Ⅰ基于單片機的防火防漏水報警系統設計摘要：樓房火災和樓房漏水作為一種危害極大的災害通常會對人們的生命財產安全造成極大的損失，全國每年因為火災造成的傷亡不計其數，嚴重的影響了人們正常的生產生活，因為樓房漏水，出現水災的情況也不勝枚舉，對人們的財產損失也不計其數。隨著經濟的發展和城市的快速建設，城市高層、地下建筑等人口集中性強的建筑日益增多，由此火災的隱患也就大大的增加。尤其是在大型的酒店，商場，以及學校的圖書館和辦公樓、人們居住的小區，往往是火災和漏水發生的高頻區域。這些場所一旦發生火災，勢必要給個人和甚至對社會帶來一定量的損失。基于上述情況，本課題設計了一套基于單片機防火防漏水報警系統。以單片機為核心，通過煙霧傳感器MQ-2采集當前煙霧值通過AD轉換提交單片機處理將檢測值與預設值進行比較來實現對煙霧的警報，利用水位傳感器檢測傳感器上水滴并將數據提交單片機處理以此來判斷是否有漏水現象發生，單片機處理數據的通過液晶LCD1602進行顯示，一旦出現異常就會有蜂鳴器進行警報。該系統經過基本調試基本實現了煙霧檢測、漏水檢測、閾值設置、AD轉換、液晶顯示、蜂鳴器報警的功能。關鍵詞：單片機；煙霧檢測；漏水檢測；液晶顯示；蜂鳴器報警Ⅲ目錄1緒論 頁共32頁1緒論1.1研究背景與意義現代建筑內樓房一旦發生火災通常會對人們的生命財產安全造成極大的損失，而且全國每年因為火災造成的傷亡和損失不計其數。火災這種極大的危險性的災難，輕則燒毀一些物品財產，重則直接影響人的生命安全。因此火災一旦發生就會嚴重的影響人們正常的生產生活。現代建筑的樓房漏水危害也不可輕視，小規模漏水對人們財產和生命安全隨不大，但是滴水卻有可以穿透石頭的力量，小規模漏水長期以往肯定會對樓房內設施以及樓房建筑帶來傷害。現代建筑內發生大規模的漏水現象，也是值得防控注意的，大規模漏水在一定程度上直接會危害人們的生命安全。隨著經濟的發展和城市的快速建設，城市高層、地下建筑等人口集中性強的建筑日益增多，由此火災的隱患也就大大的增加。人口密度的增加，伴隨著人們生活的增多，同樣會出現漏水的現象，影響人生活的情況。尤其是在大型的酒店，商場，以及學校的圖書館和辦公樓、人們居住的小區，往往是火災和漏水發生的高頻區域。這些場所一旦發生火災、水災，直接會影響人們的生命財產安全，甚至會影響社會的前進發展。對于火災，隨著人類文明的進步，人類能夠正確有效的對火進行控制和進行利用，是人類現代文明的一個重要標志。在人類進程中，同火災進行斗爭的歷史是相伴的，人們在與火災斗爭的同時，也不斷的對如何避免火災發生進行了總結，進而達到有效控制火的目的，從源頭上盡可能的減少火災所帶來的危害。俗話說:“水火是無情的，但人是有情的”。當今世界對于火災的定義概念是時間以及空間上失去控制的燃燒從而造成的災害。從古至今火災一直是困擾人類的一個巨大的問題，曾經的我們無法預測因此更多的是只能被其迫害，人類一直在尋求方法去避免火災的發生，以及發生后處理的問題。火災給人類社會的社會發展造成了一定的阻礙，不僅僅是對于物質的破壞，更嚴重的時直接對人們的性命進行危害。隨著當今社會生產力的發展，社會財富日益增加,火災所帶來的傷害在一定范圍內上有著上升的趨勢規律【1】。據網上媒體資料顯示：2021年間全國的消防救援團隊共接到報警74.8萬起步，其中火災中死亡的約1887人、不同程度受傷的人員2325人次，直接的財產損失為65.5億元。從這些駭人聽聞的數字來看，火災造成的傷害無論是人口還是經濟上都是對人類一個巨大的打擊。這也一定意義上體現了預防的重要性，只有及時的防范，才能減傷一些非必要的傷害。對于漏水，由于現代人們居住的環境多以樓房為主，不少樓房因為一些封膠問題會存在漏水的現象發生，一旦房屋漏水沒有及時發現處理，會在一定程度上影響人們的住房體驗。此外現代生活中人們居住密度較大，所以經常有因為個人的操作失誤或者是房屋質量原因會出現漏水，一旦出現漏水，往往會導致全屋子的家具受到損失、甚至一些較為寶貴的但防潮性差的物品都會受到損失。