毕业设计（论文）-基于单片机烟雾火灾检测仪系统设计.doc

基于单片机烟雾检测仪系统设计摘 要随着社会的经济的不断发展，扩大，工业集中聚集起，火灾率不断上升，防火必须死守，目前国内许多研发团队大部分侧重于大场所的火灾报警系统。所以，我们就有必要研制一种结构简单且经济实用，便宜的家庭用烟雾报警器来适应市场的需求。现研发家庭使用的烟雾报警器必须具备的基本要求及功能，本文讲述一种比较适合的烟雾报警器。 本烟雾报警器由烟雾及温度来设计，由89C52STC单片机、SDB2018温度传感器、4位共阳数码管显示、 按键模块、蜂鸣器报警模块、 电源模块、MQ-2烟雾检测模块和ADC0832模数转换模块组成。烟雾传感的MQ-2感应器实时检测出空气中烟雾含 量，通过电路板上电阻分压方式接在0832ADC模数转换芯片数据转换，通过单片机的自动运算处理后，即在数码管上把烟雾的浓度显现出来，此时采用ds18b20温度传感器检测中此环境内的温度，通过转换运算也在数码管上进行显示。电路板上有三个按键，可进行烟雾和温度的报警值进行更改设置。基中有四个按健钮，最左边为测试板，右侧2为减档，右侧3为加档，右侧4为功能档，如果环境中的烟雾浓度值 大于设定值时，蜂鸣器立及报警，同样如果环境温度值大于设置的烟雾浓度和设置温度值时，蜂鸣器也会发出报警声。关键字： MQ-2烟雾传感器 ，STC89C52单片机， TCARABSTWith the development of society and economy, fire protection work more and more important, but at present, many domestic research focused on large place fire alarm.We, therefore, it is necessary to develop a kind of simple structure, economical and practical family smoke alarm to adapt to the demand of the market.Based on smoke alarm for family use should have the basic requirements and functions, the article designed a suit to the smoke alarm. This design USES the smallest system controlled by STC89C52, DS18B20 temperature sensor, four Yang digital tube display, power supply module, a buzzer alarm module, keys module, MQ - 2 alcohol detection module and ADC0832 analog-to-digital conversion module.Alcohol sensor MQ - 2 real-time detection of alcohol gas in the air, pressure way through resistance points in the ADC0832 modulus conversion chip data transformation, after a single-chip processing on the digital tube display the concentration of alcohol, at the same time using ds18b20 temperature sensor testing environment temperature, after conversion operation is conducted on the digital tube display.Can through the three keys to alcohol and temperature alarm value set.When actual the alcohol concentration and the environment temperature is greater than the set of alcohol concentration and the setting temperature value, through the buzzer alarm.System buttons also has the function of add, subtract, you can set the alcohol concentration and high temperature alarm value, can be an emergency alarm and manual cancelled an emergency alarm function, when in special circumstances can press the emergency alarm