本科毕业设计(论文)任务书

一、毕业设计（论文）的内容

内容：随着变电站规模的逐步扩大，变电站内部设备负荷增长、设备老化加速以及安全管理复杂性提升等问题可能导致站内火灾风险增加。为了减少火灾造成的人员伤害和经济损失，研究变电站火灾防控技术尤为重要。

通过广泛查阅国内外关于电气火灾监测系统的文献和资料，了解电气火灾监测技术的发展现状，结合本研究的对象——变电站火灾监测系统，设计其总体方案。计划使用单片机、传感器和无线Wi-Fi等技术，构建一个基于单片机的变电站环境火灾预警系统。该系统主要由六大模块组成：主控、环境数据收集、液晶显示和阈值控制、声光警报和灭火设备、无线网络和手机应用，具体如下：

1. 主控模块：选用STM32F103C8T6单片机处理传感器信息，触发警报及驱动电机运行，通过无线技术传输数据至手机应用；
2. 数据收集模块：温度传感器采用DS18B20，监测环境温度；烟雾传感器采用MQ传感器，监测环境烟雾浓度；火焰传感器用于检测是否有明火；CO传感器用于监测CO浓度；
3. 液晶显示和阈值控制模块：主要组件为LCD1604和按钮，液晶屏显示温度、火焰强度、烟雾浓度和CO浓度的限制值和当前监测值，设置三个按钮实现对四个参数（温度、火焰强度、烟雾浓度和CO浓度）的限制值的实时选择、增加和减少操作，并在液晶屏上显示；
4. 声光警报和灭火设备模块：当温度和烟雾超过设定阈值时，声光警报模块（主要部件为蜂鸣器和LED）发出警报，使用L298N驱动模块驱动电机工作以灭火；
5. 无线网络和手机应用模块：使用ESP8266 Wi-Fi模块连接手机应用，可以显示温度、烟雾浓度、火焰强度和CO浓度，通过无线技术直接控制电机启动和停止。

毕业设计（论文）的要求与数据

要求：学会并能熟练运用图书馆、互联网获取所需的技术资料，阅读并理解一定数量的相关文献；对当前国内外火灾监测系统进行全面调研，结合国内变电站的实际状况，确定本系统所要实现的功能；完成监测系统的硬件和软件设计，确保系统功能完善，使用便捷，经济实惠，工作稳定；制作系统的基本模型，编写控制软件，进行软硬件仿真与调试，并撰写论文，文中附有系统结构图、原理图、电路图、程序图和程序代码。

三、毕业设计（论文）应完成的工作

整个毕业设计学生应当完成的工作如下：

1. 按时完成符合毕业设计要求的开题报告，其中参考文献均需在调研情况（不少于1000字）中引用，实施方案需详细说明智能电饭煲控制系统中硬件和软件的具体设计，字数不少于1000字；
2. 在规定时间内完成约两万字的毕业设计说明书（论文），在毕业设计说明书（论文）中必须包含详细的300-500个单词的英文摘要；
3. 独立完成与课题相关的，不少于两万字符的指定中文翻译（附指定英文原文）；
4. 认真研读相关参考文献，按计划开展论文相关工作，具体包括：确定控制系统的功能；选择和设计功能模块；完成系统原理框图、电路图、PCB图、流程图和程序代码的构建和编写；完成模型的焊接、组装和调试；
5. 完成导师分配的其他任务，所有毕业设计的工作量需满足16周的要求。

本科毕业设计（论文）开题报告

1. 毕业设计的主要内容、重点和难点等

1.1 毕业设计的主要内容

随着变电站规模的持续扩大，设备负荷增加、设备老化加速以及安全管理复杂性增强等问题日益明显，这些问题显著提高了站内火灾的风险。为了避免火灾导致的人员伤害和财产损失，研究变电站火灾防控技术变得极为重要[1]。本项目旨在设计并实现一个基于单片机的变电站环境火灾预警系统，通过集成多类传感器和无线通信技术，实现对变电站环境的实时监测和预警。