所以，在漏出的初期，能夠快速的檢測出并報警，才能夠一定程度上減輕危害、提高人們的住房體驗、挽回不必要的損失，對人們的日常安全生活進行保障。在現代生活中，消防的方針是“預防為主，防治為輔”，所以，對于火災和房屋漏水，人們要時時刻刻的以預防為主，同時在火災和漏水發生的初期要進行有效的預警和解決，這樣能夠最大限度的減少危害的發生以及保護人們的生命財產安全。綜上我認為設計一款基于單片機的防火防漏水報警系統是必要的，在設計中系統控制核心為STC89C52單片機，通過使用MQ-2煙霧傳感器來采集當前室內一氧化碳濃度與預定值進行比較，一旦超過當前所設定的一氧化碳正常濃度，系統會直接通過蜂鳴器進行警報。漏水采集通過WaterSensor水位傳感器來判斷是否有漏水的現象發生，一旦傳感器接觸水滴，蜂鳴器也會進警報處理。1.2國內外的研究現狀防火防漏水報警系統是隨著科學技術的發展不斷的更新與換代的。在不斷的更替中對于火災和漏水的判斷也越來越精準，報警系統的升級對于人們的生命財產安全的保障在一步步提高。對于不同的房屋類型也有了不同的檢測與報警設計方案。人的生命是寶貴的，能夠預防的災難一定要盡我們最大的努力去防止災難的發生。隨著人類的科學技術進步，人類在單片機和電子檢測技術方面的不斷探索，越來越多的先進設備被人們所以應用，特別是在智能系統，智能家居，遠程檢測系統方面，單片機技術和電子技術發揮了越來越多的作用【3】。在一些場合中，使用單片機作為控制器的系統越來越多，例如在醫療方面，借助于高端的智能單片機技術，智能傳感器技術為人們設計了多種診療儀器。由于電子技術所設計的產品穩定性，可靠性，精確度不斷的提高，進而為大規模的使用智能化提供了有利的保障【7】。從大的方面而言，電子技術推動了人類的文明進程，為人們從傳統的機械控制轉化為智能控制提供了解決方案。現代的樓宇建設領域中，智能的防火防漏水檢測系統能夠實現實時的進行異常檢測，在異常時，能夠第一時間進行報警。因為人們對于災害危險意識的提高，所以人們對防火防漏水的發展關注就比較密切，而且國家對于防火防漏水報警系統的研究與發展也十分重視，在不斷地發展與完善中現如今的防火防漏水報警系統已基本發展穩定。我國應該加大推廣的力度，讓安全穩定的報警系統實現其研究的價值。西方一些樓宇建設比較發達的國家，他們發展發展智能檢測的時間較早，一些發達國家在20世紀70年代就開始對現有的樓宇防火防漏水檢測系統進行改善。到21世紀的今天，其發達的檢測技術和無線通信技術已經非常普及的應用到了相關領域中【1】。因為外國智能化的樓宇防火防漏水檢測系統產業的發展較早，所以對于人們的服務范圍也較廣，為人們帶來便利的同時也提高了整個住房樓宇的安全水平。國外的火災檢測已不單單是從一氧化碳濃度方面入手，而是可以從多方面多個因素來監測當前環境情況。與此同時，伴隨著同時伴隨著微型計算機技術尤其是單片機技術的不斷和進步，現代測控技術的發展、無線網絡技術的快速發展、以及專業系統技術等在檢測系統上的應用，大大提高系統的先進性，并且許多研究者都提出了新的控制思想和控制算法來改善檢測系統【15】。在國內，隨著我國人民對于火災和漏水的安全意識不斷的上升，以及智能樓宇防火防漏水檢測系統的重視不斷增加，與此同時更重要的是離不開我國學者對防火防漏水報警系統的不斷探索以及智能檢測設備的不斷發展與完善。我國現代建筑中，很多大型的開發商在房屋建設的時候，就已經安裝設計智能化的系統，從而實現了火災與漏水的早期檢測與報警功能。1.3研究內容在了解到火災和漏水現象對于現代建筑帶來的各種災害，以及了解了當前國內外在防火防漏水報警系統設計的現狀發展。本文以單片機為基礎設計了一款基于單片機防火防漏水報警系統，該系統具有火災檢測功能、水滴檢測功能、按鍵功能、顯示功能以及報警功能的智能檢測系統。具體研究內容如下：①系統總體設計方案，以單片機為核心，煙霧傳感器收集煙霧濃度，漏水檢測傳感器檢測水量，通過AD轉換器進行信號轉換，液晶顯示屏顯示當前室內煙霧值與預設煙霧值，蜂鳴器進行報警，整個系統協調運作來檢是否有火災和漏水現象發生。