气体烟雾报警器设计

1中北大学课程设计任务书2013/2014学年第1学期学院信息与通信工程学院专业电子信息科学与技术学生姓名学号课程设计题目气体烟雾报警器设计起迄日期2013年12月23日2014年1月10日课程设计地点中北大学5院楼513、606指导教师张志伟下达任务书日期2013年12月23日2课程设计任务书1设计目的在学习专业基础课和专业课的基础上，主要结合光学、光电技术、电子仪器、微机原理与应用、单片机与各种功能性芯片（如时钟芯片、调制与解调芯片、A/D和D/A转换芯片等）以及光、计、电综合应用等方面开展实践活动，巩固所学知识、培养动手能力，提高综合设计能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）1、掌握AT89C51单片机软、硬件知识，软件包括MCS51汇编指令或C51内容；2、掌握烟雾传感器的基本知识、使用方法；3、掌握一种烟雾传感器工作原理；4、会设计检测电路及编写相关程序；5）、编程语言可用MCS51汇编语言也可用C51语言；6、利用PROTEL绘制相关电路图。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书论文、图纸、实物样品等1）设计说明书、相关图纸符合要求；2）相应器件的工作原理及应用；3）系统工作原理图；4）参考文献原文不少于5篇。3课程设计任务书4主要参考文献要求按国标GB771487文后参考文献著录规则书写，例1傅承义，陈运泰，祁贵中地球物理学基础北京科学出版社，1985（5篇以上）5设计成果形式及要求设计说明书及相关电路图6工作计划及进度2013年12月23日2013年12月24日了解设计题目及查找资料；2013年12月25日12月25日确定各题目要求计算相关参数；2013年12月26日12月27日结合各题目确定具体设计方案；2013年12月28日2014年1月7日结合要求具体设计并编程仿真；2014年1月8日1月9日完善仿真结果、整理课程设计说明书；1月10日1月10日答辩或成绩考核。学科部审查意见签字4年月日气体烟雾报警器设计摘要人类能够对火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。所以说人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史是相伴相生的，人们在用火的同时，不断总结火灾发生的规律，尽可能地减少火灾及其对人类造成的危害。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。在工业和民用建筑、宾馆、酒店、图书馆、科研和商业部门，烟雾报警器已成为必要的装置。火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用。在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。假如能根据每家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火灾的30左右。家庭起火的原因林林种种，可能在我们注意得到的地方，也可能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。若在民用住宅中广泛使用烟雾报警器，便可有效减少火灾所造成的严重损失。烟雾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须的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。所以烟雾报警器对于现今社会是必不可少的。关键词传感器、烟雾报警、AT89C51单片机、工作原理5目录1绪论111概述112设计目的及意义113烟雾报警器简介22整体设计方案介绍421烟雾报警器的工作结构和原理422烟雾传感器的工作原理5221烟雾传感器的介绍5222QMN5半导体气体烟雾传感器823单片机的选型924烟雾报警器的主要功能设计123系统的硬件电路1331系统电源电路1332AT89C51的时钟电路和复位电路1333信号采集及前置放大电路1434A/D转换电路1635声音报警及消音键电路1736字符显示电路1837状态指示灯电路1938安全保护电路2039报警器故障自诊断电路216310烟雾报警器硬件总电路214系统的软件的设计2341系统主程序设计及流程图2342主程序初始化流程图2443报警子程序设计及流程图2444按键输入设计子程序流程图265结论271绪论11概述火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。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。人类能够对火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。所以说人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史是相伴相生的，人们在用火的同时，不断总结火灾发生的规律，尽可能地减少火灾及其对人类造成的危害。火灾，几乎是和火的利用同时发生的，随着现代社会的不断发展，现代家庭用火、用电量正在逐年增加，火灾发生的频率越来越高，火灾不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接或间接危害生命，给人们的心灵造成极大的危害。每年都有许多人被火灾夺去生命。由于人们的疏忽而发生的火灾与爆炸，不仅造成人员的大量伤亡，还承受着严重的经济损失。正是由于火灾的巨大危害，报警器才得以应运而生，报警器在火灾报警方面发挥着极其重要的作用。单片机及烟雾传感器是烟雾报警器系统的两大核心。单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。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，因此它可以应用到所有电子系统中。同样，它也可以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。而传感器作为信息技术系统的“感官”器件，如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、高速度的控制系统。美国曾把二十世纪八十年代称为传感技术时代，日本更是把传感技术列为十大技术之首。所以，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器和单片机芯片是至关重要的。在本论文中的最主要的设计是选AT89C51单片机和QMN5半导体气体烟雾传感器为核心器件。