基于单片机的烟雾报警器的设计

I 河南机电高等专科学校 毕业设计（论文） 基于单片机的烟雾报警器的设计 系 部： 自动控制系 专 业: 电气自动化 班 级: 自 104 姓 名: 张三 学 号: 指导老师: 二零一四年四月 编编 号号 摘要 I 摘摘 要要 本设计采用 89S52 单片机结合 MQ-2 传感器技术而开发设计了这一烟雾报警系统。 论文中的烟雾报警器小巧轻便，适用于安装在含有爆炸性气体环境场所，还可使用于 石油、化工等行业具有防爆要求的场所，可以安装在家里，也可以安装在露天、室外 使用，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。 以 89S52 单片机和 MQ-2 烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可以实现烟雾报警、 溶度显示、看门狗自检单片机状态功能、手动紧急报警等功能。本次设计的烟雾报警 器结构简单、性能稳定、使用方便、价格便宜等优点。就有一定的使用价值。 关键词：烟雾；报警器；89S52；MQ-2 传感器。 Abstract II ABSTRACT This design USES the 89S52 microcontroller combined with MQ-2 sensor technology and the development of design the smoke alarm system. In the paper the smoke alarm small and portable, designed for installation in contain explosive gases place, still can use in petroleum, chemical and other industries with the requirements of the explosion-proof place, can be installed in the home, can also be installed in the open air, outdoor use, and prevent and reduce the danger of fire protection of personal and property security. In 89S52 single-chip microcomputer and MQ-2 smoke sensor as the core design of smoke alarm can realize smoke alarm, solubility display, manual emergency alarm functions. The design of the smoke alarm simple structure, stable performance, easy to use, cheap price, etc. Have some use value. Key words: Smoke; alarm apparatus; 89S52; sensor 河南机电高等专科学校毕业设计论文 1 目目 录录 第 1 章 绪论.1 1.1 论文研究来源、目的和意义1 1.2 烟雾报警器的国内外现状 2 1.3 论文主要任务 2 第 2 章 烟雾检测报警器的方案选择.4 2.1 烟雾检测报警器设计思路 4 2.2 烟雾传感器的介绍4 2.3 烟雾检测报警器整体设计方案7 第 3 章 烟雾检测报警器的硬件设计.10 3.1 主电路的设计与实现.10 3.2 烟雾检测报警器硬件电路设计.12 第 4 章 烟雾检测报警器的软件实现.19 4.1 单片机软件开发工具介绍.19 4.2 程序流程 .19 第 5 章 结论22 参考文献 23 致 谢 .24 附 录 A.25 附 录 B.26 河南机电高等专科学校毕业设计论文 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 论文研究来源、目的和意义论文研究来源、目的和意义 1.1.1 论文研究来源论文研究来源 随着社会的进步，人们的生活越来越好但也伴随着越来越多的隐患，由于在 现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使幸福家庭眼间毁 于一旦,有的甚至导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当,是造成人 员伤亡的重要因素。所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防 火灾的发生。 英国每年发生 50000 起以上的严重家庭火灾，其中大部分火灾造成人员伤 亡和重大的家庭财产损失，有的还连累左邻右舍，火灾损失更加惨重。在调查 火灾起因的时候，绝大多数发生火灾家庭的当事人说，以前总觉得火灾是人家 的事情，与自己离得很远，没有想到这一次竟然会发生在自己的头上。 1.1.2 论文研究目的和意义论文研究目的和意义 随着现代家庭采用方便的家用电器的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。 一旦家庭有火灾发生，就很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏以及在场人惊慌 失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。为了保护生命安全与 财产安全，人们需要实时注意避免火灾的发生，利用高科技产品有利于人们及早 发现火灾的隐含，及时的避免不必要的灾难发生。 为了早期发现火灾的隐患，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，防 止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失与危生命安全。随着烟感报 警器的使用者不断增加，住宅失火造成的死亡人数也不断下降。据美国国家消防 协会报告表明，安装了推荐数目的烟感报警器的住宅一旦发生火灾，住宅内人员 的逃生机会将比未安装的住宅多出 502。所以家庭装有烟雾报警器灾难能够降 低，避免不必要的灾难。 1.2 烟雾报警器的国内外现状烟雾报警器的国内外现状 探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统 探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展，如傅立叶近红外光 谱技术弱信号处理技术、低功耗MCU技术进一步促进了传统探测技术的改进，使 得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。