基于单片机的火灾自动报警系统设计

第0页基于单片机的火灾自动报警系统摘要随着“信息时代”的来到，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，在其应用领域越来越广泛，对其要求也变得越来越高，需求也越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，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ST89C52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ST89C52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报警、故障自诊断、浓度级别显示、报警限设置、温度显示及与温度报警值设定等功能。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】：烟雾，报警器，传感器第1页AbstractWiththeadventofinformationtimes,asameansofaccessinginformation-sensortechnologyhasbeensignificantprogress,itsapplicationfieldismoreandmoreextensive,therequirementismoreandmorehigh,moreandmoreurgentneed.Thesensortechnologyhasbecomeanationalscienceandtechnologydevelopmentlevelofoneoftheimportantsymbols.Therefore,understandingandmasteringofsensorsstructure,workingprincipleandcharacteristicisveryimportant.Inordertoimprovethesensorsunderstandingandtheunderstanding,especiallyforthesmokesensorresearchanditsusageanduse,basedonpractical,andtheprincipleanddesignthetypicalsystem.Inthispaper,combinedwiththeuseofsingle-chipsensortechnologydevelopmentanddesignofthesmokecontrolsystem.Inthispaper,resistancetypesmokesensorandsingle-chipmicrocomputerasthecoretechnologyandelectronictechnology,designsatechnologybettersmokealarm.TheselectionofMQ-2typesemiconductorgassensitiveelementsmokesensorsmokedetection,whichhashighsensitivity,fastresponse,stronganti-interferenceability,andthepriceislow,longservicelife.TheselectionofST89C52chip,theintegrationoftheA/Dconversion,hardwaremultiplier,hardwarepulsewidthmodulatorandotherresources,withhighspeed,lowpower,stronganti-interferenceandotheradvantages,isofsimilartechnologyneutralpricecomparisonhighyieldquality.WithST89C52MCUandMQ-2typesemiconductorresistortypesmokesensorasthecoredesignofthesmokealarmcanalarm,faultdiagnosis,concentrationleveldisplay,alarmlimitsettings,temperaturedisplayandtemperaturealarmvaluesettingandotherfunctions.Isakindofsimplestructure,stableperformance,convenientoperation,lowprice,intelligentsmokealarm.Hasacertainpracticalvalue.Keywords:smog,alarm,sensor第2页目录摘要.1ABSTRACT.2第1章绪论.3第1.1节论文研究来源、目的和意义.31.1.1论文研究来源.31.1.2论文研究目的和意义.3第1.2节烟雾报警器的国内外现状.4第1.3节本论文主要任务.5第2章烟雾检测报警器的方案设计.6第2.1节烟雾检测报警器设计思路.6第2.2节烟雾传感器的选型.62.2.1烟雾传感器介绍.62.2.2烟雾传感器的选定.82.2.3MQ-2型烟雾传感器的工作原理.92.2.4MQ-2型传感器的特性及主要技术指标.9第2.3节烟雾检测报警器设计方案.102.3.1烟雾检测报警器工作原理.102.3.2烟雾检测报警器的结构.10第2.4节本章小结.11第3章硬件设计.12第3.1节DS18B20测温电路.12第3.2节报警电路.12第3.3节液晶显示电路.13第3.4节报警温度设定按键电路.13第3.5节烟雾传感器转换电路.14第3.6节控制电路设计.14第3.7节电源电路.14第3.8节总体电路.15第4章软件设计.16第4.1节主程序设计及流程图.16第4.2节主程序初始化流程图.17第4.3节中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图.17第3页第4.4节插值法线性化处理子程序设计及流程图.18第4.5节报警子程序设计及流程图.19第4.6节控制按键设计子程序及流程图.20第4.7节本章小结.21第5章实物调试.22第5.1节实际测量和数据.22第5.2节测量结论.24结论.25参考文献.26致谢.27附录.28附录1：实物照片说明.28附录2：部分源程序.28第4页第1章绪论第1.1节论文研究来源、目的和意义1.1.1.