基于单片机烟雾报警设计.doc

摘要在时代和经济的飞速发展的今天，人民生活水平极大提高，人类的安全意识进一步加强，安全问题更是人们关心的。尤其是火灾，火灾一旦发生就会对家庭乃至社会安全以及人类生命财产造成了异常大的威胁，因此预防火灾的工作就变得越来越重要，无论是城市还是农村，无论是发达还是贫穷。人们对安全的要求肯定是最为强烈的。就像中东地区，没有一个稳定安全的社会环境谈什么社会经济的发展。火灾就像隐藏在我们周围的一颗炸弹一样，我们并不知道它什么时候会爆炸，我们能做的就是居安思危，做好火灾的预警防备工作。目前国内许多研发的主要对象大都是公共场所火灾报警。因此，我们需要开发设计一个简单，经济实用的家用烟雾报警系统来满足人们的需要。本文的设计就是针对家庭使用、小型的烟雾报警器。本设计以mq-2传感器和stc89c52单片机作为烟雾报警系统设计的主要器件，配合其它元器件搭建而成的辅助外部电路即可达成烟雾报警、火灾报警等功能。该报警装置不仅仅是适用于石油化学工业、大型商场，同时也是可以用于家庭办公室等小型单元。所有模块包括：烟雾温度模拟信号采集模块，信号放大电路、模数转换模块、单片机控制电路、数码管显示电路、扬声器报警电路。设计合理、简单易懂、价格低廉，使单片机的各项功能在小的系统控制中能够很好的体现，对所学的理论知识具有一定的实用价值同时也涉及到程序的编写，有一定的难度。烟雾报警系统的主要部分为硬件电路的设计、搭建、焊接和功能进行了介绍和详细解释该系统的主控制电路和外围设备之间的接口电路，并对系统的软件和程序的编写与框架搭建的思维结构的制备中的应用进行了分析和解释的。关键词：烟雾报警；单片机；传感器第2章 基于stc89c52单片机的声光烟雾报警的设计方案烟雾报警器设计设计目的所能达到的效果是能够识别并检测复杂环境中的烟雾浓度并显示浓度值，在达到额定值时可以具备自动声光报警功能的仪器。设计的系统包含的最基本的模块主要有：单片机控制电路、烟雾温度信号采集模数转换电路、字符显示电路、蜂鸣器报警电路。烟雾报警器的信号采集电路由烟雾传感器和模拟放大电路组成，环境中的烟雾信号由烟雾传感器自动识别并转化为模拟的电信号，经过模数转换电路将检测到的模拟信号转换成单片机能够识别的数字信号并且放大后送入系统的运算中心-单片机。单片机对接收到的数字信号进行判断处理并进行数据分析：连续检测到的烟雾浓度是否超出了用户根据特定的使用环境指定的预设值，假如单片机分析出来的结果大于用户设定的值则发出报警指令控制报警电路蜂鸣器发出报警声音，反之则为正常状态。为方便用户监管与检测，设计系统时加入了数码管显示电路，用户能够直观地观察到环境中的烟雾浓度值。烟雾报警装置使用的实际环境肯定不会一样，为使报警装置更加完善能够适用于多个不同的复杂环境，我在设计系统时在声音报警基础上辅助加入闪光报警，发光二极管会伴随着报警声闪烁，频繁闪烁的光信号可以在嘈杂环境进一步引起使用者的注意。同时加入按键，方便用户能够随时根据不同的使用环境更改报警上限。以上的设计方案是根据论文研究要求以及市场的需求设计烟雾报警器应具备的功能，提出的较为详细总体设计思路以及设计方案。按照设计的要求来分析该系统的总体设计须包含如下结构：stc89c52单片机主控部分、烟雾温度检测部分、ad采集报警等四大部分、。电路总题框图如图1所示： 温度检测电源 stc89c52 单片机ad采集电路显示电路报警电路按键控制 图1 总体设计框图烟雾检测报警器的两大主要单元是烟雾识别检测传感器信息采集以及单片机控制报警，根据使用环境以及功能精确度的需要，面向大众市场的报警器元器件选择上应在保证质量的前提下选择合适、性价比高、经济的烟雾传感器及单片机芯片，这在大批量生产中降低成本是重要的一环。烟雾传感器型号的选择会在在下一章节详细介绍。单片机作为硬件控制电路的核心，系统的硬件电路设计以及各模块功能将在第三章详述，接下来的第四章会简单的陈述软件实现。2.2烟雾传感器的选择 系统能否实现功能以及精度的大小确定跟传感器密切相关，因此传感器的选择将起到关键因素。而且传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分相当于整个系统的鼻子，因此在整个系统中起到关键部分。