②主要元器件選型，包含了單片機模塊，煙霧采集模塊，漏水采集模塊，按鍵模塊，顯示模塊，報警模塊。③硬件設計，對單片機，煙霧檢測，漏水檢測，液晶顯示，煙霧閾值，報警模塊，進行了硬件設計。④軟件電路設計，為了使系統正常運行，對單片機，煙霧傳感器，AD轉換，水位傳感器，煙霧閾值設定，液晶顯示進行了軟件設計。⑤實物制作與調試，讓整個系統協調運行，對系統進行了聯合調試。⑥對論文已完成的內容進行總結，指出不足之處與發展方向展望。2系統設計方案的論證與選擇2.1主要功能與系統設計方案2.1.1主要功能要求據網上數據資料顯示，在我國每年火災發生的案例就有74.8萬起，因為樓房漏水帶來的問題影響也不計其數，不僅僅在我國，在全球范圍內因為樓房建筑中火災與水災的引發問題也會造成大量的財產流失與人員死亡。因此做好對于突發事件的災難防范是非常有有必要意義的也是非常必要的。在此背景下，開發一款了基于單片機的防火防漏水報警系統，該系統具有很大的市場潛力，實用性、安全性較高且操作簡易便捷。①利用煙霧傳感器采集當前煙霧值，與設定的煙霧值上限進行對比，超過上限時進行警報。②利用水位傳感器檢測水，傳感器接觸到水滴后進行警報。③利用AD轉換器進行模數轉換。④利用液晶顯示器顯示當前室內煙霧值以及設定的煙霧報警上限值。⑤具有警報功能。⑥整個系統設計安全可靠、功耗低。2.1.2系統設計方案防火防漏水報警系統隨著當今世界的科技的不斷發展時在不斷的更新換代的，其功能越來越復雜，實用性能越來越好，環境適應能力也越來越強，系統的穩定性也不斷的提高。對于不同的樓房建筑也有著不同的解決方案。為了確保設計的實用性與經濟性，需要在諸多元器件中選擇較合適的來進行設計。在本設計中，在進行系統的整體方案設計的時候，需要綜合考慮到硬件和軟件，首先是硬件設計，硬件物料的成本以及考慮元器件的精度和穩定性。其二是系統的軟件設計，要考慮到選用的單片機是否合適，是否能夠完成數據的精確處理和傳感器數據的讀取。然后系統的整體方案設計，在整體方案設計的時候，還需要考慮到軟硬件之間的相互結合，最終才能實現整體的系統本設計采用模塊化設計法，以單片機為核心，通過煙霧傳感器MQ-2采集當前煙霧值通過AD轉換提交單片機處理將檢測值與預設值進行比較來實現對煙霧的警報，利用水位傳感器檢測傳感器上水滴并將數據提交單片機處理以此來判斷是否有漏水現象發生，單片機處理數據的通過液晶LCD1602進行顯示，一旦出現異常就會有蜂鳴器進行警報。該系統經過基本調試基本實現了煙霧檢測、漏水檢測、閾值設置、AD轉換、液晶顯示、蜂鳴器報警的功能。調整個系統結構簡單，使用方便。具體方案如圖2.1所示。圖2.1系統方案設計圖單片機模塊：負責系統的信息處理，邏輯運算。電源模塊：給整個系統進行供電。按鍵模塊：對煙霧的上限進行設置。蜂鳴器模塊：異常時進行報警。煙霧傳感器：與ADC模數轉換模塊實現對室內煙霧濃度的檢測。漏水傳感器：檢測是否有漏水現象發生。2.2系統模塊選型2.2.1控制器模塊方案一：選用較為傳統的可編程邏輯器件CPLD為設計使用的控制器。這種控制器的功能和特點是處理的邏輯功能強、穩定性能好、有豐富的IO資源、雖然其體積小但是處理規模卻很大。該控制器采用了并行輸入與輸出方式，通過這種處理方式能將整個系統的運行處理系統都提高，因此通常用來作為大規模的控制系統的核心。其實物圖如2.2所示。圖2.2CPLD實物圖但在我的系統設計中不需要如此繁雜的邏輯處理功能，而且本設計對非常極速的運行數據處理的速度也不是特別需要，此外再從經濟的角度出發考慮因此我舍棄了這種方案。方案二：將控制系統核心選擇為較為經典的STC89C52單片機。選用這款單片機是非常適用于本系統設計的。首先它的軟件編程非常的具有能動性，控制能力較強，而且它的處理速率邏輯高于一般控制器，進行處理運算速度也較為出眾。考慮它的另一個方面是其不但體積小，成本低廉而且其功能消耗較小【2】。選用STC89C52單片機會給設計帶來很多便利，其技術發展已經較為成熟，材料資源豐富，擁有可位尋址操作。