毕业设计（论文）-基于单片机的烟雾报警系统.doc

编号: 毕业论文毕业论文(设计设计) 题 目 基于单片机的烟雾报警系统设计 指导教师 学生姓名 学 号 专 业 机械设计制造及其自动化 教学单位 德州学院机电工程系 （盖章） 二 o 一二年四月廿日 德州学院毕业论文（设计）开题报告书 2011 年 12 月 1 日 院（系）机电工程系专 业机械设计制造及其自动化 姓 名幸福的笑学 号 201021703022 论文（设计）题目基于单片机的烟雾报警系统设计 一、选题目的和意义 火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最 经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。人类能够对火进行利用和控 制，是文明进步的一个重要标志。火，给人类带来文明进步、光明和温暖。但是，失去 控制的火，就会给人类造成巨大的灾难。本系统是一个由单片机控制的火灾烟雾浓度、 温度检测系统，它将传感器输出地电压信号进行 a/d 转换、滤波、线性化，由单片机将 电压值转换为气体浓度和温度送 led 显示，并判断是否超过报警上限，若超过，则发出 声光报警。同时用户可以自己设定报警上限和定时时间，使用户可以根据实际情况方便 的掌握安全状况。本系统的设计能够及时监测到系统故障和环境中有无火灾，火灾一旦 发生将实现声光报警，并采取有效措施控制火情的发展，将火灾消灭在萌芽状态，以确 保人身财产安全，最大限度地减少损失。 二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势 自本世纪 80 年代开始，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的 火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。目前国内厂家多偏重用于大 型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域 报警控制方式，其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单 位，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探测报警装置，因此，研制一 种结构简单、价格低廉的语音数字联网火灾报警器是非常必要的。 三、课题设计方案 1目标：通过设计一个以 stc12c5410ad 单片机为核心外加 mq-2 型半导体电阻式 烟雾敏感器件的火灾报警器可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、 延时报警及与上位机串口通信等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低 廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。 2内容：对烟雾报警系统进行整体功能分析，实现硬件和软件设计，对所选芯片做 简单介绍，分模块实现各部分功能。 3研究途径和方法：通过对课题的分析，然后进行市场调研，对现用烟雾报警器控 制系统的优缺点进行研究，确定论文的结构和设计所需的软硬件。 四、计划进度安排 起止日期:2011.10.8-2012.4.30 2011.10.8-2011.10.24 拟定设计（论文）题目 2011.10.24-2011.10.31 设计（论文）题目论证 2011.11.1-2011.11.3 指导教师与毕业学生见面，下达工作任务 2011.11.3-2011.12.2 市场调研，对现用烟雾报警器控制系统的优缺点分析，找出需改 进的地方，完成开题报告 2011.12.21-2011.12.31 确定系统的总体方案研制和硬件的选择。 2012.1.1-2012.1.12 确定论文的架构 2012.2.24-2012.3.4 烟雾报警器控制系统硬件电路设计 2012.3.5-2012.3.20 烟雾报警器控制系统软件编程设计 2012.3.21-2012.3.31 撰写毕业设计（论文） ，完成设计（论文）初稿 2012.4.1-2012.4.15 提交中期检查表 2012.4.16-2012.4.30 根据指导教师修改意见进行设计（论文）修改，并最终定稿 2012.5.1-2012.5.7 上交论文 2012.5.19-2012.5.20 参加答辩 五、主要参考文献 1陈连生. 可燃烟雾探测器及其设置安装要领j. 石油工程建设. 1996(1): 2325 2张保卫, 尚家峰, 赵金水. 燃气报警器的分类与选择j. 山东消防, 2003(8): 2728 3彭军. 传感器与检测技术m. 西安电子科技大学出版社, 2003: 263315 4谢望. 烟雾传感器技术的现状和发展趋势j. 仪器仪表用户, 2006, 13(5): 12 5李永生, 杨莉玲. 半导体气敏元件的选择性研究j. 传感器技术, 2002(3): 13 6宏晶科技(深圳). stc12c5410ad 系列单片机器件手册eb/ol. ，2000 7于冶会. 对调整仪表用蜂鸣器振动规范的探讨j. 传感器世界, 2000(1): 3538 8何衍庆. 控制系统分析设计和应用m. 化学工业出版社, 2003:2021 9陈晓莉, 张俊涛. keil c51 单片机仿真器的设计j.微计算机信息(嵌入式与 soc), 2006,2(2): 1920 指导教师意见及建议： 签名： 年 月 日 教学单位领导小组审批意见： 组长签名： 年 月 日 德州学院毕业论文（设计）中期检查表 院(系)：机电工程系 专业：机械设计及其自动化 2012 年 4 月 15 日 毕业论文（设计）题目：基于单片机的烟雾报警系统设计 学生姓名幸福的笑学 号201021703022 指导教师王芳职 称讲师 计划完成时间：2012 年 5 月 4 日 毕业论文（设计）的进度计划： 2011.10.8-2011.10.24 拟定设计（论文）题目 2011.10.24-2011.10.31 设计（论文）题目论证 2011.11.1-2011.11.3 指导教师与毕业学生见面，下达工作任务 2011.11.3-2011.12.2 市场调研，对现用烟雾报警器控制系统的优缺点分析，找 出需改进的地方，完成开题报告 2011.12.21-2011.12.31 确定系统的总体方案研制和硬件的选择。 2012.1.1-2012.1.12 确定论文的架构 2012.2.24-2012.3.4 烟雾报警器控制系统硬件电路设计 2012.3.5-2012.3.20 烟雾报警器控制系统软件编程设计 2012.3.21-2012.3.31 撰写毕业设计（论文） ，完成设计（论文）初稿 2012.4.1-2012.4.15 提交中期检查表 2012.4.16-2012.4.30 根据指导教师修改意见进行修改，并最终定稿 完成情况： 到现在为止，我通过查找资料和指导老师的指导完成了以上部分内容，使我 对烟雾报警器控制系统有了更为深刻的了解，通过软、硬件的设计和整体调试， 使我积累了更丰富的经验。