毕业设计（论文）-智能火灾报警系统的设计.doc

目 录 摘 要 I Abstract II 前 言 III 1 总体方案设计 1 2 系统原理及原理图 2 3 系统的硬件电路 3 3 1 控制模块设计 3 3 1 1 单片机选型 3 3 1 2 单片机最小系统 4 3 2 检测电路设计 6 3 2 1 烟雾检测电路 6 3 2 2 温度检测电路设计 11 3 3 显示与报警电路 15 3 3 1 显示电路 15 3 3 2 报警电路 16 3 4 按键控制及电源电路设计 16 4 系统主程序设计及流程图 18 4 1 主程序设计 18 4 2 滤波子程序设计 19 4 3 线性化处理子程序设计 19 4 4 报警子程序设计 20 4 5 控制按键设计子程序 21 5 硬件调试 22 结 论 23 致 谢 24 参考文献 25 附录 1 总体原理图设计 26 附录 2 元器件清单 27 附录 3 PCB 图 28 附录 4 实物图 29 附录 5 部分程序源代码 30 智能火灾报警系统的设计 智能火灾报警系统的设计智能火灾报警系统的设计 摘 要 随着社会和经济的发展 防火工作越来越重要 但是目前国内的许多研发都侧重 于大型场所的火灾报警 因此 研发一种小型智能报警器是十分必要的 报警器是用 烟雾传感器组成的 了解并掌握各类传感器的基本结构 工作原理及特性是非常重要 的 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监控系统 本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合 设计 出一种技术水平较好的烟雾报警器 其中选用 MQ 2 型半导体可燃气体敏感元件烟雾 传感器实现烟雾的检测 具有灵敏度高 响应快 抗干扰能力强等优点 而且价格低 廉 使用寿命长 选用的 STC12C5410AD 单片机 其整合了 A D 转换 硬件乘法器 硬件脉宽调制器等资源 具 有高速 低功耗 超强抗干扰等优点 是目前同类技术中 性价比较高的产品 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 关键词关键词 烟雾 报警器 STC12C5410 传感器 智能火灾报警系统的设计 THE DESIGN OF INTELLIGENT FIRE ALARM SYSTEM Abstract With the advent of the information age as a means of access to information sensor technology has been significant progress and its applications more widely its increasingly high demand the demand for more and more urgent Sensor technology has become the measure of a country s level of development of science and technology an important symbol Therefore to understand and master the basic structure of the various types of sensors the working principle and characteristics are very important In order to increase awareness and understanding of the sensor especially in depth study of the smoke sensor and its usage and purpose based on practical widespread and typical design principles of the system In this paper the use of single chip sensor technology combined with the development and design of the smoke control system In this thesis smoke sensors and resistive core chip technology and combined with other electronic technology design a technical level better smoke alarms Which choice MQ 2 type semiconductor combustible gas sensors to detect smoke smoke sensor to achieve with high sensitivity fast response anti interference ability etc and inexpensive long service life Optional STC12C5410AD microcontroller which integrates A D conversion hardware multiplier hardware resources such