基于STM32的烟雾预警系统电子信息.docx

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基于STM32的烟雾预警系统电子信息

毕业设计（论文）

题目基于STM32的烟雾预警系统

学生毕业设计（论文）原创性声明

本人以信誉声明：

所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。

与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业设计（论文）作者（签字）：

年月日

摘要

随着社会经济的发展，火灾也变成了一种发生频率较高的灾害。

火灾使得文明的发展和推进有所滞后，也对一些地方的财产和人的生命造成了极大的威胁。

而烟雾预警装置能够及时有效地反馈给管理人员或者相关用户，从而减少伤亡和财产的损失，所以设计一种简单可靠的烟雾报警系统十分有必要。

本设计烟雾传感器以STM32F103C8T6为设计的核心器件，再配合报警电路即可实现声光报警功能，同时可通过报警阀值开关大小控制电路的报警。

烟雾报警系统通过烟雾传感器采集烟雾信号，当达到一定浓度时，便向外发出信号控制报警电路，从而报警电路发出警报。

本烟雾报警系统中的报警阀值开关可以在了解具体情况后，增加，减少ADC采集回的电压数字量，增加报警的准确性。

本烟雾报警系统有以下几个创新点：

采用了新型的模拟式烟雾传感器、可以报警阀值控制提高了报警系统的准确性、通过简单的电路实现了报警功能、整个系统简单、实用、可靠适合很多场所使用。

关键词：

烟雾传感器报警阀值STM32F103C8T6

ABSTRACT

Withthedevelopmentofsocialeconomy,firehasitselfbecomeahigherfrequenciesofoccurrenceofdisasters.Accordingtostatistics,whenthereissmokealarmsystemoflocalfire,obviouslyreducethefirecausedbythelossoflifeandproperty.Thisisbecausealarmsystemcantimelywillfiresignsnoticetotheuserormanagementpersonnel,thushelpthemreadytofireevacuationandorganization,restraintheexpansionofthefire,greatlyreducingthefirehazard.Sothedesignofasimple,reliablesmokealarmsystemisverynecessary.

Thisdesigntosmokesensorandwirelessremotecontrolswitchforthedesignasthecorecomponent,combinedwiththealarmingcircuitaudibleandvisualalarmfunctionscanberealized,andthroughthewirelessremotecontrolswitchcontrolcircuitofthepolice.Smokealarmsystemthroughthesmokesensorstocollectsmokesignal,whentheyreachacertainconcentration,thensendingsignalcontrolalarmcircuit,andalertthealarmingcircuit.Thesmokealarmsystemofwirelessremotecontrolswitchcanunderstand[13]thespecificsituation,remotecontrolalarmcircuit,increasetheaccuracyofthealarm.Thesmokealarmsystemhavethefollowingafewinnovations:

thenewtypeofphotoelectricsensor,cansmokethroughwirelessremotecontrolswitchremotecontrolimprovetheaccuracyofthealarmsystem,throughthesimplecircuitrealizedthealarmfunction,thewholesystemissimple,practical,reliableformanyplacesofuse.

Keywords:

Smokesensors;Wirelessremotecontrolswitch;Soundandlightalarm

1绪论

1.1研究来源、目的和意义

1.1.1研究来源

随着社会经济的发展，现代生活节奏不断加快，建筑物又趋向集中化，建筑的标准也越来越高，而且建筑都具有设备先进、功能多、装饰豪华等特点，这些都成为了火灾发生频率增加的重要因素。

火灾往往发生在人群稠密和物资集中的地方，并且扩展的速度较快，人员疏散较为困难，消防灭火工作难以展开，往往小的火灾却酿成大的灾祸。

为了保护人身和财产安全，做好预防火灾的发生，同时也要做好火灾发生的准备。

火灾是一种由失去控制的燃烧所引发的灾害,对社会安全和人们的生命财产造成了重大威胁,由此引发的安全事故比比皆是,所以人们从未停止过对它的研究。

随着现代家庭用电、用气量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高，若不及时发现和处理，不仅危害到这个家庭，还会对周遭居民造成影响,危害性不能小觑。

