到的溫度在顯示屏上顯示。顯示屏模塊采用的是1602顯示屏，該顯示屏具有傳輸速度快的優(yōu)勢。在系統(tǒng)中所采集得到的煙霧濃度已經(jīng)大于設(shè)定的濃度之后,可以通過單片機(jī)的某個引腳輸出一個較為高電平的蜂鳴器信號,來自動觸發(fā)蜂鳴器的報警,在單片機(jī)向蜂鳴器發(fā)出報警的信號之后,使用者就可以根據(jù)實(shí)際的情況選擇是否暫停或者切斷電源,保證家庭電器的正常使用安全,避免了出現(xiàn)火災(zāi)等特殊情況的事故發(fā)生。為人民群眾生命健康帶來了保證。在現(xiàn)在這個時代的我國現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)不斷進(jìn)步的今天,隨著這個時代的發(fā)展,我們這個現(xiàn)代化社會中的人們?nèi)粘Ｉ畹奈镔|(zhì)上和精神上的生活品位和服務(wù)質(zhì)量水平都在進(jìn)一步得到提高。人們對于建筑防火的安全意識也愈加濃厚[7]。如何提前對家庭安全事故進(jìn)行預(yù)警和處理是現(xiàn)在社會中每一個人都需要關(guān)注的問題。這就需要人們做好以下工作：首先是提高家庭安全的意識，認(rèn)識到家庭安全對于其個人的重要性，保證精神上的輕松舒適，而不是緊張擔(dān)憂；做好防火工作，防火工作不僅僅關(guān)系到個人家庭的安全，更波及到其他家庭，因此做好防火工作需要每一個人的努力，最后則是排除各類安全隱患，從根源上杜絕各類威脅家庭安全的因素[8]。在本次產(chǎn)品系統(tǒng)中整個系統(tǒng)的最大特點(diǎn)之一是軟件功能使用實(shí)現(xiàn)簡單方便,造價低廉,在目前國際產(chǎn)品市場上的激烈市場競爭中也是更加具有很大競爭優(yōu)勢,在未來的的發(fā)展過程中將一定會更加具有巨大的國際市場發(fā)展規(guī)模和一種極其樂觀的發(fā)展前景。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀在電器使用火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計方面，國外早在上個世界50年代就開始進(jìn)行研究。但是在不同的時期有著不同的設(shè)計理念。近代以來，人們在防火的設(shè)計上不斷更新完善，力求系統(tǒng)可以完美符合大眾需求。逐漸的家庭防火系統(tǒng)的設(shè)計就已經(jīng)得到了人們的關(guān)注，人們會采用防火材料來保證家庭安全[9]。同時時期已經(jīng)出現(xiàn)了利用溫度感應(yīng)器來對火災(zāi)進(jìn)行預(yù)報警，但是并沒有并應(yīng)用在家居生活中。這是受當(dāng)時的硬件研發(fā)的不足導(dǎo)致的，當(dāng)時的硬件設(shè)計方面受半導(dǎo)體精準(zhǔn)度的限值，導(dǎo)致問題層出不窮，以至于發(fā)展遲滯了一段時間。自20世紀(jì)80年代中期以來,第三次科學(xué)世界革命科學(xué)史和技術(shù)革命為當(dāng)代世界政治經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展及其形勢轉(zhuǎn)變提供了極大的重要變化。單片式電機(jī)和微處理器應(yīng)用技術(shù)的不斷迅猛發(fā)展與日益廣泛、互聯(lián)網(wǎng)時代信息處理技術(shù)的快速發(fā)展到來、電腦和軟硬件綜合功能的不斷完善、微電子芯片的發(fā)展、把之前家用電器的防火系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，智能防火系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)運(yùn)而生這種系統(tǒng)將之前死板的安防系統(tǒng)變成了具有交互式功能的安防系統(tǒng)，在這個基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)不斷得到了深刻發(fā)展[10]。在進(jìn)入新世紀(jì)以來，越來越多的電子科技產(chǎn)品被開發(fā)出來，電子產(chǎn)品的發(fā)展方向也逐漸變得清晰明確，真?zhèn)€市場中的流動性技術(shù)也越來越成熟和完善，在煙霧濃度檢測報警防火系統(tǒng)的研究和設(shè)計中，出現(xiàn)了各式各樣的產(chǎn)品，但是目前在市場中并沒有普及，原因首先是由于其成本較高，其次就是其內(nèi)部的設(shè)計難度較高，其后期的運(yùn)行和維護(hù)需要專業(yè)的人員進(jìn)行處理，帶來了很多不便[11]。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀相對于國外電子工程技術(shù)的進(jìn)步,國內(nèi)發(fā)展也就顯得有點(diǎn)滯后。首先主要是由于當(dāng)時我國未能順利地趕上第一次和第二次科技革命的進(jìn)步和發(fā)展浪潮,在對高新技術(shù)領(lǐng)域方面的科學(xué)研究決策意志與西方等發(fā)達(dá)國家之間存在著明顯的水平差距,其次主要是當(dāng)時關(guān)于電子計算機(jī)這一概念尚未深入人心。