基于单片机的烟雾检测系统论文

1、毕 业 设 计（论 文）题 目： 基于单片机的烟雾检测报警系统 （英文）： Detection Alarm System of Smoke Based on Single Chip Microcomputer 院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 2012年5月 基于单片机的烟雾检测报警系统摘要本文设计的用单片机控制的烟雾检测报警系统，是采用催化燃烧效应原理的探头制成的烟雾浓度测量及报警的仪器，适用于家庭、中小型煤矿、农村沼气池等存在可燃气体的场所，进行多种可燃气体（液化石油气、氢气、甲烷）在空气中的浓度测量，系统能够根据可燃气体报警界限进行声、

2、光报警，并留有可直接使用的扩展功能端口，可以根据用户的需要用于安全控制装置（排风、鸣笛等）。系统由带有A/D转换模块及看门狗模块的单片机、敏感元件、前置小信号放大电路、显示电器、键盘电路、声光报警电路、模式切换电路、电源电路、继电器控制电路等组成。其中单片机为系统的核心，完成数据的采集、处理、输出、显示等功能；双通道模式的敏感元件用于准确检测烟雾的含量，其输出与烟雾浓度对应的电压信号；小信号放大电路用于放大敏感元件输出的电压；显示电路用于显示烟雾的浓度；键盘电路用于调整报警界限及消音；报警电路用于对超限的烟雾进行声光报警；模式切换电路用于切换测量哪种可燃烟雾（液化石油气、氢气、甲烷）；电源电路

3、为系统提供稳定的电压；继电器控制电路为用户需要留下扩展功能。该系统的特点是测量气体种类多，测量范围宽，精度高；结构简单，成本低；可靠性和稳定性好；具有死机自动重启、双通道传感器测量功能，是一种电路设计新颖、参数测量准确、操作方便的多种烟雾浓度检测与报警的实用设备。关键词：烟雾检测；传感器；单片机Detection Alarm System of Smoke Based on Single Chip MicrocomputerABSTRACTKey words：Smoke Detection; Sensor; Single Chip Microcomputer目 录1绪论1.1论文研究来源、目的

4、和意义11.1.1论文研究来源11.1.2论文研究目的和意义11.2烟雾报警系统的国内外现况21.3本论文的主要任务与创新思路32系统的总体方案设计2.1烟雾传感器的选型52.1.1烟雾传感器介绍52.1.2烟雾传感器的选型82.1.3 MC101型烟雾传感器的工作原理82.1.4 MC101型烟雾传感器的特点与技术指标92.2烟雾报警系统总体设计方案112.2.1烟雾检测报警系统工作原理112.2.2烟雾检测报警系统的结构112.2.3烟雾检测报警系统的功能112.2.4烟雾检测报警系统的主要技术指标133烟雾检测报警系统硬件设计3.1单片机的选型143.1.1单片机的选型143.1.2 S

5、TC12C5410AD单片机的特点153.2烟雾检测报警系统硬件电路设计173.2.1信号采集及前置信号放大电路173.2.2声光报警电路183.2.3数码管显示电路193.2.4键盘控制与模式切换控制电路203.2.5安全控制装置电路213.2.6直流稳压电源电路223.3基于单片机的烟雾检测报警系统硬件总电路234烟雾检测报警系统软件设计4.1 STC12系列单片机调试及开发工具244.2烟雾检测报警系统软件流程及设计254.2.1主程序设计及流程图254.2.2主程序初始化设计及流程图264.2.3数码管显示程序设计274.2.4外部中断0程序设计及流程图274.2.5 T0中断程序设计

6、及流程图284.2.6 ADC中断程序设计及流程图295仪器标定及误差分析5.1烟雾检测报警系统标定315.1.1爆炸下限（LEL）概念介绍315.1.2仪器的标定325.2烟雾检测报警系统误差分析33结论参考文献致谢附录A1绪论1.1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

7、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系统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。报警器作为预防燃气烟雾泄漏的有力武器，它的出现却似乎并没有引起人们应有的注意。这个在安全防护上可以和家用灭火器相提并论、甚至比灭火器更需要进入家庭的小东西，大多数家庭根本没有把它当一回事，甚至不知道还有这样一个可以从根本上解决煤气中毒和煤气