论文研究来源随着科技的飞速发展，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。为了较早的发现和通报火灾，防止和降低火灾带来的危害，保护人身和财产的安全。保卫社会主义现代化建设，防止由火灾引起的燃烧或者爆炸事故，造成严重的经济损失，甚至危及到人们的生命安全。如果想让这类事故能够尽少的发生，我们必须能够现场实时的测量烟雾，采用先进、可靠的测试仪器，准确的测量出烟雾的浓度，能够及时的发现隐患，并采取一定的措施来防止事故发生，才能够保证工业家庭生活的安全。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。1.1.2.论文研究目的和意义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。保卫社会主义现代化建设，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。烟雾检测报警装置是能够检测环境中的烟雾浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。烟雾报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第46项，它归类于物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃烟雾、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置烟雾浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行新的烟雾探测器标准(GB15322-2003)可燃烟雾探测器，2004年10月国家颁布可燃烟雾检测报警器规程JJG693-2004，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器具有极其重要得意义。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。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，烟雾检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。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，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，烟雾报警器具有十分广阔的市场前景。第5页第1.2节烟雾报警器的国内外现状国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅猛，一方面因为人们的安全意识大大增强，对生活的舒适性和环境的安全性有很高的要求；另一方面因为安全法规带动了传感器市场的增长。随着传感器的生产水平在不断的上升，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾报警系统的体积也慢慢变小，提高了烟雾报警系统的便携性，更加利于烟雾报警器系统的生产、运输以及市场推广。1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。我国在70年代初期开始研发烟雾报警器，生产品种齐全、类型多样，由炼油系统扩展到各种类型的警报器几乎所有危险的工作环境中都有应用，所生产的数量也在不断的增加。主要在国外先进的生产技术和传感器技术的基础上，进行研究和发展，创造出属于自己的特色。近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。烟雾报警系统可分为民用火灾烟雾报警系统、工业用烟雾报警系统及有毒有害烟雾报警系统。(1)民用火灾烟雾报警系统民用火灾烟雾报警一般是居民家用的烟雾报警，通常在厨房里安装，遇到由火灾而产生的烟雾时，报警器会发出声音报警，或同时显示数字，同时联动外部设备。有的报警器则可以自动开启排风扇，把烟雾排出室外。(2)工业用烟雾报警系统及有毒有害烟雾报警系统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不同，而在原理和应用中都很差不多。工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根据不同的环境检测，可以分为检漏仪、控制器和探测器。检漏仪的尺寸较小，分为便携带式或手持式，一般情况用在燃气管理的查漏与巡检。如果燃气泄漏出来，检漏仪便会发出警报和烟雾浓度的数字显示，让人能够及时的采取措施，以防发生爆炸之类的事故。控制器和探测器组合起来使用，可长期的监测防爆现场的烟雾浓度。