基于单片机的室内多路火灾报警器设计

摘要
此次系统设计是以MSP430F149单片机为核心，运用多路、多传感器相结合的思路。

可以较有效的解决灵敏度高与误报之间的矛盾，能够达到报警效果。

本文主要以单片机为核心设计火灾报警器的硬件，软件的编写，设计中做出系统设计框图、流程图、并做出实物。

能够实现烟雾与温度异常的报警并能完成对后级电路进行控制。

温度与烟雾的门限值可以通过传感器上的电位器来方便的实现更改。

关键词：单片机；报警；烟雾传感器；温度传感器；火灾
Abstract
The system design is based on MSP430F149 single chip microcomputer as the core and use the idea that combines multi-channel with multi sensor. The system can solve the contradiction between high sensitivity and misinformation,and can achieve the effect of alarm. This paper use the single-chip microcomputer to design the hardware of fire alarm system and software ,and make out the system design diagram and flow chart and made a real.The system will function of smoke alarm and temperature anomaly and can control the post stage circuit. The temperature and smoke threshold value can expedient be changed through the sensor on the potentiometer.
Key words:MSP430; alarm; Smoke sensor; temperature sensor; fire
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第一章绪论 (1)
1.1 选题的目的、意义 (1)
1.2 火灾报警器的现状及发展 (1)
1.3 本文主要研究内容 (2)
第二章系统总体设计 (3)
2.1 系统总体方案 (3)
第三章系统硬件设计 (5)
3.1 单片机MSP430F149 (5)
3.1.1 MSP430引脚功能说明 (6)
3.1.2 存储器结构 (7)
3.2 MQ-2烟雾气体传感器模块 (9)
3.3 热敏传感器模块 (12)
3.4 QC12864B液晶显示器 (14)
3.4.1 QC12864液晶显示器参数及引脚功能 (14)
3.4.2 QC12864液晶显示器时序功能图 (15)
3.5 报警与显示电路设计 (17)
3.5.1 12864液晶显示电路的实现 (17)
3.5.2 蜂鸣器报警电路 (18)
第四章系统软件设计 (19)
4.1 系统的总体软件设计 (19)
4.2 12864液晶显示器程序的设计 (20)
第五章系统调试与结论 (21)
5.1 调试与问题 (21)
5.2 实物 (22)
5.3 结论 (22)
参考文献 (23)
致谢 (24)
附录程序 (25)
Main.c (25)
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第一章绪论
1.1 选题的目的、意义
目的：现代家庭生活中用火、用电量不断增加，火灾的发生几率也越来越大。