AT89C51单片机兼容标准MCS51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。QMN5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7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。目前，现代建筑都会有选择地安装不同功能的火灾自动报警系统。因为火灾自动报警系统是建筑物的神经系统，它能够感受、接收着发生火灾的早期信号并及时报警，发出警报同时告知用户和周边居民。它就像是一个个称职的更夫，给居住、忙碌或是休息在家庭中的人们以极大的安全感。在火灾的早期阶段，准确的探测到火情并迅速报警，对于及时组织有序快速疏散、积极有效地控制火灾的蔓延、快速灭火和减少火灾对居住人群的损失都具有重要的意义。12设计目的、意义随着社会和经济的发展，家庭火灾防不胜防，防火工作也就越来越重要。据美国消防学会统计，最近十多年中，安装自动消防设施的建筑中发生火灾，消防设施的有效率高达961，确实起到了保证建筑物消防安全的作用。这是因为火灾自动报警系统能够及时将火灾迹象通知用户及有关管理人员，以便他们准备疏散或组织灭火，延长了建筑物可供疏散的时间并通过联动系统启动其他消防设施。所以，设计一种能够在火灾刚刚发生时或者有可燃气体堆积引起的火灾隐患时就能报警的报警器就能使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少或消除因火灾造成的生命危害和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。目前我国火灾自动报警系统只被安装在重要建筑上，而在美国、日本等发达国家，包括许多居民家庭都安装了火灾自动报警系统。近几年，国内主要侧重于大型场所的大型火灾报警系统的研发，而在居民住宅区等小型防火单位，却需要安装廉价实用的烟雾自动报警装置。由于我国人口不断的增长，土地也开始的稀缺，所以为了缓解城市用地的紧张，居住的楼层不断加高，这不但便于集中供电、供热、供气，而且也可以集中控制和管理。但是，人们在享受这些现代设施带来了便利的时候，却也增加了火灾隐患。楼层多、人员密集，一旦发生火灾，疏散困难，容易造成经济和人员的损失。如果在家庭中没有安装火灾自动报警器，一旦在家庭中发生火灾，火灾容易由不被发现的早期火灾而演变成为更大、更严重的大型火灾。结果是由于一家的起火，而火势不能得到有效控制，使得火势迅速蔓延并很快出现大面积燃烧。这不仅使的用户本身遭受重大的损失，还容易形成“火烧连营”的局面，给周边家庭和场所造成无法估计的损失和严重的影响。据公安部消防局2011统计，近年来，我国每年发生家庭火灾5万余起，死亡800余人，占火灾死亡人数的70以上。根据网络新闻报道可知，英国每年发生50000起以上的严重家庭火灾，其中大部分火灾造成伤亡和重大的家庭财产损失，甚至连累左邻右舍。由此可见家庭防火同样是现今社会的重要家庭安防问题，而且刻不容缓。家庭防火重在防患于未然，因此，我们就有必要研制一种结构简单、价格低廉的烟雾自动报警器，以适应市场的需求。13火灾报警器简介火灾自动报警系统作为重要的建筑自动消防设施，其技术进步性表现报警8时间提前、报警可靠性提高、特殊场所火灾的探测报警、报警系统网络化、消防联动控制智能化、消防通信网络技术与计算机接警指挥管理等。在国外，现在的火灾自动报警系统已达到智能型、全总线型和综合型，系统一旦报警，马上在显示器上出现报警探测器的具体地址，一目了然。近年来，我国火灾自动报警工程应用技术实现了较快发展，但由于在实际应用中，火灾自动报警系统的通讯协议不一致，火灾自动报警工程技术水平还相对落后，还存在着一些比较突出的问题。现阶段，我国火灾自动报警系统的主要问题有以下几点1、适用范围过小。我国火灾自动报警系统技术比美、英等发达国家起步较晚，适用范围过有限，使得一般家庭用户未能普及使用火灾自动报警器。由于家庭住宅等小单位的防范措施不到位，给家庭生活带来了许多的不方便和一定的损失。2智能化程度低。我国使用的火灾探测器虽然都进行了智能化设计，但由于传感器件探测的参数较少、支持系统的软件开发不成熟、各种算法的准确性缺乏足够验证、火灾现场参数数据库不健全等，火灾自动报警系统难以准确判定粒子烟气的浓度、现场温度、光波的强度以及可燃气体的浓度、电磁辐射等指标，造成迟报、误报、漏报情况较多。3、网络化程度低。我国应用的火灾自动报警系统形式基本上以区域火灾自动报警系统、集中火灾自动报警系统和控制中心火灾自动报警系统为主，安装形式主要是集散控制方式，自成体系，自我封闭，尚未形成区域性网络化火灾自动报警系统。4、组件连接方式有待改善。火灾自动报警系统以多线制和总线制连接方式为主，探测器和报警器及控制器之间是采用两条或多条的铜芯绝缘导线或铜芯电缆穿管相接，存在耗材多、成本高、抗干扰能力差的缺点。同时，铜导线耐高温性能差、易磨损，系统施工维修复杂，影响了火灾自动报警系统的可靠性和更广泛的应用。5、火灾自动报警系统误报、漏报问题较多。由于火灾探测器的安装环境极其复杂，加之各种传感器在探测火灾方面存在着某些先天不足，无法准确地感应各种物质在燃烧过程中所特有的声波、光谱、辐射、气味等诸多方面发生的微妙变化，对火灾发生过程中所产生的不同粒径和颜色的烟雾存在探测“盲区”，误报、漏报现象时有发生。面对人类社会经济与技术急速发展的时代，伴随这电子、计算机、通讯和现代控制技术的迅速发展，现代火灾自动报警应用技术发展趋势正在向着全总线制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、蓝牙技术无线化、高灵敏化、综合化等方面发展。针对当前火灾自动报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁，智能化程度低，网络化程度低、特殊恶劣环境的火灾探测报警抗干扰等问题较为突出的现象，提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、开放的通讯协议。通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究，对系统方案、设备选型的优化组合，改进火灾自动报警系统的工作性能、减少维护费用和维护要求，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，为更好的预防和遏制建筑火灾提供了强有力的保障，从而更好的保护国家和人民的生命、财产安全。2整体设计方案介绍21烟雾报警器的工作结构和原理9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QMN5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。报警器系统结构如图21。