防火防盗报警系统.docx

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防火防盗报警系统

防火防盗报警系统

沈阳航空航天大学

综合课程设计

防火防盗报警系统的设计

班级24020103

学号2012040201128

学生姓名王志豪

指导教师曹阳

课程设计任务书

课程设计的内容及要求：

一、设计说明

设计一个温室测量仪，能够对温室的温度进行测量，在温度超过规定的上限时进行报警。

选择合适的温度传感器，通过模数转换电路把采集到的模拟信号转换为数字信号，通过控制逻辑处理，译码显示被测的温度。

通过手动复位电路对测量的结果进行清零复位。

原理框图见图1。

图1温室测量仪原理框图

二、技术指标

1．测量范围：

0℃—50℃

2．测量精度为±1℃

3．显示温度。

4、温度超过上、下限报警。

三、设计要求

1．在选择器件时，应考虑成本。

2．根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。

四、实验要求

1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。

2．进行实验数据处理和分析。

五、推荐参考资料

1、张毅刚．新编MCS—51单片机应用设计．[M]哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，2003.

2、何立民．单片机技术选编．[M]北京：

北京航空航天大学出版社，1996.

3、张洪润．单片机及运用．[M]北京：

清华大学出版社，2005.

4、毛谦敏．单片机及运用系统设计．[M]北京：

国防大学出版社，2005.

5、杨刚．电子系统设计与实践．[M]北京：

电子工业大学出版社，2004.

六、按照要求撰写课程设计报告

成绩评定表

评语、建议或需要说明的问题：

指导教师签字：

日期：

成绩

一、概述

改革开放以来，在城市大发展的过程中，大量外地人口涌入城市，给社会治安带来很大压力。

工厂、机关和居家失盗、失火、抢劫事件时有发生；个别地方尤为严重，损失惊人。

由此引起公安部门的高度重视和社会各届人士的普遍关注。

有些部门和居民小区开始派人白天守卫、夜间巡逻，并纷纷购置防护铁门、铁栏杆等被动防范措施，将主人装在铁笼子中以求安全。

一旦发生警性（如火警或煤气泄漏），才发现铁笼子将消防人员拦在事故现场之外，难以即时救助，实为弊端。

从整顿市容角度来看，亦不雅观。

为此，政府部门提倡采用高科技手段实现技术防范措施。

随着时代的发展，人类进入了信息化电子时代，传感器技术作为现代技术的主要内容将有较大的发展。

信息技术包括技术、通信技术和传感器技术。

现代人类社会已经进入信息时代，因而信息技术对社会发展，科学进步将起到决定性作用。

现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，他们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。

在社会治安的现实需求和政府部门的推动下，市场上国产和进口的防盗报警应运而生。

防火防盗系统一般由火灾探测器、入侵探测器、报警控制器和接警中心（硬件加软件）组成。

它的最简单形式就是本地（家庭、单位）报警系统，它的组成部分是火灾探测器、入侵探测器和本地报警控制器，以及声光报警器。

我们设计的防火防盗报警系统是一种自动检测室内火灾仪与安全的系统，能直观地显示室内的温度和室内安全情况，可连续、动态监测，价格便宜，适于普及推广。

该系统的重点就在于要求实现测量的简便化和精确化。

整个系统耗电低，体积小，具有便携性与精确性。

这样的防火防盗报警系统系统性能良好，结构简单，性价比高，输出显示稳定，比较适应大众化，而且使用方便，显示结果醒目。

基于AT89C51的单片机防火防盗报警系统与传统的安全系统相比具有操作方便、价价格便宜、精确度高和开展容易等优点，因此市场前景好。

二、方案论证

防火防盗系统一般由火灾探测器、入侵探测器、报警控制器和接警中心（硬件加软件）组成。

它的最简单形式就是本地（家庭、单位）报警系统，它的组成部分是火灾探测器、入侵探测器和本地报警控制器，以及声光报警器。

方案一：

利用固定点电话联网防火防盗报警系统来实现家庭防火防盗报警，该系统由编程主机、探测器、和遥控器组成，一旦发生警情，能把报警信息通过邮电通讯网络瞬间远程传输到用户设定的固定电话上，同时向接警中心报告，中心联网计算机可通过电子地图、数据库、计算机语音提示、监听现场情况，显示发生警情的单位、地址、方位、发案时间、所辖消防大队或派出所（巡逻大队）经历分布，及时调动警力做出快速处理。

原理框图如下：

图1方案一原理框图

方案二:

