禁烟场所烟雾报警系统设计毕业论文.docx
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禁烟场所烟雾报警系统设计毕业论文
宁波理工学院
毕业设计（论文）
题目禁烟场所烟雾报警系统设计
姓名唐明明
学号3070431090
专业班级07通信工程3班
指导教师李林功
分院信息工程与工程分院
完成日期2010年10月30日
毕业设计（论文）任务书
一、毕业设计（论文）题目基于MS5100的烟雾报警装置的设计
二、学生姓名唐明明学号3070431090专业班级07通信工程3班
任务书发放日期2010.11.10
三、指导教师对毕业设计（论文）的进度安排及任务要求
1．主要任务与目标
以烟雾传感器MS5100为烟雾检测元件，以单片机AT89C52为控制核心，研制一个适用于环境烟雾的简易烟雾测试仪，主要用于检测环境的烟雾浓度值及报警，用于帮助环境烟雾浓度的控制。
2．主要内容与基本要求
内容包括用烟雾传感器MS5100实时采集检测环境烟雾浓度，采用发光二极管闪烁和蜂鸣器报警，自行设计电路，系统参数通过软件进行控制。
要求烟雾浓度检测范围：
可探测0~2000ppm范围的烟气；报警精度：
1500ppm以上。
3．计划进度
11月10日-11月25日查阅有关烟雾报警的资料
11月26日-11月30日选择烟雾传感器
12月20日-12月25日硬件电路设计
2月20日-2月22日硬件电路的焊接
2月23日-3月4日硬件电路的调试
3月5日-3月10日开题报告
3月11日-3月18日硬件电路的整理
3月19日-4月22日原理图的绘制
4月23日-4月27日熟悉单片机软件编程
4月27日-5月1日各个模块分立调试
5月2日-5月7日程序的编写
5月8日-5月15日整个系统的调试
5月20日-5月22日资料的整理
5月23日-5月26日论文的整理和撰写
5月27日-5月31日准备论文答辩
4．主要参考文献
[1]张洪润．单片机应用设计200例[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2006：
96—172．
[2]杨静，施丽婷．智能温度传感器DS18B20在温度控制系统中的应用[J]．工业控制计算机，2006（6）：
60．
[3]田仲等．温度传感器及其与微处理器接口[J]．传感器世界，2001
（1）．
[4]沙占友，王晓君，马洪涛，张苏英等．智能化集成温度传感器原理与应用．．tL京：
机械工业出版社，2002．7：
84_105.
[5]DallasSemiconductor．DS18B20ProgrammableResolution1-WireDigitalThermometer[Z]．2002．
[6]何立民．MCS一51系列单片机应用系统设计[M]．北京：
北京航空航天大学出版社。
l990．
[7]宋寅卯等．DS1820传感器高分辨率温度数据的获取方法[J]．元器件与应用，2001（3）．
[8]杨静，施丽婷．智能温度传感器DS18B20在温度控制系统中的应用[J]．工业控制计算机，2006（6）：
60．
起讫日期：
2010年3月21日至2010年5月20日
指导教师签名职称
年月日
四、分院审核意见
负责人签名
年月日
毕业设计（论文）工作记录卡
学生姓名：
唐明明
日期
写作环节
主要工作内容
指导教师签字
2010年11月10日至11月20日
选题
（选题）
根据自己的兴趣爱好，选择烟雾报警系统作为我的课题
2010年11月21日至2010年12月10日
开题报告
（搜集资料）
搜集有关烟雾报警的综合资料，及有关的电路设计方法
2011年2月18日至03月18日
搜集资料
（开题报告）
根据自己整理的材料完成开题报告的撰写
2011年3月19日至4月10日
初稿
（总体方案设计分析）
根据要求对烟雾报警系统的电路进行设计，写出整体的设计方案，完成构思
2011年4月11日至5月10日
二稿
（设计计算和工作图）
根据原理图，焊接硬件，并且完成硬件电路的调试以及软件的测试
2011年5月20日至5月30日
定稿（说明书撰写）
将自己的资料进行综合整理，完成论文的撰写
注：
设计类工作记录卡写作环节一栏按括号内要求填写