消防部门的数据显示，在所有的火灾事故中，在家庭火灾已占到30%的比例，我国每年的家庭火灾达5万余起，死亡800余人，占火灾死亡人数的70%以上[1]，而引发火灾的各种可能有的在我们能注意到的地方，有的却在我们注意不到的地方，而像学校机房、办公室等这种人员集中，电子设备集中的小面积区域，若有火情却没有及时发现，那后果更加不堪设想，因此加强对这些小面积的人员集中区域火灾的监测很有必要。

自本世纪80年代开始，随着电子产品的使用逐渐广泛，可能引发火灾的安全隐患由最初的工业生产延伸到了我们的日常生活中，为了及早发现并通报火灾，保障人身及财产安全，加强对工业生产区、公共场所和居民区的火灾监测变得格外重要。

目前国内厂家多偏重用于大型仓库，写字楼，商场，宾馆等大型火灾报警系统的研发，采用集中区域报警控制方式，系统复杂且成本高，忽略了居民住宅区，学校机房，办公室等小型防火单位，因此研制一种结构简单，价格低廉的烟雾报警器是非常必要的。

烟雾报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动等，是物理传感、自动控制、计算机、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。

依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，面对我国社会经济与技术的急速发展，伴随电子、计算机、通讯和现代控制技术的迅速壮大以及对此类产品的迫切需求，我国现代火灾应用报警系统的发展趋势也向着全总线制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化和高灵敏化的方向发展。

当火灾发生时，就会产生大量的烟雾，烟雾就是由很多不同的微粒群构成的混合物。

而这些构成烟雾的微粒的产生主要取决于，在火灾发生时的燃烧物。

燃烧物不同，使这些微粒的质量和体积都不同。

虽然火灾发生的地点和环境不同，火灾的性质也不同，但最终产生的烟雾，都能通过烟雾传感器检测到，因此烟雾传感器的使用范围很广泛。

烟雾传感器在探测火灾烟雾浓度上有很大的作用和意义，为烟雾报警系统提供了很有利基础的条件。

为了能够减少火灾带来的事故的发生，我们人类必须运用自己的聪明才智去做一些防止火灾发生的事情，因此有人发现了最初的报警装置，可以通过烟雾报警系统检测环境中的浓度，早发现火灾，采取有效的措施，避免灾害的发生，保证生命和财产安全。

