【《一款多路烟雾检测报警器的结构设计》8400字（论文）】

PAGE8一款多路烟雾检测报警器的结构设计目录TOC\h\z\t"标题1,2,标题2,3,标题3,4,标题,1"1绪论 11.1选题的目的和意义 11.2烟雾报警的发展 22整体方案设计 33系统硬件设计与实现 43.1主要单元电路的设计 43.1.1单片机控制模块设计 43.1.2气体传感器的电路设计 63.1.2温度传感器 73.1.4无线收发模块设计 83.1.5显示电路模块的设计 103.1.6模数转换芯片ADC0832 113.2电路原理及说明 124软件系统程序的设计 134.1主程序的设计 134.2子程序的设计 155.调试及结果 155.1测试环境及工具 155.2测试方法 155.3测试结果分析 16结论 19参考文献 20附录 1设计要求与方案论证1绪论1.1选题的目的和意义火灾是令人闻之丧胆的意外灾害，工业生产，日常生活，海上航行这些活动中好像都有火灾的身影。火灾的后果往往都是沉重的,不仅产损失,人身安全也会受到威胁。因此能在星星之火还没到燎原的程度时，就把它掐灭了这就是最成功的救火方案。古时候人们为了避免或能及时扑灭火灾，专门设立了一个部门。每天晚上皇宫里都会派出一个负责管理用火纪律的官员出来大街上敲打铎提醒百姓用火安全,就是我们从影视里经常看到的画面，一个成人敲打木铎边走边喊"天干物燥,小心火烛"。这个措施其实和火灾报警器同样起一个“防患于未然”的作用。不管是顺应国家的发展，还是推动“一带一路”的实施都离不开海航。船舶是海上航行的重要工具。因此船舶的安全隐患应得的重视。在海上航行船舶将面临各种风险如:碰撞、触礁、搁浅、火灾爆炸等事故。世界各国的救火组织都认为船舶火灾是扑救困难度极高的火灾，船舶火灾它不仅扑救困难更重要的是它还是人们出海航行经常遇到且危险性极高的航行事故。因此船舶的火灾安全隐患应得的重视。船舶上发生火灾的位置也是有规律可循的，不论是客货运输船、燃油运输船、货物运输船等船舶,这些船舶上发生火灾的位置几乎都集中在机舱，厨房，人员宿舍等这些船舱。船舶火灾主要分为:明火火灾、由于各种用电设备故障引发的电气火灾、雷电打到船舶等自然因素引起的意外火灾、人为故意纵火。21世纪，这个科学信息技术飞速发展的时代。单片机技术和传感器技术当仁不让的成为如今社会科技发展的热门技术,人们的生活中的各个领域中，大到航天技术小到生活娱乐，随处可见传感器和单片机的身影。把科学技术和人民生活相结合解决人民的问题，这也是科技发展的意义。因此设计出一个廉价，实用的船舶火灾报警器具有很大的现实意义。烟雾是判断火灾发生的最基本的参数之一，船舶火灾有火势发展迅速，温度高，烟雾大等特点。因此在日常航行中常需对烟雾进行检测和监控，一旦烟雾浓度达到一定阀值可以判断是否有火灾的发生。采用火灾报警器进行温度检测、烟雾浓度检测，数字显示、及实时控制报警，对于提高人民生命安全和财产保护都有重要的作用。并且船舶内有众多船室，烟雾浓度监测环境范围需求变大，这时就要采用多点测量对烟雾浓度数据进行采集。而在日常生活中伴随科技发展，人民生活越过越好，烟雾报警器需求越来越多，也越来越重要。烟雾报警去将更好的服务于船舶运输业及社会生活。1.2烟雾报警的发展从20世纪初，人们就不断地去探索寻找一种可以用来预警火灾的机器——“烟雾报警器”。烟雾报警器最早可以追溯到1902年，在那年一个英国的科学家发明了一款与黄油为材料的烟雾报警器-“黄油哨兵”。这个黄油哨兵的原理非常简单，两块电板中间夹着一块黄油。当烟雾升起接触到黄油时，黄油会因此融化使得两块电板接触形成回路，从而引发警报。这个装置非常简单，但是同时存在的问题很多。首先安装黄油非常不方便，其次误报几率非常大，因为黄油在常温下静置也会融化。最后与其说是利用黄油进行烟雾检测，不如说是温度检测。因为黄油受温度影响比较大，只要黄油受热融化，就会形成回路促发警报。由于“黄油哨兵”本质并不是检测烟雾，人们又陷入了寻找真正的烟雾探测器的难题中。直到30年后，一个来自瑞士的物理学家误打误撞的发明使其诞生。这个物理学家就是怀特-杰格，他最开始的时候想要发明的并不是烟雾检测器，而是可以用来检测瓦斯气体的检测器。因此要发明一种可以鉴别空气中成分变化的探测器，为此他设计了一个“电离室”，这个小室的空气电离出各种悬浮的离子。这些离子可以连通两侧的电路，令电流保持在一个稳定的水平上。而烟雾可以影响这些离子的的流动，从而改变通路电流大小的变化。