探测器一般安装于防爆现场，控制器壁挂在有人值班的值班室里，两者由屏蔽电缆线连在一起。当探测器检测到天燃气泄漏的时候，屏蔽电缆线会将信号传送到控制器，控制器便开始报警，同一时间启动排气装置来保证安全。此种仪器广泛的应用在液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。第6页第1.3节本论文主要任务本篇论文是烟雾报警器的研制，主要基本部分和扩展部分(1)基本部分(a)对系统进行整体规划和结构设计。(b)以ST89C52单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为温度电路、键盘电路、烟雾A/D转换电路、声音报警电路、显示电路五个部分。(c)系统的软件设计。按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始化子程序、键盘处理子程序、滤波子程序、线性化处理子程序、浓度显示子程序、报警子程序、报警限值设置子程序。在程序的编写过程中，加入了详细的文字注释，便于后期的改进与维护。(d)硬件与软件的实时调试。(2)扩展部分再加入一路传感器信号采集电路，利用双通道数据实现采集的优化，主要是利用辅助的一路进行修正主传感器，以提高精度和可靠性。第7页第2章烟雾检测报警器的方案设计第2.1节烟雾检测报警器设计思路烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并且能够报警提示的一种仪器，仪器的最基本组成部分应包括：模数转换电路、烟雾信号采集电路、单片机控制电路。一般由烟雾传感器与模拟放大电路构成烟雾信号采集电路，能让烟雾信号变成模拟的电信号。模数转换电路可以让烟雾检测电路发出的模拟信号改变为单片机能够识别的数字信号导入单片机。单片机再对这数字信号开始滤波处理，最后分析处理过的数据，看看是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，如果大于报警限定就开始报警，反之则继续工作。为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。方便调节报警限，可以加入按键。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是至关重要的。第2.2节烟雾报警器的选型烟雾报警器属于气敏传感器，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。2.2.1.烟雾报警器介绍(1)烟雾报警器的分类烟雾报警器品种繁多，一般可以分为三个类别。(a)利用物理化学性质的烟雾报警器：如接触燃烧烟雾报警器、半导体烟雾报警器等。(b)利用物理性质的烟雾报警器：如红外报警器、热导烟雾报警器、光干涉烟雾报警器等。(c)利用电化学性质的烟雾报警器：如电势型气体报警器、电流型烟雾报警器等。(2)烟雾报警器应满足的基本条件烟雾报警器可以是单一功能的，也可以有很多功能；可是单独的实物，也能够由许多的传感器构成。但是，每一个烟雾报警器都应该满足这些要求：第8页(a)可以自选的检查某一种烟雾，并且对其他的烟雾没有什么大的反应；(b)可以很灵敏并且有效的测量出烟雾的浓度；(c)能够快速的反应测试，并且可以反复的使用；(d)可以长时间稳定的工作；(e)使用时间长；(f)成本廉价，方便运用和修检。(3)常见烟雾报警器介绍下面对工业上常用的几种烟雾报警器作简单介绍。(a)半导体烟雾报警器半导体烟雾报警器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾报警器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾报警器。自1962年半导体金属氧化物烟雾报警器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该报警器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾报警器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。(b)固体电解质烟雾报警器固体电解质烟雾报警器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传感器。但这种报警器制造成本高，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中有优势。(c)接触燃烧式报警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，故得名接触燃烧式报警器。接触燃烧式烟雾报警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)，使用时将铂丝通电，保持300C400C的高温，此时若与烟雾接触，烟雾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，就知道烟雾的浓度。(d)高分子烟雾报警器利用高分子气敏材料制作的烟雾报警器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定烟雾时，其介电常数、电阻、材料重量材、料表面声波传播速度和频率等性能发生了变化。高分子气敏材料由于价格便宜、常温选择性好、工艺简洁、操作简单、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾也食物新鲜一些方面的检查中起着重要作用。高分子烟雾报警器具有对一定的烟雾分子灵敏度高，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。