因此，烟雾报警系统的研究是十分有必要的。

1.1.2研究目的和意义

烟雾报警系统是通过系统中的烟雾传感器检测环境中的烟雾浓度，当环境中的烟雾浓度达到所设定的浓度时，向外界发出信号。

在当今的社会中据资料显示，随着社会经济的发展，当有烟雾报警系统的地方发生火灾的时候[2]，就可以大大的减少火灾所造成的生命和财产损失。

这是因为报警系统能够及时的将火灾迹象快速迅捷的通知给用户或者管理人员，从而有助于他们准备疏散和组织灭火，有效的抑制了火灾的产生，大大减少了火灾的危害。

随着现代科学技术的不断发展，在国内外专家的一致努力下，与烟雾报警系统相关的技术都有很大的进步，这也使烟雾报警系统在实际中运用的更加有效的发挥了作用。

因此我们需要设计一款能够有效抑制火灾的烟雾预警装置，从而避免财产和生命的损失。

这就可以通过烟雾报警系统检测环境中的浓度，及时发现火灾，采取有效的措施，避免灾害的发生，保证生命和财产安全。

烟雾报警系统在一些人员密集的场所、工厂和家庭还有学校都是必不可缺的。

通过对烟雾报警系统的深入研究，以实际情况为出发，基于适用，可靠的原则设计烟雾报警系统是很有意义的。

1.2国内外发展现状

一些以美国、英国、日本为代表的发达国家很早以前对烟雾报警系统的研究已经十分重视。

在20世纪30年代末开始，以美国为首的发达过久就开始着力于烟雾传感器产品的设计与开发研制，并且取得了巨大的成功。

据数据统计，在上个世纪末到本世纪初，美国的烟雾传感器产品的生产消费平均增长率是23%到33%[3]，大大的领先于其他国家的增长水平。

同时它的生产技术与工艺大幅提升，小型化也使得传感器更加便于携带，集成化成了传感器的发展大势所趋，对于生产，使用推广有正面的作用。

日本在这方便也有着很大的成就，在1963年4月，第一台接触燃烧式家用报警器问世，随后他的改良版也问世了，浴室燃气和家用煤气都可以被检测出来，这款产品在厨房，浴室被广泛的运用，也有很大的市场反响。

