【精选】基于单片机的烟雾报警器设计与实现可行性研究报告

1、基于单片机的烟雾报警器设计与实现可行性研究报告摘要随着“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 ,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。本论文以 MQ-2 半导体传感器和单片机技术为核心设计的气体报警器可实 现声光报警功能，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。其中选用 MQ-2 传感器实现对气体的检测，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。

2、经 AT89C51 单片机处理，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 则会自动启动报警电路发出报警声音， 反之则为正常状态， 而且在此设计中我们 通过 ADS1286 和 AT89C51 单片机进行连接，将烟雾信号转换成单片机可识别 的数字信号，经过单片机处理并对其进行分析，最终将烟雾的浓度显示在 LED 的显示管中。目录 TOC o 1-5 h z 绪 论 1论文研究来源、目的和意义 1论文研究来源 1论文研究目的和意义 1烟雾报警器的国内外现状及发展趋势 2烟雾报警器的国内外现状 2烟雾报警器的发展趋势 41.3 本论文主要任务 5烟雾检测报警

3、器的方案设计 5烟雾报警器设计思路 5烟雾传感器的选型 6烟雾传感器介绍 7烟雾传感器的选定 1.2MQ-2 型烟雾传感器的工作原理 1.3.MQ-2 型传感器的特性及主要技术指标 1.5.2.3 烟雾检测报警器整体设计方案 1.7.烟雾检测报警器工作原理 1.7.烟雾报警器的工作结构和原理 1.8.烟雾检测报警器的功能 2.0.本章小结 2.1烟雾检测报警器的硬件设计 2.2.单片机的选型 2.2单片机的选择 2.2AT89C51 单片机的介绍 2.3.AT89C51 单片机的时钟电路 2.8.AT89C51 单片机的复位电路 2.9.烟雾检测报警器硬件电路设计 3.0.信号采集及前置放大电

4、路 3.0.ADS1286 与单片机的连接电路 3.1.声音报警电路 3.2数码管显示电路 3.3状态指示灯及控制键电路 3.4.MQ-2 的连接方式 3.5本章小结 3.6烟雾检测报警器的软件设计 3.7.AT89C51 系列单片机调试及开发工具 3.7.烟雾检测报警器软件流程及设计 3.8.结 论 3.9参考文献 4.3附 录 4.6致 谢 错误. ！未定义书签外文资料 错.误. ！未定义书签中文翻译 错.误. ！未定义书签绪论论文研究来源、目的和意义论文研究来源随着现代家庭用火、 用电量的增加， 家庭火灾发生的频率越来越高。 家庭火 灾一旦发生， 很容易出现扑救不及时、 灭火器材缺乏及在

5、场人惊慌失措、 逃生迟 缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。家庭火灾的主要原因是麻痹大意， 没有及时采取预防措施。 烟雾报警器是一种用于检测烟雾的感应传感器， 一旦发 生火灾危险，其内部的电子扬声器便会及时警醒人们。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，

6、便可有效减少火灾所造成的严重损失。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。论文研究目的和意义众多数据表明，采用家用烟雾报警器的好处有： 1.可以再着火是迅速发现火灾 ;2.减少人员伤亡率 ;3.减少火灾损失，火灾损失往往仅限于首先着火的物质。 各项火灾统计还表明， 着火与发现火灾之间的间隔时间越短， 火灾死亡率就越低。 事实上，受烟雾报警器保护的家庭火灾死亡率低于那些没有这种保护的家庭火灾 死亡率。综上情况可知， 在民用住宅中使用烟雾报警器是必不可少的。 现针对我国民 用住宅缺乏使用烟感器意识的现象提出以下建议：一、国家立法部门可制定相应法规，强制民用

7、住宅区域安装烟感器;另外，政府参与调节烟感器的售价幅度， 适当给予补贴政策， 让普通家庭都能承受并愿 意去购买。二、针对居民对住宅防火如此无知，政府相关部门深入开展社会宣传工作， 向居民广泛宣传住宅防火的重要性、 必要性及具体措施。 大力发动民宗安装住宅 烟感器，直到国内城乡居民住户全部普及使用为止。三、消防协会可协同法律和保险部门， 由家庭财产保险部门出资， 对每幢居 民住宅强制性安装烟火报警器，以此减少住宅火灾危险。四、对新建的居民住宅， 相关部门应强调必须安装烟感器。 还应组织检查城 市旅馆、酒店、 商场等公共场所是否合理安装烟感器。 以确保火灾发生后能将危 害降到最低。烟雾报警器的国内

8、外现状及发展趋势烟雾报警器的国内外现状一方面是国外从 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1996 年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

9、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

10、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。与巡检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏 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