第9页(e)电化学报警器电化学报警器由电解液和膜电极封装而成。烟雾报警信号将电解液分解成阴阳带电离子，然后使信号由电极导出。它有这些优点：够稳定、准确、可以定量检测、反应时间短，就是使用寿命不长(一般两年)。它一般应用在有毒烟雾检查。该报警器广泛的应用在检查很大一部分的毒气检查。(f)热传导报警器热传导报警器和接触燃烧式报警器构成基本相似，就是测量原理不一样。热传导报警器是将加热以后的铂电阻线圈放在待测的烟雾里，因为要传递热量到待测烟雾降低了温度，使其电阻的阻值发生变化。温度的改变和所测烟雾热传导率之间的函数，如果是一定的烟雾，热传导率的物理特性一般是固定的。2.2.2.烟雾报警器的选定烟雾检测报警器一般在油库、化工、石油等容易可燃烧烟雾的地方，根据不同的报警器检查烟雾的需求，我们一般选择半导体烟雾报警器和接触燃烧式烟雾报警器。使用接触燃烧式报警器，它的探头的阻缓和中毒，这个问题没法避免。阻缓是空气中的烟雾和其他混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，很可能在没有焰燃烧的同时，有一些固态的物质附着在催化元件的表面，阻塞其载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，降低了灵敏度。固然被阻缓的传感器重新放回空气新鲜的环境中可能会有一定程度的恢复，不过如果长时间的暴露的话，它的灵敏度就会不间断的下降，最终导致传感器丧失检测烟雾的能力。如果中毒是空气之中一些包含硅烷等元素时，则催化元件就会被传感器产生无法逆转的中毒现象，会很快的丧失了灵敏度。而当这样的物质发生在监测的环境时，经常会标定探头，这个方法很有效果。因此，经常对报警器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对报警器进行量程校准，这种经常性对报警器的维护，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。半导体烟雾报警器是利用单晶半导体材料制成的烟雾报警器和利用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾报警器，它有很多有点，包括价格便宜，响应快、方便使用、体积小，结构简单、灵敏度高等，所以应用范围非常广泛。半导体烟雾报警器的性能包括其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。经过对比上述两种烟雾报警器的特征，发现半导体烟雾报警器的优点更加突出：价格便宜，响应快、方便使用、体积小，结构简单、灵敏度高，且没有探头阻缓和中毒的现象，维护成本廉价等。所以，本次在设计中采集烟雾信息的核心我采用半导体烟雾报警器。并且在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾报警器，因为这种型号第10页的传感器同时具有使用寿命长、抗干扰能力强、响应快、灵敏度高等优点。2.2.3.MQ-2型烟雾报警器的工作原理半导体烟雾报警器包括用单晶半导体元件制成烟雾报警器和用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制成烟雾报警器。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。半导体气敏传感器的分类如表2.1所示。表2.1半导体气敏传感器的分类所利用的特性工作温度表面电阻控制器300450C类型所利用的特性工作温度代表性被检测气体表面电阻控制器300450C可燃性气体电阻型电阻体电阻控制器300450C700C以上乙醇、可燃性气体二极管整流特性室温200CH2、CO、乙醇非电阻型晶体管特性150CH2、H2S表2.1半导体气敏传感器的分类本设计中采用的MQ-2型烟雾报警器的材料是二氧化锡半导体，它是一种表面的离子式N型半导体。当温度在200300C时，空气中的氧被二氧化锡所吸附，吸附了氧的负离子，减少了其中的电子密度，进而增加了它的电阻值。但接触到烟雾后，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，这样会让电导率同样发生变化。利用这特征我们就可以得到这种烟雾存在的信息。遇到可燃烟雾（例如CH4等）时，脱附掉本来吸附的氧，并且二氧化锡半导体表面吸附着可燃烧烟雾的正离子；氧脱附发射电子，烟雾的正离子吸附状态也发射电子，这也增加了二氧化锡半导体导带电子的密度，降低了其电阻值。但如果没有烟雾的时候，二氧化锡半导体开始自动的吸附氧的负离子，让其电阻值变成到起始的时候。这就是MQ-2型燃性烟雾报警器检查可燃烟雾的基本原理。2.2.4.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。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，第11页例如酒精和烟雾等。(d)电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压50.2V。(2)MQ-2型传感器的基本特性(a)初期稳定特性半导体烟雾报警器在不通电状态存放一段时间后，再次通电时，器件并不能立即投入到正常的工作中。这是因为烟雾报警器中的二氧化锡在不通电的情况下会吸附空气中流离的水蒸气，而再次通电时需要预热几分钟使蒸发掉水蒸气后，气敏电阻才能够正常的工作。我们一般定义初期稳定时间是再次通电工作时气敏电阻值能够稳定所需要的时间，。通常，越长时间不通电，初期稳定的时间也越长，如果不通电的时间超过15天的时候，初期稳定时间大概是在5分钟这样。