其實物圖如2.3所示。圖2.3STC89C52實物圖由雖然本論文所設計的系統對與運算處理能力具有一定要求但要求程度不是特別高且設計中從物件大小和經濟性的方面考慮，顯然方案二更適合于用來作為本設計的控制器，其性價比要優于方案一。2.2.2顯示模塊方案一：采用靜態的顯示方法.靜態的顯示方法制作過程較為復雜尤其是對于硬件的制作，靜態模塊顯示需要使用到多個移位寄存器，會試整個系統的功耗加大，但是其輸出的話只需要兩根串口線。其實物圖如2.4所示。圖2.4靜態模塊顯示實物圖方案二：采用LCD顯示的方法。LCD顯示非常適合用來進行單片機的設計。其硬件的制作十分簡易。LCDM1602可以直接顯示出32個字符，它的顯示內容較多。它還可以與單片機的接口直接進行對接。其性價比十分高，不僅所用的功耗小而且成本低廉不足之處就是亮度不是很高。其實物圖如2.5所示。圖2.5LCD模塊顯示實物圖經過兩種方案的對比考慮，本設計所選用的為方案二中LCM1602模塊作為系統的液晶顯示。比較與方案一方案二更適合的優點為其功耗小、顯示內容多、易于操作以及成本低。2.2.3煙霧采集模塊本設計采用MQ-2煙霧傳感器，MQ系列傳感器是一款適用性非常高的傳感器。其使用范圍廣且價格便宜。MQ-2傳感器所使用的敏感材料活性很高的金屬氧化物半導體，其原理是傳感器加熱后在不同濃度的氣體中的導電率不同。可通過其導電率不同的性質，將導電率的變化轉換成氣體濃度相對應得信號，從而輸出達到檢測的目的。MQ-2煙霧傳感器的輸出方式為：模擬量的輸出即當前傳感器前煙霧濃度高的時候，這個時候AO引腳輸出的電壓值高，所以ADC采集出來的模擬量就會變高。數字量的輸出：通過設定濃度閾值，當檢測到當前環境的煙霧濃度超過設置的閾值的時候，通過數字引腳DO輸出低電平。MQ-2煙霧傳感器檢測的范圍是100-1000ppm。是這個傳感器是一款專門用來檢測室內煙霧的傳感器，在設計中再輔以ADC0832轉換器就可以完成對室內煙霧濃度的采集【3】。其實物圖如2.6所示。圖2.6MQ-2煙霧傳感器實物圖2.2.4漏水采集模塊方案一：選用較為廣泛使用的雨滴傳感器，這種傳感器一般多使用在汽車雨刮系統上，當雨滴傳感器搜集到雨水的時候就會輸出一個數字信號，系統識別后會控制雨刮的開關進行工作。這種雨滴傳感器所使用的材料通常采用品質較高的FR-0.4雙面材料，它具有面積大，而且其表面經過鍍鎳處理后對于抗氧化方面性能非常強，其信號輸出形式還有模擬信號AO電壓的輸出。使用該傳感器較多的還是對室外的天氣狀況監測，本系統主要是對于室內的水量監測，所以我舍棄了該傳感器。雨滴傳感器實物圖如下圖2.7所示。圖2.7雨滴傳感器方案二：在此次的設計中對漏水方案的檢測更偏向于采用sensorwater水位傳感器。這是一款簡單易用且性價比較高的水位傳感器。該傳感器是通過一行行在外裸露的平行導線來測量當前傳感器上水量的大小。該傳感器工作原理為使用暴露的導線可以感知到是否有液體以及所接觸液體量的大小，液體的量越大，則經過導線并最終達到回路的電流越大，在此基礎上課完成從水量到信號的轉換。因此當有較大的滴水觸碰到水位傳感器時就會檢測出來，所以用該傳感器來檢測該位置是否有漏水現象發生。sensorwater水位傳感器其實物如下圖2.8所示.圖2.8水位傳感器實物圖2.2.5報警模塊本設計中，采用的是蜂鳴器報警系統，當系統檢測出現異常的時候進行聲光報警處理。其實物如圖2.9所示。圖2.9蜂鳴器報警實物圖2.3本章小結本章主要闡述了對于整體設計的硬件使用與選擇思路，在考慮完多種因素的情況下，盡可能選擇最為合適的原件模塊進行使用，同時兼顧了各個模塊的協調性，為之后的設計與選擇提供基礎。3系統硬件設計3.1STC89C52單片機及其最小系統設計3.1.1單片機特點介紹本系統采用的是STC公司研發的STC89C52單片機。STC89C52是STC公司進行設計和研發的一個低功耗高性能的單片機，雖然它的功耗很低，但是由于其采用C51架構，使得其處理速度特別的快，同時還它還是一種8位的單片機，其片內資源豐富，有常用的串口模塊，定時器模塊，以及多路的IO【4】。