as pulse width modulator with high speed low power consumption super anti jamming etc similar technology is currently higher cost products Keywords Smoke Alarms STC12C5410 Sensors 智能火灾报警系统的设计 前 言 火灾 是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害 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 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 对于火灾 相信大家都 不陌生 随时可以听到或者看到各种各样的火灾 小的失去钱财 大的家破人亡 火 灾的危害性也越来越大 实践证明 随着社会和经济的发展 消防工作的重要性就越 来越突出 由此 火灾报警器在消防工作就的作用也尤为突出了 智能火灾报警器系统的发展变化很快 新技术的发展进一步拓展了火灾报警系统 的应用领域 为一些报警系统无法胜任的环境提供了有效的手段 我国的火灾报警从 无到有 从有到现在的智能 火灾报警系统集早期探测 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 随着技术的创新 单片机早已深入应用到工农业生产各个领域及人们生活应用中 于是 各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来 单片机是器件级计算机系统 实际上它是一个微控制器或微处理器 由于它功能齐全 体积小 成本低 因此它可 以应用到任何电子系统中去 同样 它也广泛应用于报警技术领域 使各类报警装置 的功能更加完善 可靠性大大提高 以满足社会发展的需要 我国的火灾报警从无到有 从有到现在的智能的发展过程 而且它的智能化的程 度也越来越高了 面对人类社会的经济与技术的急速发展改进火灾报警系统也成为必 做的 火灾报警的工作性能 维护费用及维护要求 向着高可靠性 高灵敏性 低误 报率 系统网络化 技术智能化方向发展 因此 研制一种结构简单 价格低廉的智 能火灾报警器是非常必要的 智能火灾报警系统的设计 1 总体方案设计 智能火灾报警系统主要用到的是烟雾报警器 烟雾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 该报警系统的最基本组成部分应包括 信号采集模 数转换电路 单片机控制电路 字符显示电路 声光报警电路和安全保护电路等部分 组成 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求 设计的烟雾报警器具有 显示报警状态 报警器采用延时的工作方式 烟雾检测报警器以 STC89C52 单片机为 控制核心 选用 MQ 2 半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度信息 配合外围电路构成 烟雾报警系统 本设计包括硬件和软件设计两个部分 从设计的要求来分析该设计须包含如下结构 烟雾检测部分 STC89C52 单片机主 控部分 报警部分 AD 采集四大部分 电路总题框图如图 1 1 所示 电源开关 电源 STC89C 52 单片机 AD 采集电路 显示电路 报警电路 按键控制 图 1 1 总体设计框图 处理器采用 51 系列单片机 STC89C52 1 整个系统是在系统软件控制下工作的 设置在监测点上的烟雾检测探头将检测到的烟雾变换成电信号 送出模拟信号 给 AD 采集电路采集 在单片机内 经软件查询 识别判决等环节实时发出烟雾报警状态控 制信号 驱动蜂鸣器及报警指示灯报警 智能火灾报警系统的设计 2 系统原理及原理图 智能火灾报警系统的原理是依据当烟雾浓度或温度达到设定值时 烟雾传感器和温度传感器感 应到信号由 ADC0832 进行处理模数转化再到单片机进行处理 喇叭发出报警声音 系 统共分为控制电路 检测电路 显示和报警电路 系统原理图如图 2 1 所示 R1200 R6200 R7200 R8200 R9200 R10200 R11200 R12200 A B C D E F G DP 5 4 6 2 3 1 SW1 sw 灰灰 1 2 P1 GND R182K 12 D1 D VCC P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 RXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA VPP 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 U1 U1 Y1 12M C220pF C320pF VCC GND R15 10K C1 10uF VCC 1 2 3 4 J1 VCC S1 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P20 P21 P22 P34 P35 P36 GND1 DATA 2 VCC3 U3 DS18B20 GND R16 10K VCC P35 B1 蜂鸣器 Q5 8550 VCC GND R13 2K P23 S4 S3 