下一步将要撰写论文准备参加答辩。 指导教师评议 签 名： 年 月 日 备 注： 目录目录 1 绪 论.1 1.1 概述.1 1.2 现状.1 2 烟雾检测报警器的方案设计.1 2.1 烟雾检测报警器设计思路.1 2.2 烟雾传感器的选型.2 2.3 烟雾检测报警器整体设计方案.3 3 烟雾检测报警器的硬件设计.5 3.1 核心芯片选择.5 3.2 烟雾检测报警器硬件电路设计.6 4 烟雾检测报警器的软件设计.11 4.1 stc12 系列单片机调试及开发工具.11 4.2 烟雾检测报警器软件流程及设计.12 5 实验误差分析 19 结论 20 参考文献 .21 谢辞 23 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 1 基于单片机的烟雾报警系统设计基于单片机的烟雾报警系统设计 幸福的笑 (德州学院机电系，山东德州 253023) 摘 要：为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用法与用途，基 于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾 报警系统，它是以 stc12c5410ad 单片机和 mq-2 型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器 可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。是一 种结构简单、性能 稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器。具有一定的实用价值。 关键词：烟雾；报警器；stc12c5410ad；传感器 1 绪 论 1.1 概述 火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；火灾探测 器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温和火光。这些烟、 热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。区域 报警器能将所在楼层的探测器发出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的房 间号；同时还能监视若干楼层的集中报警器（如果监视整个大楼的则设于消防控制中心） 输出信号或控制自动灭火系统。集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏 幕上也具体显示出着火的楼层和房间号，机上停走的时钟记录下首次报警时间性，利用 本机专用电话，还可迅速发出指示和向消防队报警。此外，也可以控制有关的灭火系统 或将火灾信号传输给消防控制室。 1.2 现状 消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制 器、消防控制联动。是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能 楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也 得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多冠名以高新技术的行业 中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，像消防报警产品 那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。 2 烟雾检测报警器的方案设计 2.1 烟雾检测报警器设计思路 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 2 烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最 基本组成部分应包括：烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。烟雾信号 采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。模 数转换电路将从烟雾检测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。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(也就是报警限)，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。为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓 度值，可将浓度值送到显示屏中。方便调节报警限，可以加入按键。为使报警装置更加 完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补 嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。 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1。烟雾传感器的选型在下一 节详细介绍。单片机作为硬件电路的核心，它的选型将在第三章详述。 2.2 烟雾传感器的选型 烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即 浓度)转化成电压或者电流信号，通过 a/d 转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机， 进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器 的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。 2.2.1 烟雾传感器介绍 (1)烟雾传感器的分类 烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类： (a)利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。 (b)利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感 器等。 (c)利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。 (2)烟雾传感器应满足的基本条件一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能 的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个 完整的烟雾传感器都必须具备以下条件： (a)能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应； 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 3 (b)对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度； (c)对检测信号响应速度快，重复性好； (d)长期工作稳定性好； (e)使用寿命长； (f)制造成本低，使用与维护方便2。 2.2.2 烟雾传感器的选定 烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发 生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传 感器和半导体烟雾传感器。 使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。阻缓是当在烟 雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有 些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏 度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但 是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾 的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不 可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探 头进行标定，是必须且有效的办法。 因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个 月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的 工作量，同时增加了报警器的维护成本3。 半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及 用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单， 使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵 敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命) 4。 经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出： 灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现 象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部 分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用 mq-2 型烟雾传感器，这种型号的 传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优 点，而且只需要简单的驱动电路。 2.3 烟雾检测报警器整体设计方案 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 4 2.3.1 烟雾检测报警器工作原理 本论文中的烟雾检测报警器以 stc12c5410ad 单片机为控制核心，采用 mq-2 型电阻 式半导体传感器采集烟雾信息。 首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压 信号送入 stc12c5410ad 单片机；然后，在 stc12c5410ad 单片机内 a/d 转换、浓度 比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；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限，当浓度处于正常状态 绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。另外由于 烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。 为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出 一个 5v 的电压。为了保证其可靠性，在输出 5v 的电压的同时，进行故障监测。当传感 器加热丝或电缆线发生断线或接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。 2.3.2 烟雾检测报警器的结构 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器 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、故障自检、延时报警功 能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警器的基础 上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积5。 报警器系统结构框图如图 1 所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信 号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功 能。报警器采用巡检的工作方式，进行两级报警值设定，并发出不同的光、声信号。系 统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、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。 传感器 放 大 电 路 a/d 转换 单片机 状态指示灯 声音报警 浓度显示 按键 串口通信 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 5 图 1 可燃性气体检测报警器结构框图 2.3.3 烟雾检测报警器的功能 (1)自诊断故障报警功能 当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时，报警器发出警报，并 且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，及时排除故障，保证安 全。 (2)烟雾浓度显示 通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者 更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。 (3)烟雾报警功能 当烟雾浓度连续 20 秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促， 并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更容易引起 用户的注意。 (4)防止报警器误报功能 快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏，还是由于打开阀门 时的微量烟雾的散失。 (5)看门狗自检单片机状态功能 调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环 状态，立即复位，保证报警器工作正常。 (6)与上位机通讯功能 可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据， 也可以在计算机上更改报警限值等。 (7)自动控制相关安全装置的扩展功能 留有继电器接口，可以带动排风扇或大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子阀门，可 在报警的同时自动启动相关安全装置。 3 烟雾检测报警器的硬件设计 3.1 核心芯片选择 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 6 在报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的烟雾 浓度对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续 电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些的工作中， 尤其是将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，然后送 lcd 显示这一过程 的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测 到烟雾浓度，并根据情况做进行相应处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研 制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用宏晶科技生产的 stc12 系列单片机中集成 flash 较大的 stc12c5410ad。 stc12c5410ad 单片机具有以下特点： （1） 增强型 8051 内核。 （2） 10kb flash 程序存储器。 （3） 2kb 数据 flash（eeprom）。 （4） 512b ram。 （5） 两个 16 位定时/计数器。 （6） 最多 27 根 i/o 口线。 （7） 全双工异步串行口（uart）。 （8） 高速同步通信端口（spi）。 （9） 8 通道 10 位 adc。 （10）4 通道 pwm/可编程计数器阵列/捕获/比较单元（pwm/pca/ccu）。 （11）max810 专用复位电路和硬件看门狗6。 图 2 stc12c5410ad 单片机的引脚图 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 7 3.2 烟雾检测报警器硬件电路设计 3.2.1 信号采集及前置放大电路 传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整， 满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需 串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给 adc 采集。由于系统采用的是单极 性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大， 则一般需要利用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然 会造成浪费。常见的运算放大器中，lm324 价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本 设计中的前置放大电路采用 lm324 作为电路的运算放大器。 lm324 是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作， 其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的， 也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。 下面详细介绍运算放大电路： 如图 3 所示，从传感器的上端出来的信号 vi 经过运算放大器的同相输入端，但是为 保证引入的是负反馈，输出电压 vo 通过电阻 r4 接到反相输入端，同时，反相输入端通 过电阻 r3 接到参考电压 vref。 同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在 线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。在图 3 中，根据运放的“虚短”和“虚断” 的特点可知，i- = i+ = 0， 所以 v- = vo*r3/r3 + r4 +vref*r4/r3 + r4 (1) 而且 v- = v+ = vi vo = vi*（r3 + r4）/r3 (2) 所以本放大电路的放大倍数 a =1+ r4/r3 ，此放大电路为同相比例放大电路，它的 放大倍数总是大于或等于 1。同相比例运算电路有以下几个特点： (1)同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为不存在“虚地” 现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。 (2)电压放大倍数 a =1+ r4/r3 ，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同， 所以此电路实现了同相比例放大。如果不接 r3 和 r4，则此电路就成了“电压跟随器” ， 它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。 (3)由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高 输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 8 干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。