而在20世纪80年代，美国、英国、日本等国相继开始投入大量的科研经费、科技力量进行烟雾报警系统技术产品的专门研究。

我国的烟雾报警系统发展起步比较晚，同美国、英国、日本等发达国家相比，在研究和生产上有一部分差距。

主要表现在我国的烟雾报警系统在整体上的智能化程度不是很高。

虽然有智能化的设计但是由于技术不成熟，无法使整个系统更加成熟。

由于烟雾传感器在现场环境中的灰尘和人为因素的干扰，使烟雾报警器无法准确的进行判断，常造成误报和漏报等情况的发生。

对于大型的公共建筑等按规定都有安装烟雾报警系统，而对于一些人员密集的小型场所基本都没有安装烟雾报警系统，一旦发生火灾会造成重大人员伤亡。

总体上看我国的烟雾报警系统无论是在智能化程度上，还是在应用范围上都有所提高和扩展。

1.3总体设计

技术路线图为：

1．对烟雾自动预警系统的流程进行仔细思考与分析，提出报警流程中存在的疑问。

2．先提出研究的烟雾预警系统中的问题，再深入去研究和提问。

3．和指导老师一起探讨是否存在更加便捷的设计模式。

4．选择硬件与软件的设计，查阅网上与学校图书馆的资料。

在实训楼1-12完成。

5．独立探究系统的硬件问题，之后再与指导老师共同探究其中的思路。

6．对系统软件经行设计，完成功能。

主要的流程：

在网上和书上探究烟雾传感器装置的设计理念与方法，先在书中找到烟雾传感器的代码撰写，如果没有看懂就上网搜索相关的知识进行学习。

再找文献综述之内的文字记载还有外文。

之后再在学院出领取相关的实验器材，自己进行组装和焊接之后再撰写相关的代码。

在不懂的时候多问问指导老师的意见，听取相关的建议。

最后再根据对应的时候进行论文的撰写，在进行实物测试的时候多测试几次看是否有误差和问题，记录他们的平均值，看它是否有一些问题，最后完成设计，统一结论。

2烟雾预警系统的设计与制作

2.1设计介绍

所设计的烟雾预警系统分别由烟雾传感器部分、4个按键分辨是调整报警阀值和消音和复位、和烟雾传感器MQ2组成。

当环境中的烟雾浓度达到一定程度，烟雾报警系统中传感部分的烟雾传感器发出信号，通过控制部分，传送到报警电路。

烟雾传感器探测到烟雾时其屏幕出现烟雾浓度数值和ADC采集回的电压数字量，最后向外发出声音信号，烟雾浓度越高蜂鸣器声音越大。

烟雾报警系统实物图如图2-1所示：

图2.1烟雾预警系统实物图

制作产品的创新点：

1.采用了烟雾传感器

2.可以提高了报警系统的准确性。

3.通过简单的电路实现了报警功能。

4.整个系统简单、实用、可靠适合很多场所使用。

2.2主要元器件介绍

2.2.1烟雾传感器简介

烟雾传感器是一种烟雾感应装置，它可以将空气中存在的烟雾的浓度变化转换为有相应关系的输出信号。

烟雾传感器应用的领域十分广泛，已经深入到我们日常生活中的各个方面，与我们的日常生活密切相关。

烟雾传感器统称有以下的几种模式类型：

1.离子式烟雾传感器

离子式烟雾传感器是最为常见的烟雾传感装置。

离子式烟雾传感器出现的时间比较早，其各方面技术经过长时间发展，离子式烟雾传感器也不断完善。

由于离子式烟雾传感器的技术各方面都比较成熟，所以被广泛的运用到各个领域[4]。

离子式烟雾传感器在电场的撞击下之中的粒子会高速的撞击空气粒子，从而使得空气电离，它也有一个电离室。

其中使用的放射元素是镅，强度在0.8微居里左右，电离产生正离子和负离子。

当接入电源后，电离室形成电场，电场下的正负离子活动，达到了相对的平衡时，电离室的电流和电压时不变的。

当离子式烟雾传感器所在的环境有火灾发生时，火灾产生的烟雾就会进入到离子烟雾传感器的电离室内，进入的烟雾就会影响带正负离子的正常运动，相对平衡就会被破坏，从而电流和电压就会有所变化。

这种变化成为离子式烟雾传感器判断烟雾浓度的指标，当浓度变化达到设定值时，它变会向外面发出相应的信号，通知用户或管理员及时采取措施应对火灾。

2.气敏式烟雾传感器

气敏式烟雾传感器与其它两种烟雾传感器不同，它主要不是用于居民日常生活的报警装置，气敏式烟雾传感器的基本工作原理是将特定的一种气体或一类气体在空气中的浓度有关的信息转换成相对应的电信号，用户或管理员再根据转化成的电信号确定相对应的操作。

这就是气敏式烟雾传感器。

其中气敏式烟雾传感器有以下几种类型：

（1）可燃性气体气敏元件传感器,这种类型的传感器检测的是一类气体，这些气体具有可燃性，一旦泄露发生火灾将造成极其严重的后果,。

这些可燃性气体种类很多，烷类和有机类气体都包括其中。

（2）氧传感器,氧传感器在工业上的应用十分重要，一些限定氧气浓度的场所，氧传感器是必不可少的。

氧传感器在发动机上也有很重要的应用。

（3）有毒气体传感器,这内传感器在环境保护方面有着不可取代的重要地位。

3.光电式烟雾传感器

光电式烟雾传感器与的情况与其他的传感器大不相同，离子式是由于他改变了内部的构造，是由于烟雾改变的，而气敏式是通过化学反应达到变化的目的，而光电式烟雾传感器他是利用光线传播特性达到探测目地的。

光电式烟雾报警器里有很多光学元器件，同时也有光线通过的特定的场所，这对于光电式传感器是不可或缺的，在里面装有一些红外光，当烟雾进入时，会通过一系列化学反应接受到红外光[5]照有没有超过预定的阀值，如果超过了之前设定的值，就会通过电路报警，发出警报。

光点式的烟雾传感器在与光线接触时会通过特定的情况发下传播变化，光电式烟雾报警器内有发光器件和收光器件，发光器件的作用是发出所需要的光线，收光器件主要的作用是接受所传来的光线，并且可以把接收到的光线转化成电流，这种电流称为光电流。

光电式烟雾传感器的工作原理是在正常情况下发光器件发出的光线已有特定的传播路线，当烟雾进入传感器内部时，光线与烟雾接触，由于光的传播特性原有的光传播线路必然会改变，接收器件接收到的光线也发生了变化，通过光电流的形式表现为电信号。

