毕业论文（设计）
题目：基于单片机GSM火灾报警系统的设计
学院：电气工程学院
学号：P101813196
姓名：谭柳生
专业年级：10级电信(3)班
指导老师：王书志
基于单片机GSM火灾报警系统的设计
专业：电子信息工程姓名：谭柳生指导老师：王书志
摘要：随着近年来我国经济的快速发展，人们生活多元化的同时，身边的可燃物越来越多，因此火灾险情发生的可能性也越来越高。火灾的险情日趋增加，火灾发生的次数及所给人们造成的财产损失不可估量。据相关部门统计，从1998年到2010期间，一共发生的火灾次数将近1.8万起，每年造成的经济损失达到12亿元，造成的人身伤害更是巨大。可见，做好火灾的预防工作不仅仅是过去的事情，更是未来防护工作中的重中之重。我们要利用信息时代给我们带来的种种优越性，在生产生活当中利用传感器技术来应用到火灾预防领域当中，因此，我们对传感器技术的要求越来越高。提高对传感器的认识和了解，工作原理及特性对我们的日常防护是非常重要的。这里采用电阻式烟雾传感器和单片机技术相结合，综合可靠的GSM移动网络，采取定位检测，发现险情并远程报警的技术，以尽可能的降低火灾所造成的损失。系统应用中烟雾传感器所采用的是具有能对可燃气体进行检测的半导体敏感元件MQ-2器件，其具有高灵敏度，快速响应，强抗干扰性的特点，所以在系统的使用中具有一定的优越性。选用的STC89C52单片机具有低损耗、高性能并且能进行快速擦除快速写入程序的特点。系统在报警装置上还借助于稳定的移动网络，当火灾险情发生时，利用GSM模块远程报警，真正实现实时监控、远程传输的特点，有效的达到预防火灾的意义。
关键词：火灾，烟雾传感器，单片机，GSM
ABSTRACT
In resent years, with the booming of the economy in our country, people live a diversity life, more and more combustible materials are around us, the possibility of fire danger is growing up. Fire danger increases day by d ay, it can’t count the fire happening times and the lost of property. According to the statistics of relative department, fire happens about eighteen thousand times between 1998 and 2010, financial loss comes to 12 billion each year, the victims may be more enormous. it is thus clear that it is important to take prevention work whether the past or the future. We need to take advantage of the superiority of information Age, in the production life, we need to use the technology of sensor in the prevention field, hence, we are strict with the requirement of the technology of sensor. Improving the awareness and understanding of the sensor, the working principle and characteristics are very important to the protection of our daily. We integrate the resistive smoke sensor and SCM technology, integrating the reliability of GSM moving internet, adopting location detection , and the technology to find the dangerous and remote warning, all these measure are taken to decent the lost. smoke sensor adopts Semiconductor sensitive elements in MQ-2 devices to check the combustible gas in Systematic applying, it holds many feature, such as High sensitivity, fast response and anti-interference, all the using has their superiority in system. The characteristics of STC89C52SCM are lower energy consumption, higher-performance and Quickly erased fast write program. System borrows the stable moving internet in the warning device, when fire danger happens, we can use GSM Module remote alarm to realize the feature
Real-time Monitoring and remote convey, and reach the meaning of the prevention of fire.