火灾着极早期探测、多传感器复 合探测和探测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐。 河南机电高等专科学校毕业设计论文 4 第第 2 章章 烟雾检测报警器的方案烟雾检测报警器的方案选择选择 2.1 烟雾检测报警器设计思路烟雾检测报警器设计思路 此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了大学四年中所 学到的相关知识，运用所学的传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的烟 雾报警系统。烟雾报警器的最基本组成部分包括：烟雾传感电路、模数转换电 路、单片机控制电路。单片机紧紧联系着传感器和报警电路设备，给烟雾报警 器设定一个值，当外界环境达到预先设定的数值时，烟雾传感器把被测的物理 量作为输入参数，转换为电量输出。为了简化整个系统的设计在本设计中不采 用前置放大器而是选择数值符合 A/D 转换器的输入等级。模数转换电路将从烟 雾传感电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。这 里选择单片机的 P1.0 为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定会由 P2.0 作为单片机的输出电路，单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后 的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值，如果大于则启动报警电路发出 报警声音，反之则为正常状态。烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器的 两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单 片机芯片是至关重要的。 2.2 烟雾传感器的介绍烟雾传感器的介绍 2.2.1 烟雾传感器的分类烟雾传感器的分类 烟雾传感器是将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号 的装置，烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到 各种消防报警系统 中。 1、离子式烟雾传感器 该烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先 进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各消防报警系统中，性能远优于 气敏电阻类的火灾报警器。 它在内外电离室里面有放射源镅 241，电离产生的正、负离子，在电场 的作用下各自向正负电极移动 4。在正常的情况下，内外电离室的电流、电 压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电 流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发 出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。 2、光电式烟雾传感器 光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收 河南机电高等专科学校毕业设计论文 5 2.3 烟雾检测报警器整体设计方案烟雾检测报警器整体设计方案 2.3.1 烟雾检测报警器工作原理烟雾检测报警器工作原理 本论文中的烟雾报警器采用 89S52 单片机来控制核心，采用 MQ-2 型电阻式 半导体传感器采集烟雾信息。其工作原理，首先烟雾传感器采集烟雾信息然后 把烟雾信号转换为电量送入模数转换器中；接着模数转换电路将从烟雾传感电 路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入 89S52 单片机；最后， 将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警门限，当浓度低 于设置门限值的时候绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，红灯亮并发 出声音报警。 2.3.2 烟雾报警器烟雾报警器系统类型系统类型 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟 雾报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度使用 89S52 单片机，MQ-2 烟雾传感器作为敏感元件，利用 ADC0832 转换器和烟雾 报警电路，开发出可用于家庭或小型单位火灾报警的烟雾报警器。整个设计由 4 大部分构成：烟雾传感器、模数转换电路、89S52 单片机、烟雾报警电路。其 中，烟雾传感器是将现场烟雾浓度等非电信号转化为电信号；转换电路是将将 烟雾传感器输出的模拟信号转换成数字信号。烟雾报警模块由单片机和报警电 路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。本系统采用高性能的单片机， 工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性， 而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。 图 2-1 烟雾报警的系统结构图 烟雾浓度 烟雾传 感器 ADC083289S52烟雾报警 河南机电高等专科学校毕业设计论文 10 第第 3 章章 烟雾检测报警器的硬件设计烟雾检测报警器的硬件设计 3.1 主电路的设计与实现主电路的设计与实现 89S52 单片机是报警仪的设计中最核心的部件，一方面它控制 A/D 转换器实 现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理 得到相应的二进制代码，与设定的值作比较。整个系统的软件编程就是通过 C 语 言对单片机 89S52 实现其控制功能。 