S2 S5 P24 P25 P26 P27 P32 P33 CS 1 CH0 2 CH1 3 GND 4 DI 5 DO 6 CLK 7 VCC 8 1 ADC0832 GND VCC P34 P33 P32 Q1 8550 Q3 8550 Q4 8550 Q2 8550 VCC 1H 3H 2H 4H R22K R32K R52KR42K P24 P25P26 P27 GND 1 2 34 5 6 U2 VCC R17 5 GND R14 1K E 1 D 2 DP 3 C 4 G 5 4H 6 2H 9 F 10 A 11 1H 12 B 7 3H 8 DS1 SMG04 1 图 2 1 系统原理图 智能火灾报警系统的设计 3 系统的硬件电路 3 1 控制模块设计 3 1 1 单片机选型 单片机是智能火灾报警系统的心脏 用来接收火灾信号并启动报警装置显示和执 行相应的报警 在单片机实现的控制功能中 需要单片机有较快的运算速度 使检测 人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级 并进行 相应处理 同时 在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单 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 由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用 许多国家的集成电路的生 产厂家也都相继推出各种类型的单片机 在众多单片机中 MCS 系列单片机就其指令 和运行速度而言 比以往的功能强大了很多 性能 技术 可靠性和性能价都十分的 优秀 其中 C52 系列单片机的优点是价钱便宜 I O 口多 程序空间大 因此测控系 统中 使用 52 系列单片机是最理想的选择 本设计就选择采用 STC89C52 2 TC89C52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 可编程 Flash 存储 器 使用高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在线可编程 亦适于常规编程器 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高 灵活 超有效的解决方案 STC89C52 3 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位定时器 计数器 一 个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 STC89C52 可 降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 和定时器及串口和中断时继续工作 这一模块以单片机为中心把程序代码烧 进去然后外围接上复位电路 振荡电路 键盘控制 LED 显示电路 报警电路等子模 块 下面对 STC89C52 4 各引脚的功能进行较为详细的介绍 1 电源引脚 Vcc 和 Vss Vcc 40 脚 电源端为 5V 智能火灾报警系统的设计 Vss 20 脚 接地端 2 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL2 接芯片外部晶体引线端 当使用芯片内部时钟时 这两个引线端接石英 晶体和电容 XTAL1 接电容的一个端口 在芯片内 它是振荡电路的反向放大器输入端 当 使用外部时钟时 用于接地 3 控制信号脚 RST ALE PSEN 和 EA RST 脚 复位信号 只有高电平时才有效 在此输入端保持两个机器周期 24 个 时钟振荡周期 的高电平时 就可以完成复位操作 ALE PROG 30 引脚 地址锁存允许信号端 当 STC89C52 上电正常工作后 ALE 引脚不断向外输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率 fosc 的 1 6 可以做外部时钟 或者外不定时脉冲信号 在 CPU 访问片外数据存储时 每取值一次 一个机器周期 会丢失一个脉冲 PSEN 29脚 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2次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这2次有效的 PSEN 信号将 不出现 表 3 1 P3 口的第二功能表 引脚第二功能 P3 0RXD 输入口 P3 1TXD 输出口 P3 2INT0 外部中断 0 P3 3INT1 外部中断 1 P3 4T0 定时器 0 外部中断 P3 5T1 定时器 1 外部中断 P3 6WR 存储器写选通 P3 7RD 存储器读写通 EA VPP 31 脚 当 EA 保持低电平时 外部程序存储器地址为 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 FLASH 编程期间 此引脚也用于施 加 12V 编程电源 VPP 对于无芯片内的 ROM 的 8031 或 8032 须外扩 ERROM 智能火灾报警系统的设计 此时必须将 EA 的引脚接地 如果使用有片内 ROM 的 STC89C52 外扩 ERROM 也是 可以的 