此时光电式烟雾传感器通关对接受器件的光线变化的程度做出判断，烟雾的浓度是否达到设定的标准浓度，如果达到设定的浓度就向外发出信号，进而通知用户或管理员。

根据光电式传感器内的接受器件的位置和用到的光线传播特性，光电式传感器可以分为两种类型：

（1）散射光式光电烟雾传感器，该光电式烟雾传感器内的发光器件发射出的光的光传播路线，通过内部各种光学设备，使得受光器件无法接收发光器件发出的光线。

由于接收器件无法接收到光线，所为不能产生光电流。

当火灾发生时，产生的烟雾进入散射光式光电烟雾传感器内，烟雾粒子与原有的光发生接触使得光改变了传播路径。

光遇到烟雾粒子的时候发生了漫反射，经过漫反射的光线最终照射到了，原本没有接受到光的接收器件上。

这是因为接收器由无光到有光，让电流发生了质的变化，从没有产生光电流到产生光电流。

烟雾传感器把光电流的变化转化成为所需要的电信号。

同时经过进一步的判断光电流变化的大小[8]出信号，通知用户或管理员。

散射光式光电烟雾传感器工作原理如图2-2所示

图2.2散射光式光电烟雾传感器原理图

（2）减光式光电烟雾传感器，这个烟雾传感器的接受器的地点和内部的发光原件与散射光电式完全不同。

这个烟雾传感器的发光原件经过系统发出的光，经过各种设备，最终可以被接收器件接收到。

接收器件能接收到光，便有光电流产生。

在发生火灾时，烟雾进人到烟雾传感器的内部，发光器件发出的光线被一些烟雾所遮挡，自然接收器件一端接收到的光也就减少。

进而导致原来所产生光电流变小；通过光电流的变化大小，由此来确定空气中的烟雾浓度，同时经过进一步的判断光电流变化的大小，进而发出信号，通知用户或管理员。

三种烟雾传感器的比较：

当火灾发生时，就会产生大量的烟雾，烟雾就是由很多不同的微粒群构成的混合物。

气敏式烟雾传感器是检测环境中的一种气体或一类气体的传感器。

气敏式烟雾传感器在工业和环境上用途最为广泛，工业上对于冶金等方面需要一些特定的气体进行相关的工序，气敏式烟雾传感器对这些气体的检测室不可缺少的。

环境方面气敏式烟雾传感器可以监管一些尾气和工业有毒气体的排放。

在火灾烟雾的检测方面其它的烟雾传感器的性能要比它好。

离子式烟雾传感器与光电式烟雾传感器都可以通过检测火灾的烟雾达到烟雾报警系统所需要的效果。

从工作原理上，离子式烟雾传感器是内部已经有了的电压平衡，即电离空气的正离子和负离子向正负电极运动所形成的电压平衡。

当烟雾离子进入其中打破了这种电压平衡，最终导致了电压的变化[9]的变化转化成为电流的变化，最终以电信号的形式传出去。

而光电式烟雾传感器内部涉及光电两方面的变化，首先是有发光器件和接收器件，两者之间确定的关系，通过烟雾粒子来改变这种对应的关系，使得接收器件上的光发生变化，进而导致了光电流发生了变化。

通过光电流变化的大小来，由此来确定空气中的烟雾浓度，最终发出信号。

由于他们的工作原理有所差别，离子式烟雾传感器对于一些小的烟雾粒子的测试要比通过光学特性研制的光电式烟雾传感器的测试要好一些，而大的烟雾粒子自然是光电式烟雾传感器敏感。

虽然这两种烟雾传感器时间间隔不大，但是离子式烟雾传感器内部有放射源，而光电式烟雾传感器全部是电子元件和光电元件组成。

所以本设计采用了比较新型的光电式烟雾传感器。

光电式烟雾传感器中的减光式烟雾传感器需要的电源等等比较复杂，所以该系统需要定期维护和检查。

故因而，其成本或造价较高。

基于以上分析，本烟雾报警系统设计选用散射光式光电烟雾传感器。

2.2.2系统总体功能概述

根据此系统应用的实际情况，将上述各个子系统有机组合，进行了烟雾自动报警运系统硬件设计。

系统整体原理设计如图2.3所示。

火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器组成。

火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象—气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。

