基于单片机的火灾报警系统的设计与实现

河南科技学院河南科技学院 20102010 届本科毕业设计届本科毕业设计 设计题目：设计题目：基于单片机的火灾报警系统的设计与实现基于单片机的火灾报警系统的设计与实现 学生姓名：学生姓名： 所在院系：所在院系： 所学专业：所学专业： 导师姓名：导师姓名： 完成时间：完成时间： 2012-05-252012-05-25 摘要摘要 随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显 著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。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 AT89S52 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 AT89S52 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，AT89S52，传感器 AbstractAbstract With the advent of information times, as a means of accessing information - sensor technology has been significant progress, its application field is more and more extensive, the requirement is more and more high, more and more urgent need. The sensor technology has become a national science and technology development level of one of the important symbols. Therefore, understanding and mastering of sensors structure, working principle and characteristic is very important. In order to improve the sensor s understanding and the understanding, especially for the smoke sensor research and its usage and use, based on practical, and the principle and design the typical system. In this paper, combined with the use of single-chip sensor technology development and design of the smoke control system. In this paper, resistance type smoke sensor and single-chip microcomputer as the core technology and electronic technology, designs a technology better smoke alarm. The selection of MQ-2 type semiconductor gas sensitive element smoke sensor smoke detection, which has high sensitivity, fast response, strong anti-interference ability, and the price is low, long service life. The selection of AT89S52chip, the integration of the A / D conversion, hardware multiplier, hardware pulse width modulator and other resources, with high speed, low power, strong anti-interference and other advantages, is of similar technology neutral price comparison high yield quality. With AT89S52 MCU and MQ-2 type semiconductor resistor type smoke sensor as the core design of the smoke alarm can alarm, fault diagnosis, concentration level display, alarm limit settings, temperature display and temperature alarm value setting and other functions. Is a kind of simple structure, stable performance, convenient operation, low price, intelligent smoke alarm. Has a certain practical value. KeyKey wordswords: smog, alarm, AT89S52, sensor 目目 录录 1 绪论绪论 .1 1 1.1 论文研究来源、目的和意义 .1 1.1.1 论文研究来源 .1 1.1.2 论文研究目的和意义 .1 1.2 烟雾报警器的国内外现状 .2 1.3 本论文主要任务 .2 2 烟雾检测报警器的方案设计 .8 8 2.1 烟雾检测报警器设计思路 .4 2.2 烟雾传感器的选型 .4 2.2.1 烟雾传感器介绍 .4 2.2.2 烟雾传感器的选定 .7 2.2.3 MQ-2 型烟雾传感器的工作原理 .8 2.2.4 MQ-2 型传感器的特性及主要技术指标 .9 2.3 烟雾检测报警器整体设计方案 .10 2.3.1 烟雾检测报警器工作原理 .10 2.3.2 烟雾检测报警器的结构 .11 2.3.3 烟雾检测报警器的功能 .11 2.3.4 烟雾检测报警器的主要技术指标 .12 2.4 本章小结 .12 3 系统设计 .1313 3.1 系统功能 .13 3.2 系统框图 .13 3.3 单片机的介绍 .14 3.4 DS18B20 的介绍.17 3.4.1 DS18B20 的介绍.17 3.4.2 DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路.20 3.4.3 DS18B20 的控制方法.20 3.5 LED 数码管.23 3.5.1 LED 数码管的主要技术参数.23 3.5.2 LED 数码管的引脚说明.23 3.5.3 LED 数码管编码说明.25 4 硬件设计 .2626 4.1 单片机最小系统电路 .26 4.2 DS18B20 测温电路.26 4.3 报警电路 .27 4.4 四位数码管显示电路 .27 4.5 报警温度设定按键电路 .28 4.6 烟雾传感器转换电路 .29 5 5 烟雾检测报警器的软件设计 .3131 5.1 STC12 系列单片机调试及开发工具 .31 5.2 主程序初始化流程图 .32 5.3 中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图 .33 5.4 插值法线性化处理子程序设计及流程图 .34 5.5 烟雾子程序设计及流程图.36 5.6 报警子程序设计及流程图 .37 5.7 控制按键设计子程序及流程图 .38 5.3 本章小结 .38 6 实验检定及误差分析 .3939 6.1 烟雾检测报警器检定 .39 6.1.1 爆炸下限(LEL)概念介绍 .39 6.1.2 实验数据分析 .39 6.2 实验误差分析 .41 6.3 本章小结.42 结论结论.43 参考文献 .4444 总结 .4545 谢辞 .4646 附录 .4747 附录一程序源代码 .47 附录二电路图 .57 附录三 PCB 图.58 1 1 绪论绪论 1.1 论文研究来源、目的和意义论文研究来源、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。 为了减少这类事故的发生，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(GB 15322- 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。 2 1.2 烟雾报警器的国内外现状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，且发展迅速，一 方面 是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另 一方面是 因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美 国 1996 年 2002 年烟雾传感器年均增长率为 27%30%。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，使得烟雾检测 仪器的体积也逐渐 变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。 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。 燃气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)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。 