但也要使 EA 接地 4 I O 输入 输出端口 P0 P1 P2 P3 P0 口 P0 口是一个漏极开路的 8 位准双向 I O 端口 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 双功能口 即可以做普通 I O 口用 此时为准向口 也可以按每位定义实 现第二功能操作 3 1 2 单片机最小系统 要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图 3 1 示 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 RXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA VPP 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 U1 U1 Y1 12M C20 1uF C30 1uF VCC GND R15 10K C110uF VCC 1 2 3 4 J1 VCC S1 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P20 P21 P22 P34 P35 P36 P23 P24 P25 P26 P27 P32 P33 图 3 1 单片机最小系统 单片机最小系统包括单片机 复位电路 时钟电路构成 单片机内部具有一个高增益反相放大器 用于构成振荡器 通常在引脚 XTALl 和 XTAL2 跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器 可以根据情况选择 6MHz 8MHz 或 12MHz 等频率的石英晶体 补偿电容通常选择 20 30pF 左右的瓷片电 容 单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作 上电复位要求接通电源后 自动实现复位操作 手动复位要求在电源接通的条件下 在单片机运行期间 用按钮开关操作使单片机复位 上电自动复位通过电容 C3 充电来 智能火灾报警系统的设计 实现 手动按键复位是通过按键将电阻 R2 与 VCC 接通来实现 5 系统利用 P1口的 P1 0 P1 3设置了4个独立按键 S2 S5 当键按下时 P1口相应的 引脚置为低电平 且与此键相连的发光二极管点亮 时钟电路是单片机的内脏 它掌握着单片机工作节奏 时钟电路相当于振荡电路 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 本系统采用 STC 系统列单片机 相比其他系列单片机具有很多优点 一般 STC 单 片机资源比其他单片机要多 而且执行速度快 STC 系列单片机使用串口对单片机进 行烧写 下载程序较为方便 STC89C52 单片机内部集成了看门狗电路 且具有很强抗 干扰能力 6 本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路 如下图 3 1 1 和图 3 1 2 所示 12 XTAL 30pF C1 30pF C2 GND 10uF C RST 10K R1 VCCGND Res X1 X2 图3 1 1 时钟电路图图3 1 2 复位电路图 由于单片机 P0 口内部不含上拉电阻 为高阻态 不能正常地输出高 低电平 因 而该组 I O 口在使用时必须外接上拉电阻 3 2 检测电路设计 3 2 1 烟雾检测电路 1 传感器介绍 烟雾传感器是测量装置和控制系统的重要环节 7 而烟雾报警器的信号采集由烟 雾传感器负责 烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号 根 据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息 从而达 到检测 监控 报警的功能 可以说 没有精确可靠的传感器 就没有精确可靠的自 智能火灾报警系统的设计 动检测 控制和报警系统 烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件 它决定了 所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性 烟雾传感器内部结构如图 3 2 所示 图 3 2 烟雾传感器及其结构图 烟雾传感器是模拟传感器 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 它 能将空气中的烟雾的浓度的变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置 烟雾型传 感器就是通过监测环境中烟雾浓度来实现火灾防范的 在烟雾探头要碰到烟雾时 烟 雾探头的内部阻值会发生变化时 会产生一个模拟值 从而感受到 在国内的产品中 无论哪家生产的烟雾型探测器 都可以探测到火灾的发生 都具有比较高的灵敏度 而且在安装中都比较简单 但是 由于各生产的设备不可通用 独立为正 不但不可 彼此互相代替 更不可以互相通讯 使得用户面对众多厂家生产的烟雾探测器感到不 知所措 而这也正是国内产品市场的一个重大缺陷 烟雾传感器的分类从构成气体的传感器材料的形态上 通常将它们分为干式 湿 式气体传感器 下面就对一些常用的烟雾传感器进行介绍 半导体烟雾传感器 