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1、毕业论文多传感器信息融合技术沈阳理工大学学士学位论文 摘 要 随着社会和经济的发展，防火工作越来越重要，但是目前国内的许多研发都侧重于大型场所的火灾报警。因此，我们就有必要研制一种结构简单、经济实用的家庭烟雾报警器以适应市场的需求。基于供家庭使用的烟雾报警器应该具备的基本要求和功能，文章设计了一种比较适合的烟雾报警器。 本设计以传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件即可实现声光报警、自动排烟换气和消防灭火等功能。设计中单片机选用STC89C52作为控制器件，传感器选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测。烟雾报警器主要由烟雾信号采集及前置放大电路、模数转换
2、电路、单片机控制电路、显示电路、声光报警电路和安全保护电路构成，设计合理、简单易懂、价格低廉，使单片机在烟雾报警系统的控制中得到充分应用，具有一定的实用价值。论文主要针对烟雾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，并对其主控电路和外围设备电路之间的接口连接方式，以及系统软件设计进行了重点的分析和讲解。 热释电红外传感器，它的制作简单、成本低、安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现，便于多用户统一管理。本设计包括硬件和软件设计两个部分。硬件部分包括单片机控制模块、红外探头模块、驱动执行报警模块、LED控制模块等部分组
3、成。处理器采用51系列单片机STC89C52，程序使用C语言编写。 关键字：烟雾报警器；单片机；传感器；红外 I 沈阳理工大学学士学位论文 Abstract With the development of society and economy, the fire work is more and more important, but many of the current domestic research are focused on the large space fire alarm.Therefore, it is necessary to design a simple stru
4、cture, economical and practical family smoke alarm to adapt to the needs of the market.The basic requirements of the smoke alarm for household use based on should have and function, this paper designs a smoke alarm is suitable for the. The design of the sensor and single-chip microcomputer as the co
5、re device smoke alarm design, with other devices can achieve sound and light alarm, automatic exhaust ventilation and fire extinguishing function.Design of single chip STC89C52 is selected as the control device, the selection of sensor for detection of MQ-2 type semiconductor gas sensitive element s
6、moke sensor smoke.The smoke alarm is mainly composed of smoke signal acquisition and the preamplifier circuit, analog-digital conversion circuit, single-chip microcomputer control circuit, display circuit, alarm circuit and protection circuit, reasonable design, simple, low price, make full use of M
7、CU alarm system in the control of the smoke, and has a certain practical value.The main thesis of the smoke alarm system for the various components and functions are introduced and explained, and the connection mode of the main control circuit and peripheral equipment circuit interface, and the soft
8、ware design of the system is analyzed and the explanation of the key. Key words:the smoke alarm;MCU;sensor;infrared II 沈阳理工大学学士学位论文 目 录 1 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 设计概述 . 1 1.3 烟雾报警器的国内外现状 . 2 1.4 烟雾报警器的发展趋势 . 3 2 总体方案设计 . 4 2.1 设计任务分析 . 4 2.2 单片机选型 . 5 2.2.1 STC89C52单片机简介 . 5 2.2.2 单片机的引脚功能描述 . 6 2.3
9、 烟雾传感器模块 . 7 2.3.1 烟雾传感器的介绍 . 8 2.3.2 MQ-2半导体气体烟雾传感器 . 10 2.4 温度采集模块 . 11 2.5 红外感应模块 . 12 2.5.1 热释电传感器 . 12 2.5.2 菲涅耳透镜 . 12 2.5.3 BISS0001芯片简介 . 13 2.5.4 信号采集处理模块 . 15 2.6 无线收发模块 . 16 2.6.1 nRF24L01概述 . 17 2.6.2 引脚功能及描述 . 17 2.6.3 工作模式 . 18 2.6.4 工作原理 . 18 2.6.5 配置字 . 20 2.7 总体原理图设计 . 21 3 系统的硬件电路
10、. 22 3.1 单片机最小系统 . 22 III 沈阳理工大学学士学位论文 3.2 单片机的时钟电路与复位电路设计 . 23 3.3 烟雾检测AD采集电路 . 23 3.4 显示电路 . 24 3.5 声音报警电路 . 25 3.6 声音报警电路 . 25 3.7 电源电路 . 26 3.8 温度传感器(DS18B20)电路 . 26 3.8.1 DSl8B20简介 . 26 3.8.2 DSl8B20具体参数及工作方式 . 29 3.8.3 DS18B20接口电路 . 30 4 系统软件的设计 . 31 4.1 单片机C语言程序设计技术 . 31 4.2 主机主程序 . 31 4.3 从机
11、主程序 . 33 5 硬件调试及调试中遇到的问题 . 34 结论 . 35 致谢 . 36 参考文献 . 37 附录A 英文原文 . 38 附录B 汉语翻译 . 43 附录C 实物图 . 46 IV 沈阳理工大学学士学位论文 1 绪论 1.1 课题背景 随着科技的发展，越来越多的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。防止火灾引起燃烧、爆炸、防盗等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。目前，大部分小区的安全主要是由保卫人员巡逻与实时录像监控系统实现，而实时监控需要巨大的存储空间，并且只能为事后提供可能的线索比较被动。小偷进入