The key word: Fire, Smoke Sensor, SCM ,GSM
目录
1绪论 (1)
1.1概述 (1)
1.2发展前景分析 (1)
1.3火灾报警系统发展状况及特征 (2)
1.3.1火灾报警系统发展状况 (2)
1.3.2火灾报警系统发展特征 (2)
1.4课题研究的背景和意义 (3)
1.5课题研究的主要内容 (3)
2火灾报警器功能需求及方案设计 (4)
2.1功能需求及设计方案 (4)
2.1.1火灾报警器功能需求 (4)
2.1.2火灾报警器的设计方案 (4)
2.2烟雾传感器的选型 (6)
2.2.1烟雾传感器的种类介绍 (6)
2.2.2烟雾传感器的选定 (10)
2.3火灾报警器的整体方案设计 (11)
2.3.1报警器工作原理 (11)
2.3.2火灾报警器的结构 (11)
2.3.3火灾报警器的功能 (12)
3 系统硬件的设计 (14)
3.1 控制芯片的选择 (14)
3.1.1单片机芯片STC89C52 (14)
3.1.2 A/D转换芯片ADC0809 (16)
3.2烟雾报警器硬件电路设计 (17)
3.2.1 烟雾传感器MQ-2 (17)
3.2.2液晶显示电路 (18)
3.2.3按键调节电路 (19)
3.2.4声音报警电路 (20)
3.2.5继电器控制电路 (20)
3.2.6状态指示灯电路 (21)
3.3 GSM模块介绍 (22)
4 软件系统的设计 (25)
4.1单片机调试及开发工具 (25)
4.2软件流程及设计 (25)
4.2.1主程序的流程及设计 (25)
4.2.2主程序初始化流程图 (26)
4.2.3报警子程序流程图 (27)
4.2.4按键处理子程序流程图 (29)
5 硬件系统测试 (30)
5.1硬件系统测试 (30)
5.1.1测试概要 (30)
5.1.2测试结果及缺陷分析 (30)
5.2展望 (31)
结论 (32)
致谢 (33)
参考文献 (34)
附录 (35)
1绪论
1.1概述
火灾报警器一般由几大模块来构成，其中包括探测器、传感器、区域主控制器和报警装置组成。探测器是用来对监控区域实行检测的最核心装置，其探测器的灵敏度决定了该报警系统的优劣性。传感器是在探测器收集到烟雾信号以后将其转换成电信号，以供主控制识别的信号装置。主控制器对报警系统实施整体调节，对信号的识别以及实施报警信号控制的主要部分。报警装置包括蜂鸣器、GSM模块等。通过火灾发生时产生的烟雾进行探测，辨别险情发生时的烟雾浓度，并实施远程短信报警告知火灾地点，与消防部门等一系列相关机构形成联动机制。
1.2发展前景分析
上世纪90年代，我国由于科学技术还处于发展的新时期，消防报警这一类的产品尚处于刚刚起步的阶段，火灾报警系统无论在技术含量或者完整性和可靠性上还不够稳定，在火灾的预防上远远达不到要求，因此，国外的一些企业趁机将市场投向中国，在他们先进的科学技术下，很快就占领了中国的大部分市场。而到如今，中国的科技发展形势迅猛，犹如雨后春笋，在科技方面与世界水平接轨。现在我们已经有能力实现技术含量较高的、完整的、可靠的火灾报警系统。
1.3火灾报警系统发展状况及特征
1.3.1火灾报警系统发展状况
火灾自动报警系统是对全社会的人都有财产和人身安全的防护系统。其发展前景与应用的广泛性可想而知，虽然我国在这方面的研究成果与其他国家的技术水平不相上下，但是，目前存在的问题是社会上应用到的先进的火灾报警装置并不多。产品的应用缺乏广泛性，这将影响到我们的防护工作。加快火灾报警系统技术的研发和创新是我们动力的目标，加强火灾报警高技术领域创新团队和研发基地建设是建设的重中之重。同时，广泛开展国际科技合作，建立相关的火灾报警系统技术合作机制，引进先进的国内外管理经验，拓宽国际合作的领域和范围，大量投入生产并使其快速应用到市场中。
