基于单片机的烟雾报警器论文汇编.docx

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基于单片机的烟雾报警器论文汇编

毕业设计（论文）

基于单片机烟雾报警器系统的设计与实现

姓名

系别、专业计算机科学系通信工程

导师姓名、职称

完成时间2015.5.7

目录

摘要I

ABSTRACTII

1导论1

1.1论文研究来源、目的和意义1

1.2烟雾报警器的国内外现状2

1.3论文主要任务2

2烟雾检测报警器的方案设计3

2.1烟雾检测报警器设计思路3

2.2烟雾传感器的介绍3

2.3烟雾检测报警器整体设计方案5

3烟雾检测报警器的硬件设计7

3.1主电路的设计与实现7

3.2烟雾检测报警器硬件电路设计12

4烟雾检测报警器的软件实现16

4.1软件的开发工具介绍16

4.2程序流程16

4.3软件调试过程与问题解决18

结论20

参考文献21

致谢22

附录125

附录225

附录325

摘要

本设计采用89S52单片机结合MQ-2传感器技术而开发设计了这一烟雾报警系统。

论文中的烟雾报警器小巧轻便，适用于安装在含有爆炸性气体环境场所，还可使用于石油、化工等行业具有防爆要求的场所，可以安装在家里，也可以安装在露天、室外使用，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。

以89S52单片机和MQ-2烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可以实现烟雾报警、溶度显示、看门狗自检单片机状态功能、手动紧急报警等功能。

本次设计的烟雾报警器结构简单、性能稳定、使用方便、价格便宜等优点。

就有一定的使用价值。

关键词：

烟雾；报警器；89S52；MQ-2传感器

ABSTRACT

ThisdesignUSESthe89S52microcontrollercombinedwithMQ-2sensortechnologyandthedevelopmentofdesignthesmokealarmsystem.Inthepaperthesmokealarmsmallandportable,designedforinstallationincontainexplosivegasesplace,stillcanuseinpetroleum,chemicalandotherindustrieswiththerequirementsoftheexplosion-proofplace,canbeinstalledinthehome,canalsobeinstalledintheopenair,outdooruse,andpreventandreducethedangeroffireprotectionofpersonalandpropertysecurity.

In89S52single-chipmicrocomputerandMQ-2smokesensorasthecoredesignofsmokealarmcanrealizesmokealarm,solubilitydisplay,manualemergencyalarmfunctions.Thedesignofthesmokealarmsimplestructure,stableperformance,easytouse,cheapprice,etc.Havesomeusevalue.

Keywords:

Smoke;alarmapparatus;89S52;sensor

1导论

1.1论文研究来源、目的和意义

1.1.1论文研究来源

随着社会的进步，人们的生活越来越好但也伴随着越来越多的隐患，由于在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使幸福家庭眼间毁于一旦,有的甚至导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当,是造成人员伤亡的重要因素。

所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾的发生。

英国每年发生50000起以上的严重家庭火灾，其中大部分火灾造成人员伤亡和重大的家庭财产损失，有的还连累左邻右舍，火灾损失更加惨重。

在调查火灾起因的时候，绝大多数发生火灾家庭的当事人说，以前总觉得火灾是人家的事情，与自己离得很远，没有想到这一次竟然会发生在自己的头上。

在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。

假如能根据您家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。

家庭火灾的主要原因是麻痹大意，没有及时采取预防措施，消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火灾的30%左右[1]。

家庭起火的种种原因，可能在我们注意得到的地方，也可能就隐藏在人们根本就注意不到的地方。

为了减少火灾事故的发生，就必须现场对烟雾进行实时检测，这就必须人类采用先进可靠的安全检测仪器，严密实时监测环境中烟雾的浓度，采取有效措施，避免不必要的事故发生，才能确保社会安全和家庭生活安全。

因此，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。

1.1.2论文研究目的和意义

随着现代家庭采用方便的家用电器的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。

一旦家庭有火灾发生，就很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏以及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。

为了保护生命安全与财产安全，人们需要实时注意避免火灾的发生，利用高科技产品有利于人们及早发现火灾的隐含，及时的避免不必要的灾难发生。

为了早期发现火灾的隐患，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失与危生命安全。

随着烟感报警器的使用者不断增加，住宅失火造成的死亡人数也不断下降。

据美国国家消防协会报告表明，安装了推荐数目的烟感报警器的住宅一旦发生火灾，住宅内人员的逃生机会将比未安装的住宅多出50％[2]。

所以家庭装有烟雾报警器灾难能够降低，避免不必要的灾难。

1.2烟雾报警器的国内外现状

探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。

相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术弱信号处理技术、低功耗MCU技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。

