基于STM32单片机的家庭智能火灾安全系统研究.docx
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基于STM32单片机的家庭智能火灾安全系统研究
本科毕业设计(论文)
基于STM32单片机的家庭智能火灾安全系统研究
ResearchonfamilyintelligentfiresafetysystembasedonSTM32singlechipmicrocomputer
院(系)
计算机学院
专业
电子信息工程
班级
16级电子三班
学号
16210420318
学生姓名
杨俊杰
指导教师
林瑾
提交日期
2020年4月13日
毕业设计(论文)原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业设计(论文),是本人在指导老师的指导下,独立进行的设计(研究)工作及取得的成果,论文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出,论文中的结论和结果为本人独立完成,不包含他人已经发表或撰写的作品及成果。
对本文的研究作出贡献的个人和集体,均已在论文中作了明确的说明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
毕业论文作者(签字):
签字日期:
年月日
成绩评定
成绩项
论文成绩(百分制)
折合比例
实得成绩(折合分)
指导教师成绩
30%
评阅教师成绩
20%
答辩成绩
50%
总评成绩
注:
毕业设计(论文)成绩按百分制评定。
答辩成绩不及格的(评分低于60分的),则该毕业设计(论文)总评成绩为答辩成绩。
内容摘要
近些年来,社会的飞速发展,电子科学技术和计算机软硬件技术的进步,所以我们的生活水平跟着提高。
大厦林立、房屋建设也越来越复杂,大量的用电器以及复杂交错的线路使我们的日常生活存在着安全隐患,那么火灾安全问题也成了我们生活中一大需要解决的问题,所随之而来越来越多的火灾系统和灭火系统也应运而生。
本设计基于单片机设计了小型智能家用火灾报警系统,可实现烟雾报警、温度异常报警以及红外检测和外部中断等功能。
在硬件选择方面,采用了以STM32F103C8T6单片机为主控芯片,集成了温度传感器(LM75A)、烟雾气敏传感器(MQ-2)、微型人体感应传感器PIR、有源蜂鸣器以及6×6×6轻触开关等,编写程序通过各个模块的传感器对环境种的温度、烟雾浓度数据信息的实时采集,再由单片机进行数据存储与处理,随后根据设计逻辑控制各模块元件做出相应的应对措施,排除隐患,尽可能避免意外发生。
关键词:
STM32单片机传感器智能火灾报警系统
Abstract
Inrecentyears,ourstandardoflivinghasimproved,giventherapiddevelopmentofsociety,thedevelopmentofelectronictechnologyandcomputerhardwareandsoftwaretechnology.Thebuildingismoreandmorecomplex,alargenumberofelectricalappliancesandcomplexstaggeredlinesmakeourdailylifehavepotentialsafetyhazards,sothefiresafetyproblemhasbecomeabigprobleminourlifetobesolved,andmoreandmorefiresystemsandfireextinguishingsystemshaveemerged.Asmallfirealarmsystemofintelligenthomebasedonsinglechipmicrocomputerisdesigned,whichrealizesthefunctionsofsmokealarm,temperatureabnormalalarm,infrareddetectionandexternalinterruption.
Intermsofhardwareselection,stm32f103c8t6singlechipisusedasthemaincontrolchip,whichintegratestemperaturesensor(LM75A),smokegassensor(mq-2),microhumanbodysensorPIR,activebuzzerand6×6×6lighttouchswitch,etc.theprogramiswrittentocollectthereal-timetemperatureandsmokeconcentrationdatainformationofenvironmentalspeciesthroughthesensorsofeachmodule,andthenthesinglechipisusedThemachinestoresandprocessesthedata,andthencontrolseachmoduleelementaccordingtothedesignlogictomakecorrespondingcountermeasurestoeliminatehiddendangersandavoidaccidentsasmuchaspossible.