button alarm, and power save function, set the parameters of the stored in the MCU internal EEPOM. Key words: STC89C52 singlechip, MQ - 2 alcohol sensor, ADC0832, DS18B2023摘要IRACTABSTII1、绪论21.1课题的背景21.2烟雾浓度检测的国内外现状22、总体方案设计33、系统方案，设计43.1主控制器模块选择43.2温度传感器的选择43.3按键的选择53.4显示模块的选择53.5电源选取64、芯片资料简介64.1温度传感器DS18B2064.1.1DS18B20的管脚配置和内部结构74.1.2DS18B20单总线介绍84.1.3DS18B20的工作原理84.2 MQ2烟雾传感器的简介104.3ADC0832模数转换器简介124.4 STC89C52单片机的简介144.4.1 STC89C52单片机主要特性155、硬件实现及单元电路设计185.1主控制模块185.2显示模块电路195.3温度传感器(DS18B20)电路205.4烟雾检测AD采集电路205.5声音报警电路215.6按键控制电路215.7按键控制电路226、系统软件设计226.1系统主程序设计及流程图226.2温度程序流程图23结论25致谢25参考文献26附录1整体电路原理图27附录2元器件清单27附录3部分源程序281、绪论1.1课题的背景近来年电子市场不断发展，加热物体廉价加热体的不断发菜发展，且家装用材防火等级不达标等问题越来越多的隐患存在于人们的日常生活中。为了早期发现和警报火灾发生情况， 保护人身伤害及财产损失，防止和减少火灾危害。阻止火灾燃烧事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。防止这类事故的发生，我们就必须对烟雾进行实时检测，采用可靠的安全检测仪表，同时监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，这样才能确保家庭生活安全。因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。1.2烟雾浓度检测的国内外现状 早在上世纪二三十年代，在国外各国，研发人员开动员了就对烟雾传感器的开发和研究，但由于人们对生活安全要求的提高和市场对传感器的需求，这才使得传感器技术得到迅速的发展。统计表明，欧州各国在19982003年间烟雾传感器年均的增长率在20%40%。随生活水平和工业化程度的不断提高，使得烟雾传感器向集成化发展，这样就使得烟雾传感器更加容易携带，从而更有利于烟雾传感器的生产、运输和市场推广。早在日本，十九世纪八十年代，接触燃烧式的燃气泄漏报警器由研发人员研发出来，并取得很大进展，后来改良产品在同年上市，受广大家庭深受好评，改良过的产品可以检测甲烷、乙烷，丙烷，还有一氧化碳，二氧化碳等各种可燃气体，由于其体积小，它的安装极其方便。在中国八九十年代一直都未人们很关注，必要的情况下都是停是人工监控的状态，主要靠人们原动员值班人工监控是否有火灾的发生，烟雾报警出现的比较晚，直到到了20世纪，火灾事故不断发生，并生活水平日益发展，才开始关注烟雾报警器，但国内的各大生产厂商生产出的产品核心部位都依懒于国个产品，并没有掌握到真正的核心技术，主要是靠抄袭参考国外产品进行生产。到了20世纪90年代，随改革步阀的加快，与国外先进技术的拥进，以及国内各大火灾烟雾报警系统厂家们相互竞争因素，烟雾报警系统不但引进了国外的先进技术，先进人才，而且也在竞争中不断创新，研发出许多符合客户的各种各样要求的产品。烟雾报警器大概可以分成以下两大系列：(1)生活用火灾烟雾报警器在家装，现大部分家装过程当中，警报器直接装进易燃，有隐患场合，当发生火灾时，它的温度与烟雾深度值加大，报警器开始工作，并可以鸣响其它警觉发生器，如警灯等，相应排烟风机可以工作，也可以自动喷水灭火，现宾馆的每一个房屋都安装了这个温度与探雾装置，以达到预防火灾发生的目的。(2)工业用的及有毒有害的烟雾报警器工业用的烟雾报警器与有毒有害气体的烟雾报警器的区别就在于它们的检测传感头不一样，但工作原理是一样，依据现场检测出烟雾环境的差异，可以将分类探测器、控制器和检漏仪。2、总体方案设计 本设计采用核心部件为1 STC89C52单片机2 DS18B20温度传感器3 4位共阳数码管显示、4 电源模块、5 蜂鸣器报警模块、6 按键模块、7 MQ-2烟雾检测模块8 ADC0832模数转换模块组成。1- 烟雾传感器MQ-2实时检测现场空气中的烟雾气体含量，通过电阻分压方式接在ADC0832模拟量转换数字量转换芯片的通道1口，经单片机的运算处理后在数码管上把烟雾的浓度显示出来。2- 同时采用ds18b20温度传感器检测现场环境温度值，经过模拟量转换成数子量，运算值也在数码管上进行显示出来。烟雾，温度的设定值，均可以通过三个按键进行报警值初次设定。当实际中的烟雾浓度和环境温度值大于设置的烟雾浓度和设置温度值时，通过蜂鸣器发出报警声。系统的按键还具有连加、减功能，可以设置烟雾浓度和高温报警值，可紧急报警和手动取消紧急报警功能，当有特殊情况时可按紧急报警键报警，并有掉电保存功能，设置的参数保存在单片机内部EEPOM中。