检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏 与巡 检。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示烟雾浓 度，以便 及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。 控制器与探测器结合使用， 可在防爆现场长期监测烟雾的浓度。 探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采 用屏 蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线 将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切 断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等 工业场所。 1.3 本论文主要任务本论文主要任务 本篇论文是烟雾报警器的研制，主要基本部分和扩展部分： 3 (1)基本部分 (a)对系统进行整体规划和结构设计。 (b)以 AT89S52 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)系统的软件编制。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)硬件电路和软件的综合调试。 (2)扩展部分 (a)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。 4 2 烟雾检测报警器的方案设计烟雾检测报警器的方案设计 2.12.1 烟雾检测报警器设计思路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，并具有报警功能的仪器， 仪器的最基本组成部分应包括：烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控 制电路。 烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信 号转 化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号 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 滤波处理，并 对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也 就是报警限)，如果 大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状 态。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。烟 雾传感器的选型在下一节详细介绍。单片机作为硬件电路 的核心，它的选型将 在第三章详述。 2.22.2 烟雾传感器的选型烟雾传感器的选型 烟雾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。 传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由 此可见，传感器的选型是非常重要的。 2.2.1 烟雾传感器介绍 (1)烟雾传感器的分类 烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类： (a)利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃 烧烟 雾传感器等。 (b)利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传 感器、 红外传感器等。 (c)利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气 体传 5 感器等。 (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)常见烟雾传感器简介 下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。 (a)半导体烟雾传感器 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。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、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。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。按照敏感机理分类，可分为电阻型和 非电阻型。 (b)固体电解质烟雾传感器 固体电解质烟雾传感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。但这种传感器制造成本高，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， 故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式烟雾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)，使用时将铂丝通电，保持 300 C400C 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)高分子烟雾传感器 利用高分子气敏材料制作的烟雾传感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。高分子气敏材料由于具有易操 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， 6 可以弥补其它烟雾传感器的不足。 (e)电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。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。 (f)热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不 同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标 烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻 值的变化 情况。温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾 或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。 (g) 红外传感器 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 NDIR (non-dispersive IR )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。 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。 (4)常见烟雾传感器可检测烟雾种类 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。 表 2.1 简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。 传感器种类C0CO2 H2S NH3 HCNHCICOCI2CI2 NOX SO2O2CH4C3H2H2H2O 半导体气体 传感器 固体电解质 传感器 7 接触燃烧式 传感器 电化学式传 感器 高分子电解 质气体传感 器 注：好 不太好 表 2.1 各种烟雾传感器可检测的烟雾种类 2.2.2 烟雾传感器的选定 烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作 业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾 种类的要求，一般选用 接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。 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。 因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续 使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，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)。 经过对比上述两种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：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发 生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感 器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设 计选用 MQ-2 型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感 8 器灵敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。 2.2.3 MQ-2 型烟雾传感器的工作原理 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。