但這種情況仍然存在很大程度上歸罪于我國通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展起步較晚,并且發(fā)展也不夠快[9]。我國最早采用的防火系統(tǒng)和韓國類似，通過視頻監(jiān)控的方式來保證家庭安全，當(dāng)時采用的是有線電纜的方式就行視頻傳輸，并且價格昂貴無法普及[12]。自從進(jìn)入新世紀(jì)，我國在互聯(lián)網(wǎng)方面的科學(xué)技術(shù)水平得到了快速發(fā)展，特別是無線通訊方式的飛速發(fā)展，極大改變了家庭防火系統(tǒng)的通信方式?；谖⑻幚砥鞯臒熿F濃度檢測火災(zāi)防火預(yù)報警系統(tǒng)將整個系統(tǒng)中的各個部分進(jìn)行模塊化設(shè)計，精簡了設(shè)計流程，并使得系統(tǒng)得到了更好的防護(hù)效果[13]。但是在其成本以及功耗方面仍有待改進(jìn) 。我國針對煙霧濃度檢測火災(zāi)防火預(yù)報警的設(shè)計和研究主要是從上世紀(jì)80年代開始，當(dāng)時互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)市場中嶄露鋒芒，因此一些基于互聯(lián)網(wǎng)和微處理器的設(shè)備逐漸被應(yīng)用到了顯示的生活中來。在20世紀(jì)90年代，我國設(shè)計了一種基于計算機(jī)的煙霧濃度檢測火災(zāi)防火預(yù)報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的使用范圍較為狹隘，這也是由于其處理器的過于笨重造成的[14]。進(jìn)入到二十一世紀(jì)之后，我國在煙霧濃度檢測火災(zāi)防火預(yù)報警的發(fā)展領(lǐng)域才有了突破性的進(jìn)展，這主要得益于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入人心。特別是集成電路的出現(xiàn)和微處理器的普遍使用，以及市場中傳感器的種類增多、價格下降，極大的促進(jìn)了現(xiàn)實(shí)生活中的電子產(chǎn)品的發(fā)展。在當(dāng)下，煙霧濃度檢測火災(zāi)防火預(yù)報警系統(tǒng)已經(jīng)成為一種成熟的產(chǎn)品活躍在市場中，但是這類產(chǎn)品的價格大多高昂，超過了普通人民可以接受的范圍，除此之外，其笨拙的使用方法也阻礙了其在市場中的大范圍使用。1.3本文所做的工作本次主要的設(shè)計任務(wù)包括：1、以51單片機(jī)為核心搭建硬件平臺；2、研究煙霧測量模塊、溫濕度測量模塊的測量原理及使用方法，設(shè)計相關(guān)的硬件電路，編寫相關(guān)的軟件程序；3、研究無線通訊模塊的使用方法，實(shí)時監(jiān)控和防范報警功能。本系統(tǒng)設(shè)計采用STC89C52RC單片機(jī)為核心進(jìn)行煙霧濃度火災(zāi)防火預(yù)報警系統(tǒng)的設(shè)計。采用dht11溫濕度傳感器和ds18b20溫度傳感器對溫濕度進(jìn)行了測量;應(yīng)用MQ-5作為一種控制煙霧氣體濃度的傳感器,通過AD信號采集模塊把采集得來的數(shù)據(jù)直接傳到了單片機(jī)中進(jìn)行處理，同時將數(shù)據(jù)在LCD1602顯示模塊上進(jìn)行顯示，同時在煙霧濃度過高時蜂鳴器執(zhí)行報警操作，實(shí)現(xiàn)防范報警功能。接著使用HC-05藍(lán)牙模塊將系統(tǒng)與手機(jī)進(jìn)行連接，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)無線通信和監(jiān)控功能。2課題研究方案2.1系統(tǒng)的總體思路本系統(tǒng)設(shè)計是基于51單片機(jī)的煙霧濃度火災(zāi)防火預(yù)報警系統(tǒng)的設(shè)計。整個系統(tǒng)的各個模塊需要清晰其需要的配置。在進(jìn)行開發(fā)的過程中進(jìn)行多模塊協(xié)同配合開發(fā)，可以有效的保證整個系統(tǒng)功能的完整性和有效性。整個監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計主要的內(nèi)容應(yīng)該包括并且具有以下幾個軟件設(shè)計模塊,分別是指以51單片機(jī)設(shè)計為控制電路系統(tǒng)軟件開發(fā)的芯片設(shè)計模塊,LCD1602顯示屏設(shè)計為控制系統(tǒng)模塊,晶振控制電路設(shè)計為驅(qū)動控制模塊,復(fù)位控制電路設(shè)計為控制模塊,DHT11溫濕度檢測為數(shù)據(jù)采集控制模塊,蜂鳴器自動檢查報警和控制模塊和空氣中煙霧的釋放和濃度自動檢查模塊。整個系統(tǒng)的總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)框圖如下表所示:圖2-1系統(tǒng)設(shè)計總體框圖在整個系統(tǒng)中，所有的項(xiàng)目模塊各自實(shí)現(xiàn)自身功能，最終集中到51單片機(jī)中控制，將數(shù)據(jù)處理后發(fā)回給各模塊。