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21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。22烟雾传感器的工作原理10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。图22烟雾传感器及其结构图221烟雾传感器的介绍烟雾传感器是模拟传感器。它能将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。烟雾传感器就是通过监测环境中烟雾的浓度来实现火灾防范的。当烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体，烟雾探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。烟雾传感器利用烟雾敏感元件的电阻受烟雾（主要是可燃颗粒）浓度影响阻值变化的原理向单片机发送烟雾浓度相应的模拟信号。在智能建筑中对火灾探测器的应用主要以感烟火灾探测器选用为主。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾探测器的体积也逐渐变小，提高了烟雾探测器的便携性，更加利于生产、运输和市场推广。目前，烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。在国内的产品中，无论哪家生产的烟雾探测器，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。（1）烟雾传感器的分类从构成气体传感器材料的形态上通常将它们分为干式和湿式气体传感器。由于对不同气体的检测方法不尽相同，目前主要的方法有利用半导体气体器件检测的电气法；使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。（2）烟雾传感器应满足的基本条件一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的烟雾传感11器都必须具备以下条件A能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；B对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；C对检测信号响应速度快，重复性好；D长期工作稳定性好；E使用寿命长；F制造成本低，使用与维护方便。（3）常见的烟雾探测器种类及工作原理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，下面就对一些常用的烟雾传感器进行介绍。A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，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。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。B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300400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。C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。12D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。（E）红外吸收型传感器红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIRNONDISPERSIVEIR是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。由于不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃烟雾如氢不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。（F）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003UM10UM。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。（G）光电式感烟传感器光电式感烟传感器由光源、光敏元件和电子开关组成。平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。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17。因此，本设计中的烟雾传感器选用QMN5半导体气体烟雾传感器。13图23QMN5半导体气体烟雾传感器结构222QMN5半导体气体烟雾传感器QMN5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。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃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ASNO2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。BSNO2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。CSNO2气敏元件结构简单，成本低，可靠行较高，机械性能良好。QMN5气敏元件的结构和外形如图23所示，由微型AL2O3陶瓷管、SNO2敏感层,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。QMN5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。其技术指标表21。表21QMN5的技术指标加热电压（VH）AC或DC502V14回路电压（VC）负载电阴（RL）清洁空气中电阻（RA）灵敏度（SRA/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DC24V2K2000K4在1000PPMC4H10中10S30S07W5010000PPM2年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QMN5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放大器进行放大处理，之后才能将模拟信号经过A/D转换器转化为可以识别的电信号给单片机。