Keywords:
STM32singlechipmicrocomputersensorIntelligencefirealarmsystem
第一章概述
人类的生活中离不开火,甚至可以说,人类可以进化发展到如今的地步,也是因为人类懂得利用火,火给我带来很大的便捷,但是,凡是有利就有弊,在给予我们便利的同时,火也可以给我们带来灾难,所以防火措施必不可免,在火灾的初期予以合适的处理,可以有效的保障我们的生命的安全和避免财产的损失。
本论文基于对火的本质上去分析研究,针对性的对火灾发生的情景去设计一款由STM32为主控芯片,可以提前预测、检测火灾的发生,通过传感器对环境温度,烟雾气体浓度信息的实时监控,当检测到异常数据时会发出警报的智能化火灾警报器。
1.1研究的背景和意义
自改革开放以来,中国的经济以惊人的速度在进步着,我们的生活水平也随之越来越好,各行各业也日渐强大,而因为中国有着大量的人口,所以房地产行业发展的尤为快速,随之而来的高楼大厦、小区社区不断增加。
我们的家庭房屋电线电缆也越来越多,室内的结构也越发复杂,大量电器用品的使用,那么线路短路或者物品自燃也是现代家庭不得不防范的一个问题。
大数据表明,我国近10年来的火灾情况为:
平均每年13-15万起、直接造成损失每年约200000万元,面对这样的数据,我们有理由要更加的重视火灾问题,也要更加努力的去发展着方面的防护措施。
采用智能的家庭防火系统,对于有可能发生的灾害能有效的减少和避免。
温度感应器安装于室内,当温度不正常的上升到一定程度时,或者烟雾浓度达到一定值时,发报警信号,自动洒水,及时处理以免造成更进一能步的伤害和损失。
而如果检测到有人在现场和温度与浓度都没有达到一定的危险值时,可由人判断如何去救火,避免系统小题大做而造成不必要的损失,而得不偿失。
本作品专门针对家庭的安防系统,创新性地将警示,防火灭火,等紧急情况于一身,为居家安全放心提供了强有力的保障。
1.2火灾警报器的现状与发展趋势
1.2.1火灾警报器的现状
在我们国家,关于火灾报警系统方面的研究和应用,目前还处于比较基础的层次,相对于欧美等发达国家,因为起步晚,我们在这方面还是略逊一筹。
我国的火灾报警系统的安装范围主要基于《高层民用建筑设计防火规范》、《建筑设计防火规范》等法规规定中的相应场所,例如国家、省市等部门和重点单位,而在普通家庭的安装使用中并没有得到普及。
现在我国的应用的火灾探测装置的工作原理基本可以分为烟雾传感、温度传感、火焰(光)传感、可燃气体传感等单种或多种组合的检测警报装置,虽然对于目前的火灾探测器系统进行了智能化的设计,但已有的探测传感器件对于可采集的环境数据参数种类的不足,相应的系统的软件发展还不够成熟,使得火灾警报系统还存在智能化程度低、迟报、误报、漏报等问题。
而且,相互独立、缺乏交流的控制方式,对于系统之间的交流和资源共享是非常不利的,还会造成一些硬件投资重复的情况,当火灾发生的时候,警报系统无法自动向城市火警中心报警,对火势的具体情况、起火的具体位置等火灾情景做不到准确的描述,这也使得消防方面无法及时的、有针对性的、合理的处理火情,以至于造成多余的、不必要的损失。
这些都是目前火灾警报器所存在的一些问题不足。
1.2.2火灾警报器的发展趋势
报警系统从宏观上来说向着网络化、智能化的方向趋势发展:
报警系统通过计算机技术通过设置的协议将控制系统、各种探测传感器、各个功能模块以及城市的火警中心达成连线,来达到数据的远程调用和监控管理的目的。
同时报警装置中探测器对环境采集有效信息,对采集到的环境信息,采用模糊逻辑和人工神经网络技术进行处理,让系统可以智能化的对环境进行判断,从而来准确的了解火灾情况。
从微观上来说向着小型化,社区化的方向发展:
报警系统的小型化指的是将探测器功能模块小型化,如果报警系统实现了网络化,那么就不需要警报器都是一个完整的系统,系统中的子模块就可以变得很小,依靠网络中的服务资源进行判断、控制、报警,就相当于只需要一个或者多个单独的模块,就可以达到原本一整个警报系统的功能,这样报警系统更加便捷和经济了。
1.3本章小结
火灾的本质可以分为火源与可燃烧物质。
可燃物质有四种不同的形态分别为:
气态、液态、固态、固气混合态。
火灾的火焰参数有:
光反应、温度变化、烟雾等,根据火焰参数结合可燃物质分析可得出防范与应对措施。
本论文主要研究在单片机基础上去模拟家庭住宅火灾情况,通过火焰参数数据去设计可以检测温度变化、烟雾浓度变化,具备红外人体感应的智能火灾系统。