此放大电路还加了参考电压，引入了零 点调节功能，这样可以更方便的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用滑动 变阻器产生一个参考电压 vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参 考端。所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。而电压跟随器的作 用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止 r3 和 r4 对滑动变阻器输出电压的 影响。 图 3 前置放大电路 3.2.2 声音报警电路 声音报警电路图如图 4 所示。报警装置采用无源压电式 km3712x 型蜂鸣器7，较一般 的蜂鸣器体积大，声音响亮，适用于家用煤气报警器的报警声音源。当单片机 stc12c5410ad 的 17 脚(p3.7)置 1 时，三极管 q1 导通，蜂鸣器报警。本报警器采用单片 机 stc12c5410ad 的 pwm 功能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制 p3.7(pwm)口输出 占空比一定 的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 9 图 4 声音报警电路图 3.2.3 数码管显示电路 报警器浓度显示采用共阳数码管。显示浓度级别，其主要技术参数如下： 模块工作电压： 2.75.5v 工作电流： 80ma,每段 10ma 字高：11.4mm 环境相对湿度：85 视角：6:00 工作温度：-10+50c 显示方式：反射式正显示存储温度：-20+60c 接口方式：8 线并行接口 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 10 图 5 数码管结构图 3.2.4 状态指示灯及控制键电路 状态指示灯及控制键电路图如图 6 和图 7 所示。单片机 stc12c5410ad 的 18 脚(p1.0)、 12 脚(p2.4)、13 脚(p2.5)，控制输出的状态指示灯。绿灯常亮表示正常状态，环境中可 燃烟雾浓度极低。黄灯闪亮表示传感器加热丝或者电缆发生断线或者接触不良。红灯闪 亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。 当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下按键停止报警器 鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 11 图 6 状态指示灯电路图 图 7 控制按键连接示意图 3.2.5 报警器故障自诊断电路 (1)判断传感器电源连接情况 在传感器的地端串联一个电阻 r6。当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时 电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过 p1.1(ad)口检测到； 如果传感器电源连接不正 常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为 0。 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 12 图 8 传感器电源连接自诊断电路 (2)判断传感器信号端连接情况 此时不需要外加电路，在传感器预热 2 分钟后，测量传感器信号的输出电压，如果 电压为 5v，则说明传感器的信号端连接不正常。 当报警器自诊断发现传感器连接不正常，就会发出长鸣声音警报，并伴随黄灯闪烁， 提醒用户及时排除传感器连接问题8。 4 烟雾检测报警器的软件设计 4.1 stc12 系列单片机调试及开发工具 本系统的软件编程使用的是美国 keil software 公司出品的 keil c51，是 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。 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，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。 c51 工具包的整体结构中，vision 与 ishell 分别是 c51 for windows 和 for dos 的集成开发环境(ide)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发 人员可用 ide 本身或其它编辑器编辑 c 或汇编源文件。然后分别由 c51 及 a51 编译器编 译生成目标文件(.obj)。目标文件可由 lib51 创建生成库文件，也可以与库文件一起经 c51 连接定位生成绝对目标文件(.abs)。abs 文件由 oh51 转换成标准的 hex 文件，以 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 13 供调试器 dscope51 或 tscope51 使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标 板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如 eprom 中。 stc12 系列单片机下载程序使用的是宏晶科技自行开发的 stc 单片机 isp 下载编程软 件。本论文程序调试过程中，使用的是 stc-isp-v3.1 版。isp 工具的功能主要是将由 pc 机串接来的 8 位并行数据与单片机的串行数据进行相互转换，以实现 pc 机与 stc12c5410ad 的 rxd 及 txd 口通讯。当用户将源程序(汇编语言或 c 语言)经语法检查无 误并生成代码时， 就可以将程序代码下载到 flash 芯片中，而用户的系统可以是在线状 态。 用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，在程序中设置断点，在 stc12c5410ad 中，可以同时设置 3 个硬件断点，它是经过串口的传输，由芯片中的几组断点条件寄存 器实现的。 用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，检查或修改 flash 芯片内的各种存储 器、寄存器的数据9。 4.2 烟雾检测报警器软件流程及设计 在论文中，软件解决的主要问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进 行 ad 转换，数字滤波，线性化处理，段式液晶浓度显示，按键功能设置，以及报警器声 光警报。 4.2.1 主程序设计及流程图 主程序流程图如图 9 所示。