11、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。烟雾报警器的发展趋势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、

12、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。1.3 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：基本部分对系统进行整体规划和结构设计。以AT89C51单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和 改进

13、，使其功能更加完善。 系统硬件电路主要分为前置放大电路、 键盘电路、 声音报警 电路、状态指示灯电路、液晶显示电路六个部分。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、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、串口通信子程序。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。硬件电路和软件的综合调试。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。烟雾检测报警器的方案设计烟雾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，

14、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2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

15、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 测报警器信号采集部分， 是仪表核心组成部分之一。 由此可见， 传感器

16、的选型是 非常重要的。 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 发生可燃烟雾泄露的场所， 根据报警器检测种类的要求， 一般选用接触燃烧式传 感器和半导体烟雾传感器。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。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

17、，从检测原理上可以分为三大类：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。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。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：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；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；对检测信号响应速度快，重复性好；

18、长期工作稳定性好；使用寿命长；制造成本低，使用与维护方便。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。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，

19、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。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 C400 C 的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上

20、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。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，可以弥补其它烟雾传 感器的不足。电化学传感器电化学传感

21、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。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。红外传感器红外传感器

22、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

23、，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。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C0C02H2SNH3HCNHCICOC12CI2NOXS0202CH4C3H2H2H20半导体气体OOOOOO

24、O传感器OOO固体电解质OOOOO传感器接触燃烧式OOO传感器电化学式传感器OOOOOOOO高分子电解质气体传感器OOOO注：o好不太好222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

25、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

26、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器灵敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿

27、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。型传感器的结构图如图2.1所示，其外观如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300450 C类型所利用的特性工作温度代表性被检测气体电阻表面电阻控制器300 450 C可燃性气体电阻型体电阻控

28、制器300 450 C乙醇、可燃性气700 C以上体非电阻型二极管整流特性室温200 CH2、CO、乙醇晶体管特性150 CH2、 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200300 C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

29、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-2IE图2.1MQ-2型传感器的结构图图2.2 MQ-2型传感器的外观224 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标MQ-2型传感器的一般特点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

30、除有刺激性非可燃性烟雾 的干扰信息，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5 0.2V。MQ-2 型传感器的基本特性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

31、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。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。加热特性

32、半导体烟雾传感器一般要在较高的温度(200450 C)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 31 3? 。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。MQ-2 型传感器的特性参数回路电压：(Vc) 524V取样电阻：

33、(RL) 0.120K加热电压：(VH)5 0.2V加热功率：(P)约750mW灵 敏 度：以甲烷为例 R0(air)/RS (0.1%CH4) 5响应时间：Tresv 10秒恢复时间：Trec v 30秒烟雾检测报警器整体设计方案烟雾检测报警器工作原理本论文中的烟雾检测报警器以 STC12 单片机为控制核心， 采用 MQ-2 型电阻式半导体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放大，转化成较大的电压信号送入ADS1286 ;然后，在ADS1286内A/D转换、浓度比较，对数 据进行线性化处理， 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

34、 体浓度送入液晶，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。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，发出声光报警信号。当然几种状态的报警信号是各不相同的。232烟雾报警器的工作结构和原理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

35、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MQ-2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2-1。烟雾信号放hA/D转换传感器大电路卜电路/VL丿1 丿图 2-3 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

36、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

37、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。烟雾检测报警器的功能状态显示功能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

38、浓度极低 . 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。 当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下按键停 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。烟雾浓度显示通过液晶屏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。烟雾报警功能当烟雾浓度连续一段时间取值都在报警限值之上， 蜂鸣器开始报警， 且声音 越来越急促，并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏 感，所以变化的 声音及灯光更容易引起用户的注意。自动控制相关安全装置的扩展功能留

39、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。2.4 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

40、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烟雾检测报警器的硬件设计在报警仪的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送 来的烟雾浓度对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对 两种信号分别进 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，

41、 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。根据多方面的比较，本设计选用宏晶 科技生产的 AT89C51 系列单片机。单片机的选型单片机的选择单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。 相当于一个微型的计算机， 和计算机相比， 单片机只缺少了 I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量 轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是 了解计算机原理与结构的最佳选择单片机的使用领域已十分广泛，如智

42、能仪表、实时工控、通讯设备、导航系 统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机， 就能起到使产品升级换代的功效， 常在产品名称前冠以形容词“智能型” ，如智能型洗衣机，各种警报器中的 应用等。一方面它要接收来自传感器的气体浓度的模拟信号和故障检测信号， 另一方 面要对两种信号分别进行处理， 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， 再进行 线性化处理， 这一过程的软件实现， 需要单片机有较快的运算速度， 使仪表监测 人员能够观测到并进行相应处理。根据此次的实验要求设计我们采用的是 51 系列的单片机，根据多方面的比 较我此

