基于單片機的火災報警器設計

1、天津職業(yè)技術師范大學天津職業(yè)技術師范大學 Tianjin University of Technology and Education 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計 專 業(yè)： 班級學號： 學生姓名： 指導教師： 二一一年 六 月 天津職業(yè)技術師范大學本科生畢業(yè)設計天津職業(yè)技術師范大學本科生畢業(yè)設計 基于單片機的火災報警器設計基于單片機的火災報警器設計 Design of Fire Alarm System Based on Single- Chip Microcomputer 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 系 別： 2011 年 6 月 摘 要 火災是指在時間和空間上失去控制的燃燒所造成的災害

2、。在各種災害中，火災 是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一。人類能夠對火進行 利用和控制，是文明進步的一個重要標志。所以說人類使用火的歷史與同火災作斗 爭的歷史是相伴相生的，人們在用火的同時，不斷總結火災發(fā)生的規(guī)律，盡可能地 減少火災及其對人類造成的危害。 隨著“信息時代”的到來，作為獲取信息的手段傳感器技術得到了顯著的 進步，其應用領域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。作為和諧社 會的一個重要組成部分和發(fā)展方向，家庭 CO 安全檢測、煤礦瓦斯安全檢測等可燃氣 體監(jiān)測技術已成為衡量一個國家科學技術發(fā)展水平的重要標志之一。因此，了解并 掌握各類傳感器的基本結構、工作

3、原理及特性是非常重要的。 無線傳輸技術做為二十一世紀傳輸技術的典型代表，其低功耗、高穩(wěn)定性、低 成本正成為一個重要的傳輸工具受到了廣泛的應用。基于上述原因結合實際情況， 以 ATmegal-16 單片機為核心，采用無線傳輸模塊、傳感器檢測模塊、顯示模塊和報 警模塊制作出了一種火災報警器。本作品實時監(jiān)測精度高，穩(wěn)定性好，低功耗工作 等優(yōu)點，主要應用于家庭，也可引用于工廠、礦井等各種場合。 關鍵詞：關鍵詞：傳感器；Atmegal-16；無線傳輸；報警器 ABSTRACT Fire is defined as burning out of control in time and space caus

4、ed by disasters. In all sorts of disaster, fire is one of the most often and most widely disaster to public safety and social development. Humans can use and control on fire, is an important symbol of civilization progress. So the history of using fire links with that of fighting with fire, when peo

5、ple use fire, they always summarize unceasingly the rule of fire, as far as possible to reduce fire and the damage to human. With the arrival of the information age, as a means of obtaining information - sensor technology, has gotten significant progress, its application field is more and more widel

6、y, the demand is higher and higher. As an important part of the harmonious society and the direction of development, family CO safety testing, coal gas safety testing and other flammable gas monitoring technology has become one of the important symbols of measuring a national science and technology

7、development level. For this, understanding and mastering the basic structure of sensor, working principle and characteristic is very important. For the typical representative of the twenty-first century transmission technology transmission is wireless transmission technology, high stability, low cos

8、t is becoming an important transmission tool, has been widely applied. Based on the above reason and combining theory with practice, considering ATmegal-16 microcontroller as the core, and applying wireless transmission module, sensor module, display module and alarm module to make a fire alarm. Thi

9、s work has good points of high precision of real-time monitoring, good stability, low power work in etc, mainly can be used in family, also be cited in factories, mines etc . Keywords: sensors；Atmegal 16； wireless transmission；alarm 目 錄 1 緒論.1 1.1 概述.1 1.2 火災報警器技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .1 1.3 畢業(yè)設計任務及要求.2 2 火災報警器總體

10、設計.4 2.1 火災報警器組成 .4 2.2 火災報警器工作原理 .5 3 煙霧傳感器選型及煙霧檢測電路設計.6 3.1 煙霧傳感器的選型 .6 3.2 MQ-2 傳感器.7 3.3 基于 MQ-2 的可燃氣體檢測電路設計 .9 4 溫度檢測電路設計.10 4.1 溫度傳感器選型 .10 4.2 DS18B20 溫度傳感器.11 4.2 基于 DS18B20 的溫度檢測電路設計 .13 5 報警顯示電路設計.14 5.1 報警電路設計 .14 5.2 顯示電路設計.14 6 數(shù)據(jù)通信模塊.16 6.1 數(shù)據(jù)通信模塊選型.16 6.2 NRF24L01 工作原理.16 7 軟件流程圖及軟件設計

11、.18 7.1 系統(tǒng)軟件流程圖.18 7.2 軟件程序設計.19 8 系統(tǒng)調(diào)試與改進.19 結論.23 參考文獻.24 附錄 1 .26 附錄 2 .27 附錄 3 .28 致謝.56 1 1 緒論緒論 1.1 概述 近年來，全國可燃氣體泄漏事故頻繁發(fā)生，造成了巨大的人員傷亡和物力損失， 隨著現(xiàn)代家庭用火、用電量的增加，家庭火災發(fā)生的頻率越來越高。家庭火災一旦 發(fā)生，很容易出現(xiàn)撲救不及時、滅火器材缺乏及在場人驚慌失措、逃生遲緩等不利 因素，最終導致重大生命財產(chǎn)損失。探討家庭火災的特點及防火對策，針對多起氣 體泄漏事故的分析，排除監(jiān)測系統(tǒng)老化等因素外，氣體泄漏監(jiān)測系統(tǒng)精度不高、響 應慢、穩(wěn)定性能