该系统主要包含以下六大模块：

• 主控模块：选择STM32F103C8T6单片机作为核心处理器，负责处理传感器数据、触发报警及驱动电机工作，并通过无线技术将数据上传至手机应用。
• 数据收集模块：包括温度传感器（DS18B20）、烟雾传感器（MQ传感器）、火焰传感器和CO传感器，用于实时监测变电站环境的温度、烟雾浓度、火焰状态和CO浓度。
• 液晶显示和阈值控制模块：采用LCD1604显示屏和按钮，用于显示温度、火焰强度、烟雾浓度和CO浓度的限制值和当前监测值，并允许用户设置报警阈值[2]。
• 声光报警和灭火设备模块：当监测值超过设定的阈值时，触发声光报警，并联动灭火设备进行初步灭火处理。
• 无线网络模块：通过无线Wi-Fi技术，将监测数据实时上传至云端或手机应用，实现远程监控和预警。
• 手机应用模块：开发一款手机应用程序，用于接收和显示变电站环境的监测数据，以及接收报警信息[3]。

1.2 毕业设计的重点

本项目的重点在于系统的整体设计和各模块之间的协调工作。具体包括：

• 单片机程序的设计和优化，确保系统能够稳定、高效地处理传感器数据并触发报警。
• 传感器的选择与布局设计，确保能够精确、全面地监测变电站环境。

液晶显示屏和阈值控制模块的设计，提供清晰的用户界面和灵活的报警阈值设定。

声光报警和灭火装置模块的联合设计，保证在火灾发生时能快速反应[4]。

1.3 毕业设计的挑战

本项目的主要挑战包括：

• 如何挑选适合的传感器和单片机，以符合变电站环境的特定要求和系统的性能标准。
• 如何优化系统的通信协议和数据处理算法，提升系统的实时响应能力和准确性[5]。
• 如何设计稳定的灭火装置和联动机制，确保在火灾发生时能快速有效地实施灭火。
• 如何开发一个功能全面、易用的手机应用程序，实现远程监控和预警功能。

2. 准备状况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等）

2.1 研究现状

1. 电气火灾监测系统的发展现状

依据国内外电气火灾监测系统的研究现状，电气火灾通常由设备过载、短路、漏电、接触不良等因素引起，这些事故具有较强的隐秘性和快速发展性，难以预见[6]。近年来，火灾监测系统从传统的单一报警装置逐渐转变为多传感器融合与智能化管理，发展为基于微控制器（如单片机）和无线网络的智能火灾监控系统。

国内研究：国内在电气火灾监测领域的研究起步较晚，但近年来随着电力设施的扩展和智能技术的应用，相关技术取得了显著进展[7]。例如，张华等人（2020）提出了一种基于传感器网络的电气火灾监测系统，通过使用温度、烟雾、火焰等多种传感器实时监测火灾风险，系统能在火灾初期及时报警，避免重大事故发生。

国外研究：在国外，火灾监控技术的发展相对更早，欧美等发达国家在电气火灾防控方面已经建立了一套成熟的技术体系。例如，欧洲电气安全标准IEC 60364提出了关于电气火灾的防控要求，并对不同类型的火灾监测技术进行了深入研究[8]。美国的NFPA（国家防火协会）则提供了系统的火灾预警和应急处理措施。此外，智能传感器的应用使火灾预警系统更加高效和精确。例如，Murray等（2019）在其研究中提出了基于IoT（物联网）的火灾预警系统，该系统能够通过Wi-Fi或LoRa无线通信协议与云平台交换数据，实现远程监控和报警。

2. 相关技术的应用研究

本课题设计的系统主要包括单片机控制、传感器采集、数据通信及报警模块，以下是各技术的相关研究与应用分析：

单片机技术：STM32系列单片机因其高性能、低功耗和丰富的外设接口，成为控制系统设计的常见选择[9]。在火灾监测系统中，STM32F103C8T6单片机能够高效处理来自多个传感器的数据，并执行实时报警、控制等任务。李明等（2020）研究表明，基于STM32单片机的火灾报警系统具有较高的稳定性和可靠性，适用于复杂的工业环境[10]。