用戶在使用的時候，可以通過操作其位的方式進行操作，完成所需要的功能，其操作簡單，編程相對容易。STC89C52單片機，其功能強大，特點如下：①單片機外置32個I/O端口，每個IO都可以單獨使用，也可以復用其他功能。②外置2路的中斷，能夠實現對外部信息的中斷輸入，形成事件優先級。③具有多種調試模塊，串口調試模，JTAG調試模塊，進而使得開發簡單，操作方便。④單片機內部有多路的定時器，系統可以進行使用。STC89C52單片機，作為STC公司設計的一款嵌入式處理器，其功能強大，相比較于傳統的MC-51單片機，其功耗更低，處理速度更快，穩定性好，因此得到了廣泛的使用。3.1.2單片機最小系統設計所謂單片機的最小系統，就是滿足當前芯片處理運行工作的最基本要求的單片機系統那這個系統就稱為單片機的最小系統。單片機最小系統設計前需要充分地知道自己的單片機所想要滿足的功能，在確定自己的功能后再對單片機進行能滿足芯片處理運行工作的系統進行設計，此時才能夠更有目的性的設計，從而達到事半功倍的效果。通過閱讀STC89C52單片機的手冊，可以看到，在進行單片機設計控制系統的時候，進行設計一個單片機最小系統，這個單片機最小系統包含，單片機本身，復位電路，時鐘電路，電源電路。本設計中，根據單片機的手冊，設計出的最小系統原理圖如圖3.2所示。圖3.2STC89C52單片機最小系統（1）電源電路根據單片機系統的供電要求，在本系統中，對單片機采用5V的直流電壓來進行供電。采用USB接口進行供電，當按下接通電源的時候，此時開關導通，開始對設備進行供電。（2）復位電路本設計中采用的是按鍵復位，復位電路的主要功能是將電路重置的，就是讓單片機重新回到起始狀態。引腳與單片機的RST位相連。當單片機的RST引腳連接10K電阻和電容時，上電復位。當復位信號與電源接通后，此時信息已被初始化。當程序出現錯誤時，按動復位鍵后信息初始化，重置信息。系統一般都有上電復位和外圍按鍵復位兩種模式，需要在時鐘電路開啟后施加2個機器周期的高電壓在RESET上。其硬件電路圖如圖3.3所示。圖3.3復位硬件電路圖（3）晶振電路由于STC89C52內部是沒有震蕩電路的，所以添加了一個12MHZ的晶振，為系統提供時鐘信號，保證系統的穩定運行。晶振電路又被成為時鐘電路，是一種振蕩電路。它能夠為單片機提供一個正弦脈沖的時鐘信號。時鐘的頻率決定了系統的運行速率。時鐘電路的兩個引腳分別接在單片機的Xtal1和Xtal2處。Xtal1是反向放大器的輸入，反向放大器輸出則是Xtal2。此反向放大器可以設置為片內的振蕩器。而當器件被外部時鐘驅動的時候，此時Xtal2應不連接。一臺機器的周期有6個狀態周期，其中2個振蕩周期組成1個狀態周期，所以12個振蕩周期被稱為機器周期。當外接所使用的石英晶體振蕩器為12MHZ振蕩頻率，此時一個振蕩周期為1/12us，故一個機器周期為1us。其硬件電路圖如圖3.4所示。圖3.4晶振電路硬件圖3.2煙霧檢測電路設計本系統中，需要對室內的煙霧濃度進行實時的檢查，本設計中，采用的是MQ-2煙霧傳感器。MQ-2煙霧傳感器能夠實現對環境中的煙霧檢測，同時還能夠實現對可燃性其他的檢查，例如天然氣，液化氣等，所示使用煙霧傳感器來對火災檢測是非常合適的。MQ-2煙霧傳感器具有較高的測試分辨率和測試的靈敏度，進而能夠有效的準確的檢測出煙霧濃度。本傳感器使用的壽命非常的長，具有非常強的可靠性和穩定性。在MQ-2煙霧傳感器的內部，是由A12O3微型器件和陶瓷管以及半導體元件SnO2敏感層以及測試電極和加熱器件共同構成的。由于MQ-2煙霧傳感器的輸出信號是模擬信號，單片機無法直接進行識別，所以需要添加一個ADC轉換器。目前，常用的ADC轉換模塊有多種，從轉換位數上來區分，有8位的，有16位的，還有高精度的24位模數轉換器，其位數越高，轉換的精度也越高。而從AD轉換器內部的器件上來看，又有比較型的AD轉換器，雙積分形式的AD轉換器以及主次比較型的轉換器。