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，QMN5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。23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。单片机作为最典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。由于其微小的体积和极低的成本，开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和编程语言也大大简化，因此被广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。由于MCS系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。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。15（1）AT89C51功能特性概述目前市面上使用的比较普遍的51系列单片机是AT89C51。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128BYTES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MCS51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。其主要性能参数如下A与MCS51产品指令系统完全兼容B4K字节可重擦写FLASH闪速存储器C1000次擦写周期D全静态操作0HZ24MHZE三级加密程序存储器F1288字节内部RAMG32个可编程IO口线H2个16位定时计数器I6个中断源J可编程串行UART通道K低功耗空闲和掉电模式图24AT89C51的引脚排列图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。T0T1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128BSFR128BRAM4KBROM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P0P1P2P3TXDRXD16图25AT89C51单片机的基本组成图（2）AT89C51的内存空间1、内部程序存储器（FLASH）4K字节。2、外部程序存储器（ROM）64K字节。3、内部数据存储器（RAM）256字节。4、外部数据存储器（RAM）64K字节。表32程序存储器的6个特殊地址0000H上电或复位入口地址0003H000BH0013H001BH0023H外部中断0入口地址定时器T0中断入口地址外部中断1入口地址定时器T1中断入口地址串口中断入口地址在上述事件发生时，PC指针获得固定的地址，然后CPU执行PC指针所指地址单元内的程序。17图26AT89C51的存储器结构24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。上述中的声光警报、显示和执行动作能够根据烟雾检传感器所检测到的烟雾浓度的信号变化，随单片机控制电路及时的做出相应调整而改变。183硬件电路设计31电源电路任何电子设备都需要稳定的直流电源供电，直流稳压电源是将交流电压转换成稳定的直流电压的设备。一般直流稳压电源是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。其组成方框图如图31所示。交流电源负载图31直流稳压电源组成方框图电源变压器的作用是，改变电网的交流电压的大小，将220V、50HZ的市电进行降压，使变压器的副边输出的交流电压符合设计要求。然后利用二极管的单向导通性，将交流电压变换为单方向的脉冲直流电压，再利用电容储能元件组成的滤波电路，将脉动大的直流电压处理成平滑的脉动小的直流电压，即将整流电路输出的脉动直流电压中的交流成分滤掉，只留下比较平滑的直流电压，最后利用集成稳压器W7805，让电源电路的输出电压稳定为5V，以此作为系统各个部分电路的电源。以下是本设计所采用的电源电路图。12348件9VBRIDGE件220VT132VVGNDINOUTIC6W7805C601UFC41000UFC5033UFR15240件件12J1CON2DZ图32系统电源电路图32AT89C51的时钟电路和复位电路（1）时钟电路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交流变压器整流电路滤波电路稳压电路19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。时钟电路如图33。R13470R141KC322UFS1件件件件C130PFC230PFY12MHZ5VX1X2RESET图33时钟电路和复位电路图（2）复位电路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33。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。33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。20图34LM324四运放引脚图和结构图设计中采用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35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。R161KRP120KR1751K5V567IC2B1LM324321IC2A1LM324R191MRP220KR181MR2051KR211MR221MIN0IN2VREFAKRGIN1图35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21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。34A/D转换电路ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。ADC0809的转换速度较快，完成一次的转换时间为100S左右，可对05V的模拟信号进行转换。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。如图36所示，ADC0809的主要引脚功能如下。1IN0IN7是8路模拟信号输入端。D0D7是8位数字量输出端。