《基于物聯(lián)網(wǎng)的家用火災報警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)》5900字（論文）

第1章緒論1.1設計背景和依據(jù)隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，電子產(chǎn)品在人類生活中的使用也越來越頻繁和廣泛，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)逐漸走進了我們的生產(chǎn)生活當中，發(fā)揮著重大作用。而由電子產(chǎn)品引起的火災在近幾年也層出不窮，在我們生活的環(huán)境中到處都潛伏著安全隱患。為了保障人體生命安全和減小經(jīng)濟財產(chǎn)損失，家用火災報警系統(tǒng)的存在是非常必要的。本文設計了一種家用火災報警系統(tǒng)，由GSM模塊作為該系統(tǒng)的技術支撐，由STC89C52單片機來做為CPU，溫度和煙霧傳感器將采集到的數(shù)據(jù)做出轉換后顯示在LCD1602屏上，如果超過之前設定的值，然后報警系統(tǒng)和LED做出相應的反應，風扇和灑水泵也會做出相應的處理，GSM模塊就會使得單片機將報警信息以短信的形式發(fā)送到手機上。1.2設計的主要內容及功能設計及制作一款基于GSM的溫度和煙霧的火災報警系統(tǒng)，能跟51單片機進行通信，運行穩(wěn)定、結構簡單。系統(tǒng)由現(xiàn)場采集和GSM模塊兩部分組成，以STC89C52單片機為主要控制單元，單片機硬件資源豐富、功能強大、后期進行功能擴展較為方便。采用溫度和煙霧傳感器和GSM模塊完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與控制。加入溫度和煙霧模塊自動調節(jié)模塊減少了人力資源的浪費。具體功能如下：（1）具有環(huán)境溫度和煙霧的測量采集功能；（2）現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過GSM模塊遠程發(fā)送到手機的短信上；（3）可自動控制風扇和灑水泵來降低溫度和吹散煙霧；（4）具有聲光報警功能；（5）可以通過按鍵來調節(jié)溫度和煙霧的限定值（閾值）；（6）LCD1602上可顯示當前溫度和煙霧值以及溫度和煙霧的閥值（7）還可以接受GSM發(fā)送短信的手機號碼按鍵，當有需求需要更換接受方的短 信時，可通過該按鍵來修改成接受短信的手機號碼，非常方便修改。

第2章設計方案2.1系統(tǒng)構成這次的實驗是由軟硬件相結合開發(fā)，CPU是采用當前流行的51單片機，傳感器及電子元器件的選擇。當所有材料選擇完成后，進行電子電路設計，確保每個電路的順暢運行。之后按照設計好的電路圖將所有材料焊接起來，組成一個單片機系統(tǒng)。硬件部分完成后，開始進行軟件設計，用來控制整個單片機系統(tǒng)。軟件部分分為模塊化編寫，有處理的主程序函數(shù)，其他模塊分別在子程序中完成，包括溫度檢測程序、煙霧濃度檢測程序、按鍵設置子程序、報警模塊子程序、SIM800短信發(fā)送模塊子程序。本次設計最核心的控制芯片選用STC89C52單片機作為主控制器，按照功能上劃分成4個部分，分別是LCD1602屏顯示部分、煙霧和溫度的采集部分，按鍵控制部分，還有報警部分，其中報警部分則分為報警值設置，蜂鳴器報警，短信報警，一共3部分。2.2硬件電路設計由圖2-1可以看出整個煙霧溫度火災報警系統(tǒng)組成為：溫度和煙霧采集模塊主要測量和采集當前環(huán)境的溫度和煙霧值，然后由單片機進行處理，由顯示電路展示出當前環(huán)境的溫度和煙霧的數(shù)據(jù)。如果此時的溫度和煙霧值超過設定值時，則發(fā)出指令使蜂鳴器、LED燈模塊開始工作，然后風扇或者灑水泵進行工作，同時GSM模塊也會發(fā)送出相應的信息，起到自動調節(jié)當前環(huán)境溫濕度，給予家庭一個合適的舒服環(huán)境。