通过传感器检测家庭安全隐患，把检测结果送入单片机，通过单片机控制报警灯和声音报警器的启动，实现声光报警。

原理框图如下：

图2方案2原理框图

温度传感器DS18B20采集的数据为数字信号，可以直接发送至单片机进行处理。

烟雾传感器MQ-2气体传感器输出的信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。

MQ-2半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC0808采集，信号经过A/D转换模块后传送进入单片机进行处理。

红外人体传感器DYP-ME003输出信号，该信号为高电平时有人入侵，为低电平时表示无人入侵。

单片机内部程序中预先设定报警临界值，包括温度过高报警和气体浓度过高报警。

单片机正常工作后，判断所接收到的数据是否达到报警临界值，如果到达报警值单片机控制蜂鸣器和LED灯进行报警，如果没有达到报警值单片机继续接收并处理新数据。

如果单片机接收到非法入侵信号，直接报警。

单片机实时向数码管输出显示信号，数码管显示周围环境温度和气体数值。

通过比较，方案二能满足我们实时快捷的要求，更加简单有效，且成本低，固本设计选择方案二。

三、硬件设计

1.传感器

本设计选用了DS18B20型温度传感器、MQ-2型烟雾传感器以及人体热释电红外传感器。

（1）DS18B20型温度传感器

本设计的测温元件采用DS18B20数字温度传感器。

DS18B20采集的数据为数字信号，可以直接发送至单片机进行处理。

DS18B20数字温度计提供9位温度读数，指示器件的温度。

信息经过单线界面送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线（和地）。

读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。

图3温度采集电路

温度采集电路如图3所示。

本设计DS18B20与单片机的P1-0相连，采集到温度信号后，将数据传输给单片机当温度达到预先设定的上限值（本文的上限值是：

60℃），则LED红灯点亮，LCD显示当前的温度值。

DS18B20与单片机之间的数据传输需要通过软件实现，当DQ=0时，禁止数据传输，当DQ=1时允许数据传输。

DS18B20的工作电压范围为2.0-5.5V，测温范围为-55-+125摄氏度，温度计分辨率在9-12位。

（2）MQ-2型烟雾传感器

本设计中采用的MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器属于气敏感测器，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。

MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器具有灵敏度高、回应快、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，维护成本较低等优点。

因此，本设计采用MQ-2气体传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。

MQ-2型烟雾传感器的特性：

MQ-2型传感器对天然气、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，例如酒精和烟雾等。

MQ-2型传感器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。

（注意：

使用前必须先加热一段时间，否则其输出的电阻和电压不准确。

）其检测可燃气体与烟雾的范围是100-10000ppm。

（注意：

ppm为体积浓度/1ppm=1立方厘米除以1立方米。

）电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。

（3）人体热释电红外传感器

本电路采用人体热释红外传感器对非法入侵行为进行检测。

热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm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。

为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。

人体热释红外传感器特性：

这种探头是以探测人体辐射为目标的。

所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。

为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。

而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

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，经信号处理而报警。

菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。

2.AD转换电路

AD转换电路如图4所示。

图4AD转换电路

（1）AD转换电路的功能

在本设计中，需要使用MQ-2烟雾传感器，MQ-2输出的电压是模拟信号。

AD转换模块的功能是将MQ-2烟雾传感器输出的模拟信号转换为数字信号，送到单片机中进行输出和计算。

（2）芯片的选择

AD转换芯片选择的是ADC0808，其作用是将时间连续、幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值离散的数字信号。

（3）电路简介

ADC0809是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型ADC，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑。

利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。

模数转换模块的的OUT1-7端与单片机的P3.7-P3.0端相连，当做数据的输出输入。

当start=1时启动输入端，ALE=1时启用锁存功能，当转换完毕后，EOC=1，同时使OE=1来允许数据输出，从而将得到的数据送入单片机。

输入口选择IN0和IN1，ADDA、ADDB、ADDC决定所选择的输入口。

当ADDA=0、ADDB=0、ADDC=0时选择IN0作为输入口；ADDA=1、ADDB=0、ADDC=0时选择IN1作为输入口。

3.显示电路

显示电路如图5所示。

图5显示电路

LCD1602采用标准的14脚接口，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

D0-D7为8位双向数据线。

本设计中LCD1602与单片机P0口相连，所以加了一个上拉电阻。

LCD1602的D0-7端与单片机的P0-7端相连。

LCD1602的E管脚接到P2.2，R/W管脚接到P2.1，RS管脚接到P2.0，通过软件设置，当E=0时，LCD1602开始工作。

当R/W=0，RS=0时，单片机可以向LCD写指令，当RS=1，R/W=0时，单片机可以向LCD写数据，单片机的P2口和LCD的DB端口相连，当P2口输出数据时，通过软件程序控制，将数据进行一系列的计算，最后在LCD上显示。