它們都是基于不同的方式來實現將測試的電壓轉換為數字信號。從外部來看，是一個或者多次輸入接口，然后有數字輸出部分與單片機進行連接【3】。在本設計中，選擇的是ADC0832模式轉換芯片。ADC0832一職中8位分辨率的模數轉換器，它能夠實現最高256級的電壓識別，也就是將測試的電壓分為256分，然后可以識別到的最小電壓為1/256。對于煙霧傳感器輸出的0-5V而言，其能夠識別最小分辨率0.0195V的電壓，所以其分辨率是非常高的，能夠識別傳感器輸出的微弱信號，這對于整個系統測試過程中的精度還是非常重要的【6】。同時，該信號的轉換時間僅為32μS，轉換速度非常快。在電壓的輸入方面，該模塊具有兩個輸入通道，一個CH0和一個CH1，通過將傳感器的輸出引腳連接到這兩個通道的任意一個通道，就能夠實現電壓的采集并進行轉換。在本設計中，采用的是通道0。單片機在對其進行采用的時候，需要四個個IO，一個是時鐘信號，一個是片選信號，另外兩個是數據輸入和輸出引腳，如圖3-4所示為設計的ADC0832與單片機進行通信的電路圖，本設計中，使用P1.0與ADC0832的CS進行連接，P1.1與CLK進行連接，P1.2與DO進行連接，P1.2與DI進行連接。通過這四個IO的共同協作，進而實現了單片機對ADC0832的操作，讀取電壓轉換值【11】。其電路設計如圖3.6所示。圖3.6煙霧采集電路設計3.3漏水檢測電路設計本設計中，需要對樓房的漏水進行檢查，本設計中使用的是漏水檢測傳感器是WaterSensor，該傳感器是一款性價比較高的水位檢測傳感器，其操作起來十分簡便。它的工作原理是通過很多排暴露的平行導線來感知水量的大小，當水量越大的時候經過導線并最終達到回路的電流越大，通過轉換傳感器可輕易完成水量到相關數字信號的輸出。本設計中，采用的WaterSensor漏水傳感器一共有是三個引腳，VCC為傳感器的供電引腳，GND為地引腳，OUT為數據輸出引腳，在本設計中，為了提高水位檢測的靈敏度，將水位傳感器的輸出連接到LM393比較器端，進而實現高精度的水位識別【3】，其電路設計如圖3.8所示。圖3.8漏水檢測電路設計本設計中，設計了一個水位傳感器，其中，水位傳感器接到J1端，然后如果此時檢測到水，則LM393的1號輸出引腳的電平就拉低，進而單片機的P3.6就會被拉低，單片機就會判斷出此時與漏水的情況。3.4液晶顯示電路設計在本設計中，對于患者按下按鍵時的號數顯示以及是否是緊急模塊還是普通模式，在護士站都是通過液晶來進行顯示的。本設計中，采用的是液晶LCD1602，該顯示模塊具有的分辨率為12×2，該模塊的內部是具有字符和數字存儲，能夠實現，數字，英文進行顯示。同時，通過特定的取模工具還能夠實現對特殊圖形的顯示。該模塊還有一大特點就是低低功耗【7】。液晶LCD1602的基本參數如下：①低電壓供電，供電電壓為3V到5.5V。②高分辨率，分辨率為16*2。③內置字符庫，方便進行字符，數字的顯示。④內置128個16*8的點陣字符，方便顯示各種字符。⑤2MHZ的時鐘晶振，保證了顯示的穩定。⑥背光方式采用高亮的白色LED燈，通過VO引腳可以調整背光亮度。⑦通信方式分為串行和并行，方便進行電路設計和程序開發。⑧內置DC-DC模塊，無需額外電源。在本系統中，液晶LCD1602與STC89C52單片機的P0和液晶LCD1602的數據通信IO進行連接，完成數據的通信，RS，RW，EN與單片機的P1.4，P1.5，P1.6，IO進行連接，完成指令的通信，進而控制數據顯示，其電路設計如圖3.10所示。圖3.10液晶顯示電路設計3.5按鍵設置電路設計本設計中，對于煙霧濃度的上限，采用的是按鍵來進行輸入的，按鍵開關是一種輕觸形式的按鍵開關，通常也被人們稱為輕觸開關。用戶在使用的時候，只需要清除，就能夠實現開關的閉合動作。該開關是一種電子開關，屬于電子器件的一種，常被人用作輸入控制。用戶在使用的時候，只需要滿足外部的操作力，向開關垂直方向施加一個力，就能夠實現開關內部彈片的導通，繼而實現信號的輸入動作。