晶振電路的目標(biāo)是為了能夠給單片機(jī)帶來更大的驅(qū)動能力,晶振頻率直接決定了單片機(jī)的處理速度。而復(fù)位電路則主要是將這個系統(tǒng)重新恢復(fù)至最初始狀態(tài),即只有一個單片機(jī)內(nèi)部的一個程序再次從頭到尾地執(zhí)行。電源電路的設(shè)計主要目的是為了給整個單片機(jī)和系統(tǒng)提供一個電源。顯示屏的顯示電路稍微比較復(fù)雜一點(diǎn)，這和其引腳使用的較多有一定的關(guān)系。按鍵控制顯示模塊則是為了控制顯示屏是否進(jìn)行顯示內(nèi)容，保證整個系統(tǒng)的功能完整性和運(yùn)行有效性。2.2方案選擇2.2.1單片機(jī)的選擇單片機(jī)的主要作用在于對系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以與各部件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并對其進(jìn)行測試，最終實(shí)現(xiàn)對于系統(tǒng)各部分的控制。單片機(jī)嵌入到系統(tǒng)中發(fā)揮作用時常作為控制核心發(fā)揮作用。圖2-251單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖在軟硬件方面的設(shè)計中往往會使用32和51兩種類型的微處理器來實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo),在本文的軟件設(shè)計中采用51單片機(jī)。stm32單片機(jī)的處理計算能力已經(jīng)遠(yuǎn)超51單片機(jī),引腳同樣更為豐富,但其造價比51也要高得多。在本文的設(shè)計中,我們的主要目標(biāo)就是搭建一個圍繞單片機(jī)進(jìn)行的簡單控制系統(tǒng),采用51單片機(jī)就能夠輕松地完成這一點(diǎn)。51單片機(jī)在實(shí)際使用的過程中,它需要分別配置一個定義每一根引腳的位置和功能,并且它的價格相對廉宜,對于一些預(yù)算不是那么多的人來說,它就非常適合。所以本次設(shè)計選擇51單片機(jī)為控制電路的核心。2.2.2顯示屏的選擇目前，在單片機(jī)開發(fā)方面上常用的顯示屏有LCD1602顯示屏、LCD12864顯示屏、TFTLCD顯示等類型。OLED顯示屏是在硬件開發(fā)過程中常用的一類顯示屏，這種顯示屏可以通過加入字庫的方式實(shí)現(xiàn)對漢字的顯示，它的主要器件是一塊15x16的點(diǎn)陣板，整個界面的大小是極小的，可以很方便的進(jìn)行一些參數(shù)信息的顯示，方便在實(shí)際開發(fā)過程中的使用，其缺點(diǎn)是對于驅(qū)動該顯示屏的指令繁雜，較難掌握。因此在本設(shè)計中不采用OLED顯示屏。TFTLCD顯示屏同樣是在開發(fā)過程中常用的一類顯示屏，種類很多，可以根據(jù)不同的環(huán)境需求進(jìn)行挑選，可以較好地顯示常用的圖片和曲線等。但是這類產(chǎn)品體積碩大，同時其需要32個引腳才能實(shí)現(xiàn)功能，但是51系列單片機(jī)引腳緊張，無法滿足其需求，因此本設(shè)計同樣不采用此類顯示模塊。LCD1602顯示屏的顯示屏幕只有雙行，屏幕小且顯示內(nèi)容豐富，不會造成單片機(jī)的引腳使用緊張。并且LCD1602顯示屏既能夠?qū)崿F(xiàn)ASCII碼,又能夠十分方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)其亮度,所以我們就采用了LCD1602顯示屏來做為本次測試中所需要的一個顯示模塊。2.2.3溫度傳感器的選擇溫度傳感器的品種有很多。在其中較為常用的有熱電偶式傳感器、熱敏電阻式傳感器、電阻式溫度檢測器（RTD）、數(shù)字輸出式傳感器等四種。熱電偶和熱敏式傳感器對于溫度檢測應(yīng)用范圍相對較小,不能滿足本系統(tǒng)設(shè)計中環(huán)境溫度檢測的需求,同時其在使用過程中還需要配備較多附加元器件,增加了系統(tǒng)軟硬件電路的工作復(fù)雜性和調(diào)試?yán)щy,降低了系統(tǒng)可靠性,故本設(shè)計不采取這兩種溫度傳感器。電阻溫度檢測器通常具有大的溫度系數(shù)，隨溫度變化響應(yīng)速度快，抗熱疲勞，而且用易于加工的金屬制成精密度高的線圈。電阻式溫度檢測儀是目前市場上準(zhǔn)確率最高，工作狀態(tài)最穩(wěn)定的溫度傳感器。它的線性優(yōu)于熱電對及熱敏式電阻。然而，電阻式溫度檢測儀的主要優(yōu)勢之一就是反饋頻率快，價格高。由于該系統(tǒng)所設(shè)計的是作為一種火災(zāi)和預(yù)防的煙霧監(jiān)測和報警系統(tǒng)，對其精度的要求并不是非常高,但對于響應(yīng)速度的要求相當(dāng)嚴(yán)格，所以在本設(shè)計中不采用電阻溫度傳感器。數(shù)字輸出式溫度傳感器內(nèi)部包含檢測溫度的探頭、處理信號的芯片、緩存數(shù)據(jù)的器件以及接口集成電路。