12、不好都是事故發(fā)生造成損失的重要原因。 無線傳感器網(wǎng)絡是由大量體積較小、能源受限，具有一定計算、存儲和無線通 訊能力的傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡，其綜合了傳感器、嵌入式、無線網(wǎng)絡、分布式信 息處理等技術。 NRF24L01無線模塊是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸 速率、低成本的單向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制等領域，可以 嵌入各種設備中。 整個火災報警器報警系統(tǒng)由電源模塊、可燃氣體檢測模塊、溫度檢測模塊、 數(shù) 據(jù)通信模塊、報警顯示模塊五個模塊組成。通過有線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的聚集傳 輸，通過無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的傳輸。該系統(tǒng)由多個終端節(jié)點 (無線傳感 器)與匯集節(jié)點決定檢

13、測區(qū)域的范圍，各終端節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)通過自組織的多跳路由網(wǎng) 絡傳送至網(wǎng)關節(jié)點并將接收的數(shù)據(jù)進行初步處理，然后通過單片機處理（或者串行 通信接口-有線網(wǎng)絡，傳送至監(jiān)測預警終端服務器）由它來對接收到的數(shù)據(jù)進行分 析和報警處理。 單片機已廣泛地應用于軍事、工業(yè)、家用電器、智能玩具、便攜式智能儀表和 機器人制作等領域。產(chǎn)品功能、精度和質量大幅度提升，且電路簡單，故障率低， 可靠性高，成本低廉。 基于上述原因，根據(jù)要求制作出了一套高精度、高效率、低功耗的氣體泄漏監(jiān) 測報警系統(tǒng)。本氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)運用無線傳輸技術，具有低功耗、低成本的優(yōu)勢， 主要應用于家庭，也可引用于工廠、礦井等各種場合。 1.2 火災報警器

14、技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 消防報警產(chǎn)品是一個系列產(chǎn)品，包括火災探測設備、信息傳輸設備、報警分析 控制器、消防控制聯(lián)動。是物理傳感技術、自動控制、計算機技術、數(shù)據(jù)傳輸和管 理、智能樓宇等技術的綜合集成，屬于高新技術。依托中國多年的基本建設的發(fā)展， 這個行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國外知名企業(yè)抗衡的能力。在目前中國許多冠名以 高新技術的行業(yè)中，中國企業(yè)大多做的是下游的制造和服務，分取極少一部分的利 潤，象消防報警產(chǎn)品那樣又擁有自我知識產(chǎn)權，又擁有大量市場的行業(yè)其實是很少 的。 在消防報警產(chǎn)品的技術含量上，國內(nèi)產(chǎn)品和國外產(chǎn)品差距不是很大，許多指標 已經(jīng)超越，存在的問題是：類似于國外消防報警產(chǎn)品的大批量規(guī)模化的

15、生產(chǎn)才剛起 步，有待于積累經(jīng)驗和技術；也因此在產(chǎn)品一致性和長期穩(wěn)定性上有一些差距；國 內(nèi)正在形成權重的大型企業(yè)和集團，這樣可以帶領國內(nèi)的各家企業(yè)去沖擊海外市場， 并最終占領海外的消防報警市場。 二十多年前，中國的消防報警產(chǎn)品剛剛起步，無論產(chǎn)品技術含量、產(chǎn)品系列完 整性、使用性，還是社會影響程度都是相當?shù)偷摹獾漠a(chǎn)品和品牌一統(tǒng)天下，占 領中國的大部分市場。由于中國的建設正在飛速發(fā)展，市場大的驚人，難道這由中 國發(fā)展帶來的成果只能由外國企業(yè)來瓜分？可幸的是中國企業(yè)抓住了機遇，頂住了 挑戰(zhàn)，先是一批國家的科研院所，后是一批國營企業(yè)、民營企業(yè)，業(yè)內(nèi)也吸引和凝 聚一大批國內(nèi)的技術和管理精英，花了十多年

16、時間，通過幾次產(chǎn)品更新?lián)Q代，就使 自己的產(chǎn)品緊緊跟上了國際水平，并且奪回了大部分國內(nèi)市場，使得現(xiàn)在大多國外 產(chǎn)品只有招架之功，這是典型的自力更生，走自己的路。當然目前而言，我們基本 占據(jù)的是國內(nèi)市場，對外還剛啟動。中國企業(yè)正虎視眈眈，準備進軍海外市場。 1.3 畢業(yè)設計任務及要求 一、主要內(nèi)容 采用較為熟悉且實用的 Atmegal-16 單片機和溫度傳感器、煙霧傳感器、無線傳 輸模塊，設計一種火災報警器。按照功能和技術指標要求，采取“自頂向下”的方 式開展設計工作：1)擬定總體設計方案（硬件、軟件）。2)單元電路和軟件功能模 塊設計。3）單元電路和軟件功能模試驗調(diào)試。4）整體試驗調(diào)試、功能和技