其中的温度测量是为了进一步保障了人生的安全。当车内或者环境温度过高时容易引起烟雾着火，起到了一个预防和保护作用。系统总体框图如图2-1所示：电源部分按键模块ADC0832单片机STC89C52数码管显示温度传感器蜂鸣器报警烟雾传感器MQ-22-1总体结构框图3、系统方案、设计 该系统主要由温度测量和温度设置及系统状态显示三部分电路组成，下面介绍实现此系统功能的方案。3.1主控制器模块选择市面上采购的单片机分为高，中，低三层次，高档以进口产品为主，精度高，稳定性强，功能也强大，通讯能力也强，国内高档有可编程逻辑器件CPLD。CPLD能够实现复杂动作的逻辑功能、规模大、 体积小、稳定性高， 密度高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。但是我们设计这套方案并不需要这么复杂的逻辑功能，对数据的处理速度也要求不高。再从成本考虑价格稍贵，故放弃了此方案。STC89C52单片机作为核心部件，在控制水油，其它介质的温度测量控制系统中发辉不错的性能指标。通过水温的自动控制，这一顶中，单片机就有与其它不可比拟的优势，比如易控制、方便快捷安装。还有能够充分实现其资源丰富、有较强大的控制性能及可位寻址操作功能、价格便宜等优点。此单片机具有较强大的功能指令。如1I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于此系统完全足够。2STC89C52单片机价格上有优势，非常便宜。3.2温度传感器的选择若用数字温度芯片DS18B20 测量现场温度，输出信号为数字量。便于单片机处理数据及控制步骤，省去了之前传统的测温方法所使用多路继电器控制外围电路。此芯片对幅度超限有精度优势，传统温控有极大的误差，或有继电器控制式，断开，再接通，曲线图突上突下现象，控制不够精密，但此款，有无接点，线性控制，温度误差极小，对环境恶劣条件下也可以便宜，化学稳定性还是够强大的。在0100 摄氏度时，最大误差不超过1 摄氏度。若采用TF200作现场温度传感器时，因利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、有突高突低进行测温的，误差较大，抗振，化学稳定性都稍差。且使用起来比较复杂。4、芯片资料简介4.1温度传感器DS18B20 温度传感器最早由美国戴劳斯公司推出的数字式测温芯片，此芯片有体超小，接口方便等优点。测温从-58度+130度，温度分辨率极高，有912位数据分辨能力，自行可定义温度报警限值，方便操作。接线脚连接方式为，输入输出端直接连在单片机的P4连接，与外部电源连接时可配电阻。DS18B20芯片如图3所示。图3 DS18B20芯片封装4.1.1DS18B20的管脚配置和内部结构引脚定义： (1)DQ为数据传输端，数字信号输入/输出端； (2)GND为电源负极端(3)VDD为外接供电正极端图4 内部结构图4.1.2DS18B20的工作原理 DS18B20的温度检测系统与数据处理转化数字量都在一个模块里，并运行时一个周期内可有效完成温度检测与数据的片理。故抗干涉能力超强。18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是1ROM只读存储器 2RAM 数据暂存器， 操作流程如下：先复位，存在脉冲，在电平结束前完成，再后控制器发送ROM指令，双方通讯结束后，可交换数据处理。当控制器发送存储器操作指令时先执行或数据的读写，再进行保存。此操作指令可根据存储器内的数据的读写有关。 4.2 MQ2烟雾传感器的简介 Q-2传感器工作原理，它是利用半导体元件导电率的特性来判断有无烟雾，若空气中有少量烟雾时半导体元件随便量的增大导电率也增大。半导体由二氧化锡为主。同时结合简单的电子电路系统，就可以导电率转化为数量量，判断空气中烟雾量的变化，这种半导体元件，灵敏度极高，导电率变化也大，响应时间和恢复时间也短的特点，且信号输出强大，寿命长，工作稳定优势，市面上广泛应用。二氧化锡(SnO2)元件特点总结有这三点。第一，化学稳定性强，耐腐蚀的能力也强。第二，此元件对气体检测时吸附，脱离时间短，可不停连续性工作。第三，结构简单，成本低，机构性能好。MQ-2半导体元件的结构图2所示，由三氧化二铝陶瓷套管、SnO2 感触层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。 MQ-2半导体气体烟雾传感器适用于烟雾、乙炔、石油天然气、H2、CH气体、汽油、煤油、CH4、HN等的检测，对易燃气体的（甲烷、C3H10、氢气等）检测敏感。这种传感器在较宽的浓度范围内对烟雾气体有良好的灵敏度，可以检测好多种气体的检测，非常适合安装在家装行业报警系统中。安装简单，成本低等优势。其技术指标表1。表1 MQ-2的技术指标加热电压（Vh） AC或DC 50.2V 回路电压（Vc）负载电阴（Rl）清洁空气中电阻 （Ra） 灵敏度（S=Ra/Rdg）响应时间(trec)恢复时间(trec)元件功耗检测范围使用寿命最大DC 24V2K2000 K4(在1000ppmC4H10中)10S30S0.7W5010000ppm2年 根据现场烟烟雾的特性，电子元件的结构也有所不同，工作原理同样不同。