家庭火灾发生时，极易出现不能及时扑救、缺乏灭火器材、家庭成员未经训练，逃生不及时等不利因素影响，终导致生命财产重大损失。

据有关部门资料显示2011年共发生火灾125417起，死1108人，伤571人，财产损失20.6亿元。

其中电气火灾37960起。

全国火灾的比例中家庭火灾大概占到了的30%左右。

在现代城市里，许多人由于不懂家庭安全常识而引发火灾事故，一旦发生家庭火灾,处置不当、报警迟缓,轻则财产损失，重则人员伤亡。

这就是研究火灾报警器的目的。

意义：在我国的一些大中城市，几乎每天都会发生家庭火灾，防火是每个家庭时刻需要重视的问题。

如果能够根据不同家庭的具体情况采取一些简单的防火措施，做到火灾的预报很多的悲剧是可以人为避免。

室内火灾报警器对预防家庭火灾，降低火灾损失具有现实意义。

1.2 火灾报警器的现状及发展
发生火灾是一个非常复杂的过程，火灾探测技术就是利用传感器将火灾中出现的物理化学量转变为单片机易于处理的高低电平。

在不同的场合下有不同的探测元件，有烟雾火灾探测器、温度火灾探测器、感温电缆、图像探测器、红外线辐射采集等。

近年来，单片机已广泛应用于工业生产，农业生产，以及深入人们生活的各个方面。

由于它功能齐全，体积小，成本低，它可以很方便的应用到任何电子系统中。

它也可以应用于预防报警技术领域，使各类报警器的功能更加完善，可靠性更高，以便更好的满足社会发展的需要。

1.3 本文主要研究内容
本次毕业设计主要内容是设计一个多路、多传感器、智能化火灾报警系统。

它主要具备以下功能：
1、当其检测电路中一路烟雾浓度或者温度超过设计门限值时，电路发出光报警并且在12864液晶显示器上显示出哪一路哪一项出现异常。

2、当其检测电路中一路烟雾浓度与温度超过设计门限值时，电路发出声光报警并且在12864液晶显示器显示出具体哪一路出现异常。

3、当其检测电路中有两路甚至两路以上同时发出声光警报时能够在12864液晶显示器上显示具体异常电路，并且能够顺利做到打开后级电路中的电水阀及其它后级电路。

4、电路可靠性高，要求通过计算机仿真，做出完整的实物并且能够完成功能。

本系统设计注重在智能化的同时减少误报的几率，能够实现真正的人性化，自动化，智能化。

第二章系统总体设计
本设计是基于MSP430单片机的火灾报警系统，以单片机为核心的主体电路，采用理论与实验相结合的方式。

首先画出总体框图，分析各部分外围电路，其次选择合适器件，设计整个电路，进行模块整合与连接、调试，并在计算机上对各单元电路进行相应功能仿真。

由于基于单片机与多传感器设计的火灾报警系统使用单片机对多个传感器数据实时处理能够很好的做到对环境温度、烟雾浓度的实时监功能。

并且该系统不是对其中一个单独的异常现象做出判断而是对温度与烟雾同时异常做出判断，所以该系统能很好的分辨出火灾与干扰源的区别。

2.1 系统总体方案
方案1：
图2-1
方案1采用MSP430F149单片机做成的最小系统，作为电路的主要控制部分。

对单片机编程设计上采用了目前普遍使用的C语言。

当温度传感器或者烟雾传感器其中一个发出报警信号时灯光报警电路工作，并在显示器上显示出当前异常的电路（即可能存在火灾的地点）。

当温度传感器和烟雾传感器同时发出异常信号
时，声音报警电路和灯光报警电路同时工作发出火灾警报，显示器上显示出具体的报警电路，并能驱动后级电路打开应急灯、电子水阀门、防火门电机等后级电路。

做到发现火灾并初步处理火灾，更能第一时间做出火灾预警和报警的作用。

方案2：
图2-2
方案2采用MSP430F149单片机做成的最小系统，作为电路的主要控制部分。

同样对单片机编程采用时下普遍使用的C语言。

使用了3个Pt100热电偶温度传感器和3个MQ-2烟雾传感器，通过A/D（即模数转换电路）将传感器采集到的模拟量转换成数字量送入单片机。

报警电路采用了通过驱动电路后接蜂鸣器和二极管的方式，这样该电路的驱动能力很强。

该方案还可以实时显示温度，烟雾浓度。

可以通过键盘调节报警的门限值。

综合以上两个方案的优劣，最終选择了结构相对简单的方案1。

方案1采用了模块化的传感器，使用起来比较方便，而方案2则明显比方案1复杂了很多。

不论是外围电路还是程序的设计等都会复杂一些。

方案1能够做到报警而且便宜、方便。

所以我最后选择了方案1。

第三章系统硬件设计
本章详细的阐释在为了实现该系统时单片机和各个传感器模块设计选型等问题。

该系统由多路传感器和MSP430单片机为核心的系统设计。

传感器主要负责数据采集，并送入单片机内部；单片机则负责数据的分析与处理，完成传感器检测、触发火灾的判断以及驱动报警电路和其他后级电路正常工作。

3.1 单片机MSP430F149
MSP430是美国德州仪器公司于1996年开始推向市场的超低功耗微处理器。

除了超低功耗这一特点外，在MSP430系列产品中还集成了许多功能模块，可以应用于各个方面，使得以前要用多片芯片组合才能完成的功能现在用一片MSP430芯片就能完成，大大地降低了成本，并且能够做到缩小了产品的体积。

