温湿度酒精浓度烟雾浓度检测报警系统.docx
《温湿度酒精浓度烟雾浓度检测报警系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《温湿度酒精浓度烟雾浓度检测报警系统.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
温湿度酒精浓度烟雾浓度检测报警系统
中原工学院信息商务学院
机电综合应用
题目：
温湿度、酒精浓度、烟雾浓度检测报警系统
系部名称：
信息工程系专业班级：
测控08班
学生姓名：
梁子龙学号：
200880864125
指导教师：
张新英刘秀敏教师职称：
讲师
2011年12月27日
摘要
从工厂企业到居民家庭，酒精泄露的检测、监控以及对酒后驾车的检测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少。
资料显示，我国近几年发生的重大交通事故中，有将近三分之一是有酒后驾车引起的。
为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车，现场实时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视，酒精浓度测试仪逐渐得到广泛应用。
此外，酒精测试也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度场合。
如今，气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展，因此，酒精浓度检测仪具有十分广阔的现实市场和潜在的市场要求。
烟雾报警器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟感器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。
本文运用了单片机，并借助相应的外围电路，将检测结果通过LCD、LED等显示方法告知使用者。
本设计用的MQ303酒精传感器就是一种对气体敏感的化学传感器，以及MQ-2烟雾浓度传感器，它们随着外部气体的浓度不同而改变敏感膜的电阻。
系统选STC89C52RC单片机为控制核心，对检测到的气体状况进行相应的处理分析、处理和显示，并通过报警进行提示，并能实现超限报警。
关键字：
酒精传感器，烟雾传感器，STC89C52单片机，显示报警
Alcoholsmokesensorreports
Abstract
Fromthefactoriesandenterprisestohouseholds,alcohol,leakdetection,monitoringanddrunkdrivingdetectiononResidents'personalandpropertysafetyisveryimportantandessential.Datashows,ourcountryinlastfewyearsthemajortrafficaccidents,therearenearly1/3isadrunkendriving.Inordertopreventthemotorvehicledriversdrunkdriving,liveonhumanbreathalcoholcontentdetectionhasreceivedincreasingattention,alcoholconcentrationtestinstrumentwidelyused.Inaddition,alcoholtestcanalsobeusedinfoodprocessing,wineandotherneedtomonitorairalcoholconcentration.Nowadays，thegassensortolowpower,multi-function,integrateddevelopment，therefore,thealcoholconcentrationdetectorhasaverybroadmarketandpotentialmarketdemand.Thesmokealarmisbymonitoringthesmokeconcentrationtoachievefireprevention,smokedetectors,theinternaluseofionsmokesensor,ionsmokesensorisakindofadvancedtechnology,stableandreliableoperationofthesensor，iswidelyusedinallkindsoffirealarmsystem,performancefarsuperiortothegassensingresistancetypefirealarm.Thispaperusesthesinglechipmicrocomputer,andwiththeaidoftheperipheralcircuit,thedetectionresultsbyLCD,LEDandotherdisplaymethodstoinformtheuserof.ThedesignoftheMQ303alcoholsensorisakindofgassensitivechemicalsensor,aswellasMQ-2smokeconcentrationsensor,withexternalgasconcentrationsorindifferentsensitivemembraneresistance，SelectionofSTC89C52RCMCUasthecontrolcore,thedetectedgasconditioncorrespondingtreatmentanalysis,processingandreality,andthroughthealarmtoprompt.
Keywords:
alcoholsensorsmokesensorsinglechipSTC89C52displayalarm
一、整体构思
1.1.系统设计所需资源
STC单片机STC89C52，MQ-2电阻式烟雾传感器、MQ-3酒精传感器各1个，16P，40P等底座若干,LED发光二极管各若干个,蜂鸣器一个,5V直流电机及电机配套的风扇叶一个,5V直流电机及配套偏心轮（震动使用）,单面覆铜板（印制PCB版）,电位器102，103各若干,LM324或LM339一个,12864液晶一块,按键若干,自锁按键若干,继电器一个,导线若干。
1.2系统框图
浓度显示
LCD
显
示
温湿度传感器
单
片
机
ATMEGA
16L
时间显示
两
重
报
警
酒精传
感器
QM303
发光二级管
模数转换器
TLC2543
蜂鸣器
烟雾传感器
MQ-2
时钟DS1102
图1-1
二、方案论证与对比
2.1传感器方案对比
如图2-1所示为简易气体烟雾报警电路。
该报警器由降压整流与稳压电路、气敏传感元件和触发、报警音响电路等组成。
降压整流与稳压电路由变压器B、桥氏整流电路、集成稳压电源7805等组成。