烟雾传感器属于气体传感器，工作原理是将空气某一特定的气体的含量(即浓度)转化成电信号，相当于是气信号与电信号的变换器，通过a/d转换电路、模数转换芯片能够识别的数字量送入单片机，由单片机完成数据处理，显示浓度和温度的显示和控制蜂鸣器报警等。2.2.1烟雾传感器介绍 目前市场上烟雾传感器品种繁多，检测原理不尽一样，按不同的传感器检测原理的不同几乎可以将所有的烟雾传感器粗略分为三大类：如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等是利用物理化学性质的烟雾传感器；如电势型气体传感器、电流型烟雾传感器等是利用电化学性质的烟雾传感器；如红外传感器、光干涉烟雾传感器、热导烟雾传感器等是利用物理性质的烟雾传感器。(2)虽然市面上烟雾传感器种类很多，传感器的功能也分单一的和多功能的，形式分为单一的实体以及多个不同的组成的阵列传感器，但是适合家庭使用的经济的传感器需具备以下功能：能在复杂混合的气体中选择有目的性地识别并检测指定某种单一烟雾的浓度，且能够最大限度忽略其他气体对其传感器的影响，不改变识别浓度；对特定的被测对象具有较高的识别分析灵敏度，能有效准确地检测该气体在混合气体中的浓度；检测信号时速度快响应时间尽可能短，重复性好具有较长的使用寿命并且长期工作性能稳定可靠性强；制造成本低，适合普通居民使用，安装替换方便。本次烟雾报警系统设计中使用的传感器采用的是市场上比较常见的mq-2型烟雾传感器，该传感器内部使用二氧化锡半导体气敏材料。一旦环境中的烟雾与传感器内部接触时，烟雾的浓度会影响晶粒p、n间势垒，从而引起表面电导率的变化。传感器就是利用这电势的变化可以获得被测烟雾在空气中的含量等信息。下图2.1、2.2是传感器的结构图和外观图图2.1mq-2型传感器的结构图 图2.2 mq-2型传感器的外观表1 mq-2的技术指标单片机选择基于单片机的应用系统设计需要以市场为前提，本次的设计任务就是设计一款适合普通居民使用的家居型烟雾报警系统，其要求无论是外观还是实用性能必须满足大众需求，以个人观点，设计成品必须体积小，性能强大，响应时间短，使用寿命长。对于企业来说，大批量的投产，减少成本的投入，将更有利于市场竞争单片机作为烟雾报警系统的核心器件，用来接收传感器发来的数据信号并进行处理，发出正确的指令控制报警器是否工作，单片机相当于人的大脑，他的工作运算情况直接决定系统是否能够准确可靠的工作。 目前，市场上的单片机种类繁多，在各个领域中，单片机得到广泛的应用，分多功能单一的微型单片机也承担了重要角色，其中51系列的单片机在时代的发展中占据一部分的市场，其i/o口多，储存空间相对较大，运算速度快，并且其价格相对低廉，性价比较高。所以在单片机选择时我毫不犹豫的选择了51系列的stc89c52。2.2.2 单片机的引脚功能描述为了让读者可以清楚方便对设计系统设计有个全面了解，接下来我就对各引脚的功能进行较为简单的介绍：a电源引脚vcc和vss: vcc(40脚)：电源端供电电压为+5v左右，vss(20脚)：接电源负极。b时钟电路引脚xtal1和xtal2c.控制信号脚 rst ale psen 和ea。d.i/o（输入/输出端口，p0，p1，p2，p3）p0口：单片机的p0口是一个漏极开路的8位准双向i/o端口，不具备较强的驱动能力。p1口：8位准双向i/o端口。p2口：即可以做地址总线输出地址高8位，也可以做普通i/o用，（此时为准双向口）。p3口：p3口为双功能口，即可以做普通i/o口用（此时为准向口，也可以按用户对其每位特别定义实现第二功能操作）。见表2。表2 p3口的第二功能表引脚第二功能p3.0rxd （串行输入口）p3.1txd （串行输出口）p3.2int0（外部中断0）p3.3int1（外部中断1）p3.4t0（t0定时器外部中断0）p3.5t1（t1定时器外部中断1）p3.6wr（外部存储器的写选）p3.7rd（外部存储器的读写）2.1.3 温度采集模块毕竟烟雾传感器只能在气体泄漏时起到作用，一旦火灾已经发生，烟雾报警器虽然也能起到一定的作用，但是这时的作用已经相当小了，伴随着火灾的发生周围的温度也会随之增加，同时，高温也是引发火灾的因素之一，在设计系统时我增加了温度传感器。经过资料的搜集与对比以及跟指导教师的讨论，温度传感器选择ds18b20 其特点就是直接输出的温度值是数质量，不需要经过数模转换，减少运算时间，降低实际生产成本。