首先要给传感器预热三分钟，因为 mq-2 型半导体电阻式 烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息， 需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。本论文的主程序设计先对 传感器预热三分钟，预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加 热丝或电缆线是否断线或者接触不良。 stc12c5410ad 单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行 a/d 转换、平均值法滤波、 线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入段式液晶显 示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯及按键功能设置，中断子程序等，使报警器功 能更加完善，给用户带来便利。 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 14 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 是否按下模式切换 a/d 转换 n 是否超过报警限 浓度显示 图 9 主程序流程图 4.2.2 主程序初始化流程图 主程序初始化流程图如图 10 所示。给传感器预热后，程序开始执行初始化子程序， 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 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 15 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。 开始 定时器初始化 开中断 关闭蜂鸣器，打开 绿灯 设定初值 y n 是否保持报警初值 返回 图 10 主程序初始化流程图 4.2.3 中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图 在烟雾传感器对烟雾浓度采样时，可能会遇到尖脉冲干扰的现象。干扰通常只影响 个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。 如果采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消 除由于脉冲干扰而引起的烟雾浓度采样值的偏差。 为此，可采取中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)，先对 n 个采样数据 进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的 n2 个数据的算术平均值。这 种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰。保证报警器检测烟雾浓度的准确性， 减小误报、错报的可能。 在实际应用中，n 可取任何值，但为了加快测量计算速度，本论文数字滤波的设计中 n 取 10。即调用 a/d 连续进行 10 次采样，去掉其中的最大值和最小值，计算其余 8 个值 的平均值，将这个平均值送入寄存器。中位值平均滤波法的程序流程图如图 11 所示。 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 16 开始 设定采样次数 调用 a/d 采样 求第二个到第九个 采样值的累加和 将累加和求平均值 送入寄存器 n y 已达到设定次数 将采样值排序 图 11 滤波子程序流程图 4.2.4 插值法线性化处理子程序设计及流程图 在单片机测控系统中，使用之前必须进行静态标定，以得到输出信号与被测信号的 关系输出曲线，用来作为使用过程中的计量依据。但是标定时输出曲线往往不是一条理 想的直线，所以要对标定曲线进行线性化处理，用一条拟合直线近似代替输出曲线，线 性化是智能仪表的典型功能之一。该报警器主要针对甲烷烟雾检测，在软件线性化处理 时，以传感器对甲烷的响应曲线为依据。 本论文报警器使用的 mq-2 型传感器的电阻是随着烟雾浓的升高而降低的，因此输入 单片机的电压也是随之降低的。图 12 为单片机采集电压值与烟雾浓度百分比的对应曲线， 可以看出，电压值与烟雾浓度之间是非线性的关系，为了实时显示烟雾浓度.需要对其进 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 17 行线性化处理。在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线 分 成若干小段，对每小段分别线性化。 图 12 单片机采集电压值与烟雾浓度百分比线性化曲线 根据分段线性插值法求输入单片机的某一电压值对应的烟雾浓度的公式如下： f(x) = f(xi) + (x-xi)*（f(xi+1)-f(xi)）/（xi+1-xi）i=1,2,3n (3) 式中，n 为所分区间个数， f (x)为实际烟雾检测浓度，x 为实际气体检测浓度对应 的电压值，xi 是区间的下限浓度对应电压值，xi 是区间的上限浓度对应电压值， f (xi)为 区间下限烟雾浓度值， f (xi+1 )为区间上限烟雾浓度值。 根据公式 4 设计分段插值法线性化程序流程图如图 13 所示。 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 18 开始 读取滤波电压x 查表并确定x所在电压区间 求电压值x与所在区间下限差 xm=x-xi 求x所在区间的上下限浓度值的 差z=f(xi+1)-f(xi) 求上下限电压值的差xd=xi+1-xi 求z与xd的比k=z/xd 求出k与x的和s=k*xm 求出f(x)=f(xi)+s 保存浓度值 返回 图 13 分段插值法线形化程序流程图 4.2.5 报警子程序设计及流程图 当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应通道的红 灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全， 避免火灾和爆炸事故的发生。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检 测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾 的微量散失，防止误报。报警子程序流程图如图 14 所示。 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 19 图 14 报警子程序流程图 n y n y y 开始 读取处理后的气体 浓度值 延迟 20 秒后采集 一组数据 y n 是否大于 20% 传感器故障自诊断 传感器有问题 返回 启动故 障报警 复位键是否按下 是否大于 20% n 启动燃气泄漏报警 4.2.6 控制按键设计子程序及流程图 本报警器设计附加一个按键，功能分别为：确定(消音)。