基于单片机的火灾报警器设计毕业论文

基于单片机的火灾报警器设计毕业论文内容摘要：

感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。 温度传感器 发展趋势 现代信息技术的三大基础是信息采集 (即传感器技术 )、信息传输 (通信技术 )和信息处理 (计算机技术 )。 传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。 温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段； (1)传统的分立式温度传感器 (含敏感元件 )； (2)模拟集成温度传感器／控制器； (3)智能温度传感器。 国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化 向智能化、网络化的方向发展。 在 20 世纪 90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是 8 位 A/D 转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到 1176。 C。 国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是 9～ 12 位 A/D 转换器，分辨力一般可达 ～ 176。 C。 由美国 DALLAS半导体公司新研制的 DS1624 型高分辨力智能温度传感器，能输出 13 位二进制数据，其分辨力高达 176。 C，测温精度为177。 176。 C。 为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式 A/D 转换器。 以 AD7817 型 5 通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为 27us、9us。 进入 21 世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。 目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线 (1Wire)总线、 I2C 总线、 SMBus 总线和 spI 总线。 温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一 种改进型智能温度传感器。 与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9～ 12位的数字值读数方式。 可以分别在 和 750ms内完成 9 位和 12 位的数字量，并且从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线 (单线接口 )读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 DS18B20 供电，而无需额外电源。 因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。 在本次设计中选用 DS18B20 温度传感器 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 11 DS18B20 温度传感器 DS18B20 的主要特性 1） 适应电压范围更宽，电压范围： ～ ，在寄生电源方式下可由数 据线供电。 2） 独特的单线接口方式， DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 3） DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。 4） DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 5） 温范围－ 55℃ ～ +125℃ ，在 10～ +85℃ 时精度为 177。 ℃。 6） 可编程 的分辨率为 9～ 12 位，对应的可分辨温度分别为 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可实现高精度测温。 7） 在 9 位分辨率时最多在 内把温度转换为数字， 12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字，速度更快。 8） 测量结果直接输出数字温度信号，以 一 线总线 串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。 9） 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。 DS18B20 的外形和内部结构 DS18B20 内部结构主要由四部 分组成： 64 位光刻 ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 引脚定义： 1) DQ为数字信号输入 /输出端。 2) GND 为电源地。 3) VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 12 图 41 DS18B20 内部结构图 DS18B20 工作原理 DS18B20 的读写时序和测温原理与 DS1820 相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由 2s 减为 750ms。 DS18B20 测温原理如图 3所示。 图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。 高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产 生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。 计数器 1和温度寄存器被预置在－ 55℃ 所对应的一个基数值。 计数器 1 对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1的预置将重新被装入，计数器 1 重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器 2计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。 图 3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器 1的预置值。 DS1820 使用中注意事项 DS1820 虽然具 有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： 1） 较小的硬件开销需要相对复杂的 软件 进行补偿，由于 DS1820 与微处理器间采用串行数据传送，因此 ，在对 DS1820 进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。 在使用 PL/M、 C等高级语言进行系统程序设计时，对 DS1820 操作部分最好采用汇编语言实现。 2） 在 DS1820 的有关资料中均未提及单总线上所挂 DS1820 数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个 DS1820，在实际应用中并非如 此。 当单总线上所挂 DS1820超过 8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时 要加以注意。 