通常下若输入进来的烟雾超过电子元件起动低限时就需要外部的放大器，对信号放大处理，方可接收信号，但如果输入信号超过电子元件的最低接受范围，就不需要放大器放大信号，可直接接收。故MQ-2半导体气体烟雾传感器如果想把信号直接发送到单片机，就配模拟量转化数字量的模块，这时单片机就可以识别到电信号。 设计人员应当了解，电子元件QM-2气体传感器刚开机时它内部的阻值非常小，当过几分钟阻值变为正常，所以，刚开机时会有个识报警。故需要一定的预热工作。图3.3 采样电路4.3ADC0832模数转换器简介ADC0832 是国外生产出来的一种半导体元件，具有8位分辨率和双通道模拟量转化为数字量的芯片。由于它体积小，兼容性强，稳定性好，深受大家喜爱，也是最为普及的一种。使用ADC0832 可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。ADC0832 具有如下特点：1 8位液晶分辨率；2双通道模拟转化数字量 3I/O电平与TTL/CMOS兼容4 5V电源供电时输入电压在0-5V之间 5工作频率为250KHZ6 功耗仅16mW 7 9P、15P 多种封装8商业用级温度宽为0C +80C，工业级芯片温宽为-30C +75C 芯片顶视图：图1芯片接口说明： CS_ 使能，低电平有效。 CH0 模拟量输入通道0。 CH1 模拟量输入通道1。 GND 芯片参考0 电位（地）。 DO 数字量输出。 DI 数据量输入。 CLK 芯片时钟输入。 Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。ADC0832 与单片机的接口电路：ADC0832 具有8位分辨率的模拟量转化数字量的功能，最高分辨可达到256级，通常条件下都可以满足到。芯片转换时间仅为32S，具有双数据输出，并可以作为数据校验来使用，降低数据误差，转换速度快又稳定性能强。ADC0832时序图： 图34.4 STC89C52单片机的简介单片机最为核心部件主模块在整个系统中起到人的大脑作用，即有显示功能，又有检测任务，还有指令，在我们这个任务中用到了51系列单片机中的STC89C52主控芯片。51系列单片机最初是由Intel 公司开发设计的，但后来这个公司把公司产品单片机卖给不同国家的电子制造商，所以，大部分配件均可以兼容。并在51 的基础上扩展一些功能而内部结构是与51一致的。STC89C52引脚40个， 8位并行I/O口有4个 ， 全双工异步串行口1个 ，同时内含中断源5个 ， 优先级2个 ， 16位定时/计数器2个 。STC89C52的存储器系统由4K的程序存储器(掩膜ROM)，和128B的数据存储器(RAM)组成。STC89C52单片机的基本组成框图见图3-1。图3-1 STC89C52单片机结构图 4.4.1 STC89C52单片机主要特性1. 一个8 位的微处理器(CPU)。2. 片内数据存储器RAM(128B)，用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89 系列单片机最多提供1K 的RAM。3. 片内程序存储器ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31 等。目前单片机的发展趋势是将RAM 和ROM 都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。SST 公司推出的89 系列单片机分别集成了16K、32K、64K Flash 存储器，可供用户根据需要选用。4. 四个8 位并行IO 接口P0P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。5. 两个定时器计数器，每个定时器计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的52 系列单片机都会提供3 个16 位定时器/计数器。6. 五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只5 个中断源，例如SST89E58RD 就有9 个中断源。7. 一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行IO 口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。8. 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为12MHz。SST89V58RD 最高允许振荡频率达40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。图3-2 STC89C52单片机管脚图部分引脚说明：1XTAL1 和XTAL2：时针电路引脚2RST,ALE,PSEN 和EA：控制信号引脚3P0/P1/P2/P3：输入/输出端口P3口(P3.0P3.7，1017 脚)：P3口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向I/O口。