智能溫度傳感器的主要技術(shù)特點(diǎn)之一也就是它本身可以直接將物體溫度和其密切相關(guān)的測量數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成各種數(shù)字信號后并進(jìn)行數(shù)字輸出，適配于各類型微處理器；另外,可以基于硬件或者軟件直接實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的功能。它的智能性與協(xié)調(diào)還主要依賴于軟件開發(fā)層的技術(shù)水平。由于其具有很大的自主性，同時傳感器內(nèi)部具有信號轉(zhuǎn)化電路，可以一定程度上減少硬件難度，降低由于硬件問題導(dǎo)致系統(tǒng)錯誤的幾率和出錯后的調(diào)試難度，所以本實(shí)驗(yàn)采用了其中的DHT11和DS18B20兩種智能數(shù)字式煙霧傳感器完成設(shè)計任務(wù)。2.2.4煙霧傳感器的選擇目前，在硬件平臺搭建中常用的煙霧傳感器主要有三種類型，離子式煙霧傳感器，光電式煙霧傳感器，氣敏式煙霧傳感器。離子式煙霧傳感器是一種利用放射源和電離的原理進(jìn)行煙霧傳感器,其檢測的可靠性很好，其技術(shù)性能也比較優(yōu)于另外兩類傳感器。其主要工作原理是因?yàn)閮?nèi)外兩個電離室中都包括了含有一個放射源镅-241電離器而產(chǎn)生的正負(fù)兩種離子，當(dāng)其中一小部分經(jīng)由電離器的輻射而產(chǎn)生正負(fù)兩種化學(xué)性質(zhì)的粒子相互運(yùn)動，在被放電室內(nèi)一小部分被吸收并遭到了具有大量的帶電和煙霧輻射的光線干擾，就會直接導(dǎo)致使得這些被稱為帶電輻射的顆粒離子相互運(yùn)動的方式發(fā)生很大的改變，破壞內(nèi)外兩個電離室之間的均衡，發(fā)出報警信號。雖然離子式煙霧傳感器在設(shè)計上具有較高的檢測效率和準(zhǔn)確性，但其使用成本相對較高，同時由于其檢測核心在于放射性镅241，導(dǎo)致其保存和回收都易造成污染問題，故本設(shè)計未采用離子式煙霧傳感器。光電式煙霧監(jiān)測器內(nèi)部由一個安裝在多組紅外線接收管及發(fā)射器上的光學(xué)迷宮組成。如果沒有煙霧進(jìn)行干預(yù)，接受端探頭沒有光線接收，有煙路徑發(fā)生變化，造成光學(xué)路徑改變。此時,紅外光被傳遞到接收感應(yīng)器件的信號端。將報警電路接收數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行對比判斷。由于光電式的傳感器在網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)資料相對較少,其引腳的電路圖我沒有找到,就無法將其直接接入到本設(shè)計的電路中,所以本次的設(shè)計同樣未選擇光電式的煙霧傳感器來作為一種可以檢測煙霧的濃度。氣敏傳感器主要是一種檢測某一種或多種固定氣體的傳感器，同時也可以實(shí)現(xiàn)煙霧濃度的檢測。以電信號代替待測氣體的信息,根據(jù)數(shù)字電信號,可經(jīng)分析計算得出待測氣體在各種大氣環(huán)境中的存在情況,以此達(dá)到監(jiān)控和報警等目的。由于本設(shè)計所要求的煙霧濃度檢測精度不嚴(yán)苛，所以采用此類傳感器即可滿足設(shè)計要求。故本工程設(shè)計中所需要設(shè)計采用的煙霧傳感器主要是煙霧氣體量傳感器系統(tǒng)元件中的MQ-5傳感器,2.2.5藍(lán)牙模塊的選擇藍(lán)牙通信模塊主要是集成了一個使用在PCBA電路板上的具有各類藍(lán)牙通信功能的模塊,用于允許客戶進(jìn)行短距離的無線通信。在當(dāng)前的階段,支持許多種類型的藍(lán)牙設(shè)備。在單片機(jī)設(shè)計中，最常使用的就是HC-05藍(lán)牙模塊。HC-05模塊組采用了高控制性功能的射頻主從控制單體式射頻藍(lán)牙自動串行控制模塊,可與其他外部設(shè)備具有各種射頻藍(lán)牙串行信號輸入和輸出控制功能的外部設(shè)備直接相互進(jìn)行自動匹配。這個模塊可以支持很大的波特率區(qū)間范圍(4800-1382400),并且這個模塊能夠接受5v或3.3v的嵌入式單片機(jī)VCC來提供電。本設(shè)計中添加HC-05藍(lán)牙模塊作為實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)送的一種方法來完成整個系統(tǒng)的總體設(shè)計。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1硬件總體設(shè)計在本文的設(shè)計方案中,主要的設(shè)計技術(shù)特點(diǎn)之一便是以STC89C52單片式微機(jī)模塊為基礎(chǔ),作為一個能夠?qū)螜C(jī)微處理器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)外圍控制的核心芯片,其外圍控制電路在整個系統(tǒng)的設(shè)計上主要可以認(rèn)為有以下幾個內(nèi)圍控制模塊,分別為采用串口數(shù)據(jù)通信控制模塊的電路設(shè)計,電源信號供應(yīng)電路控制檢測模塊的電路設(shè)計,復(fù)位電路模塊的控制設(shè)計,時鐘信號振蕩電路模塊的控制設(shè)計,顯示屏顯示模塊的設(shè)計和溫濕度變化檢測模塊的控制電路設(shè)計，煙霧空氣濃度測量檢測電路和空氣蜂鳴器聲音報警檢測電路。