传感器技术：变电站环境的火灾监测需要使用温度、烟雾、火焰及CO浓度等多种传感器进行实时检测。常见的传感器包括：

• 温度传感器（DS18B20）：DS18B20是一款高精度的数字温度传感器，广泛应用于火灾监测系统中。该传感器提供-55℃至+125℃的温度范围，适用于变电站设备的环境监测。
• 烟雾传感器（MQ系列）：MQ系列气体传感器是一款常用的烟雾监测设备，具有良好的灵敏度和响应速度。在电气火灾中，烟雾是重要的指示标志，利用MQ传感器能够及时发现烟雾泄漏并触发报警。
• 火焰传感器：火焰传感器主要用于检测火源产生的红外辐射，具有快速响应和高灵敏度的特点，能够实时监测变电站中是否出现明火。
• CO气体传感器：CO传感器用于检测火灾中产生的有毒气体（如一氧化碳），是防止人员中毒、保护生命安全的重要传感器之一。

无线通信技术：为了实现远程监控与控制，本课题采用ESP8266 WiFi模块来实现无线数据传输。WiFi模块可通过互联网连接手机APP，使得管理人员可以实时查看变电站环境数据，并通过APP控制系统进行灭火操作[11]。无线技术的应用提升了系统的可操作性和便捷性。

声光报警技术：声光报警模块是火灾预警系统中最常见的报警方式。蜂鸣器和LED灯配合使用，当温度、烟雾等传感器的检测值超过设定阈值时，立即通过声光信号提醒人员采取行动。该技术已在多种工业环境中广泛应用。

灭火装置控制：灭火装置通过电动机驱动，结合L298N电机驱动模块实现灭火。灭火装置能够在火灾初期发挥一定的缓解作用，并与自动报警系统结合，形成闭环控制。

3. 国内外产品与应用

在国内，已有一些变电站火灾监控产品开始投入使用。例如，某电力公司开发了一种基于物联网技术的电气火灾监控系统，通过温湿度、烟雾、温度、CO等多种传感器，实时监控变电站内的火灾隐患，并通过物联网平台提供远程报警和处置方案。国外的一些变电站火灾监控系统，特别是在欧美地区，已结合大数据与人工智能算法进行火灾预测和早期预警。通过分析传感器数据，能够对火灾发生的可能性进行预测，提前部署应急响应。

参考文献：

江钰哲,成全.融合时序与体征数据的图嵌入式药物组合推荐模型研究[J/OL].数据分析与知识发现,1-17[2024-12-24].链接.

张红娟,袁娜.基于OBE理念的“嵌入式系统”课程教学改革与实践探索[J].科技风,2024,(35):11-13.DOI:10.19392/j.cnki.1671-7341.202435004.

居平.基于STC32G单片机的教学开发板的设计[J].汽车维护与修理,2024,(24):5-8.DOI:10.16613/j.cnki.1006-6489.2024.24.005.

孙亚宏.井上变电站电气火灾监测系统设计与研究[J].机械工程与自动化,2024,(05):188-189+191.

罗霞.单片机技术在电子工程中的应用[J].农机使用与维修,2024,(09):112-115.DOI:10.14031/j.cnki.njwx.2024.09.031.

马博经,张慧玲,俞丙威,等.基于STM32的高校电气实验室温湿度监测系统设计[J].电子制作,2024,32(04):24-27.DOI:10.16589/j.cnki.cn11-3571/tn.2024.04.010.

权建龙.电气火灾在线监测系统在变电站中的应用[J].自动化应用,2023,64(11):202-204.

徐崇奇,解建国,毕佳琦,等.基于STM32的智能火灾监测及灭火系统设计[J].河南科技,2022,41(08):29-33.DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.08.006.

彭海瑞.基于ZigBee和NB-IoT的箱式变电站火灾监测系统设计[D].安徽理工大学,2021.DOI:10.26918/d.cnki.ghngc.2021.000953.

黄文华.电气火灾监控系统的研究与设计[D].贵州大学,2021.DOI:10.27047/d.cnki.ggudu.2021.002816.

李通,韩建萍,魏诚.基于STM32电气控制器硬件设计[J].山西能源学院学报,2020,33(04):100-102.10（07）：90-92.