人们利用这一发明，经过大约十年的研究改良，烟雾报警器终于在1951年进入市场。但是其体积较大、价格昂贵。一般只在大型工厂和商业中心使用。普及不广，受众群小。但烟雾报警器的效果显著，安装了烟雾报警器的场所，发生火灾的概率大幅下降。火灾发生早期就能检测到并且报警通知，,所以人们有了更长时间逃生。于是很多人开始考虑把它改造得更小巧便携、便宜一点让它受众群更广一点。因此世界上第一款廉价家用烟雾探测器“烟雾警卫700”诞生了。它有着更小体积，贴在墙上就行了，而且是电池供电不需要专门铺设电路。这款“烟雾警卫一经上市，就遭到人们的热捧。美国消防协会的统计显示，烟雾报警器的使用让火灾中的伤亡率降低了将近百分之七十。我国火灾报警装置的研究生产是从1970年开始的，虽然落后发达国家几十年，但是发展十分迅速。产品类别日趋丰富完善，国内的火灾烟雾报警器设备产业逐渐形成。烟雾报警器可以检测70%以上的火灾，一旦发生火灾危险，报警器便会发出高分贝的声音告知人们有火灾出现，大幅度的减少人员伤亡和财产损失，因此烟雾报警器是目前世界上应用较广，使用数量较多的火灾报警器。目前国内外对于烟雾报警器的研究和应用已非常普遍，烟雾报警器不仅可以应用在商业广场，工业生产等方面。随着人们生活质量的提高，家庭日常生活中都将会充满它的影子。国内许多的高校学者也在不断的研究不同的烟雾检测方法例如：大连海事大学大学所研究的基于视频图像的火灾烟雾检测研究，该方法主要用到于视频图像处理技术而且还有检测距离非常广不局限于室内环境，检测器可以远离火源存在等优点。还有西安电子科技大学所研究的基于多光谱分离的烟雾检测，该系统即有视频图像检测烟雾系统的优点，同时还改进了视频图像对水雾和烟雾检测混淆没有办法区分两者的优点。2整体方案设计本设计是基于单片机的多点烟雾检测系统，经过大量的查阅资料，最终确定采用STC89C52为主控制芯片，,MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器作为烟雾收集芯片。以及ADC0832温度传感器用作为温度采集芯片，NRF24L01作为无线通信模块，采用LCD1602液晶屏进行显示。该系统由子系统和主系统组成，子系统进行烟雾和温度的采集和数据发射。主系统对数据接收进行处理并显示出来。该系统具有烟雾过限报警功能,系统上设计了4个独立按键，它们分别对应着所要进行的系统操作，可以设定烟雾浓度或温度报警值的最高值，也可以用来关闭烟雾浓度或温度浓度超标所引起的报警声和报警灯。该系统选材便宜实用，后期操作维修简单。具体设计框架图如图2.1和图2.2所示AT89C52AT89C52发射模块复位电路复位电路烟雾采集摸块烟雾采集摸块时钟电路时钟电路电源电路温度采集模块电源电路温度采集模块晶振电路晶振电路图2.1发射系统框图SSTC89C52接收模块时钟电路电源电路晶振电路复位电路独立按键显示电路图2.2接收系统框架图3系统硬件设计与实现3.1主要单元电路的设计3.1.1单片机控制模块设计在本设计烟雾检测报警系统中，单片机在系统中有着举足轻重，缺一不可的重要地位。它不仅要对传感器所传递过来的信号进行处理应对。还要查询是否有另外请求。因此单片机的工作是非常重要的。本系统统一采用型号为ATC89C52的八位单片机。八位单片机具有价格低廉，软件编程的自由度大并且技术相对成熟，体积小，低功耗，安装方便，易于购买等优点。但是8位单片机程序运行速度比16位的慢。不过，程序的运营快慢对并不影响本系统使用，本着低价实用的原则。最终本系统采用的主控芯片为这款抗干扰性强，加密性不错，价格便宜等众多优点的STC89C52。因此本设计主控芯片采用STC89C52。本系统采用的STC89C52单片机，该单片机是8位单片机，其最大的特点就是低功耗，在同样的需求下，系统消耗的功率很低，还有高性能。该单片机内部还拥有速度可以达到每秒8kb的FLASH系统。擦写技术可达到100000次。512字节RAM,3个16位定时/记数器，32根可编程I/O线，在系统出现故障时可以强制系统复位的看门狗定时器，可以直接用电檫除编写的存储器，而且STC89C52还是以技术成熟，市场上广泛使用较为经典的MCS-51的内核。所以其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，全双工串行口。图3.1STC89C52引脚图引脚说明:VCC:电源，电压在4.5V-5.5V的范围内可正常工作GND:地P0口：P0口是一组需要外接上拉电阻才能驱动设备的8位漏极开路输出。