触发、报警音响电路由可控多谐振荡器（555、R2、W2、C4）和扬声器Y等组成。
半导体气敏元件采用QM-25型或MQ211型，其适用于煤气、天然气、汽油、醇、醚类及各种烟雾的报警，其要求加热电压稳定，故采用7805对灯丝电压进行稳压，且要求开机预热3分钟。
当气敏元件QM接触到可燃性气体或烟雾时，其A～B极间的电阻降低，从而使该电阻与W1的分压上升，相应555④脚电位上升，当④脚的电位上升到lV以上时，555起振，其振荡频率为f=1.44／（R2+2Rw2）C4。
图中所示参数对应的频率约为0.6～8kHz。
调节电位器W2，使其频率为1.5kHz即可。
相应555的输出端③脚的输出信号推动扬声器Y发出报警声。
正常情况下，气敏元件的A-B极间的阻值较大，该电阻与W1的分压减小，相应使555④脚处于低电平，555停振，扬声器Y不工作。
图2-1气敏传感器驱动555震荡报警式烟雾报警器
2.2主控制器方案对比
为了让报警器成为具备准确快速的检测到气体信息，并采取相应的报警系统，我们将检测报警器分为一下几大组成部分：
电源模块,传感器，A/D转换，单片机，声音报警模块，显示模块，声音报警模块，震动报警模块。
通过气敏探头对可燃气体的检测，输出低电平送到单片机实现报警的功能，灵敏度高，可控范围大，且能正确识别现场气温。
采用MQ303,MQ-2将酒精信号及烟雾信号转换成敏感体电阻的变化，外接电源和负载电阻，把电阻变化转换成电压信号，利用Mega16单片机的模数转换功能采样电压变化，转换成酒精浓度以及烟雾浓度用七段数码管显示出来，当达到预定报警浓度时，蜂鸣器报警。
图2-2仿真图
三、主控制器
3.18051单片机
8051单片机与MCS-51兼容，4K字节可编程FLASH存储器，寿命：
1000写/擦循环，数据保留时间：
10年
全静态工作：
0Hz-24MHz，三级程序存储器锁定，128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路
虽然应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，但是速度慢，功耗大，适合民用，商用，不适合工业用途。
3.2STC单片机
STC单片机是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，但是存在溢出隐患问题。
8051系列采用的是堆栈指针，STC采用硬件堆栈8级。
当堆栈指针设定合理，局部变量少的情况下，8051系列用10层的程序嵌套不会出现问题。
而STC单片机程序嵌套包括中断最多不能超过8层。
所以如果用C语言进行STC编程设计容易堆栈溢出。
汇编语言对于不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移植。
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语言编程，所以STC系列单片机在此处不是非常适合
为适用于本论文设计的烟雾，酒精检测报警器，应选择一种比8051系列速度快，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STC89C52系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
其突出的特点是功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高。
是的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度却比8051单片机快8~12倍。
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。
下面是对STC89C52单片机的介绍
下图为单片机的最小系统电路如下图3—1：
图3-1单片机最小系统图
3.2.1时钟电路
STC单片机STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图3—2所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
【示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
】
3-2内部方式时钟电路
3.2.2复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表一所示
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
00H
图3-3复位状态
3.2.3.复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
图3-4复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图4—4（a）所示。
这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图4—4（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。
其电路如图3-5（c）所示：
（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
图3-5复位电路
3-6STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
图3-6
四、传感器模块
4.1传感器模块的方案选择
数字检测模块是检测器的心脏，只有准确可靠的检测气体才能让检测器准确正常的工作，选择一个合适的气敏元件是非常重要的。
因此我们设计了一下二种方案：
方案1：
用红外发射——接收管
用红外线发射管发出红外线，经过需要检测空气质量区域空间，在检测空间的另一端用红外接收管接收经过空气调制的红外线信号。
然后将接收到的信号进行处理，得出空气质量信息（气体温度、浓度等）。
该方案虽检测距离远，精度很高，远距离响应速度快，适合用于高端专业测量设备。
但是硬件设备要求较高，信息处理算法较复杂，开发成本较高。
方案2：
气敏传感器检测
运用传感器检测，根据传感器在不同气体环境中电阻的变化，从而引起输出电压的变化，将电压信号传给单片机分析。
该方案虽然检测距离近，响应速度较慢，精确度较低。
但是输出信号处理方便，价格便宜，开发成本低，适合普通用户使用。
我们设计的产品主要是面对普通用户，并且只是在汽车内，这种空间比较小的地方，测量距离不用很远。
当驾驶员喝了酒上车的时候，酒精很快就可以蔓延到车里的每一个角落，这样传感器也就很快就可以检测到酒精浓度在增加。
因而我们选择了价格比较便宜的气敏传感器作为我们的检测模块，也就是选择方案二。
4.2气敏传感器选择
方案1：
直热式MnO₂半导体气敏传感器
制作工艺简单、成本低、功耗小，可以在高回路电压下使用、价格低廉的可燃气体泄漏报警器。