毕业设计（论文）工作指导卡
学生姓名
唐明明
指导教师
李林功
计划进程表
日期
工作内容
完成情况
11月20日至3月20日
完成温度计资料的收集与整理，完成开题报告
3月20日至4月7日
原理图的绘制，硬件电路的设计和焊接工作
4月01日至4月15日
电路硬件的测试工作
4月15日至5月04日
软件程序的调试工作
5月05日至5月30日
毕业论文的撰写
指导教师检查答疑记录
日期
检查答疑内容
指导教师签字
3月21日
有关烟雾传感器的选择
学生请假记录
日期
请假原因
指导教师签字
摘要
随着科学技术的发展，烟雾传感器向着集成工艺和多变量复合传感器，智能化传感器，网络化传感器的方向发展。
各种不同类型的烟雾传感器将会越来越多的出现在我们的日常生活中，给我们带来极大的方便。
本课题主要想在烟雾测量领域，设计一种高性价比，高灵敏度，适用于无烟或禁烟场所，能广泛用于工业、农业、国防等行业的方案。
设计采用单片机AT89C52作为控制核心，对烟雾浓度进行采集。
通过烟雾传感器MS5100将产生的电压差值通过AD转换芯片ADC0832实现把由传感器产生的模拟信号数字化，检测烟雾浓度并报警。
本文重点对设计硬件、软件的组成进行了分项、模块化逐步分析设计。
对各部分的电路一一进行了介绍，最终实现了该系统的硬件电路。
根据硬件的设计和测控仪所要实现的功能，本文对软件也进行了一一设计，并经过反复的模拟运行、调试，修改简化了软件系统，最后形成了一套完整的程序系统。
关键词：
烟雾报警；单片机；AD转换；烟雾传感器
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,Smokesensortowardsintegrationprocessandmultivariatecompositesensor,intelligentsensor,networkedsensorsdirection.Differenttypesofsmokesensorswillbemoreandmoreinourdailylivesbroughtusgreatconvenience.
Mainpointofthistopicinthefieldofsmokemeasurement,tofindahighperformance-to-priceratio,highsensitivity,applicabletosmokelessornon-smokingplacesandcanbewidelyusedinindustry,agriculture,nationaldefenseindustryprogram.
DesignusesasinglechipAT89C52asthecontrolofthesmokeofcollection.ThroughthesmokesensorMS5100willproducethevoltagedifferencevaluethroughADtransformchipADC0832achievethegoalofanalogsignalsproducedbysensordigitization,detectionsmogdensityandalarm.
Thearticledescribesthecompositionofthemeterhardware,thesoftwareandthesub-itemofthemeterhardware,thesoftware.Thearticlealsointroducesthevariouspartsofelectriccircuits,andthissystemhardwareelectriccircuit.Inordertorealizethefunctionwhichaccordingtothehardwaredesign,thisarticlehasalsodescribesthedesignofthesoftware,andaftertherepeatedlysimulationrun,thedebugging,therevisionsimplifiedthesoftwaresystem,finallyhasformedasetofcompletesoftware.
