基于单片机控制的烟雾报警器设计.doc

毕 业 论 文（设 计） 论文（设计）题目： 基于单片机控制的烟雾报警器设计 所属系别 信息工程系 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 撰写日期 2014 年 5 月摘 要本设计以传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件即可实现声光报警、自动排烟换气和消防灭火等功能。设计中单片机选用AT80C51作为控制器件，传感器选用QM-N5型气体传感器实现对烟雾的检测。烟雾报警器主要由烟雾信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、显示电路、声光报警电路和安全保护电路构成，设计合理、简单易懂、价格低廉，使单片机在烟雾报警系统的控制中得到充分应用，具有一定的实用价值。论文主要针对烟雾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，并对其主控电路和外围设备电路之间的接口连接方式，以及系统软件设计进行了重点的分析和讲解。关键词：烟雾报警器，单片机，传感器 AbstractWhich the sensor and the microcontroller of the design is the most important part of alarm devices, with other devices can achieve alarming with sound and light, automatically reducing smoke and fighting fire ,etc. IN design, microcontroller used AT89C51 and select QM-N5 Gas Sensor to detect smoke. Smoke alarm mainly by the signal acquired circuit, A/D converted circuit, MCU controlled circuit,displayed circuit and alarming with sound and light circuit,reasonable design, simple structure, easy to use, inexpensive. As a result, the microcontroller in the control of the smoke alarm system is fully applied. Therefore, this design about smoke alarm has practical value. Thesis give detailed introduction for the function and theory of the various component parts of the alarm system, focus on the interface technology between its main controlled circuit and peripheral circuit, also give explanation of the software . Key words ：Smoke Alarm，SCM， sensor 目 录1.绪论12.系统的总体方案设计12.1烟雾报警器的工作结构和原理12.2烟雾报警器的主要功能设计23 系统的硬件设计33.1 烟雾传感器的选型33.2 单片机的选型43.2.1 89C51简介43.3信号采集及前置放大电路63.3.1LM324简介63.4 A/D转换电路73.5声音报警及消音键电路93.6字符显示电路103.7状态指示灯电路103.8安全保护电路113.9报警器故障自诊断电路113.10烟雾报警器硬件总电路124 系统软件的设计144.1系统主程序设计及流程图144.2主程序初始化流程图144.3报警子程序设计及流程图155 结论17参考文献18致 谢19 1.绪论随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。一旦发生火灾，将对人的生命和财产造成极大的危害。社会和经济快速发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接危胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失。火灾自动报警系统(FAS)就是为了满足这一需求而研制出的，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。在本论文中的最主要的设计是选AT89C51单片机和QM-N5半导体气体烟雾传感器为核心器件。AT89C51单片机兼容标准MCS-51指令系统，功能强大，可供许多高性价比的场合应用，能够灵活应用于各种控制领域。QM-N5半导体气体烟雾传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，寿命长，成本低，非常适用于家庭使用的气体泄漏报警器。由这两个核心器件设计而成的整个烟雾报警器系统可实现声光报警、报警状态字符显示、换气扇排烟和喷水灭火等烟雾报警器应有的功能，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。2.系统的总体方案设计2.1烟雾报警器的工作结构和原理 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：信号采集及前置放大电路、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、故障自检、换气排烟和自动灭火等功能。报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以AT89C51单片机为控制核心，选用QM-N5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。可燃烟雾报警器系统结构如图2-1所示。烟雾传感器放大电路A/D转换单片机调节阀LED状态指示灯蜂鸣器数码管字符显示换气扇 图 2-1 可燃烟雾报警器系统结构框图该系统的工作由烟雾信号采集及放大电路将采集到的烟雾浓度信息转化为放大的模拟电信号。模数转换电路再将该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处理，并对处理后的数据进行分析。当输入A/D转换器的放大信号不为零时，启动报警电路。反之则为正常工作状态。设计中为了方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够间接知道环境中的烟雾浓度，所以用数码管显示字符来指示报警状态。系统采用蜂鸣器声音报警和LED闪烁状态作为警报信号。这种报警方法是在声音报警基础上，加入光闪报警。因为变化的光信号可以引起用户和家庭邻居的注意，弥补了在嘈杂环境中声音报警的局限，使得报警装置更加完善。在报警启动的同时，单片机控制器还可以控制调节阀喷水灭火和换气扇排烟动作。系统留有继电器接口，使单片机能够控制换气风扇和调节阀的工作状态，让系统在报警的同时自动启动相关安全装置。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和传感器断线或接触不良时，进行故障报警。