蜂鳴器聲光報警按鍵設置蜂鳴器聲光報警按鍵設置LCD1602顯示DS18B2溫度采集LCD1602顯示DS18B2溫度采集GSM短信發(fā)送短信ADC0832模數(shù)轉換GSM短信發(fā)送短信ADC0832模數(shù)轉換繼電器控制MQ-2煙霧采集STC89C52單片機繼電器控制MQ-2煙霧采集STC89C52單片機圖2-1系統(tǒng)總設計框圖2.2.1核心模塊設計這次的系統(tǒng)采用51系列的STC89C52單片機。STC89C52單片機的運行速度足夠快，成本方面也比較便宜，滿足我們這次的實驗?？偪刂齐娐啡鐖D2-1-1所示。圖2-2總控制電路圖2.2.2溫度采集模塊這次實驗采用的溫度傳感器是DS18B20，該溫度傳感器操作方便，總共有3個引管，非常好控制，程序也好寫。是一線式總線的一類傳感器，它將采集到的數(shù)據(jù)給到單片機進行處理和判斷，然后在1602顯示屏上顯示其相應的溫度值。因其較小的體積和高密封性使得DS18B20具有應用方便，抗干擾能力強，精度高，價格便宜的優(yōu)點。其結構框圖如圖2-2所示。GNDGND存儲器和控制邏輯溫度傳感器高溫度觸發(fā)器TH低溫度觸發(fā)器TL64位ROM和單線接口VDDVDDDQ供電方式檢測便箋式存儲器CRC發(fā)生器圖2-3框架結構圖2.2.3煙霧采集模塊本系統(tǒng)采用MQ-2作為煙霧采集模塊，它將采集到的數(shù)據(jù)給到單片機進行處理和判斷，然后在1602顯示屏上顯示其相應的煙霧值，該模塊的電路結構圖的如下面的圖2-3所示。圖2-4煙霧采集模塊2.2.4通信模塊這次的實驗我們采用的GSM模塊是以文本模式來進行數(shù)據(jù)的傳輸，最后選用的SIM800?模塊進行短信的讀取與發(fā)送，該模塊操作方便，體積也非常比較小，但該模塊不適合插入電信卡。2.2.5繼電器驅動模塊設計這次的實驗中我們用到了兩個繼電器，分別是控制風扇和灑水泵的，繼電器的操作非常簡單，只要51單片機那邊能給出低電平后，繼電器就會閉合工作，相應的風扇和灑水泵就會得到相應的控制。其實可以理解繼電器為開關控制通斷而已。繼電器的電路如下面圖2-5。圖2-52.3系統(tǒng)軟件設計2.3.1軟件主程序架構當硬件端設計調試完成后，就要針對單片機和外設傳感器進行軟件設計。系統(tǒng)設計首先要構思清楚，首先畫一個流程圖，然后按照傳感器先后順序，進行系統(tǒng)設計。首先各個硬件開始初始化，溫度傳感器，煙霧傳感器，LCD1602液晶屏，蜂鳴器，SIM800短信模塊，之后各個模塊開始工作，不斷實時地檢測到煙霧的濃度和溫度值，并進行相應的報警操作。啟動的步驟為：GSM模塊初始化，溫度傳感器檢測當前溫度和煙霧濃度。可以通過按鍵的加和減來設定溫度和煙霧濃度的報警上限值。當超出溫度和煙霧濃度上限值時，蜂鳴器報警，對應的LED報警指示燈亮起，同時SIM800模塊發(fā)送報警短信到手機。整個主流程圖如圖3-1所示：開始開始GSMGSM串口初始化ADC0832煙霧初始化ADC0832煙霧初始化 手機端發(fā)送短信獲取信息/控制DS18B20初始化手機端發(fā)送短信獲取信息/控制DS18B20初始化LCD1602顯示當前信息LCD1602顯示當前信息否否按鍵設置溫度上限否返回按鍵設置溫度上限否返回按鍵設置煙霧上限按鍵設置煙霧上限超過上限超過上限超過上限超過上限是是是是GSM發(fā)送短信GSM發(fā)送短信蜂鳴器聲光報警蜂鳴器聲光報警

圖3-12.3.2LCD1602顯示流程圖本次設計采用LCD1602液晶屏作為顯示器，LCD1602液晶顯示屏上電后，進行LCD1602子函數(shù)中，首先進行屏幕初始化操作，屏幕上的數(shù)據(jù)清零，內部存儲清空。之后和單片機進行雙向通信，單片機控制顯示屏亮度和顯示內容，延時一定時間后，進入數(shù)據(jù)寫入操作，將檢測到的溫度和煙霧濃度在液晶顯示屏上。此外，在設置溫度和煙霧濃度報警值上限時，根據(jù)按鍵操作，屏幕上實時變換數(shù)值。單片機操控寫入引腳寫入要顯示內容的命令。之后顯示屏執(zhí)行指令，將內容顯示出來。LCD1602顯示流程圖如如3-2所示：圖2-72.3.3串口GSM函數(shù)流程圖當GSM模塊和單片機連接好后，插入一張SIM卡，進行供電，按下GSM模塊的開關，電源指示燈亮起。