Keywords:
Smokealarm；SCM；ADtransform；Smokesensor；
2.2.5.1AD0832芯片介绍.........................................................15
2.2.5.2单片机对ADC0832的控制原理................................17
2.2.5.3ADC0832与与单片机的接口电路..............................18
2.2.6.17段数码管简介............................................................18
2.2.6.27段共阴数码管硬件电路设计....................................20
2.2.7报警电路和阈值设置...................................................................20
概述
课题的背景和现实意义
课题的背景
智能控制是控制理论、人工智能（AI）和计算机科学相结合的产物。
智能控制系统是在控制论、信息论、人工智能、仿生学、神经生理学及计算机科学发展的基础上逐渐形成的一类高级信息与控制系统。
结合具体的工业生产过程,各种智能控制系统正在发挥巨大的经济和社会效益。
智能控制与智能自动化技术是众多学科和工程技术之集成。
一方面,包括经典控制理论及现代控制理论在内的传统控制理论与技术无法满足工业及人类生活中日益复杂的控制与自动化要求；而另一方面,在计算机科学技术地推动下，人工智能科学与技术取得巨大进展。
在此情况下，智能控制与智能自动化技术产生了，并逐渐发展起来。
课题研究的现实意义
进入21世纪以来，工农业越来越高度自动化，智能控制领域的高度发展，相信一个智能控制系统的应用相比手工操作来说工作效率会提高不少。
而单片机的应用就是其中一块有很大发展前途的一个领域，只要你细心留意一下你的周围，你会发现单片机控制应用无处不在，远的不说，你家里使用的各种电子仪器和各种电子产品无不例外的要用到单片机。
同时单片机在仪表中的应用也日益广泛。
单片机将中央处理器、程序储存器、定时器/计数器、并行串行输入输出口和中断部件等单元集成在一个芯片上，使系统的体积缩小，价格便宜，性能可靠。
试想一下如果在严格控制环境烟雾浓度的禁烟场所设计一个用单片机智能控制周围烟雾浓度的系统，会不会有很好的应用效果呢。
本设计主要是针对办公场所和一些工业控制应用方面的需求，特别是针对在禁烟场所实现对烟雾浓度的严格控制和检测而进行的科学实验性设计。
设计的实现将直接可以在现实中应用。
国内外研究现状
近年来，随着计算机技术的普及和控制技术的进一步发展，烟雾控制的研究逐渐得到了人们的重视。
一些新的分析和控制方法不断涌现，推动了烟雾控制的应用。
国外研究现状
国外对于烟雾报警器的研究比较于国内，更加早期，更加完善，烟雾报警器在国外的火灾报警中起着不可替代的作用。
美国消防协会（NFPA）强调烟雾报警器在拯救生命方面发挥着越来越重要的作用，NFPA指出美国家庭火灾死亡人数的40%是由于未安装报警器造成的。
根据2003—2006年期间的一份统计报告《美国家庭火灾烟雾报警器》发现：
烟雾报警器经常是由于失效、连接断开或电池损坏等引起故障；有1／5的家庭烟雾报警器未能够正常运行；大多数家庭仍然使用仅支持电池供电的烟雾报警器；55岁以上的人极有可能还使用着使用期超过10年以上的烟雾报警器（烟雾报警器应该每10年更换一次）；每1000场报道的火灾中，如果有有线烟雾报警器和湿式喷头存在，火灾的死亡率就能降低84%。
美国消防协会主席JamesShannon说：
“烟雾报警器是目前最好的消防装置之一，2O世纪7O年代末以来家庭火灾死亡率的下降很大意义上都归功于它”。
据美国消防协会的相关报告称，烟雾报警器能够使家庭火灾死亡率的风险降低一半。
NFPA72：
2007：
国家报警规范规定，除睡觉的房间外，每一个房间都要安装烟雾报警器。
而且它们之间应相互连通，即一个发出警报，其他的报警器也能发出警报。
国内研究现状
目前，国内对周围烟雾的控制，主要集中在智能控制的火灾报警研究方向上。
当今社会，在各种烟雾报警装置中利用气体、烟雾传感器构成各种火灾报警系统的方案已经很成熟，但这类系统的设计是基于当出现火灾时，强烈的火焰及很浓的烟雾条件下使报警系统运作的，因而，这类系统不需要传感器有很高的灵敏度。
同时由于传感器易受工作环境的温度、湿度等多种因素的影响，也不可能设置太高的灵敏度。