1.3.2火灾报警系统发展特征
火灾报警器在我们的生活中扮演着重要的角色。一个操作系统中的杀毒软件，它时时刻刻监视着系统的安全，防止系统受到破坏，与操作系统有点相似的报警器，虽然它不能事先去阻止火灾的发生，但是他能够及时的向人们反映信号，使得人们以最快的速度联合各个消防机制实行消防措施，保护我们的财产安全。因此，我们应该建立一个火灾报警系统的相关机制，申请属于自己的知识产权，形成权重的大型企业和集团，加强资金的投入和生产，并不断的引进国外先进的技术水平和管理经验，不断实现火灾报警器技术的改革和创新，从而带领国内的各家企业去对海外消防报警市场进行冲击，使我们的这项火灾报警技术得以推广。
1.4课题研究的背景和意义
我国飞速发展的经济水平给人们的物质生活带来了很大的提高，同时也给火灾这个不速之客开启了高速通道。在生活提高的同时，人们往往没有提高对危害的预防意识，以至于每一年由于火灾引起而造成的直接经济损失达到十几亿元，数不胜数无辜的生命在灾难中牺牲，多少幸福的家庭因此而遭到破坏。我们应该在火灾的初期进行探测和预防，才可以提高对火灾的预防，才可以减少火灾造成的经济损失和人身伤亡，我们的社会才越来越安定和谐，经济的发展才会更快，人们的生活才会越来越幸福。因此，我们就必须加强对火灾报警器的研发和投入，以烟雾传感器为核心，实现短信报警，最终以预防火灾为目的，减少火灾给社会带来的巨大威胁。
1.5课题研究的主要内容
（1）通过硬件的设计，设计出一个使得电路能够对检测空间实施多点检测，并使得检测电路要有一定的灵敏度的系统。
（2）通过软件的设计，设计出一个能够对烟雾浓度值进行判定，在发生险情时能通过短信进行报警的系统。
2火灾报警器功能需求及方案设计
2.1功能需求及设计方案
2.1.1火灾报警器功能需求
科学技术在不断进步，消防系统正在逐步趋于完善，因此对火灾报警系统的要求也越来越高，低要求的火灾报警系统已经不能立足于现代社会中。因此，只能够实现一般的声音报警的火灾报警器已经远远不能够满足于市场的要求，多功能的火灾报警系统已经成为我们研究的主要课题。
传统的火灾报警是由人工的响铃或者经过人们发现后才向消防队发起的信号，这类的火灾报警往往由于不能够实施迅速的抢救而容易造成巨大损失。对火灾现场伴随火灾而产生的烟雾进行多点检测，实时监控并实时进行短信报警，并告知消防队火灾发生的地点，消防队员将会在第一时间内得到火灾报警的通知，其具有准确性和快速性，可见这一类的报警系统将会受到人们的普遍欢迎，同时也满足市场的发展要求。
2.1.2火灾报警器的设计方案
火灾报警系统中使用的探测器可以对温度、烟雾浓度、光的强弱程度进行探测，可以针对其中的一种或者几种同时进行探测。分为感温型、感烟型、感光型，或者多种组合在一起的复合型火灾报警系统。火灾起火的过程一般产物有烟、热、光，在火灾初期，温度往往比较低，各燃烧物都都是处于阴燃的阶段，因此将会有大量的烟雾产生，阴燃阶段过后，光和热的现象才会比较明显。因此，本课题采用烟雾火灾报警系统是针对火灾发生前期产生的
烟雾进行探测和研究，可在火灾发生的早期通知消防队进行施救，以减少损失。
