基于51单片机的烟雾探测器报告.doc

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西华大学课程设计说明书

1前言

烟雾浓度测试仪，也以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。

即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。

火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温和火光。

这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。

1.1烟雾探测器工作原理

1.1.1烟雾探测器种类

目前常用的有三种步进电动机：

（1）离子感烟式探测。

它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。

（2）光电感烟探测器。

它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。

　　（3）红外光束感烟探测器。

它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。

1.1.2工作原理

烟雾探测器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟雾探测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。

它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。

在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。

一旦有烟雾窜逃外电离室。

干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。

2总体方案

2.1方案比较

方案一：

采用通用的低成本单片机作为下位机的主控制器，外加ADC0832采集烟雾传感器的模拟信号，经过单片机的运算处理过后，把数据通过外加的USB模块传到PC机，PC机上用VC++软件上位机对烟雾信号实时监控，若达到阈值，则报警。

图2.1方案一

方案二：

采用飞思卡尔公司具有低功耗的内核设计为ARMCOTEXM4的32bit高性能单片机Kinetis60作为下位机的主控制器，该单片机内置高性能的16bitADC,USB2.0模块，省去很多处部电路。

烟雾模拟信号经过单片机的运算处理过后，通过USB2.0直接传到PC机，PC机上用LabVIEW软件上位机对烟雾信号实时监控，若达到阈值，则报警。

图2.2方案二

2.2方案论证和选择

方案论证：

方案一使用价格低廉的8位单片机，另外增加了ADC芯片和USB模块芯片，电路相对比较复杂，上位机软件选用微软公司的VC++，它具有十分优秀的灵活性，便于开发人员的灵活设计，但程序设计相对复杂。

方案二使用高性能的单片机Kinetis60，它片内外设丰富，方便设计，但是价格相对较高，上位机软件选用NI公司的图形化编程软件LabVIEW,它编程方便，开发十分方便，但灵活性相对VC++差一些.

方案选择：

根据设计的设计难易程度和可操作性，由于本设计更多偏向于设计的便捷性和较强开放性，经过和指导老师商量，采用飞思卡尔公司具有低功耗的内核设计为ARMCOTEXM4的32bit高性能单片机Kinetis60作为下位机的主控制器,它片内外设丰富能省去很多处部电路，PC机上用LabVIEW软件上位机对烟雾信号实时监控，编程方便和开发十分方便，所以我最终选择方案二来进行课程设计。

3单元模块设计

本论文中的烟雾浓度测试仪以K60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片内A/D转换、然后送入单片机进行浓度比较，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。

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

3.1.1单片机引脚图

图3.1单片机引脚图

上图为单片机的引脚图，该单片机共有28个引脚，其片内外设相当丰富，主频最高可达100M。

单片机要求用3.3V电压供电，我选用LM1117为其供电，输出通过LRC滤波网络滤除纹波；单片机需要晶振才能正常工作，考虑其性能，我选用50MHZ的有源晶振作为时钟输入；其调试接口采用方便的JTAG协议，方便设计和在线调试，是快速高效地完成课题设计的有力保证。

3.1.2感烟传感器电路

本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。

当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。

当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。

利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。

图3.2烟雾传感器电路

烟雾传感器在最佳工作条件下，接触同一种烟雾，其电阻值RS随气体浓度变化的特性称之为灵敏度特性，用K表示。

K=RS/R0，式中，R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电阻值。

虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性K的值也会各有差异，但是它们都遵循同一规律，

logRS=mlogC+n

式中，m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于烟雾，m值为1/2～1/3；C为检测烟雾的浓度。

n为与检测烟雾，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。

3.1.3LED电路

本设计安装有四个LED灯，当检测的烟雾浓度很低时，绿灯亮；当检测到烟雾的浓度到达一定的值时，黄灯这，作提示作用；当检测的浓度达到危险值时，两个红灯则交替地闪烁。

图3.3LED电路

3.1.4报警电路

图3.4报警电路

当烟雾浓度达到临界值时，则需要报警，在电路上连接一个蜂鸣器电路，当浓度过高时，PTE0脚输出高电平，驱动蜂鸣器鸣叫，达到报警的目的。

该电路稳定、可靠。

3.2电路参数的计算及元器件的选择

3.2.1MQ-2型烟雾传感器

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。

按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。

半导体气敏元件也有N型和P型之分。

N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。

半导体气敏传感器的分类如表3.1所示。

表3.1半导体气敏传感器分类

类型

所利用的特性

工作温度

代表性被检测气体

电阻型

电阻

表面电阻控制器

300～450°C

可燃性气体

体电阻控制器

300～450°C

乙醇、可燃性气体

非电阻型

二极管整流特性

室温～200°C

H2、CO、乙醇

晶体管特性

150°C

H2、H2S

本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。

当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。

当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。

利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。

遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。

而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。

这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。

图3.5MQ-2型传感器的外观

3.2.2K60N512VMD144

Kinetis系列微控器是飞思卡尔公司于2010年下半年推出的，是业内首款基于ARMCortex-M4内核的微控制器，Kinetis是一个新造词，具有“快速”寓意。

Kinetis系列微控制器采用了飞思卡尔90nm薄膜存储器（ThinFilmStorage,TFS）闪存技术和Flex存储器功能（可配置的内嵌EEPROM），支持超过1000万次的擦写，整合了最新的低功耗革新技术，具有高性能、高精度的混合信号处理能力、宽广的互连性、人机接口和安全外设。

Kinetis系列微控制器的第一阶段产品由一个微控制器系列组成，分另为K10、K20、K30、K40、K60系列。

具体芯片型号超过两百个品种，在引脚、外设和软件上可兼容。

每个系列提供了不同的性能、存储器配置和外设特性。

通过通用外设、存储器映射和封装的一致性来实现系列内和各系列间的便捷移植。

K60的ADC模块的时钟频率最高可配置为50MHz，最快采样周期为4个时钟，所以采样速率最高可达12.5MHz。

K60有2个ADC模块，每个ADC模块包含27个寄存器。

ADC模块由于使用了线性残次逼近算法，所以具有最高可达16位的分辨率。

同时ADC具有差分输入和单端输入两种采集模式。

K60的USB模块连接比较简单，只要将USB模块的两个引脚USB_DP和USB_DM分别接33欧的电阻连接到USB接口的D+和D-即可。

K60有一个USB双模式（主机或从机模式）控制器，即使用K60作为主控制器的USB设备既可被定义为单一的主机或从机模式，也可以在主机和从机模式之间进行切换。

该USB模块支持USB2.0协议中定义的全速和低速模式及OTG（ON-The+-Go）协议，并通过状态控制寄存器及存储的数据结构与处理器进行通信。

K60的USB模块具有如下特性：

1、支持USB1.2和2.0协议的全速设备控制器；

2、16个双向端点；

3、DMA或FIFO数据流接口；

4、低功耗；

5、支持OTG协议。

3.3.3LM324

LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

4软件测试

4.1工作流程图

4.1.1主程序流程详解

（1）初始化系统

在程序中，首先对系统进行初始化编程。

包括单片机系统时钟的初始化、定时器的初使化、GPIO的初使化、USB模块的初使化、ADC模块初使化等等，使单片机达到合适的环境。

（2）AD采样

通过单片机自带ADC采样模拟信号。

（3）数据处理

采样来的数据，通过处理过后，和设定的阈值做比较，得出一个结果。

（4）采样到的数据和得出的结果都通过USB发送到PC机。

主程序的程序流程图如图4.1所示。

图4.1主程序流程图

4.1.2定时器中断

本设计使用了K60的一个内部定时器，定时器第隔1S设置一次标志位，通过设