3.1.1 AT89S52 单片机介绍单片机介绍 AT89S52 为 ATMEL 所生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具 有 8K 在系统可编程 Flsah 存储器10。AT89S52 实物图与结构图由图 3-1、3-2 所 示。该单片机可反复擦写 1000 次的 FLASH 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公 司之高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚 结构，片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。由图 3-2 可见，89S52 单片机主要由以下部分组成： CPU 系统：8 位 CPU；含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。 存储器系统：8KB 的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可扩至 64KB）；128KB 数据存储器（RAM，可再扩 64KB）；特殊功能寄存器 SFR。 图 3-1 89S52 单片机实物图 河南机电高等专科学校毕业设计论文 19 第第 4 章章 烟雾检测报警器的软件实现烟雾检测报警器的软件实现 4.1 单片机软件开发工具单片机软件开发工具介绍介绍 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开 发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的 优势，因而易学易用17。用过汇编语言后再使用 C 来开发，体会更加深刻。 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界 面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在 开发大型软件时更能体现高级语言的优势。KEILC51 标准 C 编译器为 80C51 微 控制器的软件开发提供了 C 语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。 C51 编译器的功能不断增强，更加贴近 CPU 本身，及其它的衍生产品。C51 已被 完全集成到 uVision2 的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编 器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE 可为它们提供单一而灵 活的开发环境。 4.2 程序流程程序流程 在整个程序流程中，经常要控制一部分指令重复执行若干次，以便简短的程 序完成大量的处理任务。这种按某种控制规律重复执行的程序称为循环程序。循 环程序有先执行后判断何先判断后执行两种基本结构。而我们要选用的是先判断 后执行。 MQ-2 刚开始的时候不能马上检测烟雾，需要等通电一会后才能正常工作， 程序初始化结束后系统进入工作状态。89S52 单片机对传感器检测到的烟雾信号 进行模数转换，然后与设定的门限值进行比较，如果超过预算门限值蜂鸣器报警， 同时把烟雾浓度值送入显示管显示，没有超过门限值继续进入监控工作状态。 程序初始化子程序，这部分实现的功能包括各种 I/O 口输入输出状态的设定、 寄存器初始化、中断使能等。首先设定定时初值 50ms，利用 IAP 写入 EEPROM，作为取值间隔。然后设置定时器 0，选择方式 1。方式 1 状态下定时 器的工作寄存器 TH1、TL1 是全 16 位参与操作。接下来定时器 0 中断允许位置 1，打开定时器 0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。 河南机电高等专科学校毕业设计论文 20 Y 开始 初始化 传感器预热、故 障检测 键盘处理 报警限设置 报警子程序 平均值法滤波 线性化处理 设置指示灯状态 Y N 是否按模式切换 A/D 转换 N 是否超报警限 浓度显示 图 4-1 主程序流程图 河南机电高等专科学校毕业设计论文 21 第第 5 5 章章 结结 论论 随着技术越来越成熟烟雾报警器成为保障生产与生活的安全一个重要的工具， 避免火灾和爆炸事故的发生，是人们生活中一项重要的发明，具有广阔的市场空 间与发展前景。 本烟雾报警器由烟雾信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成。 根据 设计要求、使用环境、等因素，选用 MQ-2 型半导体烟雾传感器。该传感器常用 于家庭和工厂的气体泄漏装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢 气、烟雾等的探测 ，它的灵敏度适中，长期工作稳定性、重现性、不易受环境 影响及抗温湿度影响等优点。 在系统单片机控制电路的设计上，采用了 89S52 单片机作为核心芯片，使仪 器具有结构简单、性能稳定、体积小、成本低等优点。为提高响应时伺，保证传 感器准确地、稳定地工作，需要向烟雾传感器持续供给 5V 的加热电压。 当烟雾 传感器检测到一定的浓度的烟雾，传感器把烟雾信号送入到模数转换器中进行转 换，把模拟信号转换成数字信号送入单片机，单片机对送入的信号进行处理，大 于预定值的浓度，报警电路报警。本设计的报警器小巧轻便，方便安装。 在现代社会中由于家庭火灾和有害气体中毒而导致死亡的人越来越多，每年 给社会带来了很大的财产损失和社会负担。由于家庭火灾具有突发性，如果发现 不及时很容易给家庭造成重大损失。然而文章设计的烟雾报警器可以很好的解决 这个问题。文章以单片机为控制主体，烟雾传感器作为烟雾浓度探测器。由于报 警器具有很高的灵敏度，即使在很低的浓度下也可以进行探测，而且还具有实时 性，可以在最快的时间内对火灾发生前的物理和化学现象进行探测并发出报警， 以提醒用户和其他人，因此它可以很好地减少家庭发生火灾的频率，能够保障人 们生活的和财产的安全，是提供安全的生活环境所必备的仪器，具有十分广阔的 市场空间和发展前景。 河南机电高等专科学校毕业设计论文 22 参考文献参考文献 1彭军. 传感器与检测技术. 西安电子科技大学出版社, 2003: 263315 2李永生, 杨莉玲. 半导体气敏元件的选择性研究. 传感器技术, 2002(3): 13 3Yoon D h, Yu J h, Choi Gm. 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