12、小区盗窃主要方式是翻墙进入小区，假如小区墙上装有传感器，只要有人翻过围墙便触发报警系统，同时将信息传递到保卫室。而要将信息传递到保卫室如果采用传统的有线数据传输就会消耗很多通讯线，需要的数据线多，浪费资源，可操作性差，出现错误接线的可能，误报可能性较大。 为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾信号和人体信号进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题1。 1.2 设计概述 单片机及烟雾传感器是烟雾报警器系统的两大核
13、心。单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到所有电子系统中。同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。而传感器作为信息技术系统的“感官”器件，如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、高速度的控制系统。美国曾把二十世纪八十年代称为传感技术时代，日本更是把传感技术列为十大技术之首。所以，
14、根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器和单片机芯片是至关重要的。在本论文中的最主要的设计是选STC89C52单片机以及MQ-2半导体气体烟雾传感器为核心器件2。 1 沈阳理工大学学士学位论文 目前，现代建筑都会有选择地安装不同功能的烟雾自动报警系统。因为烟雾自动报警系统是建筑物的神经系统，它能够感受、接收着发生火灾的早期信号并及时报警，发出警报同时告知用户和周边居民。在火灾的早期阶段，准确的探测到火情并迅速报警，对于及时组织有序快速疏散、积极有效地控制火灾的蔓延、快速灭火和减少火灾对居住人群的损失都具有重要的意义。 1.3 烟雾报警器的国内外现状 多传感器信息融合技术的应用领域
15、广泛，不仅应用于军事，在民事应用方面也有很大的空间。军事应用是多传感器信息融合技术诞生的奠基石，具体应用包括海洋监视系统和军事防御系统。在民事应用领域方面，主要用于智能处理以及工业化控制，智能处理包括防火防盗等方面。 国外从20世纪XX年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到*安全法规的推动。据有关统计，美国XX年至XX年烟雾传感器年均增长率为27%-30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产
16、、运输及市场推广。 XX年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。 我国在XX年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。 烟雾报警器可分为民用火灾烟雾报警器、工业用烟雾报警器、 有毒有害烟雾报警器三大系列产品。 (1) 民用火灾烟雾报警器 民用火
17、灾烟雾报警器为居民家庭用的火灾报警器,一般安装在厨房，遇到火灾产生的烟雾时时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动 外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把烟雾排出室外 2 沈阳理工大学学士学位论文 (2) 工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器 工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。 检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示烟雾浓 度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的
18、发生。控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测烟雾的浓度3。 探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。 1.4 烟雾报警器的发展趋势 面对人类社会经济与技术急速发展的时代，伴随这电子、计算机、通讯和现代控制技术的迅速发展，现代火灾自动报警应用技术发展趋势正在向着全总线制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、蓝牙技术无线化、高灵敏化、综合化等方
19、面发展。 针对当前烟雾自动报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁，智能化程度低，网络化程度低、特殊恶劣环境的烟雾探测报警抗干扰等问题较为突出的现象，提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、开放的通讯协议。通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究，对系统方案、设备选型的优化组合，改进烟雾自动报警系统的工作性能、减少维护费用和维护要求，向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展，为更好的预防和遏制建筑火灾提供了强有力的保障，从而更好的保护国家和人民的生命、财产安全4。 3 沈阳理工大学学士学位论文 2 总体方案设计 2.1 设计任务分析 本篇论文是烟雾报
20、警器的研制： 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的烟雾报警器具有显示报警状态。报警器采用延时的工作方式，烟雾报警器以STC89C52单片机为控制核心，选用MQ-2半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度信息，配合外围电路构成烟雾报警系统。本设计包括硬件和软件设计两个部分，且分为主机和从机两部分5，总体设计框图如图2.1所示： 烟雾 采集模STC89C52 单片机 报警电路 显示电路 STC8 无线发射 无线接收 采集模 温度 红外感应模块 9C52 单片机 图2.1 总体设计框图 以STC89C52单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为
21、数据收集、声音报警电路、状态指示灯电路、LCD1602液晶显示电路部分。 本系统采用了工作于2.4GHz频段NRF24L01射频芯片和低功耗单片机STC89C52控制实现短距离无线数据通信。 系统分为主机和从机两部分，主机负责无线接收并通过LCD1602液晶显示，超出设置的范围报警。从机负责环境温度、火灾、防盗信号的采集并无线发射。 系统可设置烟雾浓度和高温报警值，并有掉电保存功能，且有紧急报警和手动取消报警功能。 4 沈阳理工大学学士学位论文 LCD1602第一行显示烟雾浓度，第二行显示当前温度、红外人体感应信号和布防状态。 按下布放键后，系统等待15秒进入布防状态，15秒后系统进入布防状态