整個系統(tǒng)的總體設(shè)計制造工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖圖表3-1所示。圖3-1系統(tǒng)電路設(shè)計框圖在本智能煙霧報警系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，STC89C51單片機(jī)首先要采集來自感受器的數(shù)據(jù)，隨后根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯對其進(jìn)行處理，與編程是設(shè)置的閾值相比較，最后完成煙霧報警的指令。3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計單片機(jī)的最小計算器系統(tǒng)同時被廣泛地稱為是一種基于單片機(jī)的最小計算器應(yīng)用系統(tǒng)，最小系統(tǒng)是使用最小零件構(gòu)成宏處理器的最簡單工作系統(tǒng)。通常,所有一個基于單片機(jī)的最小信號控制處理系統(tǒng),都必須同時由一個核心控制芯片CPU、以中央晶振器為控制核心的一個時鐘控制電路及一個信號復(fù)位器組成。單片機(jī)是把它當(dāng)做微型芯片式的計算機(jī),將其中所有部件構(gòu)成的微芯片計算機(jī)整合在硅板上。在功能方面不具有計算機(jī)系統(tǒng)的所有功能。單片機(jī)主要應(yīng)用方向在于控制方面，對于其他外圍設(shè)備進(jìn)行控制和測試。本文在設(shè)計方案中主要選擇51單片機(jī),最小化系統(tǒng)集成電路和它們的結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如下:如圖3-2所示:圖3-2最小系統(tǒng)原理圖3.2.1復(fù)位電路設(shè)計這就是所謂的復(fù)位電路,類似于PC機(jī)的自動重啟。單片機(jī)與PC計算器相似，但只能進(jìn)行較簡單的操作控制。在一個單片機(jī)真正實(shí)際地執(zhí)行一個程序時,往往由于一定的程序原理陷入了一個死循環(huán)而導(dǎo)致系統(tǒng)無法從其他單片機(jī)上跳出,為了使得單片機(jī)系統(tǒng)能夠更好地繼續(xù)執(zhí)行所需的工作,往往會對這個單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行一次復(fù)位的操作。單片機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過程中,也有可能出現(xiàn)運(yùn)行故障，也常需要人為進(jìn)行調(diào)試，目前常用調(diào)試方式是通過對單片機(jī)的每一步操作進(jìn)行在線定點(diǎn)判斷。但是每調(diào)試一次，單片機(jī)仍有可能重復(fù)執(zhí)行之前的代碼，而我們需要單片機(jī)重新執(zhí)行程序，我們會對使單片機(jī)復(fù)位一次。在本文的設(shè)計中，51單片機(jī)系統(tǒng)以此作為控制的核心，其對運(yùn)行的錯誤有可能會對系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，需要設(shè)計一個系統(tǒng)重啟操作控制電路來在運(yùn)行出錯時重啟系統(tǒng)，方便實(shí)際使用。本設(shè)計中的復(fù)位電路具有一個下拉電阻R2,一個復(fù)位極性電容C6和另外一個極性啟動按鍵SW6等部分組合。其電路原理圖如圖3-3所示：圖3-3復(fù)位電路設(shè)計原理圖3.2.2時鐘電路電路設(shè)計對于任意一個微處理器,其中的頻率時鐘和其他頻率振蕩信號均是一種來自晶振管的振蕩。外部的一個震蕩連接電容連接確保了整個單片機(jī)的正常工作運(yùn)行,其由一個晶振管的聯(lián)合器和連接的震蕩電容共同驅(qū)動構(gòu)成。但在51單片機(jī)的內(nèi)部，并沒有自帶的振蕩器。在實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用過程中,單片機(jī)接通電源前,需要向其提供一個晶振來進(jìn)行外部的驅(qū)動，引發(fā)內(nèi)部振蕩器共同振蕩，提供時鐘信號。圖3-4時鐘電路設(shè)計原理圖時鐘信號的核心在于晶振的振蕩，晶體振蕩器就是振蕩電路不可缺少的一環(huán)，其通常連接放大電路反饋時鐘信號輸出，通常將這一波形進(jìn)行分頻處理作為單片機(jī)的工作頻率。系統(tǒng)的各個模塊采用了這一時鐘信號來實(shí)現(xiàn)功能。