P3口每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口与其它I/O 端口有很大的区别，它的每个引脚都有第二功能，如下：P3.0：(RXD)串行数据接收。P3.1：(RXD)串行数据发送。P3.2：(INT0#)外部中断0输入。P3.3：(INT1#)外部中断1输入。P3.4：(T0)定时/计数器0的外部计数输入。P3.5：(T1)定时/计数器1的外部计数输入。P3.6：(WR#)外部数据存储器写选通。P3.7：(RD#)外部数据存储器读选通。5、硬件实现及单元电路设计5.1主控制模块主控制最系统电路如图5-1所示。单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。STC89C52 单片机的工作电压范围：4V-5.5V,所以通常给单片机外界5V直流电源。连接方式为单片机中的40脚VCC接正极5V，而20脚VSS接电源地端。复位电路就是一个系统中若出现程序失控跑偏时，手动按下复位按扭，整个系统会进行初始复位状态，有时是起动自动运行复位，有时需要人工去按下复位健。 本设计当中采用的是手动按下复位按扭形式，从外部接入+5V电压，来提高高电平值，这样才会有效。 时钟电路好比单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。时钟电路就是振荡电路，是向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us。 图5-1单片主控电路5.2显示模块电路 显示采用四位数码管显示，当位选打开时，送入相应的段码，则相应的数码管打开，关掉位选，打开另一个位选，送入相应的段码，则数码管打开，而每次打开关掉相应的位选时，时间间隔低于20ms，从人类视觉的角度上看，就仿佛是全部数码管同时显示的一样。显示电路如图5-2所示：图5驱动电路5.3温度传感器(DS18B20)电路温度采集电路如图5-3所示，DS18B20的数据脚和电源之间加了一个4.7K的上拉电阻，以保证数据的稳定。图5-3温度传感器电路引脚图。5.4烟雾检测AD采集电路 烟雾检测系统采用MQ-2传感器。经过ADC0832采集后就可以得到烟雾各种气体后经过R14电阻的电阻分压的电压值，经过单片机运算分析后在数码管上把烟雾的浓度显示出来，具体电路如图5-4所示：图5-4烟雾浓度采集电路5.5声音报警电路 烟雾检测仪系统电路采用PNP型S8550三极管驱动，当单片机的P36口输出低电平时，三极管饱和导通，蜂鸣器发出报警声。当单片机P36口输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止报警。电路图如图5-4所示：图5-4继电器加热电路5.6按键控制电路 本电路设计了四个按键，分别为设置键、参数加键、参数减键和紧急报警键。电路板上的左边第一个按键为手动报警键，当在正常显示界面时，可以通过此键进行手动报警。左边的第四个按键为参数设置键，第一次按下此键进入温度设置界面，第一个数码管显示”A“。第二次按下此键时进入了烟雾浓度报警设置，数码管的第一个显示”b“。按下此键第三次时回到了烟雾测量显示界面。进入设置界面时可以通过左边第二个按键加键和左边第三个按键减键进行报警参数设置。具体电路图如图5-5所示图5-5按键模块电路图5.7按键控制电路烟雾检测系统采用3节1.5 V干电池共4.5V做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。电源接口电路如图7所示，其中P1为电池接口，SW1为电源开关，R18为二极管的限流电阻，D1为电源指示灯。电源模块电路图如图5-6所示：图5-6电源模块电路图6、系统软件设计6.1系统主程序设计及流程图主程序流程图如下图所示。首先要给传感器预热,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。程序初始化烟雾MQ-2传感器预热开始 单片机处理，判断否超过设定报警值A/D转换进入报警子程序 信号采集温度信号采集温度信号处理是否否在整个报警系统工作中，烟雾浓度信息经ADC0832转换处理后，由单片机进行分析处理，判断系统是否启动报警。主程序还包括LED八段式数码管浓度字符显示功能、手动报警功能、报警浓度设定功能，中断子程序等，同时检测温度传感器的温度，和设置温度做对比，如果大于设置温度蜂鸣器发出报警声，温度报警值也可以设置，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。6.2温度程序流程图主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，主程序的主要功能是负责温度的实时显示，读出并处理DS18B20的当前温度值，与设定的报警温度比较，其程序流程见图9所示。图9 DS18B20温度流程图结论随着社会不断进步和发展，还有人们生活条件不断进步，市面上装修材料各种各样，对质量要求有好有劣质产品，如果家装时用到耐火等级稍差产品，一旦家里发生火灾