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 13 3） 连接 DS1820 的总线电缆是有长度限制的。 试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过 50m 时，读取的 测温数据将发生错误。 当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正 常通讯距离进一步加长。 这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。 因此，在用 DS1820 进行长距离测温系统设计时要充分考 虑总线分布电容和阻抗匹配 问题。 4） 在 DS1820 测温程序设计中，向 DS1820 发出温度转换命令后，程序总要等待 DS1820 的返回信号，一旦 某个 DS1820 接触不好或断线，当程序读该 DS1820 时，将没有返回信号，程序进入死循环。 这一点在进行 DS1820 硬件连接和软件设计时也要给予 一定的重视。 测温电缆线建议采用屏蔽 4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接 VCC 和地线，屏蔽层在源端单点接地。 基于 DS18B20 的温度检测电路设计 D S18B 20V C CGNDDATR0P A 0123V C C 图 42 温度检测电路图 在此电路中，只有两个元件，一个 DS18B20 和一个 的电阻。 电阻在电路中是起对数据线上拉作用。 利用单片机的 PA0 口对 DS18B20 进行读写操作，就可以读取出当前的温度值。 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 14 5 报警显示电路设计 报警电路设计 图 51 报警系统电路图 蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。 蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的 TTL 电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，这一点与家用电器中的功放有相似之处。 学习板 采用了一个很简单的电路来实现蜂鸣器的联接，由上所述，一个管脚很难驱动蜂鸣器发出声音，所以增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流，见 上 方原理图。 蜂鸣器的正极性的一端联接到 5V 电源上面，另一端联接到三极管的集电极，三极管的基级由单片机的 PD7 管脚来控制，当 PD7 管脚为低时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。 用户可以通过程序控制 PD7 管脚的置低和置高来使蜂鸣器发出声音和关闭。 显示电路设计 显示可用普通数码管显示，显示内容灵活可变，但显示内容简单，样式单一，电路焊接设计复杂。 本小组应用 LCD1602液晶显示，电路设计简单，功耗低，显示数字内容灵活多变，足以满足显示要求，并且程序较为简单。 所以选择 LCD1602液晶作为该作品显示模块。 LCD1602液晶显示模块（图 52）具有体积小、功耗低、电路设计 （图 53）简单等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。 P N PQ 90 12R 31P D 7S pe a k e rV C C天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 15 图 52 LCD1602液晶显示模块 GND VCC VOL C D 16 02RS RW EN DB0 DB1DB2 DB3DB4DB5 DB6DB7VCCGNDGND GNDVCC VOVCCPD3PD4PD5PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7 图 53 LCD1602液晶原理图 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 16 6 数据通信模块 数据通信模块选型 方案一：采用 CC2430芯片 实现无线（ Zigbee）传输，软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑算法。 但支持 Zigbee的单片机价格比较昂贵，程序较为复杂，电路设计比较麻烦。 如 CC2430的天线设计部分使用单级不平衡天线，为了增加天线的性能还需增加巴伦电路，其最佳阻抗、最高抗干扰能力比较难调试。 方案二：采用 NRF24L01 模块 实现无线传输，价格便宜，单片软件编程自由度大，也可编程实现各种控制算法和逻辑算法。 NRF24L01 是一款新型单片射频收发器件 ,工作于 GHz～ GHz ISM 频段。 内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调 制器等功能模块 ,并融合了增强型 ShockBurst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。 NRF24L01 功耗低 ,在以 6dBm 的功率发射时，工作电流也只有 9 mA。 接收时，工作电流只有 mA，多种低功率工作模式 (掉电模式和空闲模式 )使节能设计更方便。 抗干扰能力强特别适合工业控制场合，软件编程十分方便。 综合以上方案和论证，我们确定使用方案二。 NRF24L01 工作原理 NRF24L01 是 无线射频收发模块，具有地址及 CRC 监测功能，数据传输率1 至 2Mbps（ SPI 接口传输速率 0 至 8Mbps）工作电压在 至 伏， VCC 脚接电压范围为 至 之间，不能在这个区间之外，超过 将会烧毁模块。 推荐电压 左右（ ）。 除电源 VCC 和接地端，其余脚都可以直接和普通的 5V 单片机 IO 口直接相连，无需电平转换。 当然对 3V 左右的单片机更加适用了。 当工作在发射模式下发射功率为 6dBm 时电流消耗仅为 9mA，接收模式时为。 掉电和待机模式时更低。 发射数据时，首先将 NRF24L01 配置为发射模式：接着把地址 TX_ADDR 和数据TX_PLD 按照时序由 SPI 口写入 NRF24L01 缓存区， TX_PLD 必须在 CSN 为低时连续写入，而 TX_ADDR 在发射时写入一次即可，然后 CE置为高电平并保持至少 10μ s，延迟 130μ s后发射数据；若自动应答开启，那么 NRF24L01 在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号。 如果收到应答，则认为此次通信成功， TX_DS 置高，同时TX_PLD 从发送堆栈中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据 (自动重发已开启 )，若重发次数 (ARC_CNT)达到上限， MAX_RT 置高， TX_PLD 不会被清除； MAX_RT或 TX_DS置高时，使 IRQ变低，以便通知 MCU。 最后发射成功时 ,若 CE为低则 NRF24L01进入空闲模式 1；若发送堆栈中有数据且 CE 为高，则进入下一次发射；若发送堆栈天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计。