所以MSP430系列单片机一推出，就广受到了业内人士的使用和好评。

到目前为止，MSP430系列单片机已经广泛应用于各个领域，尤其是便携式仪器，监测，医疗设备和汽车电子领域等方向[1]。

3.1.1 MSP430引脚功能说明
图3-1
MSP430的主要特点为：
（1）为了满足不同条件的需求，该单片机有5种超低功耗的模式。

最多需要6μs就可以将单片机唤醒，因此，在执行一些需要迅速响应的应用中，单片机可以做到及时退出超低功耗的模式，进入正常工作的模式。

（2）时钟的使用方式相对其他单片机来说十分的灵活，除了可外接1～2个晶体振荡器外，该单片机片内还集成一个晶体振荡器。

可以根据不同的内部功能模块选择相应的晶体振荡器，当然也可以通过设置寄存器的方式将不需要的晶体振荡器关闭，从而达到降低功耗的目的。

（3）具有高速运算的能力，RISC架构为16位，指令周期为125ns。

（4）集成了大量的丰富的功能模块，这些模块包括：
a.多通道10～14位AD转换器。

b.双路12位DA转换器。

c.比较器。

d.液晶驱动器。

e.电源电压检测。

f.串行口USART（UART/SPI）。

g.硬件乘法器。

h.看门狗定时器和多个16位、8位定时器DMA控制器、FLASH存储器。

（5）廉价专业的开发工具MSP430的芯片上包括JTAG接口，因此在仿真调试程序时，通过一个廉价的JTAG接口转换器就可以完成以往用昂贵的仿真器才能完成的功能，如设置断点、单步执行程序、读写寄存器等。

（6）灵活快速的编程方式可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装载程序。

（7）高保密性只需按照特定的方式将MSP430内部的熔丝熔断，JTAG口便被物理性地阻断。

BSL方式所需要的密码长达256位，排列组合出来的密码量为2的256次幂，如此巨大的数量被破解的可能性微乎其微。

（8）低电源电压范围1.8～3.6V[1]。

3.1.2 存储器结构
MSP430内部存储器的类型有：FLASH（程序存储器）、RAM（数据存储器）、外围的寄存器模块、功能特殊的寄存器。

典型微型计算机的存储器都是采用冯·诺依曼结构，也称普林斯顿结构，即程序指令存放的存储器和存储数据的数据存储器采取统一编码的地址结构。

MSP430单片机就是采用了采用冯·诺依曼结构。

其存储器寻址如图3-2所示，全部寻址空间为64K。

值得我们使用时注意的是，MSP430虽然是采用了16位的微处理器，但是它的寻址空间的计算还是跟8位机一样按照字节来计算。

（1）特殊功能寄存器的地址从0至0xF，共16个字节，包含IFG1（中断标志寄存器1）、IFG2（中断标志寄存器2）、IE1（中断允许寄存器1）、IE2（中断允许寄存器2）、ME1（模块允许寄存器1）、ME2（模块允许寄存器2）。