43、次采用的是 AT89C51 的单片机。AT89C51 单片机的介绍AT89C51 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机带有 4K 字节的可反复 擦写的程序存储器（ PENROM ）。和 128 字节的存取数据存储器（ RAM ），这种 器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51 系列的单片机兼容。 片内含有 8位中央处理器和闪烁存储单元， 有较强的功能的 AT89C51 单片机能够被应用到控制领域中。功能特性AT89C51 提供以下的功能标准： 4K 字节闪烁存储器， 128 字节随机存取数 据存储器，32个I/O 口，2个16位定时/计数器，1个5

44、向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行OHZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能 够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。引脚描述AT89C51单片机的引脚图如下图3.6:卩1. QPI.I 門.2PJ.J 門.4 PJ.5P1.6PL7RST 曲恥工U 0灿 PM 17vTm?5. 2Cr!iTT)PJ+3(T0P3,4| crnpj. $| 丽町.b|(ffttlPJ. 7KTA

45、L2XTAL1 t5DATS9G51TOPft. 0； (ADO) P(k 1/UD1) 卩Q 2/ UD2) P0F 3/ U&3) PBt4/(AD4) 列.5/MP刖 刊和GUM) 也 7/ CW7I EX/VPP aLC/FW psfnP2, 7/ UU)P2.6/(A14) Pl+5/(A13Pl. 4 (All)FT 3/(All) P2t2/U10 P2_ 1/(AS) ?2. 0/(A8)图3-1 AT89C51引脚图vcc：电源电压GND : 地PO 口：P0 口是一组8位漏极开路双向I/O 口，即地址/数据总线复用口。作为输出 口时，每一个管脚都能够驱动 8个TTL电路。当

46、“ 1 ”被写入P0 口时，每个管 脚都能够作为高阻抗输入端。 P0 口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器 时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。 P0 口在闪烁编 程时， P0 口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。P1 口：P1 口一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动 4个 TTL 电路。对端口写“ 1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为 输入口。 因为内部有电阻， 某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。 闪烁编程 时和程序校验时， P1 口接收低 8 位地址。P2 口：P2 口是一个内部带有上拉电阻的 8位双向

47、I/O 口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“ 1 ”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作 为输入口。 因为内部有电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 在访 问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时， P2 口送出高 8 位地址数 据。在访问 8 位地址的外部数据存储器时， P2 口线上的内容在整个运行期间不 变。闪烁编程或校验时， P2 口接收高位地址和其它控制信号。P3 口：P3 口是一组带有内部电阻的 8 位双向 I/O 口， P3 口输出缓冲故可驱动 4 个TTL电路。对P3 口写如“ 1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入 端时，被外

48、部拉低的 P3 口将用电阻输出电流。P3 口除了作为一般的I/O 口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3.7 所示：表3.7 AT89C51各部分引脚的作用端口引脚第二功能P3.0RXDP3.1TXDP3.2INTOP3.3INT1P3.4TOP3.5T1P3.6WRP3.7RD表3.7 AT89C51各部分引脚的作用端口引脚第二功能P3.0 RXDP3.1 TXDP3.2 INTOP3.3 INT1P3.4 TOP3.5 T1P3.6 WRP3.7 RDP3 口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号RST：复位输入。当震荡器工作时， RET 引脚出现两个机器周期以上的高电平将使

49、 单片机复位。ALE/ ：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器， ALE 以时钟震荡频率的 1/16 输出固定的正脉 冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。 要注意的是： 每当访问外部数据 存储器时将跳过一个 ALE 脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编 程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的8EH单元的DO位置禁止ALE操作。 这个位置后只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才会被应用。此外，这个引脚 会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 无效。PSEN：程序储存允许输出是外部程序存储器的

50、读选通信号，当 AT89C51 由外部程 序存储器读取指令时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此 期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号不出现。EA/VPP ：外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位 LBI被编程，复位时内部会锁存 EA端状态。 如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时， 该引脚加上+12V的编程允许电压VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程 电压 VPP。XTAL1 ：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2 :震荡器反相放大器的输出

51、端振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放 大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源 驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器， 因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽 度。AT89C51单片机的时钟电路AT89C51中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自然震荡器。外接石英晶体及电容 C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。 对外接电容C

52、1，C2虽然没有十分 严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡器工作的稳定 性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30PF 10PF,而如果使用陶瓷振荡器建议选择 40PF 10PF。用户也可以采用外部时 钟。采用外部时钟的电路如图示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要 求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要 求。X7AL2XTAL1GND图3-2内部振荡电路NCXTAL2