并且该传感器测温精度适合民用范围，使用寿命，分辨率也达到民用标准。2.4本章小结 本章重点在于阐述了烟雾报警器的设计方案以及系统的在实际生产生活中可行性，包括详细介绍传感器的选型以及传感器的优缺点和使用环境，根据实际功能效果以及市场需求关系选择最优元器件对报警器进行设计。传感器分别从元器件的选择、传感器的工作原理以及选定、基本特性四个方面进行较为详细叙述，同时讲述了选择该器件的理由。 增加的温度采集模块弥补了烟雾报警复杂情况下功能单一的缺点，更加符合实际情况，适应不同的使用条件，使得系统设计更加人性化。第3章 系统的硬件电路3.1 单片机最小系统通常情况下我们将使单片机正常工作起来最基础的电路模块合起来被称之为单片机最小系统其电路如图3示。 图3 信号处理模块 上图为单片机最小系统由三个部分组成：u1：52单片机、s1：复位电路、y1:时钟电路，c2c3为起震电容。stc89c52 单片机供电方式是5v直流电直接供电，芯片的40管脚为vcc，与电源正极相连，芯片的20管脚为vss,与电源的负极相接。通常情况下，方便硬件的调试，在给单片机供电的选择上会选择usb5v供电。复位电路是单片机最小系统最重要的组成部分，其是否设计正确直接决定了单片机能否完成启动。单片机的重新启动是个简单的过程，当单片机在运算过程中，只要复位管脚接收到一个高电位信号，单片机就会重新启动，单片机就会自动重新执行内部运算程序这样就可以及时停止当单片机由于某方面原因导致程序跑飞的问题。我在做该系统时采用了外部手动复位电路，同时为提高输出高电压平均值，在外部接上上拉电阻。 另外，时钟电路模块相当于单片机的控制中心，单片机的运算节奏由时钟频率直接控制，晶振两端的电容起到起振作用，一个机器周期共有12个振荡周期，单片机的一个振荡周期有6个振荡状态，为了程序时间好控制，一半都会选择12mhz的晶振，也可以选择6mhz或24mhz的晶振。3.2 单片机的时钟电路与复位电路设计stc89c52单片机的另外一个优点就是在其芯片内部集成了电子看门狗电路，其特点是增强了单片机进行程序运算时抗干扰能力。可见在相同的价格水平下，该单片机具有更多资源，大大降低了以后拓展应用时的风险。本系统设计时采用简单的内部方式的时钟电路以及加电按键复位的复位电路，其电路图如下图4图5所示：图4 时钟电路图5 复位电路由于单片机p0口内部不含上拉电阻，为高阻态，没有较强的驱动能力，当p0口作为总线形式输出时，不能正常地输出高/低电平，通常情况下该组i/o口在单独使用时务必外接上拉电阻以提高驱动能力。3.3 烟雾检测ad采集电路 对于系统来说，传感器相当于眼睛，鼻子。烟雾检测采用mq-2烟雾传感器检测，当传感器接收到烟雾信号后经过adc0832芯片转换后就可以得到单片机能够识别的被测烟雾浓度所对应得数字电压值。从而根据实际的使用环境设定出最接近极限的烟雾浓度报警值。电路如图6所示图6 烟雾浓度采集电路3.4显示模块系统的报警器浓度以及温度显示选用型号为共阳数码管。显示浓度精度为1，显示温度精度为1.，数码管主要技术参数如下：适用的工作电压范围为 36v；工作电流大约80ma；系统设计时程序编写采用动态扫描方式显示。数码管电路如图7所示图7 数码管电路图一位数码管最简单的设计就是采用静态扫描的方式，因为一位数码管是8个段选1个位选，如果采用动态扫描方式显示，那就是得用9个io口，而且程序也比较麻烦，如果选用静态那么位选接电源或地（共阳接电源，共阴接地），段选接io口，就可以控制显示了，这样只用8个io口就ok，而且程序比较简单。多位一体的数码管只能用动态扫描的方式，因为数码管硬件本身就将每个位的段都在内部已经接到一起了，所以只能动态控制了。检测烟雾浓度值与环境温度值显示采用4个数码管静态显示，其数码管显示电路图如图8所示：图8 数码管驱动显示电路3.5 声光报警电路三极管基极串连一个电阻你用三极管正向导通的特点作为控制开关与单片机p3.6连接，由单片机发出的高低电平控制三极管的通断从而达到控制蜂鸣器工作的目的。当系统工作时检测到环境被测烟雾浓度含量达到用户自行设定值的上线时，单片机就会持续发出指令，蜂鸣器工作发出声响报警，同时发光二极管就会正向导通，随着单片机的响应频率闪烁。