在项目的设计思路和设计方案确定后,熟悉各种软件硬件原理,完成单片机系统硬件焊接,硬件结构的设置和程序的编译,并对实物进行测试和调试。
第二章硬件的选型与分析
在了解了火灾的本质后,根据各方面的功能与性能需求,合理的选用硬件,满足结构小巧,经济实惠的要求,设计出集检测和防范于一体的,具有烟雾检测、温度检测、人体红外检测、警示和应对措施等多功能智能火灾系统[3]。
2.1主控芯片
2.1.1单片机的选型
该设计中选用的核心处理器为STM32F103C8T6,该芯片性能强大,功率消耗很小,时钟频率达到72MHz,就性价比而言,该芯片是同类型产品种非常高,该芯片内置由32KB~128KB的闪存,STM32的功率消耗是36mA,是目前市面上功率消耗最低32位微处理器[6],相当于0.5mA/MHz。
STM32的基本参数如下所示:
芯片大小:
32-BIT
电压-电源:
2V~3.6V
CUP运转频率:
72MHz
INPUT/OUTPUT:
37
程序存储器容量:
64KB(64Kx8)
程序存储器类型:
闪存
随机存取储存器容量大小:
20Kx8
外部设备:
DMA,电机控制PWM,PWM,温度传感器
2.1.2STM32F103C8T6的GPIO功能描述
每个GPI/O口有32位配置寄存器和数据寄存器各两个,一个32位置位/复位寄存器,一个16位复位寄存器和一个32位锁定寄存器。
GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成下列各种模式:
─GPIO_Mode_AIN输入模拟
─GPIO_Mode_IN_FLOATING输入浮空
─GPIO_Mode_IPD下拉输入
─GPIO_Mode_IPU上拉输入
─GPIO_Mode_AF_OD复用模式开漏输出
─GPIO_Mode_AF_PP复用模式推挽输出
─GPIO_Mode_Out_OD开漏输出
─GPIO_Mode_Out_PP推挽输出
每个I/O端口位可以自由的编写程序,IO端口寄存器遵循只按照32字节的访问规则。
2.2传感器模块的选型
2.2.1红外人体感应模块
(1)红外感应模块采用微型人体感应模块PIR。
该传感器参数如下:
工作电压:
DC12V
尺寸大小:
15*15*15mm
输出方式:
5V高低电平
检测角度:
90°
检测范围:
5米
响应时间:
当移动物体离开感应范围后,延时输出60S
(2)微型人体感应模块PIR引脚图2.2说明:
1脚:
供电VCC,12V
2脚:
接地
3脚:
输出使能EN,5V高低电平
图2.2微型人体感应模块PIR引脚
(3)微型人体感应模块PIR传感器特性有:
1.运动物体触发,不受静止物体影响。
2.不受环境温度、烟雾浓度、噪音、气体流东、干燥程度、光线、灰尘等因素影响。
3.自动照明、安防智能化感应量身定做,更专业。
4.稳定可靠,无误触发。
2.2.2温度传感模块
本设计选用市面上常见的LM75A作为温度检测的传感器,LM75A是一个具有高速IIC接口的温度传感器,可以将-55℃~+125℃的温度转化为数字信号。
该传感器可以用于精细的温度检测,检测精度可达到0.125℃内误差,可对环境温度信息进行实时监控。
也可以用做检测温度阈值的温度控制器(阈值可预设)。
LM75A有以下参数特性如下:
(1)具有IIC接口,同一条总线最多连接8个子设备
(2)工作电压范围:
2.8V—5.5V;
(3)温度检测范围:
-55摄氏度—+125摄氏度;
(4)具有11位A/D转换器,转换精度为0.125℃;
(5)掉电模式下电流值为3.5μA;
(6)提供环境温度信息,直接表示温度;
图2.3LM75AD引脚
LM75A引脚说明:
脚1:
I2C串行双向数据线
脚2:
I2C串行时钟输入
脚3:
过热关断输出,开漏输出
脚4:
地,连接到系统地
脚5:
用户定义的地址2
脚6:
用户定义的地址1
脚7:
用户定义的地址0
脚8:
VCC电源
2.2.3烟雾气体传感模块
本设计采用了MQ-2烟雾传感器作为烟雾检测模块的传感器,主要原因是其特点对液态气体、氢气、丙烷有较高的检测识别度,对常见的瓦斯和可燃性气体的探测十分灵敏,可以检测的气体种类也相对齐全,可以说采用MQ-2的各方面性价比都很高。