显然这样的系统是无法用于现代居室及建筑等公共场所禁止吸烟的烟雾检测，采用单片机技术的高灵敏度的烟雾报警装置，可以实现对较低烟雾浓度的严格检测，从而实现预警和报警。
常用的烟雾传感器
近年来我国对于烟雾传感器的研究有了很大发展，烟雾传感器的种类也变得多样化，在防范家庭火灾，烟雾报警方面起着非常重要的作用。
烟雾传感器有离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感器、管道抽吸式感烟传感器、对射式烟雾传感器、激光感烟传感器等。
1、离子感烟式传感器
它是点型探测器，是在电离室内含有少量放射性物质，可使电离室内空气成为导体，允许一定电流在两个电极之间的空气中通过，射线使局部空气成电离状态，经电压作用形成离子流，这就给电离室一个有效的导电性。
当烟粒子进入电离化区域时，它们由于与离子相接合而降低了空气的导电性，形成离子移动的减弱。
当导电性低于预定值时，传感器发出信号。
2、光电感烟传感器
它也是点型传感器，是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。
它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。
根据烟粒子对光线的吸收和散射作用。
光电感烟传感器又分为遮光型和散光型两种。
3、管道抽吸式感烟传感器
它的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。
4、红外光束感烟传感器
它是线型探测器，是对警戒范围内某一线状窄条周围烟气参数响应的火灾探测器。
它同前面两种点型感烟探测器的主要区别在于线型感烟探测器将光束发射器和光电接受器分为两个独立的部分，使用时分装相对的两处，中间用光束连接起来。
红外光束感烟探测器又分为对射型和反射型两种。
5、激光感烟传感器
它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。
这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。
感烟式火灾探测器适宜安装在发生火灾后产生烟雾较大或容易产生阴燃的场所；它不宜安装在平时烟雾较大或通风速度较快的场所。
基于89C52烟雾报警系统的结构研究
本部分内容介绍了系统的总体框架、模块划分、外部接口，使我们对系统有一个系统、全面、确切的认识。
2.1系统结构设计的原则和方案
系统设计的原则
一个系统的设计要取得成功，必须遵循一定的设计原则。
智能化环境烟雾监测控制系统结构的设计遵循以下几个原则：
（1）功能性原则：
系统的设计首先要满足功能上的要求，智能化环境烟雾监测控制系统是基于效能分析数据的，结构的设计必须满足效能分析数据的特点。
（2）可靠性原则：
对于一个系统来说，最重要的莫过于系统的稳定性，它是系统能正常运行的前提。
（3）易用性原则：
一个系统的成功与否，它的人性化设计变得越来越重要，只有使用容易、简便的系统才能得到大家的认可。
（4）经济性原则：
一个系统是否具有实际用途，是否能被大家所接受，除了其功能外，其成本也是决定性因素。
只有价格低廉、效果良好的系统才能被大家承认和接受。
（5）模块化原则：
结构的设计尽量模块化，以方便系统调试和功能的扩充。
系统结构的总体方案研究
设计一个烟雾报警系统。
系统采用MS5100烟雾传感器测量环境烟雾浓度，以AT89C51单片机为控制核心，当周围环境烟雾浓度达到设定阈值时，系统会进行声光报警。
系统有两个阈值，第一个阈值具有预警功能，第二个阈值具有报警功能。
本设计的主要功能就是将烟雾通过烟雾传感器MS5100检测当前环境的烟雾浓度，输出为模拟信号，模拟信号进入A/D转换模块ADC0832变成数字信号，数字信号存入单片机的某个存储空间，之后由程序读取数据并计算出实际的电压值及对应的烟雾浓度值，再将烟雾浓度值和阈值进行比较，判断是否报警。
在整个过程中可以通过按键来设置系统的报警阈值，超出阈值则LED等闪烁和蜂鸣器蜂鸣报警。
系统设计框图如图2.1.1所示：
图2.1.1
烟雾测量部分方案确定
其中烟雾测量部分的方案：
方案一：
采用离子烟雾传感器NIS-09C，适用各种高灵敏度烟雾探测器、火灾报警器等。
额定电压：
DC7——12V；电流：
27±3pA；离子元素：
镅241、33.3KBq；环境温度：
0－50℃；环境湿度：
95％RH以下；清净大气中输出值：
5.6±0.4V；棉芯2％／foot烟灵敏度：
0.6±0.1V。
方案二：
采用半导体烟雾传感器MS5100，该传感器体积小，有很高的感应灵敏度、良好的稳定性、快速的相应时间，对烟雾、碳氢化合物和氧化物有着很强的灵敏度等诸多优点。
方案三：