2.2 现有设备

目前，我已备齐了STM32F103C8T6单片机、DS18B20温度传感器、MQ烟雾传感器、火焰传感器、CO传感器、OLED显示屏、按键模块、声光报警装置以及无线Wi-Fi模块等所需设备。这些设备将用于构建和测试本项目的火灾预警系统。

2.3 实验条件

学校提供了优越的实验条件，包括稳定的电力供应、恒温恒湿的环境以及专业的实验设备。此外，还有各种资料和指导教师，能够为我提供技术支持和指导。

3. 实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料

3.1 实施方案

一、系统概述

本项目的目标是设计并实现一个基于单片机的变电站环境火灾预警系统。该系统采用STM32F103C8T6单片机作为主控单元，通过多种传感器对变电站环境进行实时监测，包括温度、烟雾、火焰和CO浓度等。系统的主要功能包括数据采集、报警触发、数据展示、远程控制以及灭火装置的控制。系统的核心包括硬件平台的搭建和软件算法的实现，以下分别从硬件和软件两个方面进行详细阐述。

二、硬件实施方案

1. 主控模块

主控模块采用STM32F103C8T6单片机，这是ST公司推出的一款基于ARM Cortex-M3架构的32位单片机。它具备强大的计算能力，内置Flash存储和RAM，拥有丰富的外设接口，适合本项目中的多任务控制与数据处理需求。STM32F103C8T6具备以下特点：

• 处理能力强：最高主频可达72MHz，适合实时数据采集和处理。
• 丰富的I/O接口：提供多达37个I/O口，支持UART、I2C、SPI等通信协议，便于与传感器及其他模块的连接。
• 低功耗特性：具有多种低功耗模式，适合长期运行。

主控模块的主要任务是：

• 从各个传感器采集数据（如温度、烟雾、CO浓度等）。
• 对采集到的数据进行处理、分析，并判断是否超过设定阈值。
• 控制液晶显示、报警模块及灭火装置的启停。



通过Wi-Fi模块与手机APP进行数据通信，实时上传监测数据并接收远程控制命令。

2. 传感器模块

为实现火灾预警系统的实时监控，传感器模块是系统的关键部分。采用以下几种传感器：

• 温度传感器（DS18B20）：用于实时检测变电站环境的温度变化，DS18B20具有较高的测量精度（±0.5℃），通过单总线与单片机通信，极大地简化了电路设计。
• 烟雾传感器（MQ系列）：MQ系列传感器广泛应用于气体浓度检测，可检测CO、烟雾等气体的浓度变化。MQ-2和MQ-7传感器适用于烟雾和CO的监测，具有较高的灵敏度和快速响应时间。

火焰探测器：火焰探测器用于检测变电站是否有明火出现，通过测量红外线辐射来评估火焰的强度和位置。

一氧化碳气体探测器（MQ-7）：用于检测变电站内的一氧化碳浓度，一氧化碳气体浓度超标时，可以作为火灾发生的预警信号。

这些探测器通过模拟或数字信号与STM32微控制器进行数据交换，传感器模块的设计需考虑与主控模块的兼容性及响应速度的要求。

3. 显示与控制模块

为了方便用户实时查看变电站环境的监测数据，系统配备了LCD1604液晶显示器。液晶屏能够显示温度、烟雾浓度、火焰强度和一氧化碳浓度的实时数据，以及设定的阈值。用户可以通过三个物理按钮设置每个参数的报警阈值，并实时调整这些阈值。

液晶显示模块实现的功能包括：

• 显示当前环境参数的实时数据。
• 显示各传感器的设定阈值。
• 显示报警状态和灭火设备的工作状态。

此外，按钮模块允许用户在液晶屏上调整温度、烟雾、火焰和一氧化碳浓度的报警阈值。

4. 报警与灭火模块

当监测到的温度、烟雾浓度、火焰强度或一氧化碳浓度超出预设阈值时，系统将触发声音和灯光报警。报警模块使用蜂鸣器和LED灯进行声音和灯光报警提示。此外，系统通过L298N电机驱动模块控制灭火设备的启动和停止，驱动电动机启动灭火作业。灭火设备的启动主要用于初步控制火源，减少火灾蔓延的可能性。