不过当P0口没有被用作输出口而是当作总线来扩展时是可以不用再接上拉电阻。P1口：P1口是一组内部自带固定上拉电阻的8位I/O端口，每一位皆可以发送和接受1，0。于是乎P1口又称准双向I/O端口。P2口：同P1口一样是8位准双向I/O端口，同P1口功能一样P3口:P3口同P2和P1类似，也是一组内部自带固定上拉电阻的8位准I/O端口。但是它与P1/P2口不同在于P3口是个多功能的I/O端口，一般我们主要应用P3口的第二功能。第二功能如表3.1所示表3.1P2口的第二功能表端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(穿行输出口)P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0(定时器0的外部输入)P3.5T1(定时器1的外部输入)P3.6WR(外部数据储存器写选通)P3.7RD(外部数据储存器读选通)RST:复位输入。当振荡器工作时，只要给RST引脚添加高电平，并且该高电平维持者两个或两个以上的机器周期。就可以使单片机系统复位。XTAL1：振荡器反相放大器的输入端和内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端3.1.2气体传感器的电路设计半导体金属氧化物烟雾传感器自诞生以来，因其价格实惠，对烟雾检测的反应非常灵敏而且较为耐用，不是易损品，所以受到各个领域的广泛的应用。因此半导体金属烟雾传感器传感器成为了世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器是属于二氧化锡半导体气敏材料，因为MQ-2也是半导体烟雾传感器的一种所以它同样的拥有半导体传感器成本低、耐用不易损、对烟雾反应灵敏度高的优点。并且它对可燃气体如液化气、丙烷这些气体的灵敏度非常高。MQ-2的原理用一句话总结就是：半导体接触烟雾时，烟雾改变半导体表面离子状态，因此影响电导率的大小，从而可以判断烟雾存在的信息。因为烟雾可以影响电导率的变化，所以人们也可以通过不同的电导率变化推断出烟雾的种类。利用这一原理设计的MQ-2是可以检测多种可燃气体的传感器。MQ-2型传感器的特性参数：(a)回路电压：(Vc)5~24V(b)取样电阻：(RL)0.1~20K(c)加热电压：(VH)5±0.2V(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：Tres＜10秒(g)恢复时间：Trec＜30秒MQ-2型传感器电路设计如图3.2所示。图3.2烟雾传感器电路3.1.2温度传感器本系统采用的温度传感器是DS18B20温度传感器，它是世界上第一个支持1-Wire总线接口的温度传感器。这种独特的方式可以使多个DS18B20组建成传感器网络，是多点检测系统中非常不错的选择。它具有体积小、精度高（在-10～+85℃范围内,测量精度为±0.5℃），低功耗、搞干扰能力强等优点。并且DS18B20直接将温度转化为数字信号输出，不需要校正。DS18B20芯片封装如图3.3所示。图3.3DS18B20芯片封装引脚定义：(1)DQ为单总线，系统的数据传输和设备控制都在这一条线上完成，在系统中作为数字信号的输入端或者是输出端(2)GND为电源地；(3)VDD外接电源的输入端，当用数据线供电既寄生电源供电方式时VDD需要接地该传感器有独特的一总线连接方式，因此占用单片机的端口相对较少,可以减少线路连接困难,大量逻辑电路也可以大幅度减少。它具有温度测量精度高,价格便宜,电路连接简单等优点。温度传感器电路设计如图3.4图3.4温度传感器的电路3.1.4无线收发模块设计该系统的无线收发模块采用挪威公司生产的NRF24L01单片射频收发装置,工作在.4GHz~5GHz全球开发ISM频段。低电压操作,电压为1.9~3.6V。内置功率放大器、晶体振荡器、频率合成器、调制器等功能模块NRPF4L01芯片还集成了增强休克Burs技术,输出功率和通信通道可由程序配置。可以实现点对点或1对6无线通信。无线通信的速度很快，空中传输时间很短,大大减少了无线传输中的碰撞现象。NRF4L01芯片功耗低。当以6dBm功率传输信号时,工作电流仅为9mA;当接收信号时,工作电流仅为1。3ma。有15个频点满足多点通信和跳频通信。