本設計中，采用的是常用的6*6*5mm按鍵開關【8】。這種開關經常被人們所采用，用于進行動作的輸入。本設計中，采用的6*6*5mm按鍵開關能夠承受-30度到70度的溫度，工作電壓為DC12V和0.5A，所以在本單片機系統中，完全的夠用。在本設計中，設計了3個按鍵用來進行煙霧濃度上限輸入，其電路圖如圖3.11所示。圖3.11按鍵電路設計使用的是單片機的P3.2，P3.3，P3.4，當對應的按鍵按下的時候，單片機的IO被拉低，系統執行對應的設置函數。3.6報警電路設計本系統中，當系統檢測到漏水或者是有火情的時候，系統會控制蜂鳴器進行發聲。本設計中，采用的是駐極體的蜂鳴器。駐極體蜂鳴器在操作的時候，特別的簡單，當在其兩端增加一個直流5V電壓時，蜂鳴器就會發出聲響，以此來對人們進行提示。本設計中，【7】。其電路設計如圖3.13所示。圖3.13蜂鳴器電路設計本設計中，由于蜂鳴器在進行發聲的時候，需要的電流較大，所以STC89C52單片機無法直接驅動，本設計中，通過了NPN的三極管進行發聲驅動，當STC89C52的P3.7IO輸出高電平的時候，三極管導通，蜂鳴器發聲，當輸出低電平的時候，三極管關閉，蜂鳴器不再發聲。3.7整機電路圖在前面的章節中，分別進行了單片機最小系統的設計，煙霧檢測電路設計，漏水檢測電路設計，液晶顯示電路設計，蜂鳴器電路設計，按鍵設置電路設計，報警電路設計。在考慮各個元件之間的協調性的情況下，進行了連接與排版。最終，利用AltiumDesigner設計出了相對較為合理的整機原理圖，如圖3.14所示。圖3.14整機電路設計3.8本章小結本章主要對設計中所使用的硬件進行一一闡述。首先介紹了對于STC89C52單片機最小系統的設計以及對于系統電源電路、復位電路、晶振電路的設計。其次對MQ-2煙霧傳感器進行了非常詳細的設計思路闡釋并展示了煙霧采集電路設計圖。緊接著就是對漏水檢測模塊的設計進行解析，表述了設計思想并展示了漏水檢測電路設計圖。接著對顯示模塊進行設計，展示了液晶顯示LCD1602的基本參數。然后對閾值電路的設計也是至關重要的。報警模塊就是采用的蜂鳴器本章對蜂鳴器的電路進行了設計使用的處理。最后就是使用了Altiumdesigner對整機電路圖的設計。4系統軟件設計4.1開發環境Keil在本設計中，對于程序的編寫，使用的是Keil，這是一個集成了編輯器，工程管理，多種工具為一體的集成化工具。通過使用Keil的工程管理功能，系統對本設計進行工程的建立，然后一步一步完成程序開發與調試。在進行調試的過程中，還有錯誤提示，警告提醒等功能，方便進行調試使用。開發界面如圖4.1所示。基于STC89C52單片機的系統開發的時候，采用的是Keil4編程軟件。Keil是一款兼容C語言進行程序開發的軟件，它能夠提供C語言編譯器，鏈接器以及庫文件的鏈接，同時還能夠提供系統的仿真設計。它支持在window環境下進行程序的開發【12】。Keil4是Keil的第四代軟件，該軟件相較于前幾代，其開發環境大大改善，能夠更有效的進行程序開發。它不僅僅是集成了編譯環境，還集成了項目管理器。是Keilfor51，是一款Keil專門為51內核的單片機系列單片機程序開發的工具【9】。圖4.1Keil開發界面4.2系統主程序設計在系統進行了整機的電路設計之后，利用Keil進行了系統程序的開發，在開發的過程中，首先是先分配每個模塊使用的IO，主要是對按鍵模塊和液晶LCD1602模塊以及蜂鳴器模塊進行分配IO，然后書寫分模塊，最終通過一個主函數，將分模塊引用添加，實現系統的整體功能【10】。基于單片機防火防漏水報警系統軟件開發主要包含各個模塊的初始化和相應的寄存器配置【13】，初始階段，為了提高系統的實用性，先對液晶進行初始化，并顯示相應的字符，同時單片機控制煙霧傳感器傳感器，漏水檢測傳感器進行數據采集，采集完成之后，進行判斷如果出現異常，則進行報警【14】。其系統的流程框圖如圖4-2所示，其系統主程序代碼如圖4.3所示。