4.报警电路

报警电路如图6所示

图6报警电路

本设计采用扬声器和LED灯作为报警装置。

通过判断所接收到的数据来确定是否报警，所接受到的数据主要来自温度传感器DS18B29、烟雾传感器MQ-2和红外熱释传感器。

LED-RED接单片机7脚（P1.6），扬声器接单片机16脚（P3.6）。

但当前测的的温度大于60摄氏度时，单片机7脚输出高电平LED-RED灯亮，当检测到有非法入侵和烟雾浓度超过上限值时，通过程序控制扬声器报警。

5.单片机最小系统

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

其主要特性如下：

寿命达1000次写/擦循环；时钟频率范围为0Hz~24MHz；三级程序存储器锁定；128×8位内部RAM；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；32位可编程I/O线；4个8位并行I/O口。

AT89C51具有很强的运算、控制能力，完全能够满足本课题的各项指标要求。

单片机最小系统是51单片机的核心所在，包括时钟系统和复位系统。

单片机最小系统如图7所示。

图7单片机最小系统

（1）时钟系统

MCS-51系列单片机的时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。

MCS-51系列单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，但要形成时钟脉冲，需要加外部电路。

MCS-51时钟可以由两种方式产生：

内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计采用内部时钟方式。

MCS-51系列单片机内部有一个高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端，用于构成振荡器。

一般在XTAL1和XTAL2引脚之间外接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。

振荡频率为石英晶体的振荡频率，也就是单片机的工作主频，为单片机提供工作节拍。

时钟系统电路如图8所示。

图8时钟系统电路

（2）复位电路

复位是单片机的初始化操作。

单片机在上电启动和死机状态下重新启动时都需要先复位，使CPU及系统各部件都处于确定的初始状态，并从这个初始状态开始工作。

MCS-51单片机的复位是靠外部复位电路实现的。

MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（第9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

复位电路如图9所示。

图9复位电路

复位操作通常采用上点自动复位和按键手动复位两种复位电路。

本设计采用按键手动复位。

当按下按键后，电容迅速放电，RST引脚为高电平；当按键弹起后，Vcc电源通过电阻R1对电容重新充电，充电过程结束后，RST引脚恢复低电平，手动复位过程结束。

四、系统软件设计

1.主程序

图10主程序流程图

主程序所要实现的功能是调用子程序，将传感器所采集的信号进行处理并传给单片机，再在LCD上把处理过的数据显示出来，并且判断是否需要中断，报警。

本设计采用中断的方式来判断是否需要报警，当出现检测到温度值超过上限，或者烟雾浓度超过上限，或者红外检测到有非法入侵行为这三种任意一种情况时，单片机中断，调用中断子程序，即报警程序，然后返回。