其工作原理框圖如圖3-4所示:3.3傳感器模塊電路設(shè)計3.3.1溫濕度采集模塊電路設(shè)計dht11數(shù)字型監(jiān)控智能空氣溫濕度數(shù)字傳感器監(jiān)控系統(tǒng)主要采用獨(dú)特的智能數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣采集檢測和智能溫濕度數(shù)據(jù)自動化采集檢測等先進(jìn)技術(shù)，將數(shù)字傳感器通過采集檢測得到的數(shù)據(jù)以及復(fù)合式的各種數(shù)字信號綜合進(jìn)行數(shù)字輸出，保證了它們的最高工作溫度穩(wěn)定性與工作可靠度，其中主要元件包括了在兩個單片硅電機(jī)上互相進(jìn)行連接的一個數(shù)字電阻式感濕測溫元件和一個NTC阻式測溫感濕元件。DHT11采用單總線方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接,加強(qiáng)系統(tǒng)集成度，降低功耗。該模塊的設(shè)計原理圖如圖3-6所示。（a）DHT11電路接口圖 （b）DHT11模塊實(shí)物圖圖3-5溫濕度檢測模塊DHT11器件設(shè)計是由于使用了一個簡化的單總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。單總線也就是說,如果一個系統(tǒng)中只有一條單根線的數(shù)據(jù)總線,系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)信號的發(fā)送與接受、控制都必須通過單個的數(shù)據(jù)總線或者一個模塊才能夠來對其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。小板開關(guān)的數(shù)碼量輸出接口DO連到單片機(jī)p22口。一次性地進(jìn)入,傳送40位變量數(shù)據(jù),高位先發(fā)出。發(fā)送的數(shù)據(jù)格式分別為:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù),8bit濕度小數(shù)值數(shù)據(jù),8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù),8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù),8bit校驗(yàn)位。DS18B20為常用的一種數(shù)字式溫度傳感器,它具有使用者經(jīng)濟(jì)耐用,測量準(zhǔn)確等優(yōu)勢。DS18B20的管腳排列如下:?圖3-6DS18B20的管腳排列圖數(shù)字信號從2口的兩個輸入端直接提供給外部用戶,與外部單片機(jī)中的P20口相互連接;GND為直流接地;VCC外部直流信號接收器的交流電源作為輸入。圖3-7DS18B20溫度傳感器電路設(shè)計圖3.3.2煙霧濃度模塊設(shè)計在本次檢測模塊中的設(shè)計上,選擇MQ-5作為對監(jiān)測空氣中煙霧和放射性氣體的濃度進(jìn)行傳感。這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是它的靈敏度高、響應(yīng)速率快，并且它還具有一定的抵御干擾能力，良好的運(yùn)行穩(wěn)定性確保了它們正常工作時間和實(shí)效性，同時價格低廉、使用壽命長也是其被廣泛使用的原因。其原理如圖3-8所示。圖3-8煙霧濃度檢測模塊MQ-5的第4引腳向比較器輸出一個信號,它主要是隨著空氣中的煙霧和放射性氣體濃度的改變而產(chǎn)生一個直流電信號,被添加后發(fā)送到了比較器的第1引腳,R10構(gòu)成了一個比較器的門限電壓。例如,當(dāng)主機(jī)煙霧的輸入濃度相對較高,輸出的輸入電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于超過規(guī)定門限的主機(jī)輸入輸出電壓時,比較器從它的DOUT口向主機(jī)輸出一個低頻的電子信號,此時LED就應(yīng)該會自動輸出發(fā)生一個光信號報警;例如,當(dāng)濃度減少,傳感器的輸入電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于門限電壓,由DOUT進(jìn)行翻轉(zhuǎn)后輸出一個高電信號,LED自動熄滅。通過手動調(diào)節(jié)R10,可以實(shí)現(xiàn)通過手動調(diào)節(jié)一個比較器的門限輸入電壓,從而大大提高了報警信號輸出的精度和靈敏度。3.4外部模塊電路設(shè)計3.4.1蜂鳴器報警模塊設(shè)計在本設(shè)計系統(tǒng)中的報警信號控制模塊主要是通過對有源蜂鳴器的方式進(jìn)行報警,對于這類有源蜂鳴器來說,只需要對有源蜂鳴器的方式進(jìn)行控制,即可以直接通過對蜂鳴器發(fā)送信號進(jìn)行報警信號的輸入和控制,即可以直接使蜂鳴器執(zhí)行報警信號的輸出和工作,以便于實(shí)現(xiàn)報警的目的。