(b)加热特性半导体烟雾报警器主要是在工作在温度较高的地方(200450C)，因此一般要先对它加热。而且传感器大多数在易燃易爆的情况下工作，若直接连接加热丝和电源，当加热丝局部短路造成器件过热或放电时，可能就会引发事故。所以必须使用传感器生产厂家推荐的加热电压，使其工作在较安全的范围内。MQ-2型烟雾传感器加热电压为50.2V。当加热丝断路时，由于热惰性缘故，烟雾传感器的气敏特性并不立即消失，此时检测必出现较大的误差。为避免出现这种情况，并及时发现气敏元件的故障，需要设计加热丝故障诊断报警电路。第2.3节烟雾检测报警器设计方案2.3.1.烟雾检测报警器工作原理这次论文的烟雾检测报警器是以ST89C52单片机为主要核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。首先，烟雾报警器经过AD0832进行转换后，进入单片机，温度则通过DS18B20进行采集，用数码管显示温度和烟雾浓度的级别，温度报警的上下限值可以通过三个按钮来设置，另外，还设置一个紧急呼叫按钮，可以通过按此按钮来紧急报警，也可以设置为无人状态，用烟雾和温度来自动报警。2.3.2.烟雾检测报警器的结构为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、故障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。第12页报警器系统结构框图如图2.1所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。报警器采用巡检的工作方式，进行两级报警值设定，并发出不同的光、声信号。系统的单片机性能要求很高，需要成本廉价，体积尽可能的小，这样方便减小报警器的体积，可以降低所需的成本，并且耗能要低，适应性强，测量精确性高，能稳定的工作能够保证报警器可靠并且准确的工作。单片机时钟电路复位电路采集温度电路采集烟雾电路按键电路数码管显示图2.1可燃烧气体检查报警器基本框图第2.4节本章小结本章主要阐述了烟雾报警仪的设计方案，即传感器类型的选择和报警器的设计。从报警器的种类、选择、基本特性、工作原理这四个方面进行讲解。根据本次设计的需求和使用情况、成本等条件选择的MQ-2型半导体电阻式烟雾敏感元件。而且从它的构造、功能、技术要求这些方面对报警器开始详细的简述，让它能够在正常的温度范围下工作，用于检测空气中烟雾或可燃烧液体蒸汽的浓度。该报警器将空气中烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度显示在仪表盘上，当空气中的烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度达到一定浓度时，则启动快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于短暂打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。若判断是烟雾泄漏，则发出声、光报警信号，也可在报警的同时自动驱动相关安全装置而且具有故障自诊断功能。此系统还可接计算机进行现场实时控制。第13页第3章硬件设计第3.1节DS18B20测温电路图3.1DS18B20电路DS18B20的3脚接地，1脚接VCC，为了确保DS18B20工作可靠，2脚要接10K的电阻。第3.2节报警电路图3.2报警电路本系统中采用蜂由ST89C52的24脚实现声音报警控制。当可燃性气体浓度或温度超过限定值时，将P2.3置为低电平，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。其电路原理图如图3.2所示。第14页第3.3节液晶显示电路本系统的显示部分采用LCD1602字符显示模块，与采用数码管相比，硬件连接和软件调试上都由优势。只要把要显示的内容放进液晶模块的显示存储器里面就可以直观的显示出指定的内容，操作方便。LCD1602与单片机的连接图，如图3.3所示。图3.3LCD液晶显示屏与单片机接口硬件连接图第3.4节报警温度设定按键电路图3.4按键电路第15页上面第一个是烟雾报警设置，按一次进入报警烟雾浓度设置此时出现2，进行报警浓度设置，并闪烁显示。按两次进入报警温度下限设置此时出现10C，进行下限温度设置，闪烁显示。按三次进入报警温度上限设置此时出现40C，进行上限温度设置，闪烁显示。第二个按键是减小键，按一下减小1，第三个按键是增加键，按一下增加1。第四个键是紧急呼叫键，紧急报警按键，可人为报警和取消报警即手动报警。第3.5节烟雾传感器转换电路图3.5烟雾传感器转换电路烟雾传感器MQ-2经过AD0832转换后接单片机口。第3.6节控制电路设计本系统采用S8550三极管驱动继电器工作，来控制加热装置和制冷装置，当温度低于设定的下限时，单片机让控制加热装置的继电器工作，同时点亮发光二极管。当温度高于设定的上限时，单片机让控制制冷装置的继电器工作，同时点亮发光二极管。图3.6控制电路图第3.7节电源电路可以通过电池或者移动电源来提供报警器的正常工作，本次设计采用的是移动电源提供所需电源，具体设计如图3.7。第16页图3.7电源电路第3.8节总体电路本次硬件设计主要包括液晶显示电路，DS18B20测温电路，报警电路，报警温度设定按键电路，烟雾传感器转换电路，控制电路设计，电源电路。具体如图3.8。图3.8总体电路第17页第4章软件设计第4.1节主程序设计及流程图主程序流程图如图4.1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断电一些时间以后，再接通电源之后，一般不能够立即正常的采集烟雾信息，应当预热一些时间。系统在程序初始化之后开始进入到监测这样的状态。