火灾着极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐。

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~2002年烟雾传感器年均增长率为27%~30%[3]。

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。

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。

近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。

各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。

单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。

由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到任何电子系统中去，同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。

1.3论文主要任务

本论文讨论的是烟雾报警器的研制，其主要由四部分组成：

首先介绍基于单片机的烟雾报警的整体设计方案。

接着详细介绍系统硬件是设计。

在对整个系统硬件设计时，主要从它的主控电路89S52（单片机的复位电路、时钟电路）的设计和外围电路（烟雾报警电路、A/D转换电路、状态指示灯电路、液晶显示电路）的设计来具体阐述。

然后介绍系统的软件实现。

其中，重点描述了整个程序设计的运行环境keil，还有程序的编写过程，并对程序做了相应的注释。

最后是硬件电路和软件的综合调试。

着重软件的调试，对在运行环境中调试的步骤以及在运行中出现的问题给予解决的方法。

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

此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。

其中包含了大学四年中所学到的相关知识，运用所学的传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的烟雾报警系统。

烟雾报警器的最基本组成部分包括：

烟雾传感电路、模数转换电路、单片机控制电路。

单片机紧紧联系着传感器和报警电路设备，给烟雾报警器设定一个值，当外界环境达到预先设定的数值时，烟雾传感器把被测的物理量作为输入参数，转换为电量输出。

为了简化整个系统的设计在本设计中不采用前置放大器而是选择数值符合A/D转换器的输入等级。

模数转换电路将从烟雾传感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。

这里选择单片机的P1.0为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定会由P2.0作为单片机的输出电路，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。

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烟雾传感器的介绍

2.2.1烟雾传感器的分类

烟雾传感器是将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置，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。

1、离子式烟雾传感器

该烟雾报警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[4]。

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、光电式烟雾传感器

光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值[5]，如果超过发出警报。

3、气敏式烟雾传感器

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器[6]。

它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。

它的应用主要有：

一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等。

它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

气敏式烟雾传感器的典型型号有MQ-2气体传感器。

该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。

本烟雾报警器设计中采用MQ-2烟雾传感器。

2.2.2MQ-2型烟雾传感器的工作原理

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。

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[7]。

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[8]。

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。

2.2.3MQ-2型传感器的特性

1、MQ-2型传感器的主要特点

MQ-2型传感器主要有三个特点：

（1）对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。

（2）具有良好的重复性和长期的稳定性。

初始稳定,响应时间短，长时间工作性能好。

（3）具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。

2、MQ-2型传感器的基本特性

MQ-2型传感器的基本特性包括灵敏度特性、初期稳定特性、加热特性。

（1）灵敏度特性：

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（2-1）式中，R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值[9]，RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电阻值。

（2）初期稳定特性：

半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。

这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。

再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。

一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电存放时间达到15天左右时，初期稳定时间一般需要5分钟左右。

（3）加热特性：

半导体烟雾传感器一般要在较高的温度（200~450°C）下工作，所以需要对其加热。

由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相接，当加热丝局部短路造成器件过热或放电时，可能引发事故。

所以必须使用传感器生产厂家推荐的加热电压，使其工作在较安全的范围内。

MQ-2型烟雾传感器加热电压为5±0.2V。

当加热丝断路时，由于热惰性缘故，烟雾传感器的气敏特性并不立即消失，此时检测必出现较大的误差。

为避免出现这种情况，并及时发现气敏元件的故障，需要设计加热丝故障诊断报警电路。

3、MQ-2型传感器的特性参数

（1）回路电压：

（Vc）5~24V

（2）取样电阻：

（RL）0.1~20K

（3）加热电压：

（VH）5±0.2V

（4）加热功率：

（P）约750mW

（5）灵敏度：

以甲烷为例R0（air）/RS（0.1%CH4）＞5

（6）响应时间：

Tres＜10秒

（7）恢复时间：

Trec＜30秒

2.3烟雾检测报警器整体设计方案

2.3.1烟雾检测报警器工作原理

本论文中的烟雾报警器采用89S52单片机来控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。

其工作原理，首先烟雾传感器采集烟雾信息然后把烟雾信号转换为电量送入模数转换器中；接着模数转换电路将从烟雾传感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89S52单片机；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门限，当浓度低于设置门限值的时候绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，红灯亮并发出声音报警。

