室内环境烟雾测控系统设计

题目室内环境烟雾测控系统设计班级学号姓名日期室内环境烟雾测控系统设计摘要我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种单环保的、廉价实用的火灾自动探测报警装置，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。现场火灾报警器通过对传感器火情信息的检测，当报警器监测到火情信息后，产生声光报警信号，并进行相应的操作。使用AT89S51单片机，选用传感器MQ7作为敏感元件，利用多传感器信息融合技术，开发了可用于小型单位火灾报警的智能报警系统。本课题研制的用于小型防火单位的智能火灾报警器具有以下特点1能对室内烟雾CO2，CO突变进行报警声光报警。2如果出现硬件故障如传感器遗落、内部元器件损坏等，能发出故障报警。3如果有烟雾参数出现异常如烟雾浓度过大，能发出异常报警信号，令值班人员到现场处理。现场模拟实验表明，本系统安全可靠，误报率低。该课题设计的意义在于可以实现对普通环境中烟雾浓度进行实时检测，以减少烟雾有毒气体对人体的伤害，通过报警来警示人们所处环境的烟雾浓度过高，并通过单片机来控制环境的有毒气体浓度，如本设计完成开风扇通风、切断有毒气体来源等由单片机控制的部分。当然，本设计也完成了对外部有毒气体的数据采集系统的设计。现在家具产品多种多样，智能化、小型化的节能、绿色、安全产品越来越受到普通大众的青睐。该设计以其小型化、智能化并且设计的电路系统简洁明了、电路构成简单、易于维护、实用性强等特点能够广泛的应用于居民、企事业单位等多方面的安全防范。因此该设计具有相当广阔的前景关键字单片机；传感器；信号处理一引言随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段单片机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。单片机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，了解并掌握各类单片机的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。为了提高对单片机的认识和了解，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报警系统。目前，随着国内经济发展的需要，各大中城市都侧重于兴建大型豪华宾馆酒店、办公楼、购物商场等公共场所，在一定程度上，就加大了防火灭火的困难，迫切需要在智能建筑中设计一套火灾自动报警系统。火灾自动报警系统探测火灾隐患，肩负安全防范重任，是智能建筑中建筑设备自动化系统（CBS）的重要组成部分。智能建筑中的火灾自动报警系统设计首先必须符合GB5011698火灾自动报警系统设计规范的要求，同时也要适应智能建筑的特点，合理选配产品，做到安全适用、技术先进、经济合理。火灾自动报警系统有区域报警系统，集中报警系统和控制中心报警系统三种基本形式，具体采用何种报警，可根据工程建设规模，保护对象的性质，区域划分和消防管理机构等因素综合分析后确定。本设计采用集中报警系统，将所监视的若干区域内的传感器输入的电压信号，以声、光形式显现出来，将着火区域和该区域的具体着火部位显示在屏幕上。随着人们对火灾初期特征研究和火灾探测技术研究的不断深入，一些发达国家对早期火灾探测报警技术的研究与产品开发十分重视。早在20世纪80年代，日本、美国、英国、瑞士、德国、澳大利亚等国家就开始投入大量的科研经费、科技力量进行技术研究和产品开发。对于易燃、易爆场所，一旦爆炸起火，火势蔓延速度之快，难以控制等特点，人们开发研制了在火灾爆炸事故之前，从可燃气体浓度方面进行故障和火灾爆炸危险性等方面预测的线型可燃气体探测报警系统。它采用光学原理利用不同气体在光谱特性的差别进行气体浓度探测,从根本上解决了点型可燃气体传感元件中毒、稳定性差、寿命短等缺陷,用于大面积可燃气体探测报警时,性能价格比较高,其原理可扩展用于其他场所气体泄漏的监测。火灾探测报警系统可靠性的提高体现在用智能技术处理传感器提供的火灾信息。人们建立了多种火灾探测算法、模糊逻辑、神经网络模式，也有从事研究非火灾探测的模式。而各种单一传感器提供的火灾信息均混杂非火灾信息,给从传感器提供的火灾信息上判别火灾增加了难度。于是人们开始探索新型探测原理的传感器件如气体气味传感器等和复合探测器，取得显著成效的是对火灾过程的多参数进行监测的复合传感器。它对火灾产生的多种参数进行多种信息的分析，排除干扰，确定火灾，从而提高了判断火灾的准确性。而与之配套的硬件则采用复合多传感等传感方式，为判断火灾提供更加充分的火灾信息。成熟的产品有温、烟复合型智能火灾探测报警系统，并已用于实际工程。本课题采用气敏传感器、单片机实现对空气中烟雾浓度进行实时测量，通过LED数码管实时显示。本课题设计了人机对话环节，通过键盘来根据具体情况设定空气中气体浓度的上限值，当检测环境中的烟雾浓度时，气体浓度超过阈值时，通过声光报警功能，来提示可能存在的危险情况，并打开通风风扇来降低危险的发生。而且这一气敏传感器对其他危险气体也有效，可以用与检测煤气、甲烷等气体的能力。目前烟雾报警器的普及率还很低,但它确是今后重要的安全仪器之一。