5. 无线通信与远程控制模块

为了实现远程监控与控制，系统采用ESP8266 Wi-Fi模块，通过Wi-Fi连接变电站的局域网，并与远程手机应用程序进行数据交换。通过Wi-Fi模块，用户可以在手机应用程序上实时查看变电站的温度、烟雾浓度、火焰强度和一氧化碳浓度，并可以远程控制灭火设备的启动和停止，进行紧急响应。

三、软件实施方案

1. 系统软件架构

本系统的控制程序基于Keil MDK-ARM开发环境编写，使用C语言进行编程，分为以下几个部分：

• 传感器数据采集模块：负责从各传感器读取数据并将其发送给主控微控制器进行处理。温度传感器、烟雾传感器和一氧化碳传感器的数据采集采用定时中断机制，以确保实时性。
• 数据处理与阈值判断模块：通过设置合理的阈值，当传感器读取值超出预设范围时，触发报警或灭火设备。
• 显示与用户交互模块：实现液晶屏显示实时监测数据及报警信息，并通过按钮实现阈值设定与调整。按钮输入与液晶显示更新采用定时中断的方式，确保响应迅速。
• 报警与灭火模块：当某一环境参数超标时，控制蜂鸣器和LED灯进行报警，同时通过L298N模块驱动电动机进行灭火操作。
• 无线通信模块：ESP8266模块与STM32微控制器之间通过串行通信实现数据交换。系统将实时监测的数据上传至手机应用程序，并接收远程控制指令。

2. 软件流程

初始化阶段：系统启动后，初始化各硬件模块，包括传感器、LCD显示、蜂鸣器和Wi-Fi模块等。

数据采集阶段：周期性读取各传感器的数据，实时更新温度、烟雾、火焰和一氧化碳浓度的数值。

数据处理与报警阶段：每次采集到的数据都与设定的阈值进行对比。如果任何一个参数超过阈值，系统将触发报警，并控制灭火设备启动。

数据上传与远程控制：系统通过Wi-Fi模块将实时数据上传至手机应用程序，用户可以通过应用程序查看当前数据并进行远程控制。

3. 调试与测试

在软件开发过程中，调试是确保系统稳定运行的关键。系统调试分为以下几个步骤：

• 硬件调试：检查传感器数据是否正常采集，LCD是否能够正确显示，蜂鸣器和LED是否能够正确报警。
• 软件调试：通过逐步调试控制程序，确保数据处理、报警和灭火控制的准确性和实时性。
• 系统联调：将硬件与软件集成，测试整体系统的稳定性和可靠性，确保数据采集、报警触发和远程控制等功能正常运行。

3.1 进度实施计划

序号	任务内容	开始时间	结束时间
1	文献调研与资料收集	2024年12月	2025年1月
2	系统方案设计	2025年1月	2025年2月
3	硬件电路设计与搭建	2025年2月	2025年3月
4	单片机程序编写与调试	2025年3月	2025年4月
5	手机APP程序编写与调试	2025年4月	2025年5月
6	系统联调与测试	2025年5月	2025年6月
7	现场测试与数据收集	2025年6月	2025年7月
8	毕业论文撰写与修改	2025年7月-8月	2025年8月-9月
9	毕业论文答辩准备与答辩	2025年9月	2025年9月

3. 预期提交的毕业设计资料

• 毕业论文：详细阐述项目的研究背景、意义、目的、方法、结果和结论等内容。
• 系统电路图：包括单片机电路、传感器电路、液晶显示电路、声光报警电路等所有硬件电路的详细设计图。
• 单片机程序源代码：包括数据采集、处理、显示、报警和通信等功能的完整程序代码。
• 手机APP程序源代码：包括远程监控和预警功能的完整程序代码。
• 系统测试报告：包括硬件测试、软件测试、系统联调和现场测试的所有测试数据和结果。
• 项目总结报告：对项目的研究过程、遇到的问题、解决方案以及最终成果进行总结和评价。