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。2.2烟雾报警器的主要功能设计报警器正常工作时，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大电路放大，转化成较大的模拟电压信号后送入A/D转换器，然后再送给AT89C51单片机处理。当单片机检测到输入ADC0809的放大信号不为零时，系统启动报警。报警时，LED红灯点亮并持续闪烁60min，蜂鸣器启动并持续鸣叫60min，LED数码管显示符号“1”，并且换气扇自动运行，以达到改善环境中的空气质量的目的。同时，若自来水或家庭储水管道有水，则单片机调用延时子程序,经延时600s由单片机通过继电器控制调节阀进行喷水灭火动作。否则，报警系统只能启动声光报警和换气扇自动排烟功能而无法进行灭火动作。反之，报警器不发出警报，LED状态指示灯绿灯常亮且不闪烁，数码管不显示字符，蜂鸣器不发出声响。为了区别正常的工作的报警，在误报警和不正常的工作状态警报时，LED数码管显示符号“0”，蜂鸣器声音报警持续30min，同时LED黄灯点亮且闪烁30min，以提醒用户检查传感器或者电路连线情况，及时排除故障，保证安全。另外，系统还设有一个消音功能的按键，当报警器发出鸣叫时，用户到达现场，可按下按键（消音键）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。3 系统的硬件设计3.1 烟雾传感器的选型烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。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。为了确保家庭环境的安全，需要对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。但是，由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。因此目前使用的烟雾传感器有很多种，各自的检测原理也各不相同。在本论文中我们选用QM-N5半导体传感器，QM-N5半导体气体烟雾传感器适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，对可燃性气体的（CH4、C4H10、H2等）的检测很理想。这种传感器在较宽的浓度范围内对可燃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。它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。3.2 单片机的选型单片机是烟雾自动报警系统的心脏，用来接收火灾信号并启动报警装置显示和执行相应的保护和消防动作。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，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。其中，51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51系列单片机是最理想的选择，因此设计采用AT89C51。3.2.1 89C51简介 AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT89C51单片机提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个IO 口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51单片机的基本组成图如图3-1所示。T0 T1 时钟源 系 统 总 线 CPU震荡与定时电路外部中断信号内部中断信号128BSFR 128BRAM4KBROM两个16位定时0计数器总线控制 并行端口串行端口控制信号P0 P1 P2 P3TXD RXD图3-1 AT89C51单片机的基本组成图AT89C51单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接晶体振荡器Y，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHZ，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。 单片机有多种复位电路，本系统采用自动复位（上电复位）与手动复位方式，电路如图3-4。当上电时，C3充电，电源经过电容器C3 加到RESET引脚，使单片机复位；在正常工作时，按下复位键时单片机复位。时钟电路如图3-2所示。图3-2 时钟电路和复位电路图3.3信号采集及前置放大电路在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。只有传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整，才能满足单片机对输入信号的要求。3.3.1LM324简介 设计中采用LM324作为电路的运算放大器。LM324是价格便宜的带差动输入功能的高增益四运算放大器。LM324的静态功耗小、价格低廉，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。如图3-3所示，IC2A作为电压跟随器，通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref接入IC2B的反相输入端，从传感器输出的信号经过运算放大器LM324的同相输入端，为保证电路引入负反馈，在IC2B中，输出电压Vo通过电阻R22接到反相输入端，由此组成差分比例运算电路。该电路的反馈组态为电压串联负反馈。 图3-3 信号采集及前置放大电路图设计中采用的信号放大电路有以下几个特点： (1) 由于电路不存在“虚地”现象，所以其两个输入端都有较高的共模输入电压，这对放大电路的稳定性和运算的精度都有影响。(2)电电路中IC2A构成了的“电压跟随器”可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。用来匹配阻抗用的，防止滑动变阻器输出电压受到影响。(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干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。由于放大电路还增加入了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便地调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref和传感器的输出电压分别输入到运算放大电路的两个输入端，由此得到的输出电压Uo与两个输入端之差成正比而实现差分比例电路。所以调节滑动变阻器Rp2，就可以直接改变放大电路的参考电压值，使报警系统可以在可燃烟雾气体的不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对不同烟雾浓度的测量。3.4 A/D转换电路在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换(AD转换)，才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。