首先進行串口初始化，這時LCD1602液晶顯示屏上顯示GSMINIT，之后單片機開啟總中斷，當有信號輸出后，進入總中斷，然后開啟串口中斷，當需要發(fā)送短信時，進入串口中斷。之后啟動定時器1，一定時間后發(fā)送報警短信，然后設置串口的工作方式，這里設置1，最后給定時器設置初值，整個流程進行完畢。串口的作用是單片機和SIM800模塊之間進行通信，將報警短信發(fā)送給設定的手機號。串口初始化流程圖如圖3-3所示：開始開始選擇定時器選擇定時器 串口初始化串口初始化打開總中斷和串口中斷ES=1;EA=1; 打開總中斷和串口中斷ES=1;EA=1;初始化AT指令，裝載發(fā)送短信號碼初始化AT指令，裝載發(fā)送短信號碼否否是否發(fā)送短信是否發(fā)送短信是是返回返回圖2-82.3.4溫度檢測流程圖開啟開關電源后，溫度傳感器開始工作，首先將溫度傳感器放置在空氣中，然后進入溫度監(jiān)測子程序中，溫度傳感器將空氣中的溫度轉換成電信號進行輸出，單片機接收到數(shù)據(jù)后進行計算，之后顯示在LCD1602液晶顯示器上。DS18B20數(shù)字溫度測溫模塊首先初始化，然后讀取DS18B20數(shù)字溫度測溫模塊序列號，發(fā)送跳過RAM信號，之后進行溫度轉換，隨后復位DS18B20數(shù)字溫度測溫模塊，若無中斷，則讀取數(shù)據(jù)，若有中斷，則繼續(xù)回歸到復位操作。溫度檢測流程圖如圖3-4所示：圖2-92.3.5煙霧濃度程序流程圖本次的設計中采用的MQ-2型煙霧報警器，當煙霧采集到當前的數(shù)據(jù)后，把模擬量傳輸給adc0832進行處理，ADC0832進行初始化后，因為ADC0832有2個通道，所以要進行選擇，本次設計選擇的數(shù)據(jù)通道為0，然后進行讀取數(shù)據(jù)，一個字節(jié)為8位，進行一位一位讀取，把當前讀取的信息轉換為數(shù)字量，換算成當前的電壓值。煙霧檢測模塊流程圖如圖3-5所示。開始開始ADC0832初始化ADC0832初始化產(chǎn)生時鐘信號產(chǎn)生時鐘信號選擇數(shù)據(jù)通道0選擇數(shù)據(jù)通道0NN判斷ADC是否轉換完畢判斷ADC是否轉換完畢YY讀取字節(jié)讀取字節(jié)一位一位讀取數(shù)據(jù)一位一位讀取數(shù)據(jù)結束，計算當前電壓值結束，計算當前電壓值通過當前電壓，得到轉換數(shù)據(jù)，顯示當前煙霧濃度通過當前電壓，得到轉換數(shù)據(jù)，顯示當前煙霧濃度返回返回圖2-102.3.6煙霧濃度程序流程圖主函數(shù)執(zhí)行后，一直檢測是否發(fā)生中斷，首先通過按鍵設定好溫度和煙霧濃度的報警上限，然后檢測是否超出上限值，煙霧濃度和溫度通過循環(huán)函數(shù)判斷其值是否超出上限，當報警時，蜂鳴器報警，對應的LED報警指示燈亮起，同時SIM800發(fā)送報警短信到對應的手機上。報警流程圖如圖3-6所示：圖2-11

第3章系統(tǒng)調試3.1PCB設計設計電子電路前，首先要進行PCB設計，將本次設計要覆蓋到的一些芯片，傳感器，按鍵等元器件按照功能劃分，在PCB圖上找到合適的位置進行繪制，這里要注意打孔的位置和上下層PCB連接，先繪制STC89C52單片機，然后再繪制單片機最小系統(tǒng)，在P0口繪制上拉電阻，確定好位置后放入LCD1602液晶屏，之后根據(jù)引腳所在位置和整體排布放置各個模塊的位置，再用導線將對應的引腳連接，保證線路暢通，沒有交叉。Pcb圖如圖3-1所示：圖3-13.2實物焊接調試準備好所有的材料和電烙鐵，按照設計好的電路板原理圖，開始單片機電路板的焊接。首先將插排焊接上去，之后焊接單片機最小系統(tǒng)的晶振和復位電路。確定好LCD1602液晶顯示屏位置，將上拉電阻焊接在P0口，之后通過導線連接顯示屏。后面分別焊接各個傳感器模塊，溫度傳感器，煙霧濃度采集模塊，AD數(shù)模轉換，SIM800短信模塊，蜂鳴器，電源電路。最后用導線將各個模塊按照電路圖連接起來，確保沒有出現(xiàn)短路現(xiàn)象。STC89C52單片機用燒錄器將編譯好的軟件燒錄進去，最后插入到插排上。