本方案所设计的烟雾浓度测量报警装置是应用于居民家庭和企事业单位对烟雾浓度的实时监控和报警,它可大大降低由烟雾所引起的中毒、火灾、爆炸等事故的发生率。本报测量警器系统的研制,可为广大居民家庭和企事业单位提供一个准确、可靠的烟雾浓度检测手段,使人们能及时发现烟雾浓度的超标,从而保障了人们的生命和财产安全。二设计方案的选用在我们的实际生活中虽然测量气体浓度的测量产品非常多，但要完成对外界气体浓度测量，其一般原理是将外部的气体浓度的模拟量用传感器进行采集，然后再将采集到的信号，通过必要的转换器电路，输送至微机（单片机）进行分析处理以达到对气体浓度的测量。由于本次设计的主要任务是完成对外界环境中烟雾浓度的显示和监测，因此根据设计的需要，设计中采取以单片机为控制核心，在符合本次设计要求的前提下，本次设计增加了对最高浓度进行监测，并及时进行浓度显示、报警和排风等一些应急控制功能。方案根据MQ7型气敏传感器技术参数可知MQ7型气敏传感器能够在常温环境中对烟雾气体浓度进行检测并不需要做温度补偿，它是由微型AL2O3陶瓷管、SNO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件制成的半导体传感器。将烟雾的浓度有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。其思路是烟雾报警器主要由采集模块、放大模块、模数转换模块和单片机控制模块组成。本报警器的工作过程大致如下在开启电源前，根据实际情况通过键盘键入安全值和气体浓度的危害值。开通电源由两类传感器气体传感器和温度传感器辅助作用将所需的外界模拟信号采集放大后传送给A/D转换器,A/D转换器经模数转换后将数字信号传送至AT89S51单片机,再由单片机通过内部的数据处理,最终判断是否需要启动蜂鸣器进行报警和开启排风风扇进行排风，并显示实时浓度，当环境浓度下降到安全线以下时就通过单片机的控制关闭风扇。测量对象MQ7半导体传感器放大调理模数转换器单片机排风风扇蜂鸣报警器显示电路键盘其他控制电路图11由半导体传感器构成的气体测量及报警器总体设计框图三硬件设计部分本设计的烟雾报警器装置的硬件电路设计原理框图如图11所示，主要由采集模块、放大模块、模数转换模块和单片机控制模块组成。其中采集模块与数据处理及单片机的控制模块是本设计的关键之处。数据采集模块的设计传感器的选择根据以上方案的讨论，本设计的传感器是选用美国华瑞科学仪器公司生产的集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202。原因如下火灾传感器按其结构和作用原理不同，可分为感温探测器，感烟探测器，感光探测器，可燃气体探测器等，它们分别适用于不同场合。为了准确的进行火灾报警，针对商场，选用合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提，综合考虑各种因素，本系统选择集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。AD590是美国ANALOGDEVICES公司生产的一种电流型二端温度传感器。电路如图4所示。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。AD590是一种电流型温度传感器。它的主要特性如下图AD590传感器示意图1流过器件的电流（MA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即MA/K式中流过器件（AD590）的电流，单位为MA；T热力学温度，单位为K。2AD590的测温范围为55150。3AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化1MA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4输出电阻为710MW。5精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在55150范围内，非线性误差为03。由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，即1UA/K,而数模转换芯片AD0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10K欧的电阻R1和一个100欧的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC0809。通过调节可调电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10MV/K。由于在火灾发生时，将会出现木材、纤维、纸张等大量材料的燃烧。火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。TGS202气体传感器都能探测CO2，CO，甲烷，煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。鉴于以上情况，本次设计中的另一个气体传感器采用TGS202型气敏传感器。如图所示，当TGS202探测到CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如CO浓度达到006）时，VA端获得适当的电压（设为3V）。