完成AD转换的器件即为AD转换器。AD转换器的主要性能参数有：(1) 分辨率分辨率表示AD转换器对输入信号的分辨能力。AD转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示；(2) 转换时间转换时间指AD转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远；(3) 转换误差转换误差表示AD转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示；(4) 线性度线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。目前有很多类型的AD转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色，综合全部因素设计决定采用美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片.A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，ADC0809由8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成，芯片引脚图如图3-4所示, 内部结构图如图3-5所示。图3-4 ADC0809引脚图 图3-5 ADC0809内部结构图ADC0809的引脚功能:D7-D0 ：8位数字量输出引脚IN0-IN7 ：8位模拟量输入引脚VCC ：+5V工作电压GND ：地REF（+） ：参考电压正端REF（-） ：参考电压负端START :A/D转换启动信号输入端ALE ：地址锁存允许信号输入端ADC0809的主要性能指标为:（1）分辨率为8位。（2）最大不可调误差：ADC0809为1LSB。（3）单电源+5v供电，基准电压由外部提供，典型值为+5v，此时允许输入模拟电压为05V。（4）具有锁存控制的8路模拟选通开关。（5）可锁存三态输出，输出电平与TTL电平兼容。（6）转换速度取于决芯片的时钟频率。当时钟频率500KHz时，转换时间为128s。3.5声音报警及消音键电路电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P2.3端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。系统设有一个消音按键，当报警器发出鸣叫时，用户到达现场，可按下消音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。声音报警电路图如图3-6所示。消音按键连接电路图如图3-7所示。 图3-6 声音报警电路图 图3-7 消音按键连接电路图3.6字符显示电路报警器浓度等级显示采用一个八段共阳极数码管显示。电路采用型号为CPS08011BR的 LED共阳极数码管。数码管字符显示电路图如图3-8所示。图3-8 数码管字符显示电路图 3.7状态指示灯电路指示灯电路如图3-9所示。 图3-9 指示灯电路绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低；黄灯闪烁表示传感器连接故障或是线路接触不良；红灯闪烁表示环境中烟雾浓度超过报警最低预设值，提醒用户尽快做出相应安全防范措施。3.8安全保护电路在安全保护电路中，继电器（电磁继电器）是否动作是保护动作是否执行的唯一条件。当被检测到的现场烟雾浓度达到给定装置所设定的报警预设值时，继电器KA1动作，自动换气风扇启动。此时，单片机调用延时子程序，经延时600s后，继电器KA2动作，调节阀打开同时洒水灭火。继电器连接及控制电路图如图3-10所示。 图3-10 继电器连接及控制电路图继电器的工作原理是利用低压控制电路来控制高压工作电路。在继电器的输入回路中，当流经线圈的电流变化时，线圈会产生自激电压来抑制电流的变化，线圈中的电流变化越快，所产生的电压越高。所以在设计中，单片机驱动继电器时，需要并联一个二极管，利用二极管的反向击穿能力，来消除自激电压，达到稳定线圈电压和保护晶体管的目的。3.9报警器故障自诊断电路在传感器的地端串联一个电阻R16。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ADC0809的IN2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。传感器故障自诊断电路图如图3-11所示。 图3-11 传感器故障自诊断电路图3.10烟雾报警器硬件总电路把上述各个部分电路结合到一起，就是所设计的可燃烟雾报警器总电路。通过各自分工，最终实现声光报警、字符显示、自动换气排烟和灭火功能。烟雾报警器硬件电路设计如图3-12所示。3-12 烟雾报警器硬件电路设计4 系统软件的设计4.1系统主程序设计及流程图主程序流程图如下图4-1所示。在整个报警器系统工作中，AT89C51单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行信号放大、A/D转换处理后，由单片机进行分析处理，判断系统是否启动声光报警。主程序还包括LED八段式数码管浓度字符显示功能、消音按键功能、安全联动装置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主程序流程图4.2主程序初始化流程图给传感器预热后，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。主程序初始化流程图如图4-2所示。开始 设置定时器0，选择方式1允许外部中断0点亮绿灯，熄灭黄灯和红灯关闭蜂鸣器关闭安全联动装置熄灭数码管结束 图4-2 主程序初始化流程图4.3报警子程序设计及流程图当烟雾浓度达到系统的报警预设值，此时报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应输出通道的红灯闪亮，换气扇自动运行，并且延时打开调节阀。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4-3所示。放大信号不为零 放大信号是否为零 信号采集开始 消音键是否按下传感器是否故障传感器故障自诊断黄灯闪烁30min熄灭绿灯红灯闪烁60min启动换气扇蜂鸣器鸣叫30min打开调节阀蜂鸣器继续鸣叫按键扫描子程序蜂鸣器停止鸣叫延时600s子程序蜂鸣器鸣叫60min数码管显示字符1数码管显示字符0返回子程序 延时20s子程序 Y N Y N N Y Y 图4-3 报警子程序流程图5 结论本文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，详细地阐述了基于单片机控制的烟雾报警器的设计目的和实现方法。通过系统方框图、硬件电路图和软件流程图的表示，全面、具体地阐述了系统中各个部分的原理和功能。设计简单易懂，功能齐全，十分适合在家庭生活中使用。尽管如此，实际上本设计还有很多的不足的地方。如设计换气扇根据不同的烟雾浓度实现自动调速，使环境中的空气质量能够得到适度的改善；设计数码管直接显示环境中的烟雾浓度值，让用户或者赶到现场的人能够直接地知晓环境中的烟雾浓度值，以便做出更好、更合适的判断和处理；设计报警系统实现自动拨号功能，使用户和管理员能够及时地知道火灾情况并赶到现场，迅速地做处理；参考文献1何利民.单片机高级教程M.北京:航空航天大学出版社,2006.8 2李晓莹.传感器与测试技术M.北京:高等教育出版社,2004.5 3 Meng Joo