按键处理子程序流程图如图 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 20 15 所示。 开始 扫描键值 是否有键按下 延时 10ms 消抖 是否有键按下 提取键值 调用键盘 处理子程序 结束 n n y y y 图 15 键盘处理子程序流程图 5 实验误差分析 在测量仪器的实际使用中，造成误差的来源很多，通常是多种误差源综合作用的结 果。就本仪器而言，误差来源主要有软件和硬件两个方面。 软件误差主要来自以下两个方面： (1)a/d 转换量化误差 stc12c5410ad 单片机的内部 a/d 转换器为 12 bit，输入单片 机模拟电压信号 03.7v，参考电压 2.5v，a/d 转换器对输入模拟信号的最大分辨率为 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 21 0.00061v，因此可得 a/d 转换误差为 0.016%。 (2)数字滤波过程中的有限字长效应在中位值平均滤波法数字滤波过程中，用到了乘 法和除法运算，因此在运算过程中，由于字长有限而不能保留原有数据的有效位数会出 现舍入误差，由于累计计算会造成计算误差。本仪器使用数据的计算全部是由 stc12c5410ad 完成的，可以直接执行 1616 bit 定点乘法和 3216 bit 定点除法运算， 所以有限字长造成的误差对于本系统而言，可以忽略不计。 硬件误差主要来自以下四个方面： (1)传感器非线性误差 本系统选用 mq-2 型半导体电阻式烟雾传感器，烟雾浓度与输出电压存在一定的非线 性，使用折线插值方法进行线性化处理，误差数据参见图 12。 (2)电子元器件参数的离散性、温度不稳定性造成的误差 传感器输出信号一般比较微弱，需要过数据采集前置电路对其进行放大、滤波、电 平调整，满足单片机对输入信号的要求。运放误差是造成前置放大误差的主要原因，运 放的输入失调电压，输入失调电流是影响电路精度的重要因素。本设计选用高输入阻抗、 低噪声的放大器，可以满足要求。另外所选的阻容器件都是经过精确测量后再焊接上去 的，并经过仔细调试以获得最佳性能。 (3)电源造成的误差 虽然系统采用直流电源供电，但电源不可避免地残留一定的交流成分而形成噪声信 号.它们对测控系统的正常运行危害很大。本系统选用 acdc 电源模块，将 220v 市电转化 为 5v 直流电压，分别给模拟电路和数字电路供电。为了尽量减小噪声，数字地和模拟地 要一点接地，每个芯片的电源就近接退耦电容。 (4)环境、外部噪声引起的误差 环境因素包括环境温度、湿度、空气中的尘埃等。对本系统来说，空气中的成分对 系统的探头和单片机及其外围电路影响很小，在进行测量时不用进行补偿。但环境温度、 湿度对传感器有一定的影响。但是温湿度的影响相对于系统 5%lel 的精度要求，可以忽 略不计。另外，系统还受到各种外部电磁噪声的干扰，设计上，把探测器与控制器之间 的信号线用屏蔽电缆连接。在电路板布线时，注意抗干扰设计。 结论 烟雾检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发 生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。 本论文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 22 产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案。本论文设计的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、成本等因素，选用 mq-2 型半导体电阻式烟雾传感器。该 传感器是对以烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的 灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，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，采用了高性能、高整合度的 stc12c5410ad 单片机 作为核心芯片，充分利用了其高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现了仪器的小型 化和智能化。使仪器具有结构简单、性能稳定、体积小、成本低等优点。由于烟雾传感 器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。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。 为了保证传感器加热工作的可靠性，当传感器加热丝断线或传感器接触不良时，能够进 行故障报警。 烟雾报警器能在较宽的温度范围工作，可将烟雾浓度显示用 lcd 显示。当烟雾的浓 度达到设定的浓度时，发出声光报警。还具有故障自诊断功能快速重复检测和延时报警 功能。报警器还可以与上位机(pc)进行通信，实时传输烟雾浓度检测数据，由上位机记 录保存，也可以利用上位机完成实现远程实时检测和控制等功能。 在本论文研制的报警器的基础上，可以再做适当的功能扩展，使可燃性烟雾报警器 的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。为了能够进一步提高安全性，可以在 自动声光报警的基础上，实现带动烟雾管道关断等功能。 应用程序以 c 语言编写，充分利用芯片资源，提高了测量精度和代码执行效率，减 小了代码容量，采用中位值平均数字滤波算法对经 a/d 转换后的数字信号进行滤波处理。 这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰，不但最大限度地排除现场噪声干扰， 降低烟雾报警器误报概率，而且易于在单片机中实现。 参考文献 1陈连生. 可燃烟雾探测器及其设置安装要领j. 石油工程建设. 1996(1): 2325 2张保卫, 尚家峰, 赵金水. 燃气报警器的分类与选择j. 山东消防, 2003(8): 2728 3彭军. 传感器与检测技术m. 西安电子科技大学出版社, 2003: 263315 4谢望. 烟雾传感器技术的现状和发展趋势j. 仪器仪表用户, 2006, 13(5): 12 5李永生, 杨莉玲. 半导体气敏元件的选择性研究j. 传感器技术, 2002(3): 13 德州学院 机电工程系 2012 届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 23 6宏晶科技(深圳). stc12c5410ad 系列单片机器件手册eb/ol. ，2000 7于冶会. 对调整仪表用蜂鸣器振动规范的探讨j. 传感器世界, 2000(1): 3538 8何衍庆. 控制系统分析设计和应用m. 化学工业出版社, 2003:2021 9陈晓莉, 张俊涛. keil c51 单片机仿真器的设计j.微