采用光电烟雾传感器，它有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过发出警报。
比较以上三中方案，离子烟雾报警器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一些，对各种烟能均衡响应，但是离子式传感器中的电离源有辐射性，不利于绿色环保。
而光电烟雾报警器对稍大的烟雾粒子的感应较灵敏，对灰烟、黑烟响应差些。
从低成本、高性能等角度出发，我们采用方案二：
半导体烟雾传感器MS5100，该传感器体积小，有很高的感应灵敏度、良好的稳定性、快速的相应时间，对烟雾、碳氢化合物和氧化物有着很强的灵敏度等诸多优点。
烟雾控制模块如图2.1.2：
图2.1.2
各功能模块结构的详细设计
单片机的简单介绍
AT89C52单片机温度测控仪采用爱特梅尔公司的89C51单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚。
该单片机采用爱特梅尔公司的高密度非易失性存储技术制造，与美国Intel公司生产的MCS—51系列单片机的指令和引脚设置兼容。
其主要特征如下：
①、8位CPU
②、内置4K字节可重复编程Flash，可重复擦写1000次
③、完全定态操作：
0Hz~24Hz，可输出时钟信号
④、128B的片内数据存储器
⑤、32根可编程I/O线
⑥、2个16位定时/计数器
⑦、中断系统有6个中断源，可编为两个优先级
⑧、一个全双工可编程串行通道
⑨、具有两种节能模式：
闲置模式和掉电模式
值得注意的是，P0、P1、P2、P3口作为普通I/O口使用时都是准双向口结构，其输入操作和输出操作本质不同，输入操作是读引脚状态，输出是对锁存器的写入操作。
当内部总线给口锁存器置0或1时，锁存器中的0、1状态立即反映到引脚上。
但在输入操作时，如果锁存器状态为0引脚被钳位0状态，导致无法读出引脚的高电平输入。
因此，准双向口作为输入口时，应先使锁存器置1（称之为置输入方式）。
然后，再读引脚。
中心处理模块结构设计分析
89C51的基本系统主要用来用51单片机来控制烟雾传感器的工作，以及控制A/D转换模块、LED灯、蜂鸣器和数码晶体管的显示。
中心模块的处理与周边器件的接口见附录
（1）。
烟雾检测模块结构设计分析
烟雾采集单元的主要功能是完成烟雾采集，并将采集的信息转化成数字量后上传给中心控制模块。
烟雾采集单元功能单一，结构比较简单，常用的组成结构为图2.2所示。
MCU为温度采集单元的核心元件，由于功能单一，任务较少，选用简单的低档单片机就可以了。
看门狗时钟是为了防止程序在工业干扰的情况下跑飞而添加的，程序如果在超出设计的时间没访问看门狗时钟，则看门狗时钟将对单片机进行复位操作，从而避免了死机现象的发生。
烟雾传感器MS5100是一种灵敏度很高的烟雾测试传感器，该传感器通过感受外在环境烟雾浓度变化会产生变化的模拟信号，经过AD转换后将当前采样烟雾信号发送给MCU，MCU通过一定的数据处理，将输入的信号转变成烟雾浓度值，并判断是否报警。
烟雾传感器MS5100精确度高，抗干扰能力强，非常适合禁烟场所和工业现场使用。
工作状态指示灯可以用来指示MCU和数字化温度传感器或中心处理模块的通讯状态，加入工作状态指示灯，对温度模块的调试和检查都有着很好的帮助。
2.2.4MS5100烟雾传感器内部结构和工作原理
本实验选用的是一种半导体气体烟雾传感器MS5100。
该传感器体积小，有很高的感应灵敏度、良好的稳定性、快速的相应时间，对烟雾、碳氢化合物和氧化物有着很强的灵敏度等诸多优点。
图2.2.1所示是传感器的实物图，图2.2.2和图2.2.3是传感器的引脚图。
图2.2.1MS5100实物图
图2.2.2MS5100引脚图1
图2.2.3MS5100引脚图2
烟雾传感器采集气体浓度电路如图2.2.4所示。
图中Vcc为传感器工作电源，VH为加热电源，Rs为传感器电阻，RL为上拉电阻，Vout为输出电压。
该传感器在工作时Vcc和VH取+5V的电压，Rs的取值范围是85-3255kΩ，其阻值会随外部的烟雾浓度的变化而变化。
传感器测量原理如下：
当外部有烟雾时，传感器的电阻Rs会发生变化，从而导致输出电压Vout发生变化，根据这个变化值对照浓度一电压转换关系曲线即可推算出空气中烟雾的浓度。
当上拉电阻的阻值RL为1000Ω时，烟雾传感器的阻值Rgas可以通过关系式得到：
Rgas=1000*（5-Vout）/Vout
图2.2.4
图2.2.5烟雾传感器采集气体浓度电路
浓
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