8、爆炸的“保护神”存在。以上海为例，去年因热水器废气中毒及灶具溢熄、橡皮管老化脱落引起的燃气泄漏和造成中毒死亡的共86人，占全部燃气事故死亡人数的84%。但据权威部门公布的另一项调查表明在上海市300万左右的燃气用户中，安装家用燃气泄漏报警器的不足10%。城市里面使用煤气的用户越来越多，而使用了烟雾报警系统的用户都廖廖可数，随着社会的发展，人们对安全的意识也越来越强。无论是工厂还是家庭中，在这些有燃气存在的环境中，安装烟雾报警器，势在必行。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达四亿人，煤气发生基地及中转站也达几万家。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

9、的需求量就达4000万台以上。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2011年底，全国沼气池数量已达近4500万座，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。科学技术在不断地前进，微机技术也如日中天，时至今日，烟雾报警系统它不仅仅是可以实现烟雾报警那就可以了。而是要朝着高精度，微型化，数字化，集成化，智能化等方向不断发展。并且需求量会越来越大，发展速度也以日俱增。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

10、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。1.2烟雾报警系统的国内外现况国外从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2011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

11、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。我国在上世纪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

12、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，

13、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本论文的主要任务与创新思路2系统的总体方案设计基于单片机的烟雾检测报警系统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

14、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。2.1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

15、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。2.1.1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： （1）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。 （2）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。 （3）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

16、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： （1）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；（2）对检测信号响应速度快，重复性好；（3）长期工作稳定性好； （4）使用寿命长； （5）制造成本低，使用与维护方便。3、常见的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。 （1）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1。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

17、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。 （2）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。 （3）接触燃烧式传感器 接触燃烧式气体传感器分为直接接触燃

18、烧式和催化接触燃烧式（热线型）两种。工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体被氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，使其电阻值发生变化，电阻值的变化反映了气体体积分数的变化。这种传感器只能测量可燃气体，对非可燃性气体不敏感。例如，在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有广谱特性，可以检测各种可燃气体。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于对石化、造船业、矿井、浴室、厨房等领域内的可燃性气体进行监测和报警2。 （4）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

19、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，可以弥补其它烟雾传感器的不足。 （5）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

20、毒气检测采用该类型传感器。 （6）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。 （7）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

21、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、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。 2.1.2烟雾传感器的选型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、家庭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

22、体烟雾传感器。热催化式是利用可燃性气体在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定可燃性气体的浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。其缺点是探测元件的寿命较短，不能测高浓度的燃气，硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。目前国内外检测甲烷等燃气的仪器广泛采用这一原理。 气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌烧结型金属氧化物。这一原理是利用气敏半导体被加热到200°C时，其表面能够吸附燃气而改变其电阻值来检测燃气浓度。其优点是对微量燃气比较敏感，结构

23、简单、成本低。但当浓度大于1%甲烷时，其反应迟纯，选择性和线性均较差，所以很少用于检测浓度比1%大的燃气。本论文设计的烟雾检测报警系统，可检测范围比较宽，设在0100%LEL。经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现热催化式烟雾传感器的优点更加突出，本设计选用MC101热催化式烟雾传感器，这种型号的传感器桥路输出电压呈线性，响应速度快，具有良好的重复性、选择性，元件工作稳定、可靠，有优异的抗H2S、有机硅中毒能力；可应用于工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测。应用于可燃性气体泄漏报警器、可燃性气体探测器、气体浓度计等，应用范围广3。2.1

24、.3 MC101型烟雾传感器的工作原理接触燃烧式气体传感器分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式（热线型）两种。工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体被氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，使其电阻值发生变化，电阻值的变化反映了气体体积分数的变化。这种传感器只能测量可燃气体，对非可燃性气体不敏感。例如，在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有广谱特性，可以检测各种可燃气体。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于对石化、造船业、矿井、浴室、厨房等领域内的可燃性气体进行监测和报警。MC101型催化元件根据

25、催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温湿度补偿作用。其基本测试电路如图2.1所示，外形结构如图2.2所示。图2.1 基本测试电路 图2.2 MC101外形结构图2.1.4 MC101型烟雾传感器的特点与技术指标1、MC101传感器的特点及应用MC101传感器桥路输出电压呈线性，响应速度快，具有良好的重复性、选择性，元件工作稳定、可靠，有优异的抗H2S、有机硅中毒能力；可应用于工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度

