基于单片机的烟雾报警器的设计Word文档格式.docx

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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。

近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。

到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气浓度的仪器提供了市场。

可见，烟雾报警器具有十分广阔的市场前景。

1.2烟雾报警器的国内外现状

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。

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，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，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。

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与巡检。

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。

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：

（1）基本部分：

对系统进行整体规划和结构设计；

以STC12C5410AD单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，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、串口通信电路、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、滤波子程序、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；

硬件电路和软件的综合调试。

（2）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。

2、烟雾检测报警器的方案设计

2.1烟雾检测报警器设计思路

烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，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。

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，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。

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。

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、选择性和稳定性。

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、寿命长等优点。

2.3烟雾检测报警器整体设计方案

本论文中的烟雾检测报警器以STC12C5410AD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STC12C5410AD单片机；

然后，在STC12C5410AD单片机内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。

报警器系统结构框图如图2.1所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。

报警器采用巡检的工作方式，进行两级报警值设定，并发出不同的光、声信号。

系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。

图2.1可燃性气体检测报警器结构框图

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。

3、烟雾检测报警器的硬件设计

在报警器的设计中，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，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STC12系列单片机。

3.1单片机的选型

3.1.1单片机的选择

单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾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，然后送LCD显示，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实时的烟雾浓度，并进行相应处理。

同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。

8051单片机虽然应用普遍，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。

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。

STC12系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是新一代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。

3.1.2STC12C5410AD单片机的特点

STC12C5410AD单片机较以往的单片机提高了工作效率，使系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著改善，而且进一步小型化和便携化，其内部集成的Flash几乎拥有现代追求个性化的用户所需要的掉电后数据不丢失、快速的数据存取时间、电可擦除、容量大、在线可编程、足够多的擦写次数、价格低廉和高可靠性等所有优点。

STC12C5410AD单片机的管脚结构如图3.1所示。

STC12C5410AD单片机具有以下特点：

STC12C5410ADFlash存储器为10KB；

Flash存储器主要用作程序存储，可经计算机串口接口下载程序；

程序运行时能对其中的1段或多段进行擦、写操作，因此兼有数据存储器功能。

Flash存储器的掉电保护功能可用于程序数据保存，可以按字或字节读写，最小擦除单位为1段，经过擦除的位为“1”，写入位为“0”。

脉宽调节模式，所有PCA模块都可用作PMW输出，输出频率取决于PCA定时器的时钟源。

由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有它们的输出频率相同。

I/O口工作类型设置，STC12C5410AD带

图3.1STC12C5410AD单片机管脚图

有24个I/O引脚，它的I/O与传统的I/O不同，每个I/O口均可由软件设置成4种