（2）外围模块寄存器的地址从0x10至0x1FF。

包含了定时器、模数转换器、
对外端口等模块用到的寄存器。

（3）从0x200开始为数据存储器RAM。

不同型号中数据存储器的大小不同，但都是从0x200地址开始向高端地址扩展。

如MSP430F149的地址范围为0x200～0x9FF，数据存储器容量为2KB。

（4）从0x0C00到0x0FFF为BOOT ROOM。

其中存储的内容是生产芯片时掩模在芯片内的一段代码，此段代码用来完成BSL（bootstrap）功能。

使芯片的保密熔丝熔断以后，仍然可以通过BSL方式修改芯片内的代码。

（5）从0x1000到0x107F是128个字节的FLASH 存储器，称为信息存储器B。

此段存储器与高端地址存储代码的FLASH 存储器本质上没有任何不同，同样也可以存储代码并执行，只是这一段存储器的长度较小，只有128个字节。

主要用来存储一些掉电后仍需保存的数据。

由于它是FLASH存储器，因此可以按照字或者字节写入，但必须整段擦除。

（6）从0x1080到0x10FF为信息存储器A。

功能与信息存储段B 相同。

（7）程序存储器从0xFFFF开始向低端地址扩展，不同型号中程序存储器的容量不同，但都是从0xFFFF开始向下扩展。

MSP430F149的容量为60KB，其地址范围为0x1100～0xFFFF。

需要注意的是，在程序存储器容量为60KB的芯片中，程序存储器与信息存储器A、B 发生了重合，从地址0xFFFF向低端地址扩展60KB，其地址范围为0x1000～0xFFFF，而信息存储器A和B的地址范围为0x1000～0x10FF。