烟雾火灾报警系统主要构成电路包括：烟雾采集检测电路、数模转换电路、单片机控制电路，烟雾采集检测电路和单片机控制电路是报警系统的核心电路[1]。在实际应用中，我们将组成检测电路的传感器和放大电路放在被测空间内，用于检测烟雾浓度。烟雾传感器是将采集到的烟雾信号经过放大并处理，经过数模转换电路的转换后形成可以供给单片机识别的信号，单片机再将这一信号经过转换成烟雾值浓度并显示在液晶显示屏上，这样我们就可以直观的了解到当前的烟雾值浓度值。当烟雾值达到报警值时，单片机控制蜂鸣器工作，实现声音报警的作用。同时，还为了给周围人员争取更多的逃离时间，单片机还启动继电器工作，使得抽风机将过多的烟雾排出室内，在短时间内保证撤离人员的安全。为了使系统更加具有灵活性，还可以根据不同的场合调节不同的报警浓度值。更重要的是要提高系统的实用性，当报警启动时，单片机控制GSM模块向预存的号码发送火灾报警的短信通知，告知火灾发生的地点以及当时的烟雾浓度值，以便让相关人员大致了解火势的情况，以弥补火灾发生时由于现场混乱而外界人员无法了解火灾现场内部的具体情况。以上方案是针对报警器具有的功能提出的整体设计思路。整体的电路框图如图2-1所示：
图2-1 系统原理及组成框
为了让此设计方案具有实用性，我们应该针对每一个元器件进行准确的选取，根据系统的功能需求选取合适的元器件是至关重要的。对于烟雾信号采集的烟雾传感器，首先要有一定的灵敏度，而且考虑到设备的成本问题，应该选取准确性高，价格低廉的传感器。而对于报警系统的主控芯片单片机来说，应该选取稳定、价格低廉的芯片。下面我们来对相关元器件进行描述。
2.2烟雾传感器的选型
烟雾传感器是通过检测烟雾的浓度来实现火灾防范的，它广泛的运用在家庭、企业、学校、公司、仓库等众多的领域中，是报警系统的核心部件。因此，提高对烟雾传感器的选型要求，对火灾报警系统的设计是非常重要的一个环节。
2.2.1烟雾传感器的种类介绍
1.按照原理的分类：
烟雾传感器按照检测原理来分可以分为三大类：利用物理性质的烟雾传感器、利用化学性质的烟雾传感器、利用物理化学性质的烟雾传感器[2]。
（1）利用物理性质的烟雾传感器：光干涉烟雾传感器、热导烟雾传感器等。
（2）利用化学性质的烟雾传感器：电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。
（3）利用物理化学性质的烟雾传感器：接触燃烧烟雾传感器、半导体烟雾传感器等。
2.烟雾传感器应该满足的基本条件如下：
（1）能够针对一定范围的烟雾值进行准确的测量，而且还要有较高的灵敏度；
（2）具有较长的工作寿命，且稳定性好；
（3）能够针对性的检测某一种烟雾，在不同环境下也不受外界因素的影响；
（4）较低的生产成本，使用和维护简单易行。
3.常见的烟雾传感器简介
（1）接触燃烧式传感器
这种传感器的取名来源于它的工作方法，它的方法和原理很简单，首先，在传感器表面涂上一层催化物；其次，当有可燃物烟雾接触到催化物时，它们就会发生氧化反应，从而进行浓度的探测。把耐高温的金属丝放在传感器旁边，金属丝要保持一定的工作温度，通常情况下是300~400摄氏度，当烟雾接触到金属丝的时候，烟雾因高温而燃烧，利用燃烧产生的热量给金属丝
产生温度差，金属丝的阻值增大，对阻值的变化进行转换就能探测到烟雾的浓度大小。
(2)半导体烟雾传感器
半导体烟雾传感器再可以分为电阻型和非电阻型两类，它是用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体、单晶半导体器件制作的烟雾传感器。半导体敏感元件又有N型和P型之分，它们在烟雾值浓度变化的时候阻值呈现不同变化，N型在检测是随着烟雾浓度值的增大而减小，而P型则反之[3]。
（3）高分子烟雾传感器
高分子烟雾传感器主要取决于用于其制作的敏感材料，在实际应用的过程中，利用这些敏感材料的电阻、表面的声波传播的速度和频率、重量等物理性能发生了变化，使高分子烟雾传感器得以工作的原理。高分子烟雾传感器的一大优点就是制作工艺简单、价格低廉以及在常温状态下具有良好的选择性。
（4）红外线传感器
利用红外线光束对烟雾值进行检测，我们称之为红外线传感器。在测量的过程中，红外线光速对测量的烟雾进行照射，这个过程中一部分光被烟雾有选择的吸收掉，而剩下一部分的光束则经过一系列转换，有效的探测出烟雾的浓度值。