26、检测。应用于可燃性气体泄漏报警器、可燃性气体探测器、气体浓度计等，应用范围广。其外形结构如图2.2所示。2、MC101传感器的技术指标（1）MC101传感器的基本特性参数 MC101传感器的基本特性参数如表2.1所示。表2.1 MC101基本特性参数工作电压(V) 3.0±0.1 工作电流(mA) 110±10 灵敏度(mV) 1%甲烷 2550 1%丁烷 3050 1%氢气 2545 线形度（%） 5 测量范围（LEL） 0100 响应时间 (90%) 小于10秒 恢复时间 (90%) 小于30秒 使用环境 -40+70 低于95%RH 储存环境 -20+70 低于95%

27、RH 外形尺寸（mm） 12mm×8mm （2）MC101传感器的灵敏度特性MC101传感器桥路输出呈线性，其灵敏度特性如图2.3所示。图2.3 MC101灵敏度特性（3）MC101传感器的长期稳定性MC101传感器在空气中每年漂移小于±2个mV，在1%甲烷中每年漂移小于±2个mV。短期储存（两周内）30分钟即可稳定，如长期储存（一年），则需老化5小时才可稳定。传感器在环境温度、湿度、工作电压影响下，一般不会超过±1mV，稳定性好。2.2烟雾报警系统总体设计方案2.2.1烟雾检测报警系统工作原理本论文中的烟雾检测报警系统以STC12C5410AD单片机为

28、控制核心，采用MC101热催化燃烧型传感器采集烟雾信息。 首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过差动放大30倍，转化成较大的电压信号送入STC12C5410AD单片机；然后，在STC12C5410AD单片机内进行A/D转换、浓度比较，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气体浓度送入显示器，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮，同时启动继电器开启外围安全控制装置。由于传感器需要维持一定的温度，所以传感器需要使用3V稳定电压持久供电。2.2.2烟雾检测报警系统的结构为适应家庭和工业等场

29、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、延时报警功能并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2.4所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成双通道信号采集4、信号放大、模数转换、浓度显示、状态显示、声音及灯光闪烁报警、按键输入、继电器控制等功能。报警器采用巡检的工作方式，进行实时报警值设定，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

30、。2.2.3烟雾检测报警系统的功能（1）检测燃气种类切换功能通过两个开关切换检测燃气种类，并且设置检测液化石油气为默认状态，通过两个开关设置更改检测种类，可切换成检测氢气模式及甲烷模式。适合多种场合的使用。（2）烟雾浓度显示通过数码管显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。（3）烟雾报警功能 当烟雾浓度连续20秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，并且伴随红灯闪烁及像警车一样的报警声。因为人对变化的信号更为敏感，所以闪烁的灯光及警声更容易引起用户的注意。 （4）防止报警器误报功能 快速重复检测及延时报警可以

31、区别出是管道中可燃烟雾的泄漏，还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。 （5）看门狗自检单片机状态功能 调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。 （6）与上位机通讯功能 可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。 （7）自动控制相关安全装置的扩展功能 状态指示灯声音报警浓度显示四个按键传感器放大电路A/D转换模式切换安全控制装置传感器串口通信单片机留有继电器接口，可以带动排风扇或大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子阀门，可在报警的同时自动启动相关安全装置。图2.4 烟雾检

32、测报警系统结构框图2.2.4烟雾检测报警系统的主要技术指标（1）传感器类型：热催化燃烧式 （2）检测范围：0100%LEL （3）报警准确度:：±3%LEL （4）报警点设置：液化石油气、甲烷达30%LEL，氢气达25%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 0°C70°C；报警器0°C70°C （7）工作环境湿度：95%RH （8）报警方式：烟雾泄漏声光报警 （9）指示方式：数字显示，可显示被测烟雾的实际浓度及设定报警限值 （10）响应时间：10S 输出信号：可输出与烟雾

33、浓度对应的05V DC标准信号 （11）工作电压：AC220V±15%，50±lHz或DC9V±10% （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。3烟雾检测报警系统硬件设计在烟雾检测报警系统的设计中，单片机是其核心部件。它要接收来自传感器送来的烟雾浓度对应的模拟信号进行处理，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些的工作中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况做进行相应处理。并且也要考虑选