2.3.2烟雾报警器的结构

为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度使用89S52单片机，MQ-2烟雾传感器作为敏感元件，利用ADC0832转换器和烟雾报警电路，开发出可用于家庭或小型单位火灾报警的烟雾报警器。

整个设计由4大部分构成：

烟雾传感器、模数转换电路、89S52单片机、烟雾报警电路。

其中，烟雾传感器是将现场烟雾浓度等非电信号转化为电信号；转换电路是将将烟雾传感器输出的模拟信号转换成数字信号。

烟雾报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。

本系统采用高性能的单片机，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。

烟雾报警的系统结构图如图2.1所示。

图2.1烟雾检测报警器结构框图

2.3.3烟雾报警器的功能

1、烟雾报警功能

当烟雾浓度连续20秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。

因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。

2、烟雾浓度显示

通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。

3、看门狗自检单片机状态功能

调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。

4、手动紧急抱紧功能

烟雾自动报警系统应有自动和手动两种触发装置。

各种类型的火灾探测器是自动触发装置，而在防火分区疏散通道、楼梯口等处设置的手动火灾报警按钮是手动触发装置，它应具有应急情况下，人工手动通报火警的功能。

3烟雾检测报警器的硬件设计

3.1主电路的设计与实现

89S52单片机是报警仪的设计中最核心的部件，一方面它控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比较。

整个系统的软件编程就是通过C语言对单片机89S52实现其控制功能。

3.1.1AT89S52单片机介绍

AT89S52为ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flsah存储器[10]。

AT89S52实物图与结构图由图3-1、3-2所示。

该单片机可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司之高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

由图3-2可见，89S52单片机主要由以下部分组成：

CPU系统：

8位CPU；含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。

存储器系统：

8KB的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可扩至64KB）；128KB数据存储器（RAM，可再扩64KB）；特殊功能寄存器SFR。

图3-189S52单片机实物图

图3-289S52的基本结构

I/O口和其他单元：

32可编程I/O口线；3个16位定时/计数器；中断系统（5个中断源，2个优先级）；2个全双工串行通信口；看门狗（WDT）电路；片内时钟振荡器。

3.1.289S52单片机的的封装和引脚

89S52系列单片机采用双列直插式（DIP）、QFP44（QuadFlatPack）和LCC（LeadedChipCaiier）形式封装[11]。

这里仅介绍常用的总线型DIP40封装。

单片机封转与引脚如图3-3所示。

40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：

电源、时钟、控制和I/O引脚。

1）电源:

 VCC、VSS

VCC：

电源正端输入，接+5V。

VSS：

电源地端。

2、时钟：

XTAL1、XTAL2

XTAL1：

单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：

系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

3、控制线:

控制线共有4根

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用

图3-389S52单片机的封装和引脚

作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时,ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址

PROG功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

RST/VPD：

复位/备用电源。

    RST（Reset）功能：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

   VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

 EA/Vpp：

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

   EA功能：

内外ROM选择端。

   Vpp功能：

片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

 4、I/O线

89S52共有4个8位并行I/O端口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，具体功能表3-1所示。

用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

表3-189S52单片机P3口第二功能表

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INTO（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

TO（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

3.1.389S52单片机的时钟

89S52内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。

89S52的时钟产生方法有以下两种[12]。

1、内部时钟方式

利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTALl和XTAL2两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。

外接晶振时，Cl和C2的值通常选择为30pF左右；Cl、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz～12MHz之间选择。

为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl和XTAL2靠近。

89S52单片机内部时钟电路图如图3-4所示。

2、外部时钟方式

此方式是利用外部振荡脉冲接入XTALl或XTAL2。

HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同。

89S52外部时钟方式接入方法如表3-2所示。

图3-4 89S52时钟电路接线方法

表3-289S52单片机外部时钟接入方法

芯片类型

接线方法

XTAL1

XTAL2

HMOS

接地

接片外时钟脉输入端（引脚需接上拉电阻）

CHMOS

接片外时钟脉冲输入端

悬空

3.1.4