MQ-2所使用的气敏材料二氧化锡,该材料的正常的大气中几乎不导电,所以当传感器所在的环境中存有可燃性气体的时候,传感器的电导率会和检测环境中可燃性气体浓度成正比,系统可以从导电率的大小来判断出可燃性气体浓度是否异常,再输出相对应得电平信号给相对应得IO口,蜂鸣器报警。
此外,从半导体烟雾气体传感器的初期稳定性、加热特性等方面去考虑,MQ-2烟雾气体传感器的指标系数都是相对符合实际情况的不错得选择[4]。
(1)MQ-2传感器的特性如下:
1、具有信号输出指示。
2、模拟电压输出及TTL高低电平输出
3、TTL输出有效信号为低电平0
4、模拟电压输出0-5V电压,电压随着烟雾探测浓度增大而增大。
5、对液化气,家用煤气,天然气有着较高的灵敏度。
6、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性
7、快速的响应恢复特性
(2)MQ-2接线方式:
脚1:
VCC电源
脚2:
TTL高低电平输出端
脚3:
模拟电压输出端
脚4:
接地
图2.4MQ-2引脚图
(3)MQ-2烟雾传感器的外形与结构说明如下:
图2.5MQ-2传感器外形
表2.1MQ-2传感器结构
序号
部件
材料
1
气体敏感层
二氧化锡
2
电极
金(Au)
3
测量电极引线
铂(Pt)
4
加热器
镍铬合金(Ni-Cr)
5
陶瓷管
三氧化二铝
6
防爆网
100目双层不锈钢(SUB316)
7
卡环
镀镍铜材(Ni-Cu)
8
基座
胶木或尼龙
9
针状管脚
镀镍铜材(Ni-Cu)
2.3本章小结
本章介绍了该设计项目电路中相关的元件。
对相关元件的特性分析中,结合设计原理,去实现以STM32单片机为核心的具备烟雾报警和温度报警以及红外人体感应等多功能报警器。
第三章硬件系统设计
单片机系统由STM32F103C8T6芯片、MQ-2烟雾气体传感器、LM75A温度传感器、微型人体感应模块PIR、蜂鸣报警器、红灯、绿灯和一个中断按键开关组成。
根据PCB图和原理图将各模块器件进行焊接[7]。
3.1火灾报警器硬件电路设计
本单片机系统由STM32F103C8T6与MQ-2烟雾气体传感器、LM75A温度传感器、微型人体感应模块PIR、蜂鸣报警器、红绿灯和一个中断按键开关几大模块组成。
各模块连线如下:
将PA12与MQ-2烟雾气体传感器D03口连接;将PA10与有源蜂鸣器连接;将PA8口与微型人体感应器OUT口连接;将PA0口与中断开关按键KEY0连接;将PB1口与绿灯连接;将PB10与红灯连接;将PB6,PB7分别与LM75A温度传感器时钟线SCL和数据线SDA连接。
图3.1火灾报警系统原理图
3.1.1单片机最小系统
图3.2最小系统
系统处理器部分电路关键由时钟电路、调试电路、电源电路以及复位电路构成。
图3.3晶振电路
图3.4电源电路
图3.5复位电路
3.1.2烟雾报警模块
烟雾报警电路由单片机PA12端口和PA10端口控制,通过配置相应寄存器使PA12端口功能模式选用上拉输入模式,PA10端口功能模式选用推挽输出模式。
MQ-2烟雾气体传感器DOUT引脚连接单片机PA12端口,选用TTL高低电平输出功能,通过对环境的实时扫描检测,当检测到的环境烟雾的浓度大于设定浓度时(浓度阈值可自调),由MQ-2烟雾气体传感器向单片机发送报警信号(发送间隔1s的低电平的脉冲信号),再通过代码实现逻辑转换,单片机向PA10端口的输出高电平,蜂鸣器长鸣,起到警示作用。
图3.7烟雾报警电路
3.1.3温度报警模块
温度报警电路由单片机PB6、PB7、PA10端口控制,通过配置相应寄存器使PB6、PB7、PA10端口功能模式选用推挽输出模式。
LM75A的SCL连接单片机PB6口、SDA连接单片机PB7口,通过LM75AD读取周围环境温度,得出一个温度数据Temp,再由时钟线SCL和数据线SDA根据I2C协议将数据Temp传输给单片机,当单片机接收到的温度数据大于所设定的温度阈值时,向PA10端口输出高电平,蜂鸣器报警,起到警示作用。
图3.8温度报警电路
3.1.4人体红外感应模块
人体红外感应模块由单片机PA8端口和PB1端口控制,通过配置相应寄存器使PA8端口功能模式选用上拉输出模式,PB1端口选用推挽输出模式。
当有人靠近微型红外传感器5米内时,单片机相应端口输入高电平1,再由单片机向PB1端口输出高电平,绿灯(应急照明灯)亮。
图3.9红外人体感应电路
3.1.5中断开关模块