这次论文的主程序设计要先预热传感器几分钟，同一时间，检查传感器的加热丝是否故障，采用软件方式检测电缆线或者传感器加热丝是否断路或者接触不良。ST89C52单片机对传感器检查的烟雾浓度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将烟雾的浓度和所设置的数值进行比较，看看符不符合报警条件。同一时间在显示烟雾此时的浓度值。开始程序初始化传感器预热并故障检查键盘扫描及按键处理A/D转换是否按下模式切换进入报警限设置模式平均值法去滤波线性化处理浓度显示进入报警处理程序设置指示灯状态是否超过报警线NYNY结束图4.1主程序流程图第18页第4.2节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，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中断允许位置1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。设定定时初值50ms开始打开绿灯关闭蜂鸣器打开定时器0中断允许设定定时器0，选择方式1设定初值是否保存报警初值返回YN图4.2主程序初始化流程图第4.3节中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图在烟雾传感器对烟雾浓度采样时，可能会遇到脉冲干扰的现象。干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。如果采取平均这样的算法，那么干扰也会“平均”，这样计算的结果也不正确，所以用平均的方法不能够消除掉偏差。因此，我们一般可采取中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)，首先比较采集的各个数据，将其中的最大和最小的数值去掉，再算出剩余数据的平均值。这样做既可以滤去脉冲干扰又能够滤去小的随机干扰。保证报警器检测烟雾浓度的准确性，减小误报、错报的可能。第19页实际上，N可取任何值，不过为了减少测量的时间，本论文数字滤波的设计中N取10。即调用A/D连续进行10次采样，去掉其中的最大值和最小值，计算其余8个值的平均值，将这个平均值送入寄存器。中位值平均滤波法的程序流程图如图4.3所示。设置采样次数N=10开始Sum除以8求平均值求第二个到第九个采样值的累加和sum将第10个采样排序调用A/D采样送入寄存器已采样10次YN结束图4.3中位值平均滤波法程序流程图第4.4节插值法线性化流程图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。不过输出的校准曲线一般不是完美的一条直线，就需要我们线性的处理标定了的曲线，以代替输出曲线的线性近似。根据分段线性插值法求输入单片机的某一电压值对应的烟雾浓度的公式如下：f(x)=f(xi)+(x-xi)*（f(xi+1)-f(xi)）/（Xi+1-Xi）i=1,2,3N第20页式中，N为所分区间个数，f(x)为实际烟雾检测浓度，x为实际气体检测浓度对应的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi+1是区间的上限浓度对应电压值，f(xi)为区间下限烟雾浓度值，f(xi+1)为区间上限烟雾浓度值。设计分段插值法线性化程序流程图如图4.4所示。读取滤波后电压值开始求出K与x的积S=Kx求z和xd的比K=Z/xd求上下电压值的差Xd=Xi+1-Xi求电压值x与所在区间的上下限浓度差Z=f(xi+1)-f(x)查表法确定x所在电压区间送入液晶显示求电压值x与所在区间下限的差Xm=x-xi求出f(x)=f(xi)+S结束图4.4分段插值法线形化程序流程图第21页第4.5节报警子程序设计及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，同时所对应的灯闪烁，用来提醒人们采取安全措施或者自动超控的一些装置，进而保护生命财产的安全，减少火灾或者爆炸这类事发生。同时为避免错报，在设计的时候，对烟雾的浓度进行快速的检查与报警延时，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4.5所示。读取处理后的气体开始启动燃气泄漏报警启动故障报警延迟20s后采集一组浓度数据返回上电状态YN传感器故障自诊断传感器有问题是否按下消音键是否大于20%是否大于20%返回监控状态YYNNYN图4.5报警子程序流程图第22页第4.6节控制按键设计子程序及流程图本报警器设计附加一个按键，功能分别为：确定(消音)。按键处理子程序流程图如图4.6所示。开始提取键值扫描键值返回上电状态延时10ms去抖动是否有键按下是否有键按下YN调用键盘处理子程序NY图4.6键盘处理子程序第4.7节本章小结本章阐述了烟雾报警器的软件设计。首先介绍了软件编程的开发环境和工具的选择，这里选择的STC12系列单片机，应用KEILC51编程器和STC单片机专用软件开发完成。然后按照软件实现的功能，详细地设计并叙述了几个主要部分软件流程，包括：主程序设计，主程序初始化设计，中位值平均滤波法数字滤波子程序设计，插值法线性化处理子程序设计，报警子程序设计，控制按键设计子程序，共六个部分。第23页第5章实物调试第5.1节实际测量和数据图5.1屏幕显示如图5.1，第一行是测量的烟雾浓度和实测的温度；第二行是设定的浓度和温度，当测量的浓度超过设置的温度时或者实测的温度不在设定的温度范围内时，烟雾报警器开始报警。（1）首先测量温度，我设定的温度是2440C，把烟雾报警器拿到室外，此时实际温度是17.4C，这时烟雾报警器开始报警，如图5.2。