（5）固体电解质烟雾传感器
固体电解质和高分子烟雾传感器在工作原理上存在着一定的相似之处：一方面，前者主要是利用固体电解质气敏材料作为气敏探测元件，后者则利用的是材料的物理性质进行探测，然而不同的是固体电解质利用的是气敏材
料通过烟雾产生的电阻从而转换成电势差来获取烟雾的浓度值。这一类的传感器对材料的选取十分严格，因此灵敏度和选择性较好，被广泛的使用。但是固体电解质的制造成本比较高，只能选择性的对一定的烟雾进行探测，所以通常只应用在环境的探测领域。
（6）热传导传感器
热传导传感器是将加热后具有一定温度的铂电阻线圈放在需要探测的烟雾中，在工作的时候，它不断的向探测到的烟雾传送热量，从而使得它本身的温度降低，电阻发生变化。利用温度变化和探测烟雾热传导率的函数求得烟雾浓度，每一种烟雾都只有它本身特定的热传导率，从而就可以根据函数来求得浓度。
(7)电化学传感器
电化学传感器是利用经过反应形成的阴阳带电离子，通过电信号传送出来的工作原理。它由膜电极和电解液封装而制成的，探测的时候主要由烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳离子，阴阳离子再通过电极把信号传送出来，从而探测到烟雾浓度值。这类传感器反应速度快，而且具有良好的稳定性，对烟雾能够进行定量检测，但是随着使用的过程中电解液的反应的消耗使用寿命将缩短，通常只能维持两年左右，一般对毒气的探测经常使用的就是电化学传感器。
4.常见的烟雾传感器探测可检测的烟雾类型
以上介绍了常见的几种烟雾传感器的的类型，而生活中我们需要检测的烟雾一般可归结为以下几种类型：
（1）还原性烟雾：CH3OH、H2、CO、 C2H5OH等；
（2）无机物：SO2 、O2、H2 、CO2、C12。
根据所检测的烟雾的不同，通常是不同的烟雾传感器用于对不同气体的检测。所以，我们在选用烟雾传感器的时候，应该根据特定的测量场合以及要测量的烟雾类型进行选定。下面我们来介绍针对火灾报警应该使用传感器的选定。
2.2.2烟雾传感器的选定
公共场所中，针对易燃物品产生的烟雾类型，我们考虑采用半导体烟雾传感器和接触燃烧传感器来作为烟雾报警器的探测元件。这两种传感器在使用中各有优缺点，下面我们将进行比较：
烟雾传感器在工作的过程中，其探头起到了关键作用，而接触燃烧式烟雾传感器在工作的过程中其探头被烟雾和空气中的H2S反应生成的含硫物质附着在表面上，影响了灵敏性，从而变得迟钝，这就是发生了阻缓中毒。阻缓现象使得接触燃烧式传感器工作的准确性大大降低，要使得其正常工作，我们要经常对其清理和维护，这显而易见，对其投入的人员工作量以及维护成本都无形增加了。
半导体烟雾传感器不仅灵敏度高、体积小，而且操作简单便捷，更主要的是成本低廉、响应速度快、抗干扰性强的特点，使得其被广泛的应用在我们的生活中。可见，具有稳定性高、抗干扰性强，响应速度快、使用寿命长、易于维护等优点的半导体型MQ-2烟雾传感器应用在我们的火灾报警系统中将会有更大的优势，因此，我们应该首先考虑MQ-2的使用。
2.3火灾报警器的整体方案设计
2.3.1报警器工作原理
本论文以单片机芯片STC89C52RC作为电路的控制芯片，采用半导体烟雾传感器MQ-2来作为烟雾信号采集器。MQ-2将采集到的烟雾浓度转化为电信号，经放大电路放大后，将信号转换为可供单片机STC89C52RC识别的信号，经由单片机进行模数转换处理，并在单片机内进行浓度的比较[4]。最终由单片机将信号输入到液晶显示屏上进行显示，可直观的给出当前的烟雾值浓度。系统设有三个烟雾浓度阶次，浓度值由单片机进行判断，当处于安全浓度范围内是绿灯长亮；当超过安全范围时为不正常状态，此时黄灯亮起以给人警示；当烟雾值到达危险浓度值时，红灯亮起，蜂鸣器发声报警，同时继电器闭合以使得风扇工作，单片机控制GSM模块并实现远程报警指令。针对于不同的浓度值时系统做出的警示信号是不同的。