程序存储器是flash存储器，分为若干段进行管理，可以按照字或者字节写入，擦除时无法按照字或者字节擦除，每次至少擦除一段，每段长度为512 字节。

（8）0xFFE0～0xFFFF是程序存储器的一部分，共32个字节。

MSP430规定用这一段存储器来存储各种中断的中断向量[1]。

图3-2
由于程序存储器、信息存储器、数据存储器都是统一寻址的，所以，程序在这3种存储器中均可执行。

不同的是，程序放在数据存储器中，掉电后就会丢失，并且很容易在执行中被改写，故一般情况不会将程序放在数据存储器中执行。

修改程序存储器中的内容必须经过解锁操作才能进行，否则会引起系统复位[1]。

3.2 MQ-2烟雾气体传感器模块
)气敏材料在清洁空气中电导率较MQ-2气体传感器所使用的二氧化锡(SnO
2
低。

当传感器置身的环境中存在烟雾或者可燃气体时，传感器的电导率随空气中烟雾或者可燃气体的浓度增加而增大。

使用一个很简单的电路就可以输出相应的
信号使其将电导率的变化与烟雾或者气体浓度的变化相对应。

气体传感器高气，丙烷，天然气的检测和其他可燃气体的氢灵敏度也很好。

该传感器可检测多种可燃气体和烟雾，是可以满足很多种应用的低成本传感器。

有以下特点：
1、具有信号输出指示。

2、模拟数据量输出和数字开关量TTL电平输出。

3、TTL输出有效信号为低电平。

4、输出电压模拟量其值的范围为0～5V，输出电压越高表明气体或者烟雾浓度越高。

5、对各种可燃气体和烟雾都有很好的灵敏度，同时它还具有寿命长，稳定性高的特点。

6、快速的响应恢复特性。

图3-3
图3-3为MQ-2传感器的基本测试电路。

需要在外部施加2个电压才能使该传感器正常工作：预加热电压（VH）和传感器测试电压（VC）。

其中为了对传感器提供特定的工作温度需要使用加热电压（VH）。

VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。

MQ-2传感器本身对极性有轻微的要求，所以VC需使用有极性电源（即直流电源）。

在可以保证传感器能够正常工作的前提要求下，VC和VH可以共用电源。

然而在RL值的选择上不是属于我们考虑的范围，在市面上买到的MQ-2成品是能够很好的利用传感器的特性。

图3-4
上图为MQ-2型传感器典型电路接线图，其中1脚与3脚提供加热电压，2脚与5脚T提供工作电压。

4脚与6脚通过电阻R2接地并提供数据的输出。

该输出脚可以输出模拟信号通过单片机内部A/D或则外接A/D转换后直接供单片机使用。

同样该输出脚也可以经过一个比较器输出数字信号。

输出的电平为TTL 电平。

该TTL电平可以直接供给单片机使用。

通过调节滑动变阻器RP的值可以方便的改变触发的门限值，当烟雾浓度高于预设值时输出一个有效的电平，送入单片机内。

单片机检测到有效信号时触发电路进行工作。

图3-5
图3-5为MQ-2型传感器典型气体浓度测试特性曲线，在气体（或者烟雾）浓度60%以下有很大的变化及该传感器有极高的灵敏度。

我们可以看出该气体（或者烟雾）浓度与电阻值的变化为非线性变化，气体（烟雾）浓度越高变化越
小，在低于60%时有最好的灵敏性。

0%到40%时变化最为明显，40%到60%时还比
较明显，足够我们的测试需要。

图3-6
上图为MQ-2的时间曲线特性图，通过上图我们可以发现该传感器在通电60s 到90s后趋于稳定。

在0s到60s时的变化最大，这有可能产生误报。

在通电20S 左右的时候我们能够看到电阻值有一个很明显的下降过程，这是产生误报的几率最大，所以在程序的设计时，我们尽可能的设置60S左右的延迟时间。

这样我们得到的数据与实际值才能更加的接近，不容易因为电路自身的特点而产生误报。

3.3 热敏传感器模块
该传感器采用NTC热敏电阻，NTC的灵敏度高。

正常工作电压为直流3.3V-5V，配电位器调节温度检测阀值，使用宽电压LM39比较器输出，输出数字信号量（0和1），数字开关量信号干净，良好的波形，驱动能力超过15mA。

我们用来检测环境温度时一般采用对环境温度很敏感的热敏电阻模块。

通过对电位器的调节，可以改变温度检测的阀值（即控制温度值），当环境温度高于阀值时DO则输出高电平，输出低电平时说明环境温度低于设定温度值，输出高电平是说明环境温度高于设定值；DO端可以直接与单片机输入端相连接，通过单片机检测高低电平来判断此时环境温度与我们预设温度的关系；该模块的温度检测范围20摄氏度到80摄氏度；
图3-7为NTC热敏电阻传感器的典型电路，传感器输出的电压通过与比较器的输入电压比较后输出一个数字开关量（0和1），送入单片机内进行数据的处理。

判断这个时候的环境温度是否高于预设温度，高于预设温度是送1到单片机，低
于预设温度是则送0到单片机内。

这样就可以做到对环境温度异常的报警。

图3-7
NTC负温度系数温度传感器R-T特性曲线：
图3-8
图3-9
图3-8为B 值相同, 阻值不同的 R-T 特性曲线示意图，图3-9为相同阻值, B值不相同的NTC温度传感器R-T特性曲线示意图。

电阻温度特性，以上的特性曲线看出随着温度的升高，热敏电阻的阻值会变小。

通过计算可知NTC热敏电阻的阻值随温度的升高呈现指数关系减小。

NTC温度传感器的温度特性可用下式近似表示：式中；
RT：温度T时零功率电阻值。

A：与温度传感器器材料物理特性及几何尺寸有关的系数。

B：B值。

T：温度（k）。

更精确的表达式为：
RT：温度传感器器在温度T时的零功率电阻值。

T：为绝对温度值,K;
A、B、C、D：为特定的常数。

3.4 QC12864B液晶显示器
3.4.1 QC12864液晶显示器参数及引脚功能
图3-10
12864液晶显示器实际是指该显示器的是128×64的点阵显示模块。

该显示器可以显示汉字、字母以及图形等，内置中文字库（8192个汉字，16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

可与CPU的连接可以通过并行或者串行两种通信模式。

其中并行又分为8为和4位。

串行分为2线和3线两种。

液晶显示器的功能有：光标显示、画面移位、睡眠模式等。

QC12864B液晶显示器引脚及其功能：
3.4.2 QC12864液晶显示器时序功能图
8位并行时序图：
MPU写资料到模块如图3-11所示：
图3-11
MPU从模块读出资料如图3-12所示：
图3-12
8位串行时序：
图3-13
三个字节完成可以完成对串行数据的传送：
第一字节：串口控制格式：11111ABC 其中，A：为数据传送方向控制；H表示数据从LCD到MCU，L表示数据从MCU到LCD。