半导体气敏传感器 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 智能火灾报警系统的设计 以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器 半导体烟雾传感器是利用气体在半导体表 面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的 按照敏感机理分类 半导体烟 雾传感器可分为电阻式和非电阻式 当半导体接触到气体时 半导体的电阻值将发生 变化 利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数 这种类型的传感 器称为电阻式半导体气敏传感器 当 MOS 场效应管在接触到气体时 场效应管的电压 将随周围气体状态的不同而发生变化 利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半 导体气敏传感器 8 自 1962 年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来 由于具有灵敏度高 响应快 输出信号强 耐久性强 结构简单 体积小 维修方便 价格便宜等诸多优点 得到 了广泛的应用 但是其最大的缺点就是选择性较差 该传感器己成为世界上产量最大 使用最广的烟雾传感器之一 接触燃烧式传感器 当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧 接触 燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝 也可表面涂铂 钯等稀有金属催化层 使用时对铂丝通以电流 保持 300 400 的高温 此时若与可燃性气体接触 可燃 性气体就会在稀有金属催化层上燃烧 因此铂丝的温度会上升 铂丝的电阻值也上升 通过测量铂丝的电阻值变化的大小 就知道可燃性气体的浓度 使用接触燃烧式传感 器 其最大的缺点是探头很容易发生阻缓和中毒现象 一般在连续使用两个月后应对 该传感器进行维护 这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 电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成 电化学气敏传感器一般利用液体 或 固体 有机凝胶等 电解质 其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流 也 可以是离子作用于离子电极产生的电动势 即烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电 离子 通过电极将信号传出 它的优点是 反映速度快 准确 稳定性好 能够定量 检测 但寿命较短 大约两年 它主要适用于毒性烟雾检测 目前国际上绝大部分毒气 检测采用该类型传感器 高分子烟雾传感器 利用高分子气敏元件制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展 高分子气敏元件 在遇到特定烟雾时 其电阻 介电常数 材料表面声波传播速度和频率 材料重量等 智能火灾报警系统的设计 物理性能发生变化 高分子气敏元件由于具有易操作性 工艺简单 常温选择性好 价格低廉 易与微结构传感器和声表面波器件相结合 在毒性烟雾和食品鲜度等方面 的检测中具有重要作用 高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高 选择性好 且结构简单 能在常温下使用 可以弥补其它烟雾传感器的不足 离子感烟传感器 离子感烟传感器对于火灾初起和阴燃阶段的烟雾气溶胶检测非常有效 可测烟雾 粒径范围为 0 03um 10um 它在内外电离室里面有放射源镅 241 由于它能使两极板间 空气分子电离为正 负离子 使电极之间原来不导电的空气具有导电性 在正常的情 况下 内外电离室的电流 电压都是稳定的 当火灾发生时 烟雾粒子进入电离室后 电力部分 区域 的正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上 使正 负离子相互中和的 概率增加 从而将烟雾粒子浓度大小以电流变化量大小表示出来 实现对火灾参数的 检测 根据报警器检测烟雾种类的不同要求 很多场合都会选择使用半导体烟雾传感器 经过对比众多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 半导 体烟雾传感器具有灵敏度高 响应快 体积小 结构简单 使用方便 价格便宜等优 点 且不会发生探头阻缓及中毒现象 维护成本较低 因而得到广泛应用 因此 本 设计中的烟雾传感器选用 MQ 2 半导体气体烟雾传感器 2 MQ 2 半导体烟雾传感器 MQ 2 半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡 SnO2 为主 体的 N 型半导体气敏元件 9 当传感器所处环境中存在烟雾气体时 传感器的电导率 随空气中烟雾气体浓度的增加而增大 在设计报警器时只有使用简单的电路即可将电 导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号 该传感器具备一般半导体烟雾传 感器灵敏度高 电导率变化大 