中断开关模块由中断按键模块和LED模块组成,由PA0端口和PB10端口控制,通过配置相应寄存器使PA0端口使用外部中断功能,选用上升沿触发模式,PB10端口选用推挽输出模式。
中断按键模块由一个6×6×5轻触开关串联上拉电阻组成,空闲状态下PA0一直处于高电平状态,当按下轻触开关后,接地,电平状态从低电平变为高电平,符合上升沿触发条件,单片机再通过代码实现单片机向PB10端口输出高低电平(根据代码决定输出高低电平),实现红色LED亮灭功能。
图3.10中断开关电路
3.2后期思路改进
原本在该设计思路中具备一个可以想户主发送异常信息的无线发送模块,但是由于个人的知识水平不足,遗憾没有办法实现该功能。
同时,在后期加入了一个中断按键功能,目的是为了预防传感器检测到烟雾和温度异常,但实际上是可控性后果的情况发生,那么可以通过人为的方式去解决问题,避免自动处理造成无差别的伤害,得不偿失。
同时也因为经费和实施难度方面考虑,用红灯模拟洒水系统。
3.3本章小结
本章涉及到了单片机的焊接与各种电路原理,在已有的知识水平上还需大量的去学习,所涉及的的知识方面还是比较全面的。
通过设计硬件电路图,对于整个电路系统的知识有着不小的提升,加强了独立思考、不断获取、精益求精的学习能力,深刻的明白单凭理论知识是远远不够的,同时伴随需要的是实践与理论相结合,才有可能做出相对成功的作品。
第四章软件开发
单片机项目的研究开发阶段不仅需要过硬的硬件能力,程序的编写和录入也具备着很重要的意义。
在确定了设计思路和所需实现功能之后,利用汇编软件KEIL5进行程序编写,实现要求所需功能。
4.1软件开发环境
本设计采用的是C/C++语言编程,C语言能以简易的方式编译、处理低级存储器。
它既有高级语言的特点,又具有汇编语言的特点。
它可以作为系统设计语言,编写系统和应用程序,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。
不用在运行环境支持下便能运行的高效率的计算机语言。
本系统的软件编程使用的是KeiluVision5软件开发系统,该软件具有很实用的库函数,集成开发的调试工具也很强大,生成代码的效率高,错误率低,转变成机器语言再结构上更精简,是目前使用C语言编程的最好选择[8]。
4.2主程序设计
本设计以STM32为警报系统的主控芯片,由传感器采集到的烟雾浓度和温度通过GPIO口传输至STM32进行处理,再由编写好的程序对环境进行判断,最后通过GPIO口对蜂鸣报警器和红色LED灯(模拟洒水功能)进行控制,这些部分是火灾警报系统的智能所在的体现。
我还在火灾警报器的软件设计中设计了模块化的变成方法,为的就是后期程序系统的维护的便捷,这些子程序的作用就是实现各模块的功能,也更方便需求功能的拓展,他主要包括火灾报警总程序、现场温度和烟雾浓度报警子程序、人体红外感应子程序、和红色LED(模拟洒水)中断处理子程序。
火灾警报系统的工作流程图如4.1所示,首先启动火灾警报系统,系统初始化,随后各传感器对环境进行扫描,单片机判断传感器采集到的温度信息或者烟雾气体浓度信息超过所设定阈值时,报警模块蜂鸣器会长鸣直到异常消失,再根据红外人体传感器是否探测到有人在场,判断是否需要进行下一步处理,可自动或者手动进行的洒水(此设计为红灯模拟)控制。
异常情况有以下情形。
情形1:
烟雾浓度异常,温度正常,无人在场,蜂鸣器长鸣;
情形2:
烟雾浓度异常,温度正常,有人在场,蜂鸣器长鸣;
情形3:
烟雾浓度正常,温度异常,无人在场,蜂鸣器长鸣;
情形4:
烟雾浓度正常,温度异常,有人在场,蜂鸣器长鸣;
情形5:
烟雾浓度异常,温度异常,无人在场,蜂鸣器长鸣,洒水;
情形6:
烟雾浓度异常,温度异常,有人在场,蜂鸣器长鸣,可手动控制洒水。
图4.1警报系统程序流程图
4.3各个子模块程序设计
4.3.1温度报警子程序
STM32与LM75A之间的交流实际是高低电平之间的信号交流,在采集的温度数据传输的过程中,需要根据I2C协议与单片机交流。
I2C协议:
IIC总线在通信交流的过程中一共有一下几种信号,分别为:
开始信号、结束信号和应答信号。
在着几种信号中,起始信号是一定要有的,结束信号和应答信号,可以没有。
同时我们还要介绍其空闲状态、数据的有效性、数据传输。
开始信号:
在时钟线
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