將單片機(jī)的P26引腳與集成電路框圖中的蜂鳴器2口互相連接,當(dāng)集成單片機(jī)的P26引腳輸出信號轉(zhuǎn)換成無線低電信號時,蜂鳴器就會進(jìn)行報警;但是當(dāng)該引腳被傳感器輸出一個高電信號時,此時單片機(jī)的蜂鳴器并沒有任何改變,保持一個正常準(zhǔn)備地進(jìn)行高電信號報警的狀態(tài),不管是單片機(jī)檢測到了什么樣的家庭危險,單片機(jī)P26引腳都會經(jīng)由向單片機(jī)向蜂鳴器發(fā)出一個高電信號,這樣就可以促使蜂鳴器自動地對其進(jìn)行鳴叫和報警,提醒所有的使用者,從而真正實(shí)現(xiàn)安全和防護(hù)的作用。蜂鳴器電路引腳圖（b）蜂鳴器模塊實(shí)物圖圖3-9蜂鳴器報警模塊3.4.2顯示屏模塊電路設(shè)計LCD1602顯示屏是一種在51單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中常用的顯示屏，LCD1602顯示屏通過導(dǎo)入對應(yīng)數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)漢字或者各種圖形的顯示。這類顯示屏的引腳數(shù)少于其他類型的顯示屏，較為適合51單片機(jī)這種引腳較少的單片機(jī)。本設(shè)計用LCD1602作為顯示模塊，將從煙霧和溫濕度傳感器得來的數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示。本模塊的設(shè)計原理圖如圖3-5所示：圖3-9LCD1602顯示屏引腳圖3.4.3藍(lán)牙模塊設(shè)計本設(shè)計中采用四個引腳來實(shí)現(xiàn)HC-05藍(lán)牙模塊和51單片機(jī)的一個串行端口相互連接。模塊本身是可以在主模式和從模型下同時運(yùn)行的,并且可以用于很多領(lǐng)域。在本設(shè)計中采用了透傳的方式來實(shí)現(xiàn)無線通信。藍(lán)牙模塊正常工作后，用手機(jī)搜索藍(lán)牙信號與硬件平臺建立連接。當(dāng)連接建立后，即可實(shí)現(xiàn)無線通信功能。藍(lán)牙模塊引腳圖（b）HC-05模塊實(shí)物圖圖3-10HC-05藍(lán)牙模塊1腳是整個單片控制器的主機(jī)一個VCC引腳,連接到電源的是正極,電壓的方向變化頻率范圍一般大約為3.3v左右至5.0v,三極連接管的電源基極一般接近于單片機(jī)的一個VCC引腳,集線器電極一端經(jīng)由一個開關(guān)電阻電路接地,發(fā)射器一級直接接電源,而它的VCC引腳則一般是一直連接在集線器電極上,其實(shí)一腳也就是個最簡單的三極連接管開關(guān)電路;2腳可以作為GND管腳接地;3腳可以作為整個模塊芯片串口的輸入發(fā)送引腳(TXD),接于單片機(jī)的P30引腳;4腳可以作為整個模塊芯片串口的輸出接收引腳(RXD),可以直接連單片控主機(jī)上的P31引腳。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計在本系統(tǒng)設(shè)計中，基于51的煙霧濃度預(yù)報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)前面所述的各個硬件電路模塊的功能。下位機(jī)的軟件系統(tǒng)設(shè)計以一個主程序?yàn)楹诵模缓笤籴槍τ布娐返母鱾€模塊設(shè)計出相配合的子程序模塊。整個工作流程主要包括啟動工作、信號采集、信號傳遞、中斷和信號的接收、中斷信號處理以及信號響應(yīng)等過程。整個系統(tǒng)程序是按照結(jié)構(gòu)化的方式進(jìn)行設(shè)計，通過各個模塊的內(nèi)部程序間的相互配合執(zhí)行，達(dá)到實(shí)現(xiàn)各模塊功能的效果。4.1軟件開發(fā)工具及語言本文在軟件設(shè)計中主要采取的一種代碼編寫調(diào)試軟件就是keil4軟件,該軟件就是一種主要針對51系列單片機(jī)軟件所需要的代碼編寫和調(diào)試而設(shè)計的軟件開發(fā)工具。它們可以更加便利不同類型的開發(fā)人員來進(jìn)行操作,不管是基于嵌入式的軟件開發(fā),或者是基于應(yīng)用程序各個層面的軟件開發(fā),都被認(rèn)為是一款非常十分方便的工具。在我們進(jìn)行各種嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)時,編程常見的應(yīng)用程序語言主要有兩種是匯編語言和C語言。目前使用更為廣泛的是C語言。匯編語言是一種從基于單片機(jī)的底層功能入手來進(jìn)行軟件調(diào)用的編程語言，使用匯編語言可以將微處理器的性能更為徹底的發(fā)揮出來，但缺點(diǎn)是由于其編程需要對所編程單片機(jī)的地址非常了解，更換單片機(jī)型號后需要對應(yīng)更改，具有更大的編程難度，同時也不利于程序的移植。C語言較之更為先進(jìn)一些,C語言可以通過位尋址和直接尋址等方式訪問物理地址對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，同時這種調(diào)用不會因單片機(jī)類型的不同而改變，方便軟件移植，同時C語言所編寫程序具有更強(qiáng)易讀性，編譯機(jī)功能更為強(qiáng)大。在本文件的設(shè)計中,使用C語言對內(nèi)部程序進(jìn)行了編譯。