符号参数名称技术条件TAO使用温度2050AS储存温度2050RH相对湿度小于95RHO2氧气浓度21标准条件氧气浓度会影响灵敏度特性表1TGS202环境条件表因此该方案的要用到两种传感器，气敏传感器和温度传感器。该方案的设计能够很好的检测出环境中一氧化碳的浓度并能进行实时显示。根据上述关系式我们可以根据电压与气体浓度的关系来计算出电压和所测气体一一对应的浓度值通，通过传感器外界气体进行采集获得的电压值，经单片机进行查表程序处理，得出气体浓度的对应值，并通过单片机对所取得的实时浓度值进行判断，以此来由单片机对外围的显示电路来显示实时浓度或报警、开排风风扇。四单片机的选型1AT89S51单片机简介AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTESISPINSYSTEMPROGRAMMABLE的可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点40个引脚，4KBYTESFLASH片内程序存储器，128BYTES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。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0HZ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。2AT89S51单片机的主要特性8031CPU与MCS51兼容4K字节可编程FLASH存储器寿命1000写/擦循环全静态工作0HZ24KHZ三级程序存储器保密锁定1288位内部RAM32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器6个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路3检测电路检测电路包括烟雾气体浓度检测电路和气敏元件损坏检测电路两部分，原理电路如图所示。气敏传感器选用MQ7型，这是由金属氧化物半导体材料制成的“气电”转换器件。当气敏器件在含有烟雾的气体中时，其表面会发生化学吸附，使本身电阻下降，且烟雾气体浓度越高，电阻下降越多，通过电阻RL端的电压输出即可获得“气电”信号，并送入模数转换器处理后送单片机进行气体浓度的检测。图检测电路4ADC0809接口电路设计ADC0809在本次设计中的接口电路连接图如图210所示，将AT89S51单片机的8位数据线接到ADC0809的8位数据线，把ADC0809的3根地址线直接接地以确定通道号，此次设计中采用是用通道0作为模拟信号输入端，所以将三位地址线直接接地3。在此次采用的方式中，ADC0809的转换结果寄存器在概念上定位为单片机外部RAM单元的只读寄存器，而通道号锁存器在概念上定位为单片机同一个外部RAM单元的只写寄存器。同一个外部RAM单元的只读寄存器与只写寄存器使用同一个地址，就像51系列单片机的串行发送缓冲器与串行接收缓冲器使用同一个地址99H一样，不会发生混乱。采用这种连接方式有一个特点，那就是单片机要把最低3位二进制数据通过数据总线写ADC0809的地址锁存器，然后作为通道地址使用。ADC0809IN0EOCCLKADDCADDBADDAVREFVREFD0D7OEALESTARTP10P17INPUTOINT0ALERDP27WR5图A/D转换接口电路5显示电路设计显示电路可以采用LED显示、LCD显示或者指针式显示3种方案，指针式显示在本次设计中存在指示不准确的缺点在前面已做过介绍。同时又考虑到LED显示亮度大，在夜晚很方便而且价格便宜，所以本次设计采用LED显示。LED显示又有LED动态显示和静态显示两种方案可供选择，它们各有自己的优缺点，具体如下所述3静态显示静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，在本次设计中，如果采用这种方式显示，则驱动3个数码管静态显示则需要3824根I/O端口来驱动，但A89S51单片机可用的I/O端口才32个，在本次设计中还有A/D转换器，按键等电路需要用到I/O口，所以I/O显得有所不足，而且应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。LEDALEDBR1R2LEDCLEDDR3R4LEDELEDFR5R6LEDGLEDHR7R8QAQBQCQDQFQEQGQHCLRCLKABRXDTXDP14P13P15AT89S5174LS164VCCCOM3COM2COM1ABCDEFGHALEDALEDBLEDCLEDDLEDELEDFLEDGLEDH555图显示驱动电路原理动态显示数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“A、B、C、D、E、F、G、DP”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极烟雾M增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通烟雾M端电路的控制，我们只要将需要显,但A89S51单片机可用的I/O端口才32个，在本次设计中还有A/D转换器，按键等电路需要用到I/O口，所以I/O显得有所不足，而且应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的烟雾M端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12MS，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，如果在本次设计中采用此种显示方式，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。