响应和恢复时间短 抗干扰能力强 输出信号大 寿 命长和工作稳定等优点 在市面上应用十分广泛 二氧化锡 SnO2 半导体气敏元件特点 SnO2 材料的物理 化学稳定性较好 与其他类型气敏元件相比 SnO2 气敏元 件寿命长 稳定性好 耐腐蚀性强 SnO2 气敏元件对气体检测是可逆的 而且吸附 脱离时间短 可连续长时间使 用 SnO2 气敏元件结构简单 成本低 可靠行较高 机械性能良好 智能火灾报警系统的设计 MQ 2 气敏元件结构如图 2 所示 由微型 AL2O3 型陶瓷管 SnO2 敏感层 测量电 极与加热器构成的元件固定 加热器就为气敏元件 提供了工作条件 特点简单耐用 MQ 2 半导体气体烟雾传感器适用于烟雾 天然气 煤气 氢气 烷类气体 汽油 煤油 乙炔 氨气等的检测 对可燃性气体的 CH4 C4H10 H2 等 的检测很理想 10 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 能够检测多种可燃 性气体 十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中 是一款便携式气体检测器 非常 适合多种应用的低成本传感器 其技术指标表表 3 2 表 3 2 MQ 2 的技术指标 加热电压 Vh AC 或 DC 5 0 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 24V 2K 2000 K 4 在 1000ppmC4H10 中 10S 30S 0 7W 50 10000ppm 2 年 智能火灾报警系统的设计 由于物理量和测量范围的不同 传感器的工作机理和结构就不同 通常烟雾传感 器输出的电信号是模拟信号 已有许多新型传感器采用数字量输出 当信号的数值符 合 A D 转换器的输入等级时 可以不用放大器放大 当信号的数值不符合 A D 转换器 的输入等级时 就需要放大器放大 所以 MQ 2 半导体气体烟雾传感器要想把采集到 的烟雾浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过将模拟信号经过 A D 转换器转化 为可以识别的电信号给单片机 11 CS 1 CH0 2 CH1 3 GND 4 DI 5 DO 6 CLK 7 VCC 8 1 ADC0832 GND VCC P34 P33 P32 1 2 34 5 6 U2 VCC R17 5 GND R14 1K yinwu yinwu 图 3 2 1 烟雾浓度采集电路 设计时应注意 气敏元件开机通电时 其内阻很小 但经过一段时间后 才能恢 复到原来的稳定状态 因此 QM 2 气体传感器需开机预热几分钟 才可投入使用 以 免造成误报 烟雾检测 AD 采集电路 烟雾检测采用 MQ 2 传感器 经过 ADC0832 采集后就可以得到各种烟雾浓度下的 电压值 从而设定出理想的烟雾强度报警值 电路如图 3 2 1 所示 3 2 2 温度检测电路设计 温度采集模块主要就是选择温度传感器 针对温度传感器 可以用 PT100 它是 一种测温电路的传感器 PT100 型传感器的原理是利用温度与组织的变化 变化的函 数关系特性来测温的 它的抗振动性 稳定性 准确度 耐高压好等优点 但使用起 来比较复杂 也可以用 DS18B20 作为测温电路的温度传感器 12 DS18B20 温度传感 智能火灾报警系统的设计 器的温度输出通过独特的一线接口 只需要一条口线通信 多点能力可以使多个 DS18B20 组建成为传感器型网络 为系统的建立和组合提供了更大可能性 它在测温 精度 转换时间 传输距离 分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步 给用 户带来了更方便的使用和更令人满意的效果 通过比较 DS18B20 直接输出数字温度 值 不需要校正 1 DS18B20 简介 DS18B20 温度传感器的温度输出通过独特的一线接口 只需要一条口线通信 多 点能力可以使多个 DS18B20 组建成为传感器型网络 14 为系统的建立和组合提供了 更大可能性 它在测温精度 转换时间 传输距离 分辨率等方面比其他温度传感器 有了很大的进步 给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果 论文系统地介绍 基于 DS18B20 的温度测量控制系统的组成 设计方案 电路原理 程序设计过程 DS18B20 多点温度测量系统是以 AT89C52 单片机作为控制核心 智能温度传感器 DS18B20 为控制对象 用数码管显示 运用 C 语言实现系统的各种功能 设计完成了 冷库温度的监控和报警等令人满意的效果 DSl8B20 采用 3 脚 PR35 封装或 8 脚 SOIC 封装 其内部结构框图如 3 2 2 所示 图 3 2 2 DSl8B20 的内部结构图 DS18B20 的内部结构 主要是有四部分组成的 64 位光刻 ROM 温度传感器 非 挥发温度报警的触发器 配置寄存器 DS18B20 的管脚排列如图 3 2 3 所示 智能火灾报警系统的设计 图 3 2 3 DS18B20 的管脚 DS18B20 的引脚说明如下 GND 地 DQ 数据 I O VDD 电源 64 位激光 ROM 开始 8 位是产品类型的编号 接着是每个器件的惟一的序号共有 48 位 最后 8 位是前 56 位的 CRC 校本文系统地介绍了基于 