可以选择多种低功率操作模式(断电模式和空闲模式)。NRF24L01的主要特点是GFSK调制、硬件集成OSI链路层、自动重传功能、自动检测和重传丢失的数据包,重传时间和自动存储未发送的数据包。自动响应功能在收到有效数据后自动发送响应信号,无需额外编程。数据传输率为lMb/s或2Mb/s，SPI速率为0Mb/s～10Mb/s；NRF14L01的封装及引脚排列如图3.5所示。图3.5NRF14L01引脚图引脚功能描述：CE：能发射或接收；CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01：IRQ：中断标志位；VDD：电源输入端；电压范围1.9V~3.6间VSS：电源地；XC1：晶体振荡器引脚；XC2：晶体振荡器引脚；VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8V；ANT1：天线接口；ANT2：天线接口；IREF：参考电流输入；通过配置寄存器可将NRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表3.1所示。表3.1NRF24L01工作模式无线收发模块电路如图3-6所示图3.6无线收发模块电路设计3.1.5显示电路模块的设计采用1602LCD显示它属于字符型LCD，一般有14脚和16脚口，它们两的区别只在于14脚接口不带背光的，16脚接口带背光。具体各个脚的功能如图3.7。图3.71602LCD引脚功能表显示电路模块设计如图3.8图3.8显示电路模块3.1.6模数转换芯片ADC0832采用ADC0832模数转化芯片,ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片,其最高分辨可达256级,可以满足一般的模拟量转换要求。而且该芯片还是双通道的模数转换芯片因此转换效率高且稳定。通过DI数据输入端,可以轻易的实现通道功能的选择。正常情况下ADC0832与单片机的接口应该是4条数据线,它们分别是CS、CLK、DO、DI。这里因为DO端与DI端在通信模式下并没有同时有效，所以可以让DO和DI在系统电路中并联。当ADC0832处于未工作的模式下,需要将CS输入端置为高电平,此刻芯片被禁用。而其他3个端口可为任意电平。如果是在A/D转换的工作模式下,需要先将CS使能端置为低电平,该端口必须要一直保持低电平直到A/D转换完全结束。当芯片进行转换工作时,同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲,DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平,表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能,其功能项见图3.9，ADC0832的引脚图3.10,ADC0832单元电路如图3.11图3.9ADC0832功能选项图3.10ADC0832引脚图附录附录PAGE36图3.11ADC0832单元电路3.2电路原理及说明将以上各个电路模块连接起来，即构成多点烟雾检测系统，整个系统的工作原理如下所示：温度和烟雾传感器采集实验现场的温度和烟雾浓度信号。两个副机分别利用主控芯片STC89C52对传感器采集的现场环境烟雾浓度和温度的数字信号进行处理，这些处理过的信号通过收发模块NRF24L01传送到主机的主控芯片上。主机的主控芯片STC89C52则会处理分析副机发送过来的信号。分析处理后的信号转换成数值显示在LCD屏上。本系统还设置了独立键盘，可以通过键盘上的按键手动调节烟雾浓度及温度的报警限定值。当烟雾或温度浓度达到或超过手动设置的最高值，此时蜂鸣器响的同时二极管也跟着发光达到声光报警的作用。例如:手动设置温度报警值为40℃，当温度感应器现在采集的温度达到了40℃，就会激发报警系统。系统设计原理图如图3.12和3.1.3所示图3.12主机系统电路原理图图3.12副机系统电路原理图4软件系统程序的设计4.1主程序的设计整个系统程序包括主系统程序设计和子系统程序设计。主系统程序负责针对手动设置报警限定值的检测还有上下门限设定值的显示。并且通过系统上无线收发模块接收并处理来自子系统发送过来是数据，判断接收的烟雾或温度数据是否超过所设置的限定值。如果超过了则系统马上进行声光报警，同时还会将这些实时数据在LCD屏幕上显示,如若所接收的数据未超过设定值，系统则会如期运价依旧将所接受到是数据实时显示在LCD屏幕上。系统反复如此循环运行，直到手动报警键按下或者检测的数据超过设定值激发了声光报警时才需要我们手动复位。主系统流程图如图4.1所示。取消报取消报警？设置报警值结束设置？开始系统初始化接收副机传来的信号并处理是否超过报警值手动报警？有手动按键设置报警限定值？显示数值返回YYYYNNNN声光报警