如下图9 为声音光报警电路图 图9 声音光报警电路图 3.6 按键控制电路 为了方便用户在不同环境情况使用，系统电路设计中增加了四个控制按键，作用是根据实际情况设置报警上限，一个设置键；一个加键提高报警上限；一个减号键减少报警和紧急报警按钮，当遇到特殊情况，可按下紧急报警按钮，蜂鸣器自动报警。如图10所示图10按键连接电路图3.7 电源模块电源模块是保证系统能够工作的能量源头，能够解决5v供电的方案很多，可以用5v的蓄电池，也可以用干电池供电，但是蓄电池体积较大，干电池也需要经常更换，所以在进行系统设计时我直接使用电脑的usb口直接供电。图10 电源接口电路3.3本章小结 本章阐述了烟雾报警器的硬件设计，详细介绍中心控制芯片stc51系列单片机的最小系统的结构电路，信息采集模块，按键控制，报警模块和电源模块，对系统涉及到的模块进行分开讲述。另外详细的介绍了ds18b20温度传感模块。第4章 烟雾识别检测报警器的软件实现以及硬件制作4.1单片机程序调试及开发工具 程序的实现是在硬件电路准确，并且通过仿真确实达到效果才能被证明其准确性的，程序的编程是使用编程软件keil c51，这款软件是由美国某公司出品，其编程语言可以识别c语言，c语言与汇编相比，在功能上更易懂，对于初学者来说，c语言结构更加合理，可读性强、子函数调用更加方便。另外，keil c51本身自带大量的库函数以及自带仿真功能，对于初学者来说，这样的软件更易学易懂，这款软件强大之处在于生成正确的目标代码非常迅速，编译之后能够准确指出程序在编写时出现的语法错误，有利于程序编写者检查并改正错误。这也是选择这款软件的优势之一。4.2烟雾检测报警器软件流程及设计 论文最终实现的流程是：烟雾传感器识别并检测被测环境中危害气体在空气中的浓度，并通过数模转化，将模拟量生成数字量，传输给单片机，单片机在收到信号后进行处理，控制报警器是否工作并且显示浓度。同时，温度传感器并行工作，实现在复杂环境下系统能够准确可靠工作的目的。4.2.1主程序设计方案 程序流程：程序初始化、传感器预热、烟雾传感器与温度传感器同时检测、烟雾浓度信号数模转换、单片机处理数据控制报警模块。主程序还包括检测到的烟雾浓度以及现场环境温度的显示，使用的是共阳极数码管，报警器模块不仅使用蜂鸣器报警，同时增加了发光二极管，是的报警系统更切合实际使用环境。注意事项：系统所选择的烟雾传感器类型为半导体电阻式烟雾传感器，其缺点是传感器在不通电的情况下放置一段时间后再次通电后传感器不能立即准确有效的采集正确的信息，所以，在设计程序时需要考虑到这个问题，同时，在这期间可以采用程序对整个系统进行故障检测。5 硬件电路仿真为确保设计电路能够安全有效工作，同时在实物焊接完成前能够直观有效的对所设计的电路进行试验仿真，仿真顺序为分步仿真，首先是温度检测显示仿真，如下图11所示：图 11 温度检测显示仿真接下来是第二步：加入烟雾传感器，同时检测，如下图12所示：图 12 烟雾、温度检测显示仿真说明：仿真时所使用的传感器是有电阻代替，起到的效果是一样的。5 硬件调试及调试中需要注意的问题1.考虑到设计成本问题，设计创作系统电路时选择在洞洞板上进行手工焊接，虽然降低了生产成本，但是由于硬件电路还算复杂，且焊锡走线为单层走线，为了电路能够成功连接，不能直接连线的引脚需要用导线相连，因此每个焊点都要小心仔细焊接，确保整个硬件电路不短路，不断路。另外，为了追求焊接的美观，尽量做到没有毛刺。2.硬件电路搭建完成焊接好后需要再次使用万用表检测焊接过程中的漏点，进一步确认手工焊接无误。着重检查元器件正负极是否短路，如果短路很有可能烧毁整个电路，以前的焊接全部白费，并且元器件需要重新购买，白白增加设计成本。3.虽然系统的结构不是很复杂，但是要能够一次性完成焊接且没有差错我觉得工作量还是很大的，我做硬件电路从查资料到画原理图再到最后的完成基本用了两个半星期，下图13为硬件电路图:图13 系统硬件电路图6 硬件实物电路调试方法步骤：将单片机芯片取下插到学习板上，烧录程序后安在烟雾报警系统板上，使用电脑usb线给之供电，首先调节按键，观察系统的报警上限是否能够改变；按下复位电路，观察数码管后两位显示的温度值，然后用手捏住温度传感器，观察数码管上显示的温度是否有变化；接下来设定报警上限，再次测试温度传感器与烟雾传感器，观察报警器能否工作。7.总结性评价社会中的可燃性气体泄漏火灾都伴随着灾难的发生，怎么减少灾难的发生，降低人民群众的