当用打火机开始对着DS18B20时，实测温度开始升高，当温度超过设定的上线时，如图5.3，温度为45.1C烟雾报警器开始报警。数据表格如表5.1。图5.2低温测量图5.3高温测量实际温度低于24C2440C大于40C是否报警报警不报警报警表5.1温度报警第24页（2）再测量烟雾浓度，我设定烟雾浓度为3，用打火机的气体测量浓度，我们把打火机靠近MQ-2时，烟雾浓度显示为4，超过设定的烟雾浓度，这个时候烟雾报警器开始报警，如图5.4，我们把打火机往后稍微挪动，这个时候烟雾浓度会降低下来，烟雾浓度显示为3，仍然超过设定的烟雾浓度，这个时候烟雾报警器开始报警，如图5.5，把打火机在往后挪动，当烟雾浓度显示为2时，比设定的烟雾浓度小，烟雾报警器停止工作，如图5.6，再把烟雾报警器往后挪动，使测定的烟雾浓度为1时，烟雾报警器同样不工作5.7如图，当把打火机拿走，没有烟雾后，测定的烟雾浓度显示为0时，烟雾报警器也不工作，如图5.8。数据表格如表5.2。图5.4烟雾浓度为4图5.5烟雾浓度为3图5.6烟雾浓度为2图5.7烟雾浓度为1图5.38烟雾浓度为0第25页烟雾浓度01234是否报警不报警不报警不报警报警报警表5.2烟雾浓度报警第5.2节测量结论经过实际的测量和检测，所设计的烟雾报警器基本符合要求，但是仍然有很多的不足，还不是太成熟，温度升高或者降低时候显示的比较慢，在实际的操作上仍然还需要有很大的改变才能够应用。第26页结论烟雾检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。本论文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案。并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。本论文设计的烟雾报警器由烟雾信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器。该传感器是对以烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。在系统单片机控制电路的设计上，采用了高性能、高整合度的st89c52单片机作为核心芯片，充分利用了其高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现了仪器的小型化和智能化。使仪器具有结构简单、性能稳定、体积小、成本低等优点。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。为提高响应时伺，保证传感器准确地、稳定地工作，需要向烟雾传感器持续供给5V的加热电压。为了保证传感器加热工作的可靠性，当传感器加热丝断线或传感器接触不良时，能够进行故障报警。烟雾报警器能在较宽的温度范围工作，可将烟雾浓度显示用LCD显示。当烟雾的浓度达到设定的浓度时，发出声光报警。还具有故障自诊断功能快速重复检测和延时报警功能。在本论文研制的报警器的基础上，可以再做适当的功能扩展，使可燃性烟雾报警器的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。为了能够进一步提高安全性，可以在自动声光报警的基础上，实现带动烟雾管道关断等功能。应用程序以C语言编写，充分利用芯片资源，提高了测量精度和代码执行效率，减小了代码容量，采用中位值平均数字滤波算法对经A/D转换后的数字信号进行滤波处理。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰，不但最大限度地排除现场噪声干扰，降低烟雾报警器误报概率，而且易于在单片机中实现。第27页参考文献1.李升，单片机原理与接口技术，北京大学出版社，20112.赵巍,单片机基础及应用,清华大学出版社，20093.赵莹，数字电子技术基础，机械工业出版社，20134.蔡朝洋，单片机控制实习与专题制作,北京航空航天大学出版社，20065.周坚，单片机C语言轻松入门,北京航空航天大学出版社,20116.冯先成，单片机原理与应用，电子工业出版社，20137.孙育才，MCS-51系列单片微型计算机及其应用，第4版，东南大学出版社，20068.王宜怀，刘晓升，嵌入式应用技术基础教程,清华大学出版社，20059.邵贝贝，单片机认识与实践，航空航天大学出版社，2006第28页致谢在本次毕业设计中，我得到了指导老师吴文明老师的悉心指导，吴老师在论文的设计过程中提出了许多宝贵的合理建议，帮助解决毕业设计中遇到的许多问题，还不断向我传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，使得论文不断完善。在这里非常感谢吴老师的指导和帮助，并致以诚挚的谢意！同时，论文能够很好的完成，离不开同学和舍友的帮助。在我写论文的过程中，我的同学和舍友能够积极的帮助我查找资料，提出一些有利于我论文的意见与建议，在他们的帮助下，我最终完成了我的毕业论文。在此一并感谢他们！大学四年的时光转瞬即逝，在苏州大学应用技术学院的学习和生活是我人生中一段非常宝贵而难忘的经历。感谢我的母校苏州大学应用技术学院，给我提供学习和生活的空间，真心地希望她的明天更加美好！第29页附录：中英文文献翻译名称火灾自动报警第30页附录1：实物照片附录2：部分源程序#include#include#includeDS18B20.h#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar/宏定义#defineSETP1_4/定义调整键#defineDECP1_5/定义减少键#defineADDP1_6/定义增加键#defineBEEPP3_4/定义蜂鸣器#definehujiaoP1_1sbitADCS=P37;sbitADCLK=