Y4.1主系统程序流程图4.2子程序的设计子系统主要负责对烟雾浓度和温度的数据进行采集,并且经过STC89C52的数据处理。再将单片机所处理的数据通过无线收发模块传送给主系统。子系统中的烟雾采集模块所采集的烟雾数据需通过ADC0832模块进行数模转换后才将数据传送给主控芯片进行处理。子系统程序流程图如图4.2所示。主程序主程序温度采集烟雾采集A/D转换数据处理实际值发送返回图4.2子系统程序流程图5.调试及结果5.1测试环境及工具测试温度：利用不同温度的水测试温度检测。测试烟雾：利用打火机测试烟雾检测（模拟多点烟雾检测）5.2测试方法因为系统中含有NRF24L01模块所以不能进行仿真只能采用以下方法对系统进行测试：1.运行系统，用万能表检测系统硬件是否正常是否有存在虚焊短路等。观察显示数据是否符合系统自带显示数据2.采用烟雾传感器和温度传感器同时测量多点气体烟雾和温度的变化情况,目测显示电路是否正常5.3测试结果分析经过多次测试与调整，系统运行一切正常。实物上也并没有虚焊，短路等现象。温度显示正常，烟雾浓度由于条件有限只能测试其对可燃气体检测的准确性。可以大概判断烟雾检测模块正常。具体所测数值如表5.1表5.1测试数值手动设置报警温度值为50℃，烟雾报警值为3副机1接触温度传感器的温度40℃45℃60℃80℃常温（27℃）常温27℃主机显示温度39℃45℃59℃80℃27℃27℃副机2接触温度传感器的温度3657℃40℃70℃常温（27℃）常温（27℃）主机显示温度36℃56℃39℃70℃27℃27℃是否向副机1的烟雾传感器释放有害气体否否否否是否是否向副机2的烟雾传感器释放有害气体否否否否否是是否报警否是是是是是由上表5.1可以看出测试结果合格系统运行正常，所测温度与显示温度的数值误差在接受范围内，检测到有害气体时系统也会报警。温度超过手动设置的报警值时，系统也会报警。对系统运行测试时出现的问题分析以及解决方法：系统可以运行但是LCD显示屏没有显示出数值而是一排方块分析与解决方法：一般出现这种问题时，需要先用万用表对硬件焊点进行检查，是否是因为虚焊导致的问题或者是电路连接错误导致的问题。如若不是就需要检查自己所写的程序是否有问题。针对硬件检测后发现并无虚焊或电路短路，电压过大等问题。因此回去检查了自己的程序，发现并没有初始化程序。把初始化程序补上去后，再把改过的程序重新下载到单片机里。系统运行后，数值显示正常，问题得到接决。再对系统进行温度精度检测时，发现温度数值显示不正确并且不断增大。接决方法：同样的，先对实物硬件进行虚焊或短路，断路等问题进行检查。检查电路连接是否错误或者引脚连接错误等。如若一切正常则检查自己程序编写是否有误。经检查发现发现是程序中没有把温度的全局变量进行清零处理。所以导致了每一次系统循环温度数值就会增大。系统实物图如图5.3所示图5.3多路烟雾检测系统实物图结论本设计是基于单片机和数电模电的学习基础上进行设计,翻阅了大量的相关综述文献,最终确定以STC89C52为开发平台,利用MQ-2烟雾传感器和DS18B20温度传感来进行烟雾浓度和温度的采集,NPF24L01为无线收发模块,LCD1602为显示模块来设计一个低价实用的船舶多点烟雾报警器。该系统最终目的是更高效的预防火灾,本设计考虑到船舶火灾的特点烟雾大,温度高。因此本系统格外添加了温度传感器。本系统选材方面主要考虑成本造价,性价比高,功能不错,材质安全,便于携带等方面,文中也简要的介绍了选择这些器件的原因。在电路的设计中充分的考虑了系统的可靠性和安全性。该系统具有简单、多功能、高精度、简单电路和低成本等优势。并且还可以再继续进行二次开发。经过电路的部分模拟仿真调试,各项器件性能指标基本能达到预期要求,设计中也遇到过些许问题,但最终也接决了。本系统有众多功能即优点，例如：可以实时显示烟雾浓度和温度值。还可以单独设置报警阀值，当检测的数值达到报警阀值系统会进行声光报警。而且还有手动报警按钮。是一种结构简单、性能稳定和价格低廉的智能化的火灾报警器。同时本系统也