但是其热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间巷削辑离，互相影响；加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成与材料的接触不良。
方案2：
旁热式MnO₂半导体气敏传感器
克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，免了回路间的相互影响；元件热容量大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性，不过价格昂贵。
近年来，使用二氧化锡（SnO2）气敏元件制成的酒精检测器，不仅对酒精味敏感，对汽油味、香烟味同样敏感，易造成检测失误，因此限制了它的普遍推广和使用。
因此本设计使用一种性能稳定、抗干扰能力强的酒精传感器QM-NJ9。
综上我选择了方案二旁热式MnO₂半导体气敏传感器MQ-3气体传感器，MQ-3所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。
当传感器所处环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-3气体传感器对酒精的灵敏度高，可以抵抗汽油、烟雾、水蒸气的干扰。
这种传感器可检测多种浓度酒精气氛，是一款适合多种应用的低成本传感器.所以我们选择MQ-3酒精传感器。
4.3.MQ-3酒精传感器
特点:
对乙醇蒸气有很高的灵敏度和良好的选择性,快速的响应恢复特性,长期的寿命和可靠的稳定性、低成本。
应用:
用于机动车驾驶人员是否酗酒及其它严禁酒后作业人员的现场检测；也用于其它场所乙醇蒸气的检测.车用酒精气体报警器、便携式酒精气体检测器。
主要技术参数：
产品型号MQ-3
产品类型半导体气敏元件
标准封装胶木（黑胶木）
检测气体酒精蒸汽
检测浓度0.04-4mg/L酒精
回路电压（Vc）≤24VDC
加热电压（VH）5.0V±0.2VACorDC
负载电阻（RL）可调
加热电阻（RH）31Ω±3Ω（室温）
加热功耗（PH）≤900mW
敏感体表面电阻（Rs）2KΩ-20KΩ（in0.4mg/L酒精）
灵敏度（S）Rs（inair）/Rs（0.4mg/L酒精）≥5
浓度斜率（α）≤0.6（R300ppm/R100ppm酒精）
温度、湿度20℃±2℃；65%±5%RH
标准测试电路Vc:
5.0V±0.1V；
VH:
5.0V±0.1V
预热时间不少于48小时
近几年来，使用二氧化锡（SnO2）气敏元件制成的酒精检测器，不仅对酒精味敏感，对汽油味，香烟味同样敏感，以造成检测失误，因此限制了它的普遍推广和使用。
因此本设计使用一种性能稳定，抗干扰能力强的酒精传感器QM-N9，即旁热式MnO2半导体气敏传感器。
其特点：
专用与乙醇，酒精等有机液体蒸汽的检测，对汽油蒸汽有干扰的能力，而且灵敏度高，响应速度好，寿命长，工作稳定可靠。
将MQ-3预留引脚接电池，预热3秒以上。
接通单片机电源，七段数码管闪烁显示周围酒精浓度。
一旦酒精浓度超过阈值，蜂鸣器报警。
图4-1酒精传感器
4.4MQ-2烟雾传感器模块使用说明书
简要说明：
一、尺寸：
32mmX22mmX27mm长X宽X高
二、主要芯片：
LM393、ZYMQ-2气体传感器
三、工作电压：
直流5伏
四、特点：
1、具有信号输出指示。
2、双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）
3、TTL输出有效信号为低电平。
（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）
4、模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。
5、对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。
6、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性
7、快速的响应恢复特性
五、应用：
适用于家庭或工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等监测装置。
对比过后，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器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、寿命长等优点。
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。
4.5DHT11数字温湿度传感器
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。
产品为4针单排引脚封装，连接方便。
技术参数
供电电压：
3.3~5.5VDC
输出：
单总线数字信号
测量精度：
湿度+-5%RH，温度+-2℃
分辨率：
湿度1%RH，温度1℃
互换性：
可完全互换
长期稳定性：
<±1%RH/年
应用领域
暖通空调测试及检测设备
汽车数据记录器
消费品自动控制
气象站家电
湿度调节器医疗
除湿器
特性
相对湿度和温度测量全部校准，数字输出
卓越的长期稳定性
无需额外部件
超长的信号传输距离
超低能耗
4引脚安装完全互换
我们选择的是DHT11数字温湿度传感器该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点，更适合这次课设要求。
五、模数转换器的对比
5.1ADS8364模数转换器芯片简介
ADS8364是一款六路模拟输入、16位并行输出的模数转换器。
六路模拟输入分为三组（A,B和C）,每个输入端都有一个保持信号来实现所有通道的同时采样与转换功能，非常适合于多路（多种）采集系统的需要。
ADS8364提供了一个灵活的高速并行接口，可以运行在直接寻址、循环采样、FIFO等三种模式，每个通道的输出数据都可直接作为一个16bit的字。
TMS320F2812是TI公司生产的一款DSP芯片，TMS320F28X系列是当今世界上最先进的32位定点DSP芯片。
它不但运行速度高，处理功能强大，并且具有丰富的片内外围设备，便于接口和模块化设计。
它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、智能化仪器仪表及电机伺服控制系统等。
2ADS8364的工作原理
ADS8364的最大工作频率可达5MHz，采样/转换可在20个转换时钟周期内完成。
ADS8364的六个通道可以同时进行采样/转换。
吞吐率最大可达250ksps。
ADS8364采用+5V工作电压，并带有80DB共模抑制的全差分输入通道以及六个4μs连续近似的模数转换器、六个差分采样放大器。
另外，在REFIN和REFOUT引脚内部还带有+2.5V参考电压。
ADS8364的差分输入可在-VREF到+VREF之间变化。
三个保持信号（HOLDA、HOLDB、HOLDC）可以启动指定通道的
升级会员 