53、XTAL1EXTERNALOSCILLATORSIGNALGND图3-3外部振荡电路时钟电路图如下图3.10 :Cap 30pFIIY1XTAL16Ts TgLP3.6(WR)P3.7(RO)XTAL2 XTALLGNDP2.4ALjP2.3(A11PZ.2(A1CP2.1(ASP2 0(AS89C51图3-4时钟电路图AT89C51单片机的复位电路在整个燃气报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单片 机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使 CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作， 因而，复位是一个很重要的操作方式。 但

54、单片机本身是不能自动进行复位的， 必 须配合相应的外部复位电路才能实现。单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。我们在设计 单片机复位时，选用上电复位上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间RST引脚获得高 电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要 能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电容参数为：晶振为12MHZ，电容值为1uFvccC3SW-PBCapO.luFRIOPLIPO.O(AP1.2P0.1(AP0.2(APL.4P03(AP0.4(AP1.6P0.5(APL,?PQ.6(ARST

55、P0.7(AP3.0(RXD)P3.L(rXD)ALE(PRP3.2(IXT0)P?P2.7(/P3.4(T0)P2.6(/P3J(TDP2 5(?图3-5复位电路3.2烟雾检测报警器硬件电路设计321信号采集及前置放大电路传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、 滤波、电 平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给 ADC采 集。常见的运算放大器中，AD644价格低廉、使用简单等优点 比较突出，所以 本设计中的前置放大电路采用 AD644作为电路的运算放大器。AD644由两个低噪声的高速

56、电压反馈放大器组成。它的两个输入端产生的电压 噪声只有2 . 5nV/VHz。同时具有带宽宽，失真小等特性。当驱动电容负载时， AD644具有较高的输出电流和较好的稳定性。它的功耗较小，在 5V到12V的电源下工作时，每个放大器仅消耗 4. OmA的静态电流。vccGKD图3-6前置放大电路图322 ADS1286 与单片机的连接电路放大后的信号经过地址选通从IN 口输入ADC1286芯片，初始化芯片后，给START端一个不少于100 nm 的正脉冲开始模数转换。当转换完成后，EOC端发出一个完成信号（高电平），数据通过锁存器送给单片机P0 口单片机接口电路如图所示。单片机的时钟频率为11.

57、0592 MHz，则ALE引脚的时钟频率约为1. 84 MHz，两次二分频得到的频率差不多为450 kHz，符合频率要求。GND单片机与ADS 1286接口电睦图3-7 ADS1286 与单片机的连接电路323声音报警电路声音报警电路图如图3.3所示。报警装置采用无源压电式 KM3712X型蜂鸣 器26，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，适用于家用煤气报警器的报警声音源。当单片机AT89C51的32脚(P0.7)置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器报警。 本报警器采用单片机 AT89C51的功能,如果烟雾浓度达到报警限，单片机控 制P0.7 口输出占空比一定的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。

58、END整暫电路图3-8声音报警电路图324数码管显示电路报警器浓度显示采用数码管。显示浓度级别，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：反射式正显示存储温度：-20+60 C接口方式：8线并行接口uDS IComponent _1Dpy Blue-CA数码管显示电路图3-9数码管结构图325状态指示灯及控制键电路状态指示灯及控制键电路图如图 3.5所示。单片机AT89C51 的34脚 (P0.4)、35脚(P0.5)，控制输出的状态指示灯。绿灯常亮表示正常状态，

59、环境中 可燃烟雾浓度极低。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。当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下按键停止 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vccLEDOD2470刖REENLED1470LED-RED图3-10状态指示灯电路图326 MQ-2的连接方式MQ 一 2烟雾传感器有6个引脚，其中中间的2个为电阻丝，剩下的4个 引脚分别为2个输入引脚和两个输出引脚。其中中问的两个弓I脚为信号输出端， 其输出为模拟电压量，范围为0 I V。其连接方式如图所示。该传感器需要施加2个电压VcU7ABU1R1TikQ

60、NDMQ2的连接方式图3-11 MQ-2 的连接方式3.3本章小结本章阐述了烟雾报警器的硬件设计。首先介绍了AT89C51系列单片机系统的结构特点、技术性能特点。从设计要求及对AT89C51系列单片机性能指标、价格及节省仪表空间考虑，选用AT89C51单片机作为该报警系统的核心控制器。 然后，详细地阐述了烟雾报警器电路设计，分为信号采集及前置放大电路、AT89C51单片机接口电路、声音报警电路、显示电路、状态指示灯电路。烟雾检测报警器的软件设计4.1 AT89C51 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 Software 公司出品的 Keil C51 ，是 51 系列