17、術指標 檢驗。 二、主要功能和設計要求 1、溫度檢測范圍：-50100，檢測精度：1。 2、煙霧傳感器檢測范圍及靈敏度：達到消防報警有關標準要求 3、溫度傳感器檢測范圍及靈敏度：達到消防報警有關標準要求 4、報警方式：聲音報警，顯示報警狀態(tài)。 三、文獻資料收集 1、溫度傳感器、煙霧傳感器、無線傳輸資料； 2、火災報警相關標準； 3、所選單片機硬件和軟件設計資料； 4、相關器件數(shù)據(jù)手冊（含應用實例）等。 2 2 火災報警器總體設計火災報警器總體設計 2.1 火災報警器組成 火災報警器總體方案設計思想： 此次設計是針對于單片機原理及其應用展開的。其中包含了我們大學五年中所 學到的相關知識，運用我們

18、所學的電子技術、計算機技術、傳感器技術、單片機技 術去設計基于單片機的火災報警器。整個火災報警器報警系統(tǒng)由電源模塊、可燃氣 體檢測模塊、溫度檢測模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、報警顯示模塊五個模塊組成。通過無 線傳輸來實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，由煙霧傳感器 MQ-2 檢測可燃氣體或煙霧濃度，當 達到濃度范圍之內(nèi)，由無線傳輸模塊把單片機主機的數(shù)據(jù)傳給接收部分由單片機從 機處理，并且發(fā)出報警及顯示地址。我們把溫度作為輔助報警條件，當監(jiān)測溫度達 到預設溫度時即發(fā)生報警。 根據(jù)方案的設計思想，我們從中就可以得到了火災報警系統(tǒng)的總體框圖如圖 2- 1 所示。 電源 單 片 機 主 機 單 片 機 從 機 可燃氣體 檢測

19、溫度檢測 無線發(fā)送 無線接收 報警 顯示 圖 2-1 火災報警系統(tǒng)的總體框圖 1、電源模塊：供給火災報警器的各個模塊電路提供直流穩(wěn)壓電源（+5V，0V） 。 2、可燃氣體檢測模塊：由 MQ-2 可燃氣體檢測傳感器組成的可燃氣體檢測電路， 對液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等進行檢測。 3、溫度檢測模塊：對給定環(huán)境進行溫度測量。 4、數(shù)據(jù)通信模塊：由 NRF24L01 無限傳輸模塊之間一對一發(fā)送與接收檢測的數(shù) 據(jù)。 5、報警顯示模塊：接收到信號，進行報警并顯示地址。 22 火災報警器工作原理 在初始通電工作狀態(tài)正常工作，需要對其初始狀態(tài)復位，由煙霧傳感器 MQ-2 檢測可燃氣體或煙霧濃

20、度，當達到濃度范圍之內(nèi)，由無線傳輸模塊把數(shù)據(jù)傳給接收 部分由單片機處理，并且發(fā)出報警及顯示地址?；馂膱缶骶哂袑崟r監(jiān)測功能，實 時監(jiān)測環(huán)境中的可燃氣體濃度并且每隔一段時間監(jiān)測一下所放空間內(nèi)的溫度并在顯 示屏上顯示溫度。我們把溫度作為輔助報警條件，當監(jiān)測溫度達到預設溫度時即發(fā) 生報警。 3 3 煙霧傳感器選型及煙霧檢測電路設計煙霧傳感器選型及煙霧檢測電路設計 3.1 煙霧傳感器的選型 煙霧傳感器（smoke transducer）定義：將空氣中的煙霧濃度變量轉換成有一定 對應關系的輸出信號的裝置。 煙霧傳感器分類： 1 離子式煙霧傳感器 該煙霧報警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種

21、技術先進， 工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運用到各消防報警系統(tǒng)中，性能遠優(yōu)于氣敏電阻類 的火災報警器。它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅 241，電離產(chǎn)生的正、負離子，在 電場的作用下各自向正負電極移動。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都 是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運動，電流，電壓就 會有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，于是無線發(fā)射器發(fā)出無線報警信號， 通知遠方的接收主機，將報警信息傳遞出去。煙霧傳感器廣泛應用在城市安防、小 區(qū)、工廠、公司、學校、家庭、別墅、倉庫、資源、石油、化工、燃氣輸配等眾多 領域。 2 光電式煙霧傳感器 光電煙霧報警器內(nèi)有一個光學迷宮，安裝

22、有紅外對管，無煙時紅外接收管收不 到紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光，當煙塵進入光學迷宮時，通過折射、反射，接收管接 收到紅外光，智能報警電路判斷是否超過閾值，如果超過發(fā)出警報。 光電感煙探測器可分為減光式和散射光式，分述如下： (1) 減光式光電煙霧探測器 該探測器的檢測室內(nèi)裝有發(fā)光器件及受光器件。在正常情況下，受光器件接收 到發(fā)光器件發(fā)出的一定光量；而在有煙霧時，發(fā)光器件的發(fā)射光到受到煙霧的遮擋， 使受光器件接收的光量減少，光電流降低，探測器發(fā)出報警信號。 (2) 散射光式光電煙霧探測器 該探測器的檢測室內(nèi)也裝有發(fā)光器件和受光器件。在正常情況下，受光器件是 接收不到發(fā)光器件發(fā)出的光的，因而不產(chǎn)生光電