DS18B20 的多点温度测量 控制系统的组成 设计方案 电路原理 程序设计以及系统仿真过程 DS18B20 冷库 温度监控报警系统是以 AT89C52 单片机作为控制核心 智能温度传感器 DS18B20 为 控制对 象 用数码管显示 运用 C 语言编程实现系统的各种功能 设计完成温度的测量 与 上下限温度报警值设置 借助单片机编程软件 Keil 实现了系统软 硬件的交互联调 并结合数码管 DS18B20 和 AT89C52 单片机最小系统进行了电路焊接和调试 实现了 课题设计目的 下表 2 可知 设定分辨率越高 所需的温度数据的转换时间就会越长 所以 在 实际中要权衡考虑分辨率及转换时间 此存储器除了配置寄存器外 还有另外 8 个的 字节组成 其分配如表 3 3 温度信息在第 l 2 字节 TH 和 TL 值在第 3 4 节 第 6 8 个字节没用 为全逻辑 1 而第 9 个字节读出前面所有 CRC 码的 8 字节 可以用 来确保通信正确 表 3 3 数据分辨率和转换时间 智能火灾报警系统的设计 当 DSl8B20 传感器接收到了温度转换的命令时 就开始启动了转换 如表 3 2 所 示 转换完成后 温度值就会以 16 位的带符号 扩展到以二进制的补码形式来储存 在高速的暂存存储器第 l 2 字节 单片机可以通过用单线接口来读该数据 读取时候 低位在前 高位在后 数据的格式会以 0 0625 LSB 的形式表示 对应温度来计算 在符号位 S 0 时 直接会将二进制转换成十进制位 当 S 1 时 首先将补码转换为原 码 然后计算十进制值 表 3 4 码制转换 在 DSl8B20 完成温度变换之后 温度值和贮存的 TH TL 内的触发值相比较因为 这些寄存器仅仅是 8 位 所以 0 5 位在比较时被忽略 TH 或 TL 的最高有较位直接 对应于 l6 位温度奇存器的符号位 如果温度测量的结果高于 TH 或低于 TL 那么器件 内告警标志将置位 每次温度测量更新此标志 只要告警标志置位 DSl8B20 将对告 警搜索命令做出响应 这允许并联连接许多 DSl8B20 同时进行温度测量 如果某处 温度超过极限 那么可以识别出正在告警的器件并立即将其读出而不必读出非告警的 器件 2 DS18B20 具体参数及工作方式 DS18B20 14 的部分温度转换值如表 3 5 所示 表 3 5 部分温度转换值 R1R0分辨率温度最大转换时间 ms 0 0993 75 0110187 5 1011275 00 1112750 00 温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8 位 CRC 温度输入 2 进制 输出 16 进制 125 0000 0111 1101 000007D0H 智能火灾报警系统的设计 参数的特性为 独特单线接口 只要 l 个引脚就可通信 多点综合测温能力让分布式的温度检测更加简化 不需外部元件 可以用数据线来供电 需要备份电源 测量范围为 55 125 增量值 0 5 读出温度用 9 位数字值的方式 在 1 秒 典型值 内就可把温度转换成数字 可定义的非易失性温度告警设置 3 接口电路 接口电路的电路图如图 3 2 4 所示 图 3 2 4 温度传感器接口电路图 85 0000 0101 0101 00000550H 25 0625 0000 0001 1001 00010191H 10 125 0000 0000 1010 001000A2H 0 5 0000 0000 0000 10000008H 0 0000 0000 0000 00000000H 0 5 1111 1111 1111 1000FFF8H 10 125 1111 1111 0101 1110FF5EH 25 0625 1111 1111 0101 1110EE6FH 55 1110 1110 0110 1111FE90H 智能火灾报警系统的设计 DS18B20 有六条控制命令 温度转换 44H 启动 DS18B20 进行温度转换 读暂 存器 BEH 读暂存器 9 个字节内容 写暂存器 4EH 将数据写入暂存器的 TH TL 字 节 复制暂存器 48H 把暂存器的 TH TL 字节写到 E2RAM 中 重新调 E2RAM B8H 把 E2RAM 中的 TH TL 字节写到暂存器 TH TL 字节 读电源供电方式 B4H 启动 DS18B20 发送电源供电方式的信号给主 CPU 15 DS18B20 有两种供电方式 一是用电源供电的方式 此时 DS18B20 的 1 脚接地 2 脚为信号线 3 脚来接电源 另一个是寄生电源的供电方式 单片机的端口接总线 为了保证在有效 DS18B20 的时钟周期内能提供足够电流 可用一个三极管对总线进行 上拉 本设计用电源供电的方式 3 3 显示与报警电路 3 3 1 显示电路 DP DP G G F F E E A A 1 B B 2 C C 3 D D 4 R6 51R R7 51R R9 51R R10 51R R11 51R R12 51R R13 51R R14 51R 图 3 3 1 数码管显示 显示采用 4 位共阳数码管 单片机控制数码管显示不同的四位数字 P2 0 P2 3 选 位 P0 0 P0 7 选段 显示电路如图 3 3 1 前两位显示烟雾浓度 可显示范围为 0 9 后两位显示温度值 可显示范围为 0 99 度 3 3 2 报警电路 