圖4.2系統主程序設計框圖圖4.3系統主程序代碼圖系統主函數程序代碼包含了各個模塊基本的內容，體現了設計的主要框架結構，對各個模塊起到了一定的注釋作用，顯現了整篇代碼設計的整體思想。4.3煙霧檢測程序設計本系統中，使用的MQ-2煙霧傳感器，在輸出的時候采用的是模擬信號，本設計中，利用ADC0832進行數據的轉換。單片機上電之后，先進行ADC00832的初始化，然后發送指令進行啟動，ADC0832完成轉換之后，單片機發送指令進行讀取【15】。其程序流程圖如圖4-4所示，其程序代碼如圖4.5所示。圖4.4煙霧采集程序流程框圖圖4.5煙霧采集程序代碼圖 煙霧采集主要根據當前ADC0832采集數據，然后進行轉換數據信號，再將數據傳遞給單片機，單片機讀取到數據后與預設值進行比較從而判斷當前煙霧濃度是否異常。4.4漏水檢測程序設計本設計中，通過漏水傳感器來對火災進行采集，而漏水傳感器的輸出為數字信號，所以單片機只需要判斷該IO的狀態就能夠實現對漏水的檢測。程序流程框圖如圖4.6所示，程序代碼圖如圖4.7。圖4.6漏水檢測程序流程框圖圖4.7漏水檢測程序代碼圖漏水檢測主要判斷當前傳感器輸出的代碼是否為低電平，從而進一步判斷當前檢測傳感器設備是否有水。4.5液晶顯示程序設計本系統中，采用液晶LCD1602進行當前煙霧濃度值，是否有水進行顯示。單片機對其操作時，首先進行初始化，然后發送指令，確定要在那個位置進行顯示，然后發送信息，顯示數據，完成最后的顯示，其程序流程圖如圖4.8所示，其程序代碼如圖4.9所示。圖4.8液晶顯示程序流程框圖圖4.9液晶顯示程序代碼圖液晶顯示系統主要功能有液晶屏幕初始化、讀取指令、確定顯示位置、送入數據、進行顯示。4.6本章小結本章主要是對設計中各個設計程序的邏輯展示。本章包括開發環境的介紹、系統主程序的設計、煙霧檢測程序的設計、漏水檢測程序的設計、液晶顯程序的設計。5系統制作與調試5.1實物制作在進行完電路圖的設計之后，利用Keil進行程序的編寫，在沒有錯誤之后，編譯成功。然后按照電路圖的電氣連接進行了焊接，本設計中，采用的是PCB板進行的焊接。實物圖如圖5.1所示。圖5.1焊接后的實物圖在焊接的過程中，主要用的工具有萬用板，電烙鐵，斜口鉗，鑷子，萬用表等。通過利用電烙鐵進行焊接，利用萬用表測試是否有虛焊和短路的情況，最終實現了系統的焊接。5.2STC89C52最小系統調試在焊接完成實物之后，第一步就是對STC89C52單片機最小系統進行調試，因為單片機最小系統是整個設計的核心和關鍵。上電之后，首先看最小系統是否可以正常工作，是否有發熱短路的地方，如果有，要及時的改進。實物如圖5.2所示圖5.2STC89C52單片機最小系統調試5.3煙霧調試本系統通過液晶LCD1602對當前的煙霧濃度值進行顯示，如圖5.3所示。圖5.3煙霧采集調試5.4漏水檢測調試當系統沒有檢測到漏水的時候，液晶顯示WS，當檢測到有水的時候，液晶顯示YS。如圖5.4所示。圖5.4漏水檢測調試5.5報警調試在本系統中，點煙一張紙巾之后，會產生大量的煙霧，MQ-2煙霧傳感感應到之后，會進行蜂鳴器報警。其調試如圖5.5所示。圖5.5蜂鳴器報警5.6整機調試最終，在分別進行了實物的焊接，短路，斷路的檢查，元器件的核對之后，將程序下載到了單片機進行了調試，實現了整個的系統，完成了調試，系統實現了任務書中的要求。其調試圖如圖5.6.1、5.6.2、5.6.3所示。圖5.6.1整機調試圖5.6.2整機煙霧協調檢測圖5.6.3整機水位協調檢測5.7本章小結實物制作的過程是對本設計的一項極大考驗。從開始的功能規劃，想要設計的產品中應該包含哪些功能。元器件選型，對于實物的制作與購買，既要考慮到所選擇的元器件的經濟性，又要考慮到實用性還需要分析該物件是否適合用來制作設計。接著就是對各種元件的電路設計，不僅要確保設計電路沒問題更需要在焊接的時候注意每一個焊點之間的連接，不能夠出現虛焊漏焊的現象。焊接完成后一定要對事物進行調控，需要進行反復的調試來確保設計的每一個功能正常的實