23、流。在發(fā)生火災時，當煙霧進入檢 測室時，由于煙粒子的作用，使發(fā)光器件發(fā)射的光產(chǎn)生漫射，這種漫射光被受光器 件接收，使受光器件的阻抗發(fā)生變化，產(chǎn)生光電流，從而實現(xiàn)了煙霧信號轉變?yōu)殡?信號的功能，探測器收到信號然后判斷是否需要發(fā)出報警信號。 3 氣敏式煙霧傳感器 氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導體氣敏傳感器、接 觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。 它的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂 （R11、R12）的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。它將氣體種 類及其與濃度有關的信息轉換成電信號，根據(jù)這

24、些電信號的強弱就可以獲得與待測 氣體在環(huán)境中的存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通 過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。 其中氣敏傳感器有一下幾種類型： 1) 可燃性氣體氣敏元件傳感器, 包含各種烷類和有機蒸氣類(VOC)氣體, 目前大 量應用于抽油煙機、泄漏報警器和空氣清新機。 2) 一氧化碳氣敏元件傳感器, 一氧化碳氣敏元件可用于工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保、汽車、 家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃燒檢測報警。 3) 氧傳感器, 氧傳感器應用很廣泛, 在環(huán)保、醫(yī)療、冶金、交通等領域需求量 很大。 4) 毒性氣體傳感器,主要用于檢測煙氣、尾氣、廢氣等環(huán)境污染氣體。 氣敏式煙霧

25、傳感器的典型型號有 MQ-2 氣體傳感器。該傳感器常用于家庭和工 廠的氣體泄漏裝置，適宜于液化氣、丁烷丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。 本設計主要應用于家庭住宅，由于近年來，全國可燃氣體泄漏事故頻繁發(fā)生， 造成了巨大的人員傷亡和物力損失，隨著現(xiàn)代家庭用火、用電量的增加，家庭火災 發(fā)生的頻率越來越高。家庭火災一旦發(fā)生，很容易出現(xiàn)撲救不及時、滅火器材缺乏 及在場人驚慌失措、逃生遲緩等不利因素，最終導致重大生命財產(chǎn)損失。探討家庭 火災的特點及防火對策，針對多起氣體泄漏事故的分析，排除監(jiān)測系統(tǒng)老化等因素 外，氣體泄漏監(jiān)測系統(tǒng)精度不高、響應慢、穩(wěn)定性能不好都是事故發(fā)生造成損失的 重要原因。因此，我

26、們采用MQ-2可燃氣體檢測傳感器，此傳感器在較寬的濃度范圍 內(nèi)對可燃氣體有良好的靈敏度，對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度較高壽命長成本低 驅動電路簡單，是一種非常實用的氣敏式煙霧傳感器。 3.2 MQ-2 傳感器 1)MQ-2 傳感器特點： 廣泛的探測范圍、靈敏度、快速響應恢復、優(yōu)異的穩(wěn)定性、壽命長、簡單的驅 動電路。 表 3-1 MQ-2 可燃氣體檢測傳感器規(guī)格 適用氣體可燃氣體、煙霧 探測范圍300 to 10000ppm 特征氣體1000ppm 異丁烷 靈敏度Rin air/Rin typical gas5 敏感體電阻1K to 20K in 50ppm 甲苯 響應時間10s 恢復時間30s

27、 加熱電阻313 加熱電流180mA 加熱電壓5.0V0.2V 加熱功率900mW 測量電壓24V 工作條件 環(huán)境溫度：-20+55 濕度：95%RH 環(huán)境含氧量：21% 貯存條件溫度: -20+70濕度:70%RH 2)靈敏度調(diào)整 MQ-2 型氣敏元件對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值。 因此，在使 用此類型氣敏元件時，靈敏度的調(diào)整 是很重要的。我們建議您用 1000ppm 氣或 1000ppm 丁烷校準傳感器。當精確測量時，報警點的設定應考慮溫濕度的影響 3)MQ-2 氣敏元件的結構原理 MQ-2 氣敏元件的結構如圖 3-1 所示, 由微型 AL2O3 陶瓷管、SnO2 敏感層,測

28、量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏 元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有只針狀管腳，其中 4 個用于信 號取出，2 個用于提供加熱電流。 圖 3-1 MQ-2 結構圖 3.3 基于 MQ-2 的可燃氣體檢測電路設計 圖 3-2 MQ-2 可燃氣體檢測電路 當初始上電，由于電容兩端的電壓不能突變，所以 C52 處于短路狀態(tài)，U9B 運 放輸出低電平，D52 導通，這時 MQ-2 處于預熱狀態(tài)。當 C52 充電完畢后，D52 截止， 電路才真正處于工作狀態(tài)。當 MQ-2 檢測到有可燃氣體后，其內(nèi)部電阻值發(fā)生了變化， 使 U9A 運放輸出高電平，Q51

29、三極管導通，輸出報警信號。 2N3904 Q51 12K R57 12K R52 4.7M R51 12K R54 12K R56 1K R55 12K R53 1N4148 D52 1N4148 D15 12 LED0 12 LED1 22K W1 20K W2 470uF C51 47uF C52 VCC S1 7 5 6 U9B 2 3 1 48 Op Amp U9A PC1 1 2 3 4 4 4 溫度檢測電路設計溫度檢測電路設計 4.1 溫度傳感器選型 溫度傳感器（temperature transducer）定義：利用物質各種物理性質隨溫度 變化的規(guī)律把溫度轉換為電量的傳感器。溫度