经过以上的比较可以看出，在本次设计中采用动态显示比静态显示要好，故设计中采用动态显示方式。在设计LED驱动的时候，可以选择共阳接法和共阴接法6。共阳的时候LED正端接正电源，负端通过一个限流电阻接P口，这时不用接上拉电阻，只要这个限流电阻Z值取合适，就可以了发光管亮的时候电流就是从电源正LED限流电阻P口，P口为低电位发光管灭的时候没有电流流过，P口为高电位或高阻状态共阴接法，LED负端接地，正端直接P口，这时候要接上拉电阻，这个上拉电阻是提供LED发光用的，发光管亮的时候电流是从电源正上拉电阻LED地。这时上拉电阻也是限流用的。P口为高电位或高阻状态发光管暗的时候电流是从电源正上拉电阻P口，这时LED无电流流过，P口为低电位，限流电阻上流过电流全部从P口流入。至于本次设计是采用共阳接法还是共阴接法，要从AT89S51单片机的驱动能力讲起。AT89S51单片机输出驱动分为高电平驱动和低电平驱动两种方式，所谓高电平驱动，就是端口输出高电平时的驱动能力，所谓低电平驱动，就是端口输出低电平时的驱动能力，当AT89S51单片机输出高电平时，其驱动能力实际上是靠端口的上拉电阻来驱动的，实际测试表明，AT89S51单片机的上拉电阻的阻值在330K左右，也就是说如果靠高电平驱动，本质上就是靠330K的上拉电阻来提供电流的，当然该电流是非常小的，小的甚至连发光二极管也难以点亮，如果要保证LED正常发光，必须要外接一个1K左右的上拉电阻，问题是接了上拉电阻以后，每当端口变为低电平0的时候，那么上拉电阻被无用的导通，这将造成电源效率的下降，导致发热，纹波增大，以至于造成单片机工作不稳，因此很少有采用高电平直接驱动LED的，高电平驱动LED实际上就是共阴接法。低电平驱动就不同了，端口为低电平0时，端口内部的开关管导通，可以驱动高达30多毫安的驱动电流，可以直接驱动LED负载，当端口为低电平0时，尽管内部的上拉电阻也是消耗电流的，但是由于内部的上拉电阻很大，有330K，因此消耗电流极小，基本上不会影响电源效率，不会造成无用功的大量消耗，因此AT89S51单片机是不能用高电平直接驱动LED的，只能用低电平直接驱动LED，即只能用共阳数码管，而不能直接用共阴数码管。通过以上分析，得到在本次设计中采用LED动态显示方式，共阳接法。考虑到设计A/D转换器需要占用数据总线的问题，在此次设计中采用串行口来发送LED显示的段码，发送的串行段码通过串并转换芯片74LS164转换后可送到LED段码端口17。本次显示电路的电路接口原理图如图211所示，在图211所示的电路中，74LS164是8位并行输出串行移位寄存器，它具有两个串行输入端和8位并行输出端（QAQH）。CLEAR引脚为异步清零端，当其为低电平时，可使74LS164复位。这里因为不需要复位，故将其接5V电源。引脚8为时钟脉冲输入端，其上升沿用来控制移位寄存器的状态，因此将与AT89S51单片机的TXD引脚相连。串行输入端A、B具有允许和禁止的功能，由于不需要选通，所以将A、B两端连在一起。图27中烟雾M1、烟雾M2和烟雾M3端分别接在单片机的P13、P14和P15口，用于位选。由于单片机的I/O口驱动能力有限，所以加一三极管9012加大驱动能力，接在三极管上的电阻和接在74LS164上的电阻为限流电阻。取值分别为390欧姆和2K。6按键和报警电路设计本次设计一共需要四个按键，其中三个是用来设置报警浓度大小的，还有一个是用来清除报警标志位，使报警器停止报警，从按键的设计方法来说，设计按键有两种方法，即独立按键和矩阵式按键。矩阵式按键由若干行和若干列组成，按键跨接在行列之间，可接按键的总数为行数乘以列数。行列分别接至单片机的I/O口，单片机先将某行置成特定状态后再读取列，以获取是否有键按下，逐行设置状态并读取列，便可知道是否有键按下，以及按键所在的行和列，矩阵式键盘可以用较少的I/O口接较多的按键，适合于按键较多的场合，但按键扫描程序相对复杂。独立式按键即个按键接一个I/O端口，单片机读取该口的状态就知按键的状态，独立式按键的键值读取程序简单，但占用的I/O口多，适合于按键较少的场合。7应急处理电路与阀门开闭装置设计应急处理包括驱动阀门开闭装置关闭阀门切断气源和打开排气扇排风。阀门开闭装置由小型交流电动机（与减速器成一体）、托盘、支架、拨块等组成。电动机通过托盘及支架取与燃气管道垂直位安装于表前阀上，并使机、阀两轴相对，电动机轴端上固定的拨块套在阀门轴上，如电动机转动则阀门轴也随拨块转动，故可模仿人手控制阀门开闭。阀门从开位到闭位或从闭位到开位，阀门轴和电动机轴必须旋转1/4圈即90度，采用软件编程或通过电路均可实现转轴的这一定位。为提高适应性，本装置选用后者，其方法是利用单稳态触发器的