34、择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。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。根据多方面的比较，本设计选用宏晶科技生产的STC12系列单片机。3.1单片机的选型3.1.1单片机的选型单片机是烟雾检测报警器的核心部件，它要接收来自传感器的烟雾浓度的模拟信号进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，经过相应的公式处理后得到浓度，然后送显示器显示，这一过程的软件实现，需

35、要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的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。如今市面上比较普遍的单片机有51系列与AVR系列。 51系列单片机应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，速度比较，功耗小，适合民用，商用，工业用途。STC单片机是属于51系列下的一个品牌，它是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高。汇编语言对于不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不

36、易移植。而C语言是一种结构化的高级语言，虽然占用资源较汇编多，但是可读性好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。鉴于C语言的易读性和普遍性，本论文的软件设计选择C语言。为适用于本论文设计的烟雾检测报警系统，应选择一种51系列里速度快，功耗低，抗干扰性好，而又避免C语言编程溢出问题的单片机。宏晶科技新推出的STC12系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度却比普通8051单片机快812倍。而且STC12系列下属的STC12C54xxAD系列单片机是低功耗Flash单片机，它的高效寻址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D转换

37、、硬件乘法器、硬件脉宽调制器(PWM)等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和应用适应性。 STC12C54xxAD系列单片机有6种型号：分别是STC12C5412AD、STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD、和STC12C5402AD。它们是以单片机内部集成Flash的大小区分的。在价格相同的情况下，尽量选择Flash较大的芯片，所以选择了STC12C5410AD单片机作为本论文设计的烟雾报警器的单片机核心芯片。它体积小，价格低，非

38、常适用于本设计，下面介绍STC12C5410AD的自身特点。3.1.2 STC12C5410AD单片机的特点STC12C5410AD单片机较以往的单片机提高了工作效率，使系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著改善，而且进一步小型化和便携化。其内部集成的Flash几乎拥有现代追求个性化的用户所需要的掉电后数据不丢失、快速的数据存取时间、电可擦除、容量大、在线可编程、足够多的擦写次数、价格低廉和高可靠性等所有优点5。STC12C5410AD单片机的管脚结构如图3.1所示。STC12C5410AD单片机具有以下特点： （1）Flash存储器 STC12C5410AD Flash存储器为10KB。Flas

39、h存储器主要用作程序存储，可经计算机串口接口下载程序；程序运行时能对其中的1段或多段进行擦、写操作，因此兼有数据存储器功能。Flash存储器的掉电保护功能可用于程序数据保存，可以按字或字节读写，最小擦除单位为1段，经过擦除的位为“1”，写入位为“0”。 （2）脉宽调节模式(PWM) 所有PCA模块都可用作PMW输出。输出频率取决于PCA定时器的时钟源。由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有它们的输出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器EPCnL，CCAPnL有关。CL SFR的值小于EPCnL，CCAPnL时，输出为低，当PCACL SFR的值等于或大于EPCnL，

40、CCAPnL时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，EPCnH，CCAPnH的内容装载到EPCnL，CCAPnL中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。 图3.1 STC12C5410AD管脚结构图（3）I/O口工作类型设置 STC12C5410AD带有27个I/O引脚，如3.1图，它的I/O与传统的I/O不同，每个I/O口均可由软件设置成4种工作类型之一，使得功能口和通用I/O口复用。 4种类型分别为：准双向口(标准8051输出模式)、推挽输出、仅为输入(高阻)和开漏输出功能。在对同一个I/O口进行操作前要选择其要实

41、现的功能，这样大大地增强了端口的功能和灵活性。其中一些I/O口还可以与STC12C5410AD中的特殊模块相结合完成更为复杂的工作。如与捕获比较模块相结合可以实现串行通信，与A/D模块结合实现A/D转换等。此外，STC12C5410AD的I/O端口电气特性也十分突出，几乎所有的I/O口都有20mA的驱动能力，对于一般的液晶显示屏、蜂鸣器可以直接驱动而无需辅助电路。许多端口内部都集成了上拉电阻，可以方便地与外围器件相接。（4）A/D模数转换寄存器 STC12C5410AD单片机的A/D转换口在P1口(P1.7P1.0)，有8路10位高速A/D转换器，STC12C5410AD系列是10位精度的A/