此外，为了提高系统使用的灵活性，使得系统在不同检测环境下适应不同的工作场合，系统还设有各个阶次报警的浓度值，可手动调节各个阶次的报警浓度值，以使得系统能够在不同的工作场合下都能够使用。
2.3.2火灾报警器的结构
为了使得该报警系统能够适应家庭和工业场所的易燃物品下工作，要求该报警器的工作温度范围要宽，能够在不同的温度环境下正常使用，在满足体积小、稳定性要好、准确性高、反应速率快的优点的前提下，尽可能的降低生产成本。报警器的系统结构图如框图2-2所示，系统中以单片机STC89C52RC为核心，在信号采集电路、放大电路、模数转换电路的共同作用
下完成信号采集、浓度显示、状态显示、声音报警、短信报警的功能[5]。另外，单片机STC89C52RC功耗低，有抗干扰强，工作电压稳定，测量精准度高的优势，再加上稳定的移动网络信号，使得系统具有极强的稳定性和应用性。
图2-2 烟雾检测报警结构框图
2.3.3火灾报警器的功能
(1)多点监控的功能
在检测环境中实施多点布控，合理布线，提高系统在使用过程中的准确性。
（2）烟雾浓度值显示
在测量的过程中，单片机将经处理过的烟雾浓度值进行处理，最终显示在液晶显示屏上，让检测人员可以直观的通过液晶显示屏读取到当前的烟雾浓度值。
（3）具有高灵活性
系统设有可调节报警烟雾浓度门限的按键，可以根据不用的工作场合手动调节不同的报警门限值，增强系统使用的灵活性。
（4）烟雾报警功能
系统设有三个烟雾浓度门限值，不同的烟雾浓度值下分别对应三种不同的工作状态指示灯。正常状态下的浓度值时绿灯长亮，临近危险值时黄灯亮，危险发生时红灯亮起，并实行声音报警以及排除烟雾，同时进行短信报警的功能。当烟雾浓度值达到危险预设值时开始短信报警，系统将检测到的浓度值通过GSM模块传送到目标手机并告知险情发生的地点，如果烟雾值一直保持在危险值以上，每隔30s系统重复一次短信报警，直到险情结束为止。
3 系统硬件的设计
3.1 控制芯片的选择
3.1.1单片机芯片STC89C52
在火灾报警系统的设计中，单片机扮演着控制者的角色，是系统的控制中心。单片机一方面对烟雾传感器发来的信号进行接收处理，另一方面还要控制电路其他部位器件进行相应的操作，比如是否要打开继电器，是否要执行声音报警指令，是否要向GSM模块传送短信报警信号等等。
在单片机完成这一系列复杂信号的过程中，尤其是将接收到的浓度与预设的浓度值进行比较后送入液晶显示屏来显示的这一信号处理过程比较复杂，要执行的软件指令比较繁琐，因此要求使用的单片机的运算速度不仅要快，而且还要能够准确的将烟雾浓度转换成直观的浓度值。所以对单片机芯片的选择十分重要，还要考虑到的是，在高性能的基础上，我们还应该综合产品开发的成本性，运行时的功耗各个方面进行考虑，最好选用价格比较低廉的芯片，低功耗的单片机芯片作为控制芯片。
综合以上各个方面的因素，这里我们将选用宏晶公司的产品STC89C52RC 单片机型号作为控制器。STC89C52RC的主要特点是采用Flash存储技术，降低产品的制造成本，可与MC-51完全兼容。STC89C52RC有比较宽松的工作电压，电压范围一般可从2.7V-6V,并且属于低功耗产品，适合于电池供电的小型控制系统；片内有充足的在线存储空间，其抗干扰性强，抗静电能力高，可以过2KV-4KV快速脉冲干扰，工作温度范围广，可在-40℃-85℃温度下工作；有4组I/O控制端口，可适当进行对外拓展。图3-1为STC89C52RC的