电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机 P3 6 端口连接从而达到控制喇叭是否 报警 声音报警电路图如图 3 3 2 所示 智能火灾报警系统的设计 B1 蜂鸣器 Q 5 8550 V CC G N D R13 2K P36 图 3 3 2 声音报警电路图 3 4 按键控制及电源电路设计 S4 GND S3 GND S2 GND P20 P21 P22 S5 GND P23 图 3 4 消音按键连接电路图 本电路设计了四个按键 一个设置键 一个加键 一个减键 一个紧急报警键 当遇到紧急情况时 可按下紧急报警键 蜂鸣器进行报警 如图 3 4 所示 供电方式可以用 5V 蓄电池为系统供电 蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定 的电压输出性能 但是蓄电池的体积过于庞大 在报警器上使用极为不方便 因此我 们放弃了此方案 也可以用 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 本系 统采用电池供电 电源接口电路如图 3 5 其中 P1 为电池接口 SW1 为电源开关 D1 为电源指示灯 智能火灾报警系统的设计 5 4 6 2 3 1 SW 1 sw 灰灰 1 2 P1 G N D R181K 12 D 1 D V CC 图 3 5 电源接口电路图 智能火灾报警系统的设计 4 系统主程序设计及流程图 4 1 主程序设计 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 主程序流程图如下图所示 图 4 1 主程序流程图 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 使报警器功能更加完善 更加方 便 预热后 程序就开始执行初始化子程序 初始化实现的功能是 I O 口输入 输出 状态设定 寄存器初始化 中断功能等 首先 设定定时初值为 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 中断的允许位 程序初始化 传感器预热处理 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 Y N 智能火灾报警系统的设计 置 1 打开定时器 0 关闭蜂鸣器 开启绿灯 设置报警限初值 4 2 滤波子程序设计 在传感器对信号采样时 会遇到某些脉冲干扰现象 干扰通常会影响个别的采样 点的数据 导致数据和其它采样点的数据的相差比较大 于是可采用中位值平均滤波 法 又称防脉冲干扰平均滤波法 首先对 X 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 X 2 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 滤波子程序流程路如图 4 2 所示 N Y 图 4 2 滤波子程序流程路 4 3 线性化处理子程序设计 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 求 2 到 9 采样值 的和 设置采样次数 N 10 开始 已采样 10 次 调用 A D 采样 将 10 次采样值排序 值送入寄存器 和除以 8 智能火灾报警系统的设计 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 4 4 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 4 4 报警子程序设计 Y N N Y N Y 图 4 4 报警子程序流程图 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 返回上电状态 返回监控状态 启动故障报 警 是否大于 20 读取处理后 的空气浓度 值 开始 延迟 20 秒采 集一组浓度 数据 是否大于 20 传感器故障自诊 断 传感器有问 题 启动燃气泄露报警 消音键是否按下 智能火灾报警系统的设计 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 4 5 控制按键设计子程序 报警系统必须有控制按钮 本设计采用自锁复位开关调整设置值 从而达到超出 设定值时报警功能 键盘处理子程序流程路如图 4 5 所示 N Y N Y 图 4 5 键盘处理子程序流程图 提取键值 结束 调用键盘子程序 是否有键按下 延时 10ms 去抖动 是否有键按下 扫描键值 开始 智能火灾报警系统的设计 5 硬件调试 第一步是目测 单片机应用系统电路全部手工焊接在洞洞板上 因此对每一个焊 点都要进行仔细的检查 检查它是否有虚焊 是否有毛剌等 第二步是万用表来测试 首先用万用表来复核目测时可疑的连线或接点 查看通 断状态 是否与设计是的规定相符 然后检查电源线与地线间 是否有短路的现象 第三步是加电检查 当系统加电时 先检查全部插座或者器件引脚电源端 是否 有符合的电压值 接地端电压值是否接近零 接固定电平的引脚端是否电平正确 第四步是联机检查 在对硬件电路调试过程中 还遇到了不少问题 第一次把所 有的元件都焊上去后 都准备调试了 才发现正负极的插针离得太近了 不容易接电 源 本不该犯的错误 这些都是由于自己的粗心大意造成的 所以说 做任何事情都 必需经过 三