22、，当有人靠近时报警。 2.2 单片机选型 单片机是烟雾自动报警系统的心脏，用来接收火灾信号并启动报警装置显示和执行相应的报警。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。 由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS系列单片机
23、以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。其中，51系列单片机的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。因此，测控系统中，使用51系列单片机是最理想的选择，因此设计采用STC89C52。 2.2.1 STC89C52单片机简介 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash
24、，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡
25、电路、键盘控制、LCD1602液晶显示5 沈阳理工大学学士学位论文 电路、报警电路等子模块6-7。 2.2.2 单片机的引脚功能描述 下面对STC89C52各引脚的功能进行较为详细的介绍： 电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端为+5V Vss(20脚)：接地端。 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL2(18脚)：接外部晶体和微调电容的一端。在单片机内部它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时针电路时，该引脚输入外时钟脉冲。要检查STC89C52的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。 XTAL1(19脚)：
26、接外部晶体和微调电容的另一端。在片内，它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。 控制信号脚 RST 、ALE 、PSEN 和EA RST(9脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。在此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。 ALE/PROG(30脚)：地址锁存允许信号端。当STC89C52上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号。此频率为振荡器频率fosc的1/6，当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。在CPU访问片外数据存储时，每取值一次会丢失一个脉冲。平时不访问片外存储时，ALE端也以
27、1/6的振荡频率固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果你想看一下STC89C52芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有脉冲信号输出，则STC89C52基本上是好的。ALE的负载驱动能力为8个LS型TTL。 PSEN(29脚)：程序存储允许输出信号引脚，在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引脚接ERROM的OE端。PSEN端有效，即允许读出ERROM/ROM中的指令码。CPU在从外部ERROM/ROM取指令期间，每个周期PSEN两次有效。不过，在访问片外RAM时，要少产生两次PSEN负脉冲信号。要检查一个STC8
28、9C52小系统上电后CPU能否正常到ERROM/ROM中读取指令码，也可用于示波器看PSEN端有无脉冲输出。如有，说明基本上工作正常。 6 沈阳理工大学学士学位论文 EA/VPP(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内ERROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令。但在PC的值超过OFFFH时，将自动转向执行片外存储器的程序。当出入信号EA引脚接低电平时，CPU只访问外部ERROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无芯片内的ROM的8031或8032，须外扩ERROM，此时必须将EA引脚接地。如果使
29、用有片内ROM的STC89C52，外扩ERROM也是可以的，但也要使EA接地8。 I/O P0口：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。 P1口：8位准双向I/O端口。 P2口：即可以做地址总线输出地址高8位，也可以做普通I/O用，。 P3口：双功能口，即可以做普通I/O口用，也可以按每位定义实现第二功能操作。见表2.1： 表2.1 P3口的第二功能表 引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 2.3 烟雾传感器模块 烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。而烟雾报警器的信
30、号采集由烟雾传感器负责。烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控7 沈阳理工大学学士学位论文 制和报警系统。烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。 2.3.1 烟雾传感器的介绍 烟雾传感器是模拟传感器。它能将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。烟雾传感器就是通过监测环境中烟雾的浓度来实现火灾防范的。当烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体，烟雾探头内部阻
31、值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。烟雾传感器利用烟雾敏感元件的电阻受烟雾浓度影响阻值变化的原理向单片机发送烟雾浓度相应的模拟信号。 在智能建筑中对火灾探测器的应用主要以感烟火灾探测器选用为主。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾探测器的体积也逐渐变小，提高了烟雾探测器的便携性，更加利于生产、运输和市场推广。目前，烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。 在国内的产品中，无论哪家生产的烟雾探测器，都可以探测到火灾的发生，都具有比较高的灵敏度，而且在安装中都比较简单。但是，由于各
32、生产的设备不可通用，独立为正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通讯。使得用户面对众多厂家生产的烟雾探测器感到不知所措。而这也正是国内产品市场的一个重大缺陷。 烟雾传感器的分类 从构成气体传感器材料的形态上通常将它们分为干式和湿式气体传感器。由于对不同气体的检测方法不尽相同，目前主要的方法有：利用半导体气体器件检测的电气法；使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。 烟雾传感器应满足的基本条件 一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件： (a)能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不