42、D，速度均可达到100KHz(10万次/秒)。8路电压输入型A/D，可以完成温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等功能。上电复位后P1口是弱上拉型的I/O口，可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。这样，A/D转换和I/O口可以灵活的运用，节省了软件及时间。 （5）有配套的仿真开发工具 STC12C5410AD的Flash存储器给用户的开发带来方便。用户可以将芯片焊接在线路板上后进行下载程序、调试程序和修改程序。同时，STC12C5410AD的片内已集成了程序断点控制等逻辑功能。因此，它的开发工具较为简单，只需1套PC环境下的调试

43、软件和1个连接于并口的仿真器。仿真器与STC12C5410AD经串口连接。因此，用户只要在设计应用系统时为调试需要预留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可实现系统的程序下载调试、系统现场编程硬件仿真或软件升级功能，而且无需外加编程电压。3.2烟雾检测报警系统硬件电路设计3.2.1信号采集及前置信号放大电路3.2.2声光报警电路声音报警电路图如图3.3(a)所示。报警装置采用普通小型扬声器，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，适用于多种场合燃气报警器的报警声音源。当单片机STC12C5410AD的19脚(P3.7)置1时，三极管Q1导通。如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P3.7口输

44、出一定频率的脉冲，再通过T1中断使这个频率改变，从而使得扬声器实现像警车声一样的报警声。状态指示灯控制电路如图3.3(b)所示。单片机STC12C5410AD的6脚(P0.0)、10脚(P0.1)、23脚(P0.2)，控制输出的状态指示灯。绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低；黄灯闪亮表示传感器正在预热丝；红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。(a)声音报警电路 (b)灯光报警电路图3.3 声光报警电路3.2.3数码管显示电路报警器浓度显示采用四位红色的共阴数码管。以动态刷新的方式，显示实际浓度，在设置调整报警界限模式时显示报警界限。选用74LS49显

45、示译码器作其驱动6，通过控制四个I/O口得出七位的信号，从而得到要显示的字型，减少单片机的I/O负担。选用74LS139作为其选位控制芯片，从而控制要显示的位。数码管的小数点位直接由单片机的P2.3脚控制。其电路图如图3.4所示，其主要技术参数如下： 模块工作电压：2.75.5V 工作电流：80mA,每段10mA字高：11.4mm环境相对湿度：<85 视角：6:00 工作温度：-10+50°C 显示方式：动态显示显示位数：四位显示颜色：红色接口方式：8线并行接口图3.4 数码管显示电器3.2.4键盘控制与模式切换控制电路3.2.5安全控制装置电路在安全控制装置扩展电路中，继电器

46、（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，继电器动作，安全装置（自动换气风扇、洒水装置、大功率扬声器、大功率警示灯）启动8。如图3.6所示。图3.6 安全控制装置电路3.2.6直流稳压电源电路由于产品使用场所具有一定爆炸危险性，所以在产品的设计过程中，应坚持防爆设计思想。首先，利用器件的保护功能，在电路中采用LM317和LM7805作为各对模块的供电电源，做到既稳压又保护；其次，尽量减少碱性、容性元件的使用，减少电路中的储能量；第三，充电电路的变压器高压端接入1A保险丝，提高系统在充电过程中的安全性9。一般直流稳压电源是由电源

47、变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。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LM7805，让电源电路的输出电压稳定为5V，以此作为系统部分电路的电源，如图3.7所示。本设计所采用的电源电路中，为了方便系统适应多种使用场合，系统不但可以直接使用220V交流电进行供电

48、，在没有交流电的场合进行检漏时，还可以使用9V电池进行供电，电源电路中设有防反灌充电的二极管，安全可靠。图3.7 系统5V稳压电源电路由于系统使用的传感器需要使用3V电源单独供电，所以需要将5V电源转成3V稳压电源，如图3.8所示。图3.8 传感器3V独立电源电路图3.3基于单片机的烟雾检测报警系统硬件总电路把上述各个部分电路结合到一起，就是本文所设计的可燃烟雾检测报警系统的总电路。通过各自分工，最终实现声光报警、浓度显示、自动换气排烟和灭火功能。由于图纸过大，具体电路图见设计图纸。4烟雾检测报警系统软件设计4.1 STC12系列单片机调试及开发工具本系统的软件编程使用的是美国Keil Sof

49、tware公司出品的Keil C51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。C51工具包的整体结构中，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或