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 2.2 所示。 表 2.2 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 表 2.2 半导体气敏传感器的分类 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300450C 700C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 150C H2、H2S 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。 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 图 2.1 所示，其外观如 2.2 所示。 9 图 2.1MQ-2 型传感器的结构图 图 2.2 MQ-2 型传感器的外观 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，例如酒精和烟雾等。 10 (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)灵敏度特性 烟雾传感器在最佳工作条件下，接触同一种烟雾，其电阻值 RS 随气 体浓 度变化的特性称之为灵敏度特性，用 K 表示。 K=RS / R0 (2-1) 式中，R0 为 烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS 为烟雾传感器在一定浓度的检测烟 雾中的电阻值。 虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性 K 的值也会各有差异， 但是它们都遵循同一规律， log RS = m logC + n (2-2) 式中，m 为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于 烟雾， m 值为 1/21/3；C 为检测烟雾的浓度。n 为与检测烟雾，器件材料有关，并随 测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。 (b)初期稳定特性 半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能 立即投入正常工作。这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会 吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏 电阻才能正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定 义为初期稳定时间。一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长， 当不通电存放时间达到 15 天左右时，初期稳定时间一 般需要 5 分钟左右。 (c)加热特性 半导体烟雾传感器一般要在较高的温度(200450C)下工作，所以需要对 其加热。由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相接， 当加热丝局部短路造成器件过热或放电时，可能引发事故。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，加热电阻为 313?。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。 (3)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 (g)恢复时间：Trec30 秒 2.32.3 烟雾检测报警器整体设计方案烟雾检测报警器整体设计方案 2.3.1 烟雾检测报警器工作原理 本论文中的烟雾检测报警器以 AT89S52 单片机为控制核心，采用 MQ-2 型 11 电阻式半导体传感器采集烟雾信息。 首先，烟雾传感器经过 AD0832 进行转换后，进入单片机，温度通过 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。 报警器系统结构框图如图 2.3 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。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量 精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可 靠性，而且最好体积小， 成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器 的成本。 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 2.3 可燃性气体检测报警器结构框图 2.3.3 烟雾检测报警器的主要技术指标 (1) 传感器类型：半导体电阻式 (2) 检测范围：0100%LEL (3) 报警准确度:：5%LEL 12 (4) 报警点设置：达到 20%LEL 开始报警 (5) 报警器工作方式：现场固定安装，自然扩散进行采样，长年连续运 行 (6) 工作环境温度：检测器 -50C50C；报警器 0C500C (7) 工作环境湿度：85%RH (8) 报警方式：烟雾泄漏声光报警、自诊断故障报警 (9) 指示方式：数字显示，可显示被测烟雾 LEL%及设定报警限值 (10)响应时间：30S (11) 输出信号：可输出与烟雾浓度对应的 05V DC 标准信号 (11) 工作电压：AC220V15%，50lHz (12)具备快速重复检测和延时报警功能，可区别烟雾的泄漏 和短时间 的微量散失，防止误报。 2.42.4 本章小结本章小结 本章主要阐述了烟雾报警仪的设计方案，即传感器的选型和报警器的设计。 传感器从种类、选定、工作原理、基本特性四个方面分别叙述。 根据本设计要求及使用环境、成本等因素选用的 MQ-2 型半导体电阻式烟 雾敏感器件。并且从结构、功能、技 术指标三方面对报警器进行了详细地论述， 使其在较宽的温度范围工作，用于检测空气中烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度。 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。 13 3.3.系统设计系统设计 3.13.1 系统功能系统功能 本系统利用单片机采集温度，温度值精确到小数点一位，用 4 位数码管显 示温度值，设置三个按键调整报警温度值，当温度超出所设定的上下限范围时， 蜂鸣器开始报警。 3.23.2 系统框图系统框图 单 片 机 复位电路 报警电路 时钟振荡 温度传感器 LED 显示 蜂鸣器报警 图 2 总体设计方框图 3.33.3 单片机的介绍单片机的介绍 40 个引脚，4k bytes flash 片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据 存储器（ram） ，32 个外部双向输入/输出（i/o）口，5 个中断优先级 2 层中断 嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗 （wdt）电路，片内时钟振荡器。 AT89S52 单片机是一种低功耗高性能的 CMOS8 位微控制器，内置 8KB 可在 线编程闪存。该器件采用 Atmel 公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令 与工业标准的 80C51 指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程 序存储器在系统内通过 SPI 串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过 把通用的 8 位 CPU 与可在线下载的 Flash 集成在一个芯片上，AT89S52 便成为 一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成 本较低。其结构框图如图 3.1 所示。 14 图 3 AT89S52 结构框图 15 图 4 AT89S52 此外，AT89S52 设计和配置了震荡频率可为 12MHZ 并可通过软件设置省电 模式。空闲模式下，cpu 暂停工作，而 ram 定时计数器，串行口，外中断系统 可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 ram 的数据，停止芯片其它功能直至 外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 pdip、tqfp 和 plcc 等三种封装形 式，以适应不同产品的需求。 主要功能特性：主要功能特性： 兼容 mcs-51 指令系统 4k 可反复擦写(1000 次）isp flash rom 32 个双向 i/o 口 4.5-5.5v 工作电压 2 个 16 位可编程定时/计数器 时钟频率 0-33mhz 全双工 uart 串行中断口线 128x8bit 内部 ram 2 个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3 级加密位 看门狗（wdt）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的 isp 字节和分页编程 双数据寄存器指针 按照功能，AT89S52 的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功 16 能 I/O 口、控制和复位等。 1.多功能 I