4.2系統(tǒng)程序代碼設(shè)計在進(jìn)行實(shí)際代碼的編譯之前，應(yīng)當(dāng)先規(guī)劃出設(shè)計所要實(shí)現(xiàn)的目的以及實(shí)現(xiàn)設(shè)計目的的邏輯。根據(jù)自身的設(shè)計理念和思路來繪制出具體的流程圖,這會極大地有利于我們后續(xù)的實(shí)際工作程序。系統(tǒng)的總體設(shè)計流程圖如圖4-3所示：本系統(tǒng)設(shè)計程序以main()函數(shù)進(jìn)入主函數(shù),然后通過while循環(huán)，實(shí)現(xiàn)整個程序的連續(xù)運(yùn)行。程序首先是進(jìn)行各個設(shè)備的初始化操作,在初始化之后,接下來就是執(zhí)行一個信號掃描功能,將各個傳感器中的數(shù)據(jù)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后再被采集到一個單片機(jī)中,經(jīng)過微處理器進(jìn)行處理后,在LCD的顯示屏上自動進(jìn)行顯示,并且將此通過一個藍(lán)牙的傳輸方式發(fā)送出去。同時把采集得到的數(shù)據(jù)和程序所預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行了比對,判斷是否給蜂鳴器發(fā)送高電平信號。如果報警自動向蜂鳴器發(fā)出一個新的高電平,蜂鳴器就會自動執(zhí)行一個自動報警操作,系統(tǒng)就可能會自動掃描復(fù)位報警按鍵,檢查按鈕是否被按下,若按下復(fù)位報警按鍵,程序就會重新開始運(yùn)行;若未按下報警的復(fù)位按鍵,同時室內(nèi)煙霧的含量濃度依舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)設(shè)定的報警閾值,蜂鳴器則可能會自動繼續(xù)重新進(jìn)行一次報警。圖4-1程序流程圖

5系統(tǒng)測試與分析5.1系統(tǒng)測試在硬件開發(fā)中，我們需要不斷對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,在了解產(chǎn)品的設(shè)計細(xì)節(jié)和所實(shí)現(xiàn)功能之后，就開始對系統(tǒng)功能性進(jìn)行調(diào)試。在整個系統(tǒng)的所有功能都初步實(shí)現(xiàn)之后,需要對其他特定功能的外設(shè)進(jìn)行選型和測試。下面是系統(tǒng)的實(shí)物設(shè)計圖,如圖5.1所示：圖5-1系統(tǒng)實(shí)物圖本系統(tǒng)的設(shè)計主要研究目標(biāo)之一就是將溫度傳感器在顯示屏上顯示采集所獲得的煙霧氣體濃度相關(guān)信息以及溫度傳感器在顯示屏上顯示采集溫濕度獲得的相關(guān)信息在顯示屏上自動地進(jìn)行顯示,當(dāng)采集到煙霧的氣體濃度信息超過了系統(tǒng)預(yù)設(shè)的煙霧溫度傳感閾數(shù)值時,蜂鳴器立即進(jìn)行自動報警,同時要注意其他外圍電路的設(shè)計是否合理。然后將一個可執(zhí)行的程序HEX文件生成并進(jìn)行燒錄,將已經(jīng)編譯好的程序直接導(dǎo)入到硬件工作電路,給整個系統(tǒng)上電并且運(yùn)行,觀察整個系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中所取得的結(jié)果。在導(dǎo)入了HEX可執(zhí)行文件之后，我們需要整個系統(tǒng)的做實(shí)際測試，首先我們可以看到在系統(tǒng)運(yùn)行起來之后，顯示屏的亮度明顯增加，這表明我們整個系統(tǒng)的針對于顯示屏的供電模塊是完整的。接下來就是我們提供的顯示內(nèi)容能否顯示在顯示屏上的測試。在打開電源之后，我們可以發(fā)現(xiàn)，顯示屏和手機(jī)上顯示出來了我們之前設(shè)定好的顯示結(jié)果。如圖5.2所示。圖5-2顯示屏顯示以及藍(lán)牙傳輸結(jié)果圖整個系統(tǒng)中同樣還有一個復(fù)位電路模塊和晶振電路模塊,這兩個組成部分都在經(jīng)過了驗(yàn)證后得到了非常明顯的結(jié)論,首先要看的是晶振電路,如果系統(tǒng)中沒有晶振電路,那么整個系統(tǒng)就不具備由于晶振電路所提供的時鐘信號,系統(tǒng)也就不能夠穩(wěn)定地正常工作。其次是復(fù)位電路。我們只需要通過按一下控制復(fù)位電路上的按鈕,來檢查系統(tǒng)是否發(fā)生了重新啟動或者停止正常運(yùn)行的操作。圖5-3實(shí)際報警結(jié)果圖系統(tǒng)上電運(yùn)行后，屏幕上顯示出當(dāng)時環(huán)境的溫濕度和煙霧濃度，在向溫濕度傳感器哈氣時，能夠明顯看到顯示屏所顯示溫濕度數(shù)據(jù)都發(fā)生變化，說明溫濕度檢測電路功能完好，工作正常。將點(diǎn)燃的紙條熄滅后產(chǎn)生煙霧放在煙霧傳感器下時，傳感器檢測燈亮起，說明傳感器已經(jīng)感受到煙霧，顯示屏上的煙霧濃度數(shù)據(jù)快速上升，在超過預(yù)設(shè)40%時蜂鳴器發(fā)出報警，在拿開紙條后，傳感器指