30、傳感器是溫度測量儀表的核心部分， 品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元 件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。 1、溫度傳感器發(fā)展趨勢 現(xiàn)代信息技術的三大基礎是信息采集(即傳感器技術)、信息傳輸(通信技術)和 信息處理(計算機技術)。傳感器屬于信息技術的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器 被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究和生活等領域，數(shù)量高居各種傳感器之首。溫度 傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段；(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)； (2)模擬集成溫度傳感器控制器；(3)智能溫度傳感器。國際上新型溫度傳感器正 從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展

31、。在 20 世紀 90 年代中 期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是 8 位 A/D 轉換器，其測溫精度較低，分辨 力只能達到 1C。國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用 的是 912 位 A/D 轉換器，分辨力一般可達 0.50.0625C。由美國 DALLAS 半導 體公司新研制的 DS1624 型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出 13 位二進制數(shù)據(jù)，其 分辨力高達 0.03125C，測溫精度為0.2C。為了提高多通道智能溫度傳感器的 轉換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式 A/D 轉換器。以 AD7817 型 5 通道智能溫 度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠程傳感

32、器的轉換時間分別僅為 27us、9us。進入 21 世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、 高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的 方向迅速發(fā)展。目前，智能溫度傳感器的總線技術也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化，所采 用的總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C 總線、SMBus 總線和 spI 總線。溫度傳感器 作為從機可通過專用總線接口與主機進行通信。 DS18B20 是美國 DALLAS 半導體公司繼 DS1820 之后最新推出的一種改進型智能 溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要 求通過簡單的編程實現(xiàn) 912

33、 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可以分別在 93.75ms 和 750ms 內(nèi)完成 9 位和 12 位的數(shù)字量，并且從 DS18B20 讀出的信息或寫入 DS18B20 的信息僅 需要一根口線(單線接口)讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向 所掛接的 DS18B20 供電，而無需額外電源。因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結構更趨簡 單，可靠性更高。在本次設計中選用 DS18B20 溫度傳感器 4.2 DS18B20 溫度傳感器 1、DS18B20 的主要特性 1）適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù) 據(jù)線 供電。 2）獨特的單線接口方式，DS18B20 在與

34、微處理器連接時僅需要一條口線即可實 現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 3）DS18B20 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn) 組網(wǎng)多點測溫。 4）DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉換電路集成在 形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 5）溫范圍55+125，在-10+85時精度為0.5。 6）可編程 的分辨率為 912 位，對應的可分辨溫度分別為 0.5、0.25、 0.125和 0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫。 7）在 9 位分辨率時最多在 93.75ms 內(nèi)把溫度轉換為數(shù)字，12 位分辨率時最多 在 750ms 內(nèi)把溫度值轉換為

35、數(shù)字，速度更快。 8）測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以一 線總線串行傳送給 CPU，同時可 傳送 CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。 9）負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。 DS18B20 的外形和內(nèi)部結構 DS18B20 內(nèi)部結構主要由四部分組成：64 位光刻 ROM 、 溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 2、DS18B20 引腳定義： 1) DQ 為數(shù)字信號輸入/輸出端。 2) GND 為電源地。 3) VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 圖 4-1 DS18B20 內(nèi)部結構圖 3、DS18B2

36、0 工作原理 DS18B20 的讀寫時序和測溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分 辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由 2s 減為 750ms。 DS18B20 測溫原理 如圖 3 所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率 的脈沖信號送給計數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生 的信號作為計數(shù)器 2 的脈沖輸入。計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預置在55所對應的 一個基數(shù)值。計數(shù)器 1 對 低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器 1 的預置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1 的預置將重新被裝入，計數(shù)

37、器 1 重 新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即 為所測溫度。 圖 3 中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器 1 的預置值。 4、DS1820 使用中注意事項 DS1820 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點， 但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題： 1）較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于 DS1820 與微處理器間 采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此 ，在對 DS1820 進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時 序，否則將無法讀取測溫結果

38、。在使用 PL/M、C 等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時， 對 DS1820 操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。 2）在 DS1820 的有關資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數(shù)量問題，容易使人 誤認為可以掛任意多個 DS1820，在實際應用中并非如此。當單總線上所掛 DS1820 超過 8 個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設 計時 要加以注意。 3）連接 DS1820 的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳 輸長度超過 50m 時，讀取的 測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽 電纜時，正常通訊距離可達 150m，當采用每米絞合次數(shù)更

39、多的雙絞線帶屏蔽電纜時， 正 常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造 成的。因此，在用 DS1820 進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考 慮總線分布電容和 阻抗匹配問題。 4）在 DS1820 測溫程序設計中，向 DS1820 發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待 DS1820 的返回信號，一旦 某個 DS1820 接觸不好或斷線，當程序讀該 DS1820 時， 將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行 DS1820 硬件連接和軟件設計時也 要給予 一定的重視。 測溫電纜線建議采用屏蔽 4 芯雙絞線，其中一對線接地線與 信號線，另一組接 VCC 和地線，屏蔽層在源

40、端單點接地。 4.2 基于 DS18B20 的溫度檢測電路設計 DS18B20 VCC GND DAT 4.7K R0 PA0 1 2 3 VCC 圖4-2 溫度檢測電路圖 在此電路中，只有兩個元件，一個 DS18B20 和一個 4.7K 的電阻。電阻在電路中 是起對數(shù)據(jù)線上拉作用。利用單片機的 PA0 口對 DS18B20 進行讀寫操作，就可以讀 取出當前的溫度值。 5 5 報警顯示電路設計報警顯示電路設計 5.1 報警電路設計 圖5-1 報警系統(tǒng)電路圖 蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛應用于各種電子產(chǎn)品的一種元器件，它用于提示、報 警、音樂等許多應用場合。 蜂鳴器與家用電器上面的喇叭在用法上也有相似

