电气工程及其自动化毕业设计（论文）-烟雾检测与监控及语音报警系统的设计.doc

烟雾检测与监控及语音报警系统的设计物理与电子信息学院 电气工程及其自动化专业 学号：070544015指导教师： 摘要：随着生活水平的提高和安防意识的增强，急需开发面向大众、价格低廉、运行可靠的自动报警系统。鉴于此，本文针对可燃气体，选用MQ-2型半导体传感器且以AT89C51单片机为核心，采用直接模拟存储技术DAST芯片ISD1420和8位A/D转换器ADC0809设计了一种烟雾自动检测与监控的智能语音报警系统。该系统包括信号采集与放大电路，A/D转换模块，语音报警模块，数码管显示模块及模拟保护电路等，可实现声光智能报警，浓度显示，报警限设置，延时报警及自动排除故障等功能。关键词：传感器；AT89C51；ISD1420；语音报警Smoke detection and monitoring and voice alarm system designHan Zhong-huaPhysical and electronic information institute electrical engineering and automation N0: 070544015Tutor: Xu Wan-mingAbstract: With the improvement of living standards and safety consciousness enhancement, we need to develop mass, inexpensive and reliable operation of the automatic alarm system. In view of this, the essay combustible gas, choose MQ -2 semiconductor sensor AT89C51, adopt direct simulation storage technology DAST chip ISD1420 and eight A/D converter ADC0809 designed a kind of automatic detection and monitoring the smoke of intelligent voice alarm system. The system includes signal acquisition and amplifying circuit, A/D conversion module, voice alarm module, digital display module and relay protection circuits, Analog sound intelligence can be realized. According to the alarm limit concentration of setting , the system can realize to delay alarm and automatic trouble-shooting etc.Key words:sensor;AT89C51;ISD1420;voice alarm目 录摘要11 引言41.1 课题研究背景及意义41.1.1 研究背景41.1.2 意义41.2 烟雾报警器的发展现状及未来趋势41.2.1 烟雾报警器分类41.2.2 我国烟雾报警器的技术现状及未来发展趋势51.3 课题研究内容及主要任务52 整体方案设计选型及其相关基础知识介绍52.1 烟雾传感器的选型52.1.1 接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器的比较52.1.2 MQ-2型烟雾传感器的工作原理62.1.3 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标62.2 单片机的选型72.3 报警语音芯片的选型102.3.1 ISD1420功能简介102.3.2 ISD1420引脚图及功能简介103 烟雾检测及语音自动报警系统的硬件电路设计113.1 信号采集及前置放大电路113.1.1 前置放大电路图113.1.2 前置放大电路特点113.2 A/D转换电路123.2.1 A/D转换电路图设计123.2.2 转换电路工作过程123.3 声光报警电路及模拟排除故障电路134 烟雾检测及语音自动报警系统的软件设计154.1 主要软件设计流程图154.2 主程序初始化流程图164.3 声光程序设计及流程图165 总结17附 录181 引言1.1 课题研究背景及意义1.1.1 研究背景随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。另外，近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座。当然，除此之外不容我们忽视的还有石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂等等。当人们享受科技为我们生活带来的便捷时也多了一份忧患，为了早期发现和通报火灾，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，甚至危及生命安全。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。1.1.2 意义 为了减少可燃气体爆炸这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密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，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警系统具有极其重要得意义。1.2 烟雾报警器的发展现状及未来趋势1.2.1 烟雾报警器分类 烟雾报警器可分为民用火灾烟雾报警器、工业用烟雾报警器、 有毒有害烟雾报警器三大系列产品1。(1) 民用火灾烟雾报警器 民用火灾烟雾报警器为居民家庭用的火灾报警器,一般安装在厨房，遇到火灾产生的烟雾时时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把烟雾排出室外。 (2) 工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器 工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。1.2.2 我国烟雾报警器的技术现状及未来发展趋势 我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步1,2。