2.延时程序

许多芯片在工作时都需要延时，例如DS18B20温度传感器在初始化，传递数据时都需要延时。

此外，单片机的处理速度非常快，而器件的处理速度往往没有单片机那么快，为了便于我们观察，也需要引入延时程序。

延时程序可以通过多次循环多个空指令的方式或者多次执行无意义循环的方式来达成所需的延时长度。

延时程序的延时时间主要与两个因素有关,一是所用晶振,二是延时程序中的循环次数。

一旦晶振确定之后,则主要是如何设计与计算需给定的延时循环次数。

设单片机的晶振频率为12MHz,则一个机器周期为1μs。

延时程序流程图如图11所示。

图11延时程序流程图

3.DS18B20初始化程序

N

图12DS18B20初始化程序流程图

DS18B20初始化程序的作用是告诉单片机DS18B20已经在总线上，并且已经准备好操作。

DS18B20初始化程序流程图如图12所示。

DS18B20初始化程序的工作过程首先令DQ=0,禁止单片机与DS18B20之间的数据传输。

然后延时等待一段时间，在令DQ=1，表示DS18B20做好准备，可以工作。

在延时等待一段时间，判断DQ是否等于1，如果是，返回，不是则执行空指令，继续等待。

4.读取DS18B20温度程序

读取DS18B20温度流程图如图13所示。

图13读取DS18B20温度程序流程图

读取DS18B20温度程序的作用是让单片机读取转换完成的温度值，为判断是否中断进行报警和在LCD上显示当前温度做准备。

5.非法入侵程序

其程序流程图如图14所示

图14非法入侵程序流程图

非法入侵程序的作用是检测是否有非法入侵行为。

入侵者进入其感应范围则红外热释电传感器输出高电平，单片机中断，调用中断子程序报警。

入侵者开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

如果没有非法入侵行为，则一直输出地点平。

五、性能测试

1、温度检测测试

室温超过60度时，LED灯亮报警。

仿真结果如图15所示。

当当前检测温度为60摄氏度时，没有超过温度上限，不报警。

当当前检测温度为61摄氏度时，超过温度上限，报警。

图15温度检测仿真

2.非法入侵检测

入侵者进入其感应范围则红外热释电传感器输出高电平，单片机中断，调用中断子程序报警。

入侵者开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

如果没有非法入侵行为，则一直输出地点平。

仿真结果如图16所示。

图16非法入侵检测

6、结论

智能家居防火防盗报警系统可保障人们财产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及非法入侵的发生，它是防火、防盗和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。

本论文设计的防火防盗报警系统报警系统主要由温度信号采集电路、气体信号采集电路和人体红外采集信号与单片机控制电路构成。

根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用DS18B20数字温度传感器、MQ-2型半导体电阻式气体传感器、红外人体传感器和AT89S52单片机。

DS18B20数字温度传感器采用DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器属于气敏感测器，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。

MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器具有灵敏度高、回应快、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，维护成本较低等优点。

人体感应传感器是一款基于红外线技术的自动控制产品，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中。

AT89C51单片机是低功耗的、具有4KB在线可编程Flash存储器的单片机，应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，编程灵活，控制简单，很适合我们所要制作的防火防盗报警系统。

在本论文研制的报警系统的基础上，可以再做适当的功能扩展，使防火防盗报警系统的功能更加完善，安全性更高。

七、性价比

测量信号电路采用数字传感器DS18B20、MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器、人体感应传感器价格便宜、成本低。

DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点，价格低。

MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器具有灵敏度高、回应快、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，维护成本较低等优点。

人体热释红外传感器本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。

价格低廉。

逻辑控制电路部分采用AT89C51单片机组成，价钱低且显示清晰，报警电路部分采用发光二极管、蜂鸣器非常便宜，复位部分采用手动复位，显示部分采用LED显示。

所用器件少，成本低，性能好，且电源耗能低，综合比较性价比最高。

八、课设体会

通过这次实践，使我对抽象的理论有了具体的认识。

我了解了防火防盗报警系统的用途及工作原理，熟悉了温度计的设计步骤，锻炼了电子设计实践能力，培养了自己独立设计能力。

更加锻炼了我的毅力，同样的原理，一模一样的连法，可是一部分电路就是出错，检查了一遍又一遍，就是检测不出结果，在实验室从早晨检查到下午，就是没结果，最后只好把所有的线拔了，重新又连了一遍，最后终于做出来了，分析之前出错的原因，主要是软件中的连线没连接好。

此次课程设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，我更加了解了本专业在实际生活中的应用，通过查阅各种资料，增加了我对本专业的了解，看着我们用专业知识可以解决多种实际问题，我更加热爱我的专业。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力本文中设计的系统整体结构简单，温度测量，红外检测，显示等功能，因此体积小，功耗低，系统稳定性高；放大部分采用基础同相放大电路，效率高，计算简单。

参考文献

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高等教育出版社，2006年

[2]陈振官等编著.新颖高效声光报警器.[M]北京：

国防工业出版社，2005年

[3]郭天祥.新概念51单片机C语音教程——入门提高开发拓展攻略[M].北京：

北京：

电子工业出版社，2009.

[4]韩广兴.电子元器件与实用电路基础[M].北京：

电子工业出版社，2005.

[5]方大千，朱丽.电子控制系统装置制作入门[M].北京：

国防出版社，2006.

[6]刘向举,刘丽娜.基于单片机的智能温度测控系统的设计[J].齐齐哈尔大学学报（自然科学版）.2012（03）

[7]黄晓林.一种实用型智能恒温控制系统设计[J].自动化技术与应用.

2011（11）

[8]王文,王直.基于ARM和DS18B20的温度监测系统[J].电子设计工程.2011（20）

[9]陈锡华,贾磊磊.温度传感器DS18B20序列号批量搜索算法[J].单片机与嵌入式系统应用.2011（09）

[10]黄文力,邓小磊.DS18B20数字温度传感器接口程序的时序[J].仪器仪表用户.2011（06）

[11]赵广元.Proteus辅助的单片机原理实践[M].北京：

航空航天大学出版社，2013.

附录I总电路图

附录II元器件清单

序号

编号

名称

型号

数量

1

U