41、的地方，通常工作電流比較大， 電路上的 TTL 電平基本上驅動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大的電路才可以， 這一點與家用電器中的功放有相似之處。 學習板采用了一個很簡單的電路來實現(xiàn)蜂鳴器的聯(lián)接，由上所述，一個管腳很 難驅動蜂鳴器發(fā)出聲音，所以增加了一個三極管來增加通過蜂鳴器的電流，見上方 原理圖。 蜂鳴器的正極性的一端聯(lián)接到 5V 電源上面，另一端聯(lián)接到三極管的集電極， 三極管的基級由單片機的 PD7 管腳來控制，當 PD7 管腳為低時，三極管導通，這樣 蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。用戶可以通過程序控制 PD7 管腳的置低和置高 來使蜂鳴器發(fā)出聲音和關閉。 5.2 顯示電路設計 顯示可用

42、普通數(shù)碼管顯示，顯示內(nèi)容靈活可變，但顯示內(nèi)容簡單，樣式單一， 電路焊接設計復雜。本小組應用LCD1602液晶顯示，電路設計簡單，功耗低，顯示數(shù) 字內(nèi)容靈活多變，足以滿足顯示要求，并且程序較為簡單。所以選擇LCD1602液晶作 為該作品顯示模塊。LCD1602液晶顯示模塊（圖5-2）具有體積小、功耗低、電路設 計 （圖5-3）簡單等特點，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應用設計中最 常用的信息顯示器件了。 PNP Q9012 4.7K R31 PD7 Speaker VCC 圖5-2 LCD1602液晶顯示模塊 GND VCC VO LCD1602 RS RW EN DB0 DB1 DB2 D

43、B3 DB4 DB5 DB6 DB7 VCC GND GND GND VCC VO VCC PD3 PD4 PD5 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 圖5-3 LCD1602液晶原理圖 6 6 數(shù)據(jù)通信模塊數(shù)據(jù)通信模塊 6.1 數(shù)據(jù)通信模塊選型 方案一：采用CC2430芯片實現(xiàn)無線（Zigbee）傳輸，軟件編程自由度大，可用 編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯算法。但支持Zigbee的單片機價格比較昂貴，程序較 為復雜，電路設計比較麻煩。如CC2430的天線設計部分使用單級不平衡天線，為了 增加天線的性能還需增加巴倫電路，其最佳阻抗、最高抗干擾能力比較難調(diào)試。 方案二：采

44、用 NRF24L01 模塊實現(xiàn)無線傳輸，價格便宜，單片軟件編程自由度大， 也可編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯算法。NRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件, 工作于 2.4 GHz2.5 GHz ISM 頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、 調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強型 ShockBurst 技術，其中輸出功率和通信頻道可 通過程序進行配置。NRF24L01 功耗低,在以-6dBm 的功率發(fā)射時，工作電流也只有 9 mA;接收時，工作電流只有 12.3 mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使 節(jié)能設計更方便?？垢蓴_能力強特別適合工業(yè)控制場合，軟件編程十分方便。 綜合以上

45、方案和論證，我們確定使用方案二。 6.2 NRF24L01 工作原理 NRF24L01 是 2.4G 無線射頻收發(fā)模塊，具有地址及 CRC 監(jiān)測功能，數(shù)據(jù)傳輸率 1 至 2Mbps（SPI 接口傳輸速率 0 至 8Mbps）工作電壓在 1.6 至 3.9 伏， VCC 腳接電 壓范圍為 1.9V 至 3.6V 之間，不能在這個區(qū)間之外，超過 3.6V 將會燒毀模塊。推 薦電壓 3.3V 左右（ASM1117-3.3） 。 除電源 VCC 和接地端，其余腳都可以直接和 普通的 5V 單片機 IO 口直接相連，無需電平轉換。當然對 3V 左右的單片機更加 適用了。當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6d

46、Bm 時電流消耗僅為 9mA，接收模式時為 12.3mA。掉電和待機模式時更低。 發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將 NRF24L01 配置為發(fā)射模式：接著把地址 TX_ADDR 和數(shù)據(jù) TX_PLD 按照時序由 SPI 口寫入 NRF24L01 緩存區(qū)，TX_PLD 必須在 CSN 為低時連續(xù)寫 入，而 TX_ADDR 在發(fā)射時寫入一次即可，然后 CE 置為高電平并保持至少 10s，延 遲 130s 后發(fā)射數(shù)據(jù)；若自動應答開啟，那么 NRF24L01 在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進入接 收模式，接收應答信號。如果收到應答，則認為此次通信成功，TX_DS 置高，同時 TX_PLD 從發(fā)送堆棧中清除；若未收到應答，則自動重