50、汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经C51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。STC12系列单片机下载程序使用的是宏晶科技自行开发的STC单片机ISP下载编程软件。本论文程序调试过程中，使用的是STC-ISP-v6.12版。ISP工具的功能主要是将由PC机串接来的8位并行数据与单片机的串行数据进行相互转换，以实现P

51、C机与STC12C5410AD的RXD及TXD口通讯。当用户将源程序(汇编语言或C语言)经语法检查无误并生成代码时，就可以将程序代码下载到Flash芯片中，而用户的系统可以是在线状态10-12。用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，在程序中设置断点，在STC12C5410AD中，可以同时设置3个硬件断点，它是经过串口的传输，由芯片中的几组断点条件寄存器实现的。 用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，检查或修改Flash芯片内的各种存储器、寄存器的数据。4.2烟雾检测报警系统软件流程及设计本论文中，软件解决的主要问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行A/D转换，数字滤波，动态刷新

52、浓度显示，按键功能设置，切换模式处理以及报警器声光警报。4.2.1主程序设计及流程图主程序流程图如图4.1所示。在初始化程序中，首先要给传感器预热五分钟，因为MC101型热催化燃烧式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。A/D转换，防脉冲干扰滤波，按键处理，等均在中断子程序中完成。STC12C5410AD单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转换、防脉冲干扰滤波、对应线性浓度处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入四位段式数码管显示烟雾浓度值。在主程序当中等待中断信号的到来，进

53、行相应的中断子程序的处理，完成A/D转换、滤波、按键处理、浓度比较等操作。中断处理浓度显示初始化开始结束图4.1 主程序流程图4.2.2主程序初始化设计及流程图开始主程序初始化流程图如图4.2所示。首先启动片内看门狗，传感器预热五分钟，程序开始读取当前模式，设置报警界限，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、寄存器初始化等。然后设定T0定时初值50ms，作为比较浓度值的间隔，T1则初始化，并将T1的中断优先级设为最高级。允许所使用的中断使能，开启A/D转换，开启绿灯。启动看门狗关闭扬声器关闭状态指示灯关闭显示器黄灯闪烁传感器预热设置报警界限初值 显示器显示移动的0读取当前模式T0

54、定时50MS返回返回允许总中断允许A/D中断允许T0中断允许外部0中断开启A/D转换设置T1中断优先启动T0打开绿灯结束图4.2 初始化程序流程图4.2.3数码管显示程序设计本设计采用的是四位共阴的红色数码管显示实际浓度或者报警界限。为了方便数据的处理，在得到对应的浓度之后，将该浓度乘于1000后取整，送至显示器显示。在四位数码码当中，第一位的小数点常亮，这样就可以准确地显示当时浓度或者报警界限。在硬件设计中，已经将小数点引脚接于单片机的P2.3脚，所以只要在控制显示器时，当需要显示第一位的时候，将P2.3置1，便可点亮该位的小数点。由于需要显示四位数字，因此需要采用动态刷新的方式去显示，结合

55、硬件图，灵活编码显示，具体编码方式见附录，逐位显示，以下为显示程序：void Display(XSDATA)/显示程序 int a,b,c,d; a=XSDATA/1000; b=(XSDATA%1000)/100; c=(XSDATA%100)/10; d=XSDATA%10; P2=XS1a; Delay_ms(1); P2=XS2b; Delay_ms(1); P2=XS3c; Delay_ms(1); P2=XS4d; Delay_ms(1); WDT_CONTR=0x35; /喂狗4.2.4外部中断0程序设计及流程图根据硬件图可知，外部中断0与键盘接在一起，因此，外部中断0子程序主要用于键盘扫描，确定按键，进行对应的按键处理。为了提高准确率，本设计采用延时去抖动的方法消除干扰。四个按键当中，第一个用于显示当前报警界限值，第二个用于增加当前报警界限值，每次增加0.01%，第三个用于减少当前报警界限值，每次减少0.01%，第四个是用于消除报警音。外部中断0子程序的流程图如图4.3所示。开始关闭中断0允许扫描键值延时10MS去抖动是否有键按下NY提取键值键值对应动作处理开启中断0允许结束图4.3 外部中断0程序流程图4.2.5 T0中断程序设计及流程图利用单片机内部定时器T0定时50ms，作为时间间隔去读取当前检测哪一种燃气，当模式被切