1.3 课题研究内容及主要任务本论文的目的是实现烟雾的实时监测与监控，并在发生有害气体烟雾泄露事件时实现声光报警，同时启动相关部件解除危情。本文的创新点在于去除以往尖锐的蜂鸣报警，实现智能化的语音报警，更加准确的提醒危情信息及解除危情的信息。2 整体方案设计选型及其相关基础知识介绍为了实现烟雾检测及监控，声光报警功能，并且当有危情发生时可以自动引发报警和排除故障，该系统应该包含有信号采集模块，中心控制模块，显示模块，报警模块，排除故障电路等模块组成。其原理框图可描绘如下， 图1 系统原理框图2.1 烟雾传感器的选型2.1.1 接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器的比较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。 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)。 2.1.2 MQ-2型烟雾传感器的工作原理本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200300C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少， 从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受 到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以 获得这种烟雾存在的信息2。遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自 动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。MQ-2型传感器的结构图如下：图2 MQ-2型传感器 图3 MQ-2型传感器的外观2.1.3 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标(1)MQ-2型传感器的一般特点 (a) MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。 (b) MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定， 响应时间短，长时间工作性能好。 (c) MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。 (2) MQ-2型传感器的特性参数 (a) 回路电压：(Vc) 524V (b) 取样电阻：(RL) 0.120K(c) 加热电压：(VH)50.2V(d) 加热功率：(P)约750mW (e) 灵 敏 度：以甲烷为例R0(air)/RS (0.1%CH4)5 (f) 响应时间：Tres10秒 2.2 单片机的选型 单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度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，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警 器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积3。 如今市面上比较普遍的单片机有8051系列与STC系列。8051系 列采用的是堆栈指针，STC采用硬件堆栈8级。当堆栈指针设定合理，局部变量少的情况下，8051系列用10层的程序嵌套不会出现问题。而STC单片机程序嵌套包括中断最多不能超过8层。所以如果用C语言进行STC编程设计容易堆栈溢出。鉴于C语言的易读性和普遍性，本论文的软件设计选择C语言编程，所以STC系列单片机在此处不是非常合适。 为适用于本论文设计的烟雾检测报警器，应选择一种速度快，功耗低，抗干扰性好，而又避免C语言编程溢出问题的单片机，本设计中选用了AT89C51单片机。2.2.2 AT89C51单片机简介(1) AT89C51实物图及引脚图如下所示：图4 AT89C51引脚图及实物图(2) AT89C51功能简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器3,4。(3) AT89C51的管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流,这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口管脚备选功能如下：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）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）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。2.3 报警语音芯片的选型2.3.1 ISD1420功能简介 ISD1420为ISD公司出品的优质单片语音录放电路,单片录放时间820s音质较好。芯片采用CMOS技术,内含振荡器、话筒前置放大、自动增益、控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及EEPROM阵列。在录放操作结束后,芯片自动进入低功耗节电模式、功耗仅015W。芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术,每个采样直接存储在片内EEPROM单元中,因能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调各效果,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频率513kHz,614kHz和810kHz,对音质仅有轻微影响。片内信息可保存100年(无需后备电源), EEPROM单片可反复录音10万次5。2.3.2 ISD1420引脚图及功能简介图5 ISD1420引脚图ISD1420芯片封装有28引脚如图5所示，其中，A0A7为地址或操作模式控制端；VSSD为数字地；VSSA为模拟地；SP+，SP-为音频信号输出端，可以驱动816欧扬声器；VCCA为模拟电源；VCCD为数字电源；MIC为话筒输入端，可用驻体话筒，通过耦合电容；MICREF为话筒输出参考端，若不用应悬空；AGC为自动增益参考端，调整芯片内部前置放大器增益使录入信号不失真；ANAIN、NAOUT两端间接电容，用于模拟信号的直接输入输出；XCLK为外部时钟或接地（一般用户接地即可）；/REC为录、放音控制，低电平为录音（此时PLAYE或PLAYL=0）；PLAYL为电平放音控制（低电平有效），放音时应该保持低电平；PLAYEE为边沿放音控制，下降沿开始放音RECLED为录音指示，接发光二极管，录音时亮，放音结束闪烁一下6。