47、新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動重發(fā)已開 啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC_CNT)達到上限，MAX_RT 置高，TX_PLD 不會被清除；MAX_RT 或 TX_DS 置高時，使 IRQ 變低，以便通知 MCU。最后發(fā)射成功時,若 CE 為低則 NRF24L01 進入空閑模式 1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且 CE 為高，則進入下一次發(fā)射；若 發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且 CE 為高，則進入空閑模式 2。接收數(shù)據(jù)時,首先將 NRF24L01 配 置為接收模式，接著延遲 130s 進入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當接收方檢測到有 效的地址和 CRC 時，就將數(shù)據(jù)包存儲在接收堆棧中，同時中斷標志位 RX_DR 置高， IRQ 變低，以便通

48、知 MCU 去取數(shù)據(jù)。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發(fā)射 狀態(tài)回傳應答信號。最后接收成功時，若 CE 變低，則 NRF24L01 進入空閑模式 1。 CE CSN SCK MOSI MISO IRQ VDD VSS XC2 XC1 VDD_PA VSS VDD ANT2 IREF ANT1 VDD VSS VSS DVDD nRF24L01 12 16MHz X1 1nF C8 22pF C1 33nF C7 10nF C9 116 22K R2A 116 1M R1A VDD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 20 19 22pF

49、 C2 2.2nF C3 4.7nF C4 8.2n H L12.7n H L2 3.9nH L3 1.5pF C5 1.0pF C6 圖 6-1 NRF24L01 工作原理圖 7 7 軟件流程圖及軟件設計軟件流程圖及軟件設計 7.1 系統(tǒng)軟件流程圖 開始時，需要對其初始狀態(tài)復位，由煙霧傳感器 MQ-2 檢測可燃氣體或煙霧濃 度，當達到濃度范圍之內(nèi)，由無線傳輸模塊把數(shù)據(jù)傳給接收部分由單片機處理，并 且發(fā)出報警及顯示?；馂膱缶骶哂袑崟r監(jiān)測功能，實時監(jiān)測環(huán)境中的可燃氣體濃 度并且每隔一段時間監(jiān)測一下所放空間內(nèi)的溫度并在顯示屏上實時溫度顯示。 MCU 和 NRF24L01 初始化 MCU 檢測 主

50、機發(fā)送給從機 蜂鳴器報警并顯示 主機不發(fā)送給從機 Y N 開始 結束 圖7-1 系統(tǒng)軟件流程圖 7.2 軟件程序設計 火災報警系統(tǒng)軟件程序設計主要包括兩塊主機模塊和從機模塊，運用 C 語言進 行編程，主機程序主要是傳感器檢測到得數(shù)據(jù)，并由無線模塊發(fā)送；從機程序是對 無線傳輸模塊接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，報警顯示。下面是截取從機的部分程序： main() char i,j; int h = 0; char RxBuf32=0; DDRB = 0 x2e; PORTA=0XFF; DDRA =0X00; PORTC=0X7F; DDRC =0X80; PORTD=0XFF; DDRD =0Xff; L

51、CD_init(); LCD_clear(); init_NRF24L01() ; SetRX_Mode(); LCD_write_str(0,0,Temperature:18.6);/出示顯示內(nèi)容 LCD_write_str(1,1,A Qu wei xian!);/出示顯示內(nèi)容 while(1) if(nRF24L01_RxPacket(RxBuf) /判斷是否收到數(shù)據(jù) if(RxBuf0=0 x02) if(RxBuf1=0 x01) LCD_write_str(1,1,A Qu wei xian!);/出示顯示內(nèi)容 PORTD=0X00; if(RxBuf0=0 x01) LCD_wr

52、ite_char(11,0,RxBuf1); LCD_write_char(12,0,RxBuf2); LCD_write_char(13,0,RxBuf3); LCD_write_char(15,0,RxBuf4); i=RxBuf2-0 x30; j=RxBuf3-0 x30; h=i*10+j; if(h=32) PORTD=0X00; 8 8 系統(tǒng)調(diào)試與改進系統(tǒng)調(diào)試與改進 為保證火災報警與自動滅火系統(tǒng)能安全可靠地投入運行，性能達到設計的技術 要求，要進行一系列的調(diào)整試驗工作。 調(diào)試前準備： 1）按設計要求查驗設備的規(guī)格、型號、數(shù)量、配件等，查驗應用的儀表、儀器 應經(jīng)計量部門檢驗合格，并

53、在有效期內(nèi)。 2）查對各種記錄的文件表格是否齊全; 3）檢查系統(tǒng)線路是否有錯線、開路、虛焊、短路。 檢查無誤后給電路板提供5V 的直流電壓，觀察電路板上的電源指示燈是否正 常工作，然后把單片機芯片、液晶顯示屏插入插槽中，下載線連接到電路板上，先 下載簡單可行的測試程序到單片機中，觀察芯片工作是否正常，驗證顯示屏、按鍵、 執(zhí)行部件能否正常工作，如果芯片正常工作則說明系統(tǒng)板正常，不正常則說明軟件 或者系統(tǒng)硬件可能存在某些問題，則需耐心查找原因，從根本上一一解決。 本設計通過 KeiluVision2 軟件對軟件進行測試，通過 PROGISP 軟件將程序下 載到系統(tǒng)實物進行調(diào)試。 KeiluVisi