用5V直流電源供電，按下開關，觀察LCD1602液晶顯示屏是否正常顯示，正常顯示后，說明顯示電路正常，之后觀察其他傳感器是否正常工作，顯示屏上是否有輸出，如果正常顯示，則一切都沒問題，當出現(xiàn)問題時，就要找出具體出問題的部分，逐一解決。成品圖如圖3-2所示圖3-23.3功能調試單片機焊接測試沒問題后，進行功能調試，測試軟件是否正確。首先給單片機重新上電，這是LCD1602液晶屏和SIM800首先進行初始化操作，LCD1602液晶屏上應該出現(xiàn)“SYSTEMINIT”，這一步?jīng)]問題后，接下來測試各個傳感器功能。LCD1602顯示屏頁面分為兩行，上面顯示測得的溫度和煙霧濃度，單位是攝氏度和濃度，下面顯示報警上限。將溫度傳感器放置于室內，檢測幾秒后，可以在LCD1602液晶顯示屏上看到對應的溫度、濃度值。可以通過加和減兩個獨立按鍵設定溫度和濃度報警的上限值，然后設定的相應值會在LCD1602液晶顯示屏上顯示出來。將溫度傳感器握在手中，使其超過設定的報警上下限值，這時蜂鳴器報警，點燃紙并放置在傳感器下面，這時蜂鳴器報警。對應的LED報警燈亮起，單片機通過SIM800發(fā)送短信到手機上，可以看到手機接收到短信?？梢杂^察到，報警時震動傳感器工作，用于警示，同時可以在手機上接收到緊急短信。至此，所有功能測試完成。測試圖如圖3-3所示圖3-3

第4章總結本設計論文系統(tǒng)描述了基于物聯(lián)網(wǎng)的家用火災報警系統(tǒng)功能和思路以及對各個芯片的相關說明和使用方法，從硬件設計到軟件編碼。在設計單片機系統(tǒng)的時候，一開始就要考慮很多的問題，包括整個單片機系統(tǒng)的工作原理，各個傳感器芯片的選型、每一個單片機和傳感器的引腳功能、各個傳感器模塊和芯片使用的優(yōu)缺點，單片機系統(tǒng)的硬件設計，焊接時的電路的連接以及最終的程序編寫等。這次的實驗主要是由51單片機和各種各樣的傳感器相結全構成了本次系統(tǒng)，例如單片機控制震動傳感器進行震動提示，通過GSM模塊發(fā)送報警短信到手機上。在設計的時候同樣面臨了一些困難和問題，比如在調試溫度傳感器的時候，怎么樣都讀取不到數(shù)值，經(jīng)過仔細排查，發(fā)現(xiàn)是傳感器的輸出引腳焊接位置不對，導致單片機沒有檢測到輸出信號。文件編譯好之后沒有問題，用JLINK燒錄的時候，總是提示燒錄失敗，仔細排查之后，發(fā)現(xiàn)是單片機和JLINK連接的RX和TX要反接，反過來連接之后，燒錄成功。本次設計存在一些優(yōu)缺點，優(yōu)點在于采用模塊化的設計，這種設計思路將整個單片機系統(tǒng)分成幾部分進行拼接，當出現(xiàn)問題的時候，可以快速定位到問題所在，后期還可以進行其他模塊的替換或者增加，重復性較好，此外在設計之初就做了全面的分析，確保每一個傳感器和芯片都是最合適的，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和持久性。缺點的話自我認為系統(tǒng)還有更多可以挖掘的功能去實現(xiàn)，此次設計主要的功能就是監(jiān)測溫度和煙霧濃度并進行報警，但設計到了大量的傳感器、按鍵、顯示屏和蜂鳴器，在之后的設計中可以增加wifi模塊或藍牙模塊，實時將監(jiān)測結果遠程發(fā)送到手機端進行展示，這樣整體功能更加豐富，使用也更加方便。參考文獻鄒立華.智能樓寓火災報警系統(tǒng)的研制[J].現(xiàn)代電子技術,2004(14):97-98.楊寧.單片機與控制技術[M]北京：北京航空航天大學出版社出版，2005李中望.一種智能火災報警系統(tǒng)的設計方案[J].安防科技,2008(02):48-49+37.張巖.淺談化工廠智能火災報警系統(tǒng)[J].鹽業(yè)與化工（現(xiàn)《鹽科學與化工》），2012，41（8）：30-31胡允娥.無線火災報警系統(tǒng)的研制[D].華南理工大學,2012.孫小春基于單片機的無線火災報警系統(tǒng)研究[J].海南大學學報自然科學版，2013,31(3):254-256徐實.淺談高層建筑火災自動報警系統(tǒng)和相關設備聯(lián)動中存在的問題及對策[J].科技信息,2013(25):435-438.史紅彥,王舉