区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出声光报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。

图2.3系统原理及组成框图

2.2.3烟雾预警系统的类型

烟雾传感器分类：

1.离子式烟雾传感器

离子式烟雾传感器是一种技术先进的传感器，在家庭和学校广泛运用，他的性能十分强大，保护了我们的公共财产和生命安全。

2.光电式烟雾传感器

此内传感器的内部安有红外管，无烟雾时接受不到报警信号，智能的设置报警阀值能够有效的设置出警报信号，适用于大部分场景

光电感烟探测器可分为减光式和散射光式，分述如下：

（1）散射光式光电烟雾探测器

这种探测器在正常情况下是接受不到火灾报警信号的，然后在发生火灾时由于烟雾产生的烟离子的出现，使得该发生器接受到了烟雾信号，从而他会因此发出报警信号。

（2）减光式光电烟雾探测器

这种探测器主要是通过接收光线的强弱从而报警的，他的内部装有发光器与受光器。

在工作的时候，发光器发出一定量的光，在有烟雾时会被烟雾给阻挡，接收量的光会减少，从而发出报警信号[9]

光电式与离子式传感器之间的对比

离子式烟雾传感器对于烟雾的探测要灵敏许多，对于大颗的烟粒的探测要差很多，光电式烟雾报警装置则与之恰恰相反。

在发生火灾的时候，空气中较小的烟雾离子比较多，而大的比较少。

对比这两种装置，在不同的情况下或者是不同的工作、生活场所选择不同的烟雾预警装置，因地制宜才是最好的。

3.气敏式烟雾传感器

气敏传感器主要检测的是特殊气体，主要有以下几种类型。

（1）可燃性气体气敏元件传感器,这种类型的传感器检测的是一类气体，这些气体具有可燃性，一旦泄露发生火灾将造成极其严重的后果,。

这些可燃性气体种类很多，烷类和有机类气体都包括其中。

（2）氧传感器,氧传感器在工业上的应用十分重要，一些限定氧气浓度的场所，氧传感器是必不可少的。

氧传感器在发动机上也有很重要的应用。

（4）毒性气体传感器,这种传感器在环境保护方面有着不可取代的地位。

它主要是将不同的气体转化为不同的化学信号，据所产生的信号的强弱可以分辨气体的种类与实际所产生的火灾大小。

他可以通过控制情况自动检测到火焰发生情况从而报警。

火灾产生的烟雾主要是有混合物组成的，他们之间有不同的物理特质。

通过一系列的探测手段可以得到不同的探测结果。

在不同的场所使用不同的传感器进行火灾检查，比如在一些重工业的场所，比如在：

石油加工场，矿山，冶金场所，等一些气体产生较多的地方，就能够使用气敏式传感器，因为这一内地方的烟雾小型离子较多。

2.2.4烟雾探测器的原理

发生了火灾之后，必然会伴随着产生烟雾，火光。

当火灾发生时，探测器能够很精确的通过这一系列物理现象改变平时的状态，从而火灾探测器会通过这些情况显示火灾的发生点。

烟雾探测器是一种通过接受烟雾或者光等系列物理现象转化信号报警，火光中的紫外光，产生出离子，让烟雾探测器发出警报。

烟雾预警装置对我们的生命与财产有着不可或缺的作用，在所有的重要场所都应该安装这内设施，他能够在危险即将出现的时候防止危害的产生，减少人员的伤亡。

2.2.5烟雾报警器的选择

由于离子烟雾报警器对小粒子较敏感，所以在不同的地方，你可以有以下几种选择：

1.将烟雾报警器安装在离烟雾的地方较远处，那么烟雾粒子到达报警器