54、on2 是一個集成開發(fā)環(huán)境，它集程序的編輯、編譯、鏈接、調(diào)試等功 能為一體。具有友好的交互界面、下拉菜單、快捷鍵和快速訪問命令列表等，使程 序設計工作更加方便、快捷、高效。 本系統(tǒng)使用的軟件開發(fā)環(huán)境是 KeiluVision2。在 KeiluVision2 中，源代碼的輸 入，編譯通過之后就可以進行軟件調(diào)試了。在軟件編程實現(xiàn)過程中，跟隨自己事先 整理好的思路，先定好整體框架，然后對每個要實現(xiàn)的功能實現(xiàn)從簡單開始一步步 到最終實現(xiàn)為止，最后把最終程序經(jīng)過編譯確認無誤之后，把編譯產(chǎn)生的 hex 文件， 下載到實物板中，軟硬件調(diào)試時，首先要檢查電源指示燈是否亮，觀察 LCD 查看顯 示是否正確，按鍵

55、是否起到相應的作用。調(diào)試過程中，要不斷分析問題存在的可能 原因，針對具體問題找尋具體解決辦法，在硬件和軟件程序間不斷改進調(diào)試，從簡 單開始一步步進行下去直到最終功能實現(xiàn)為止。 運用 KeiluVision2 軟件，對所編寫程序進行調(diào)試，在其調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)程序錯 誤，對其修改直至完善。通過 PROGISP 軟件將程序下載到系統(tǒng)實物進行調(diào)試。對 溫度進行初設值，看是否正確顯示，對系統(tǒng)進行調(diào)試。單獨運用 MQ-2 傳感器對可 燃氣體進行檢測，當達到濃度范圍之內(nèi)，由無線傳輸模塊把數(shù)據(jù)傳給接收部分由單 片機處理，是否發(fā)出報警并顯示溫度和地址，對系統(tǒng)進行調(diào)試。運用 DS18B20 傳感 器對溫度進行檢測，

56、當溫度超過預設值是否會報警，對系統(tǒng)進行調(diào)試。直至系統(tǒng)能 夠正常運行，調(diào)試結束。 在實際應用中，發(fā)現(xiàn)許多環(huán)節(jié)需要改進，能夠使系統(tǒng)更加完善，作品性能更加 穩(wěn)定。在作品中是一對一無線傳輸，而在實際的環(huán)境需要多對一或多對多傳輸，那 么就需要對系統(tǒng)進行改進。 結論結論 煙霧檢測報警器可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災和爆炸事故以及煤氣中毒 的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前 景。 在對煙霧傳感器和無線通訊技術進行深入研究的基礎上，全面比較國內(nèi)外同類 產(chǎn)品的技術特點，合理地確定系統(tǒng)的設計方案。根據(jù)設計要求、使用環(huán)境、成本等 因素，選用 MQ-2 型半導體電阻式煙霧傳感器

57、。該傳感器是對以烷類煙霧為主的多 種煙霧有良好敏感特性的廣譜型半導體敏感器件。它的靈敏度適中，具有響應與恢 復特性好，長期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、不易受環(huán)境影響及抗溫濕度影響等優(yōu)點。 在系統(tǒng)單片機控制電路的設計上，采用了高性能、高整合度的 Atmegal-16 單片 機作為核心芯片，充分利用了其高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)外設，實現(xiàn)了儀器 的小型化和智能化。使儀器具有結構簡單、性能穩(wěn)定、體積小、成本低等優(yōu)點。為 提高響應時伺，保證傳感器準確地、穩(wěn)定地工作，需要向煙霧傳感器持續(xù)供給 5V 的加熱電壓。由煙霧傳感器 MQ-2 檢測可燃氣體或煙霧濃度，當達到濃度范圍之內(nèi)， 由無線傳輸模塊把數(shù)據(jù)傳給接收部

58、分由單片機處理，并且發(fā)出報警?；馂膱缶骶?有實時監(jiān)測功能，實時監(jiān)測環(huán)境中的可燃氣體濃度并且每隔一段時間監(jiān)測一下所放 空間內(nèi)的溫度并在顯示屏上實時顯示。我們把溫度作為輔助報警條件，當監(jiān)測溫度 達到預設溫度時即發(fā)生報警。 在研制的火災報警器的基礎上，可以再做適當?shù)墓δ軘U展，使火災報警器的功 能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。為了能夠進一步提高安全性，可以在 自動報警的基礎上，實現(xiàn)滅火供能。在實際火災發(fā)生時，所面對復雜的環(huán)境將會更 加復雜，那將會對報警系統(tǒng)造成很大程度的干擾，我們應全面考慮各方面的不利因 數(shù)，運用所學知識解決各個問題。 應用程序可采用 C 語言，充分利用芯片資源，提高了測量精

59、度和代碼執(zhí)行效率， 減小了代碼容量，采用中位值平均數(shù)字濾波算法對經(jīng) A/D 轉換后的數(shù)字信號進行濾 波處理。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機干擾，不但最大限度地排除 現(xiàn)場噪聲干擾，降低煙霧報警器誤報概率，而且易于在單片機中實現(xiàn)。 參考文獻參考文獻 1 金春林，邱慧芳等.AVR系列單片機C語言編程與應用實例M.北京：清華大學出 版社，2003. 2 沈文，詹衛(wèi)前等.AVR單片機C語言開發(fā)入門指導M.北京：清華大學出版社， 2003. 3 丁化成，李君凱等. AVR單片機應用設計M.北京：北京航空航天大學出版社， 2002. 4 耿德根，馬潮等.AVR高速嵌入式單片機原理與應用M.北京：北

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