基于单片机的烟雾检测系统.docx

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基于单片机的烟雾检测系统

基于单片机的烟雾检测系统

摘要

为了早期发现和通报有害烟雾，防止和减少危害，保护人身和财产安全。

烟雾报警器能给人们提前警示。

随着“信息时代”的到来，传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其需求越来越迫切,要求越来越高。

本文采用MQ-7型半导体电阻式烟雾传感器和AT89C2051单片机为核心技术设计的烟雾报警器，实现了烟雾报警、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能，对烟雾检测报警的实现技术进行了的有意义的探索与研究，在有害气体监测实现方面有一定的参考价值。

关键词烟雾报警器AT89C2051传感器

SMOKEDETECTIONSYSTEMBASED

ONSINGLECHIP

Abstract

Forearlydetectionandnotificationofharmfulfumes,topreventandreducehazardsandprotectlifeandpropertysafety.Smokealarmcangivepeopleadvancewarning.Withthe"informationage"thearrivalofsensortechnologyhasbeensignificantprogress,moreandmorewidelyitsapplications,itsdemandformoreandmoreurgent,requiringhigherandhigher.Inthispaper,MQ-7-typesemiconductorresistancetypesmokesensorandAT89C2051microcontrollersasthecoretechnologysmokealarmdesignedtoachieveasmokealarm,alarmlimitsettings,delayalarmandserialcommunicationwiththehostcomputerandotherfunctions,theimplementationofthesmokedetectionalarmTechnologyforameaningfulexplorationandresearch,monitoringtheachievementoftheharmfulgashavesomereferencevalue.

KEYWORDSsmokealarmAT89C2051sensor

1绪论

1.1问题由来

随着社会的发展，人们对生活质量的要求越来越高，环境污染问题对人们的危害也越来越明显。

烟雾有一定的社会性，可能诱发多种疾病，多个体健康危害极大，可以引起致癌，提高心﹑脑血管疾病的发病率，引起呼吸道疾病等多种危害。

为了早期的发现和通报有害的气体，防止对环境的污染和人体得危害，保卫现代化建设，防止因有害烟雾而引起的中毒、污染等事故，造成严重的经济损失，甚至危害人的生命安全。

烟雾检测报警装置是能够检测环境中的烟雾浓度并具有报警功能的仪器。

该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。

烟雾报警器属于《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录》中第46项，它归类于物理化学计量器具。

《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）第10.3.2条明确规定:

“散发可燃烟雾、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置烟雾浓度检测报警装置”。

2003年12月，国家执行新的烟雾探测器标准（GB15322-2003）《可燃烟雾探测器》，2004年10月国家颁布《可燃烟雾检测报警器规程JJG693-2004》，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。

公共场所的烟雾直接影响到人们的健康[1]。

2011年5月1日卫生部公布修订后的《公共场所卫生管理条例实施细则》，其中新增加了“室内公共场所禁止吸烟”等规定。

这是中国为兑现世界卫生组织控烟框架公约采取的最新举动。

目前我国烟雾报警器使用十分广阔，不仅可以及时检测工厂的气体，还可以让我们及早做好防患措施。

现在有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。

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，烟雾检测报警器的需求量就达2000万台以上。

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。

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。

1.2课题现状

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年至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、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。

在很多国外家庭，国家强制规定必须要安装烟雾报警器，目的就是为了防止火灾的发生，本产品在火灾发生的早期一旦有烟雾发生就可感应到烟雾，同时发出85分贝的声音和发出光报警告知用户发生了火灾，应及时采取措施[2]。

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。

中国烟雾探测报警系统产业发展研究报告阐述了世界烟雾探测报警系统产业的发展历程，分析了中国烟雾探测报警系统产业发展现状与差距，开创性地提出了“新型烟雾探测报警系统产业”及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型烟雾探测报警系统产业”及替代产品的内涵。

根据“新型烟雾探测报警系统产业”及替代品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国烟雾探测报警系统产业发展进行了推演和精准预测，在此基础上，对中国的行政区划和四大都市圈的烟雾探测报警系统产业发展进行了全面的研究。