3 烟雾检测及语音自动报警系统的硬件电路设计 3.1 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。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。3.1.1 前置放大电路图图6 信号采集与放大电路3.1.2 前置放大电路特点由于引入了深度电压串联负反馈，所以电路的输入阻抗很高，输出阻抗比较低。输入阻抗高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。3.2 A/D转换电路3.2.1 A/D转换电路图设计从传感器得到的电信号是连续的模拟信号，而单片机只能处理数字信号，故需加入A/D转换电路，将模拟信号转化为数字信号。本设计中采用了通用的ADC0809转换芯片，其A/D转换电路图如下图7所示，图7 A/D转换电路3.2.2 换电路工作过程由上图可知，ADC0809有8个模拟信号输入通道IN0-IN7，我们不防选择IN0作为本设计中的模拟信号输入通道，则IN0的输入端将于前置放大电路的输出端相连，将烟雾传感器的模拟量转换为了数字量，并且将数字量送入了AT89C51的P0口。单片机处理接受到的数字信号，根据数值大小实现对整个系统的控制。3.3 声光报警电路及模拟排除故障电路本设计中采用的LED数码管显示烟雾浓度的数值，并且设置了浓度报警限，若超出报警限数值，系统将会自动播放设定的危情警告，此后单片机产生一个中断用于自动排除故障，这里由于条件限制我将采用发光二极管指示灯模拟实际操作。其硬件连接电路如下图8所示：图8 声光报警及排除故障电路(1)工作过程：首先由单片机的P0口得到有烟雾传感器经放大，A/D转换的数字信号，送单片机CPU处理，根据程序中报警限的设置，若没有超出报警限该信号只送LED显示，并且驱动中断INT1使发光二极管绿灯亮，模拟处于正常状态。使单片机P2.5引脚输出一个脉冲信号，信号传送到ISD1420的PLAYE引脚，当处于下降沿时触发语音播放，此后单片机发出一个中断INT0，发光二极管红灯亮，模拟执行关闭烟雾开关。关闭后当烟雾浓度降低后，系统会自动进入正常状态。(2)PCB板设计与制作：1、利用原理图设计工具绘制原理图，把每个元件的封装填好并且生成对应的网络表。进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，执行菜单命令“Design/Netlist”加载网络表，通过“Browse”按钮选择网络表文件，系统加载指定的网络表并生成相应的网络宏，若网络宏加载出现错误时需要进行编辑修改，当加载网络表没有出现错误信息时，单击“Execute”按钮后，系统将网络表列出的所有元件放置到布局范围内。2、执行菜单命令“Design/Rules”进行设计规则设置，主要设置元件的安全距离、布线层次和布线方向以及布线宽度。3、完成设计设计规则设置之后，进行元件的自动布局操作，其操作如下：执行菜单命令“Tool/Auto Placement Shove Depth”，设置拉开元件的次数，一般设置选择五次即可；执行菜单命令“Tool/Auto Placement/Shove”，用于是重叠或距离很近的元件拉开距离；在电路板图的尺寸范围内布置元件位置，最后确定的位置就是电路板上元件的焊接位置。4、电路板布线，布线长度尽可能短，且在转弯处以圆角或斜角为宜，布线间距在满足电气安全下尽可能大，公共地线尽可能位于电路板边缘，在电路板上应多保留铜箔做地线，且地线以环路或网状为好7。按照以上步骤生成PCB图如下所示： 图9 声光报警及排除故障PCB图4 烟雾检测及语音自动报警系统的软件设计4.1 主要软件设计流程图本论文中，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，送LED显示，声光报警控制以及模拟排除故障控制。主程序流程图如图10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。检测的烟雾浓度信号经放大和A/D转换后将浓度值与报警限设定值相比较，AT89C51单片机判断是否报警，同时送入LED数码管显示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯，中断子程序等，使报警器功能更加完善，使用起来更加快捷方便。其主程序流程图如下所示：图10 主程序流程图4.2 主程序初始化流程图主程序初始化流程图如图4.2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。接下来定时器0中断允许位置1，打开定时器0，关闭语音播放报警，开启绿灯，设置报警限初 值。其流程图11所示：4.3 声光程序设计及流程图当烟雾浓度超过报警设定值时，调用语音报警子程序使播放相应危情信息，对应通道的红灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策和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12所示：图11 主程序初始化流程图 图12 语音报警子程序流程图5 总结本设计论文涉及到的知识主要有传感器选择，AT89C51单片机及ISD1420语音芯片的相关知识。完成的任务主要有通过传感器测量到烟雾浓度，然后将浓度大小送到单片机处理，通过数码管显示出来，并且经单片机处理后决定是否发生危情，是否启动报警。通过这次毕业设计，我学到不少知识，对一个小型的自动报警系统设计有了较好的了解，对DXP 2004软件的应用，C语言的编程技巧，以及和单片机控制相关的知识都有了较深的理解。但也存在很多不足之处，不能准确掌握器件内部结构及设计，程序编写不严谨等。参考文献1 张保卫, 尚家峰, 赵金水. 燃气报警器的分类与选择M. 山东消防, 2003(8): 2748 2 彭军. 传感器与检测技术. 西安电子科技大学出版社M, 2003: 3335 3 求是科技. 单片机应用系统开发实例导航M. 人民邮电出版社, 2003: 1632154 余锡存, 曹国华. 单片机原理及接口技术M. 西安电子科技大学出版社. 2007: 68855 刘沛. 基于ISD1420的语言报警器设计J. 现代电子技术出版社.2004:821136 柳延领, 王金红. 基于ISD1420的语音播报器的研究与实现J. 中国期刊全文数据库. 2008年18期7 刘祖明. Protel DXP 2004入门与提高M. 电子工业出版社新址. 2010