2A,B,C分别是ALE控制8路模拟通道切换，A,B,C分别与三根地址线或数字线相连，三者编码对应8个通道地址口。C,B,A000111分别对应IN0IN7通道地址。3OE,START,CLK,EOC为控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号端，CLOCK为时钟信号输入端,EOC为转换结束信号端。4VREF和VREF为参考电压输入端。ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。22图36ADC0809引脚图和内部逻辑结构图A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。设计中采用中断方式进行数据传送。扩展中地址锁存器使用74LS373。74LS373是八D锁存器，常应用在地址锁存及输出口的扩展中。其主要特点在于控制端G为高电平时，输出Q0Q7跟随输入信号D0D7的状态G下跳沿时，D0D7的状态被锁存在Q0Q7上。由于ADC0809片内无时钟，可利用AT89C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE脚的频率是AT89C51单片机的时钟频率的1/6。由于单片机频率采用6MHZ,则ALE脚的输出频率为1MHZ，在经二分频后为500KHZ，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有输出三态锁存器，因此其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。如图37所示，在单片机扩展连接ADC0809电路中，地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位A0,A1,A2相连，以选通IN0IN7中的一路。将P27（地址总线A15）作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P27控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P27脚经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。转换结束信号EOC经反向后送到单片机的/INT0引脚，单片机读取A/D转换结果并将结果送P1端口显示。23OC1C111D31Q22D42Q53D73Q64D84Q95D135Q126D146Q157D177Q168D188Q19IC374LS373D5Q1CLK3Q2IC614013123IC5A174ALS02IN026MSB21212220IN12723192418IN2282582615IN312714LSB2817IN42EOC7IN53ADDA25IN64ADDB24ADDC23IN75ALE22REF16ENABLE9START6REF12CLOCK10IC4ADC0809EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10IC1AT89C51123IC5B174ALS02123IC5C174ALS02图37ADC0809与单片机的接口电路图35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P23端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。报警装置采用电磁式无源蜂鸣器HC12075B其参数特点如下额定电压15V额定电流7585谐振频率2048HZ线圈电阻651602重量15G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。24R847K件件件C8550PNP5VP23图38声音报警电路图S2件件件件R124705VP17图39消音按键连接电路图36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。由于不显示小数点，所以不接DP段。8段LED数码管字符显示与比划编码对应关系如表31所示。表318段共阳极LED数码管显示字符与比划编码对应表数字DPGFEDCBA编码0100000011111001COHF9H25电路采用型号为CPS08011BR的光普牌LED共阳极数码管。其参数特点如下大小08寸显示方式静态显示显示颜色红色显示位数1位P10ABFCGDEVCC1234567ABCDEFG8DPDP9DSP115VR11KP12R21KP13R31KP14R71KR41KP15R51KP16R61K图310数码管字符显示电路图37状态指示灯电路LED2件件LED3件件R10470R114705VLED1件件R9470P24P25P26图311指示灯电路图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。38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，26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。C8550PNPD1KA1件件件5VR2347KC8550PNPD2KA2件件件5VR2447KP20P21M2件件件KA2KA1M1件件件12J2CON2图312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。当晶体管C8550由导通变为截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，这时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在晶体管的C、E两极间，会使晶体管击穿，继电器并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压，从而避免击穿晶体管。并联二极管时一定要注意二极管的极性不可接反，否则容易损坏晶体管等驱动元器件。39报警器故障自诊断电路1判断传感器电源连接情况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27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。R161KRP120KR1751K5V321IC2A1LM324IN2AKRGIN1图313传感器故障自诊断电路图2判断传感器信号端连接情况另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热12分钟后，通过与ADC0809的IN1输入端口连接，测量传感器信号