1.3论文的主要任务

目前，我们已经学习了许多相关知识，如单片机与单片机控制电路，传感器与其相关电路，D/A转换电路，A/D转换电路，放大电路设计，以及语音芯片等，已经具备对信号的采集、放大、传输控制，语音芯片的语音录制及放音控制，微控制电路的应用设计等能力，并具备一定的实践创新能力。

通过对微控制器，语音电路，烟雾传感器电路以及报警电路的整合，形成一个可靠性好稳定度高，性能优良的电路，能够实现对低浓度烟雾的有效检测，并给予语音警示的功能。

如果配以精美的外壳，则可以形成一个优秀的有良好社会效益和经济效益的产品。

本设计是以单片机为核心，通过烟雾传感器发出的信号对烟雾进行报警，最后通过语音报警电路报警，达到对烟雾报警的目的。

研究内容：

第一，电子语音芯片的录音和放音控制，以及音效的处理和信号的放大；

第二，烟雾检测装置的选型以及在低浓度下灵敏度域有效检测的方法与算法；

第三，控制电路的实现方式以及MCU的选型；

第四，电路的抗干扰能力和可靠性。

2系统原理概述

2.1烟雾检测报警器的设计思路

吸烟警示器是能够检测环境中的烟雾，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：

烟雾信号采集模数转换电路、单片机控制电路、录音报警电路。

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，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。

2.2系统硬件组成原理

本系统由烟雾传感器、A/D转换电路、MCU控制电路、语音模块及功放电路组成。

系统组成框图如图2-1所示：

图2-1系统组成框图

本系统采用的是以mq-7为传感器，以AT89C2051作为系统的主控芯片，通过语音录放电路报警的过程。

2.3烟雾传感器的选择

由于本次设计的是针对公共场所的烟雾，而这些烟雾大多都含有一氧化碳，所以就选用对一氧化碳具有很高灵敏度的mq-7气体传感器[3]。

Mq-7气体传感器特点：

对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性；具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。

传感器的表面电阻Rs，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出而获得的。

二者之间的关系为：

Rs/RL=（Vc-VRL）/VRL（2-1）

图2-2电压与co浓度的关系

图2-2为利用回路测得在传感器由洁净空气转移至一氧化碳气氛中时，RL上的信号输出变化情况，输出信号的测定是在一个完整的加热周期（由高电压至低电压2.5分钟）或在两个完整的加热周期内测得。

灵敏度调整：

MQ-7型气敏器件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。

因此，在使用此类型气敏器件时，灵敏度的调整是很重要的。

当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。

灵敏度的调整程序：

第一，将传感器连接在应用回路中；.

第二，接通电源，通电老化48小时以上；.

第三，调整负载电阻RL至获得对应于某一个一氧化碳浓度时所需信号值。

MQ-7型气敏元件的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成的。

因此，它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达5年。

根据MQ-7型烟雾传感器的工作原理，烟雾浓度的变化体现于其自身电阻的变化，将MQ-7与电阻串联构成分压电路。

考虑到整个系统的灵敏度，通过多次调试和测试，得到MQ-7型烟雾传感器与20K电阻串联的效果较好，为了保证采样数据的稳定性和可靠性，将分压输出的电压信号经由运放LM358构成的电压跟随电路跟随输出，减小电源波动、外界因素对采样数据的影响[4]。

2.4运放与A/D的选择

图2-3LM358引脚图

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358封装有塑封8引线双插式和贴片式两种。

LM358的特点：

（1）内部频率补偿；

（2）低输入偏流；

（3）低输入失调电压和失调电流；

（4）共模输入电压范围宽，包括接地；

（5）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；

（6）直流电压增益高（约100dB）；

（7）单位增益频带宽（约1MHz）；

（8）电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；

（9）双电源（±1.5一±15V）；

（10）低功耗电流，适合于电池供电；

（11）输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）。

图2-4LM386的管脚图