B：为数据类型选择；H表示是一个显示数据，L表示是一个控制指令数据。

C：固定为0。

第二字节： 8位数据的高4位格式DDDD0000。

第三字节： 8位数据的低4位格式0000DDDD。

常用指令集（RE=0，基本指令集）：
3.5 报警与显示电路设计
该设计采用蜂鸣器作为报警手段，同时采用12864液晶显示模块作为显示电路，用来显示报警的具体信息。

该节将讲到报警电路与显示电路的设计与实现。

3.5.1 12864液晶显示电路的实现
图3-14
该系统采用128*64LCD显示器，其原理图如图3-14所示。

需要显示1路、2路、3路、温度、烟雾、正常和异常。

实际显示效果如图3-15所示：
图3-15
3.5.2 蜂鸣器报警电路
该系统直接使用MSP430F149最小系统板上集成的蜂鸣器。

最小系统板上的蜂鸣器采用PNP驱动，则当P6.7口输出低电平时蜂鸣器电路工作发出报警声。

该蜂鸣器电路图3-16如下所示：
图3-16
第四章系统软件设计
4.1 系统的总体软件设计
该系统对三组(一个温度传感器与一个烟雾传感器分为一组)六个传感器得到的数字信号进行判断，从而判断其中异常的部分，包括烟雾浓度的异常，温度的异常。

在不同的异常情况下发出不一样的报警信号。

烟雾与温度同时存在异常的时候会声光报警，而只有一项数据异常时则只会发出光报警（即发光二极管常亮）。

同时存在2路及2路以上异常时，蜂鸣器报警，发光二极管发光，显示器
上显示异常状态
4.2 12864液晶显示器程序的设计
12864液晶显示器与单片机的通信有并行数据传输与串行数据传输两种方式，在此次的毕业设计中我采用了串行通信的方式，这样有便于预留更多的I/O口进行其他的操作。

可以方便以后的功能扩展与后级电路的实现。

第五章系统调试与结论
5.1 调试与问题
在调试之前认真检查了一遍硬件电路的连接等问题。

在确保硬件电路没有错误的前提下使用IAR for MSP430软件进行程序的编写、编译和下装。

在调试硬件电路的时候采用分模块调试的原则，烟雾传感器模块、温度传感器模块、发光二极管和蜂鸣器进行一一检查。

而每个模块的检查也一样遵循了有局部到整体，由简单到复杂的过程。

这样能够做到不会因为其中某一个模块或者某一小部分的错误而影响到整个系统的功能。

最后把所有之前检测无误的模块按照要求整合在一起，然后进行系统的联调。

调试过程中遇到的问题：
1、电源的正负极在连接时出现了错误；
2、烟雾传感器模块在模拟信号与数字信号的输出接法时出现错误；
3、单片机在对烟雾模块的信号进行采集时有效电平弄反了；
4、在进行硬件电路联调时同样对程序中出现的问题进行了一部分的改动；
5、后级电路的共阴极与共阳极弄混了；
6、12864液晶显示器不能显示，最后发现是背光亮度调节的滑动变阻器设置的值不合适，设置合适的值后，问题解决。

5.2 实物
实物连接和调试后如上图所示。

5.3 结论
本次设计是利用MSP430最小系统板做成的多路火灾报警器，结合3个温度传感器、3个烟雾传感器、发光二极管、蜂鸣器和128*64液晶显示器组合实现了设计要求和各个功能。

在传统的单路单传感器报警电路的基础上增加了两路多传感器的设计，能够更好地发现及时报警更能减少误报的几率。

用128*64液晶显示器能够更加直观的显示出具体的异常电路。

然而，由于自身涉猎的知识和领域有限所以还是会存在很大一部分问题。

比如：烟雾的具体浓度，温度的具体数值，程序是否最简，最稳定，这些都是需要在后续工作中做好的地方。

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