毕业基于at89c51单片机的烟雾报警器设计.docx
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毕业基于at89c51单片机的烟雾报警器设计
东北林业大学
毕业设计
设计题目：
基于单片机的烟雾报警器设计
学生：
XXX
指导教师：
XXXX
学院：
机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化20012级3班
题目名称：
基于单片机的烟雾报警器设计
任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）
（1）课题内容：
①．设计基于单片机控制的烟雾报警器；
②．烟雾报警器的信号采集模块设计；
③．烟雾报警器的报警模块设计；
④．烟雾报警器的软件设计；
（2）时间安排：
3月1日至4月15日：
查找资料、调研、方案论证；
4月16日至5月15日：
设计烟雾报警器；
5月16日至6月10日：
撰写论文。
（3）工作量：
其中：
参考文献篇数：
20篇以上（其中，外文资料3篇以上）；
图纸张数：
讲解图：
A0图纸1张，A1图纸1-2张；
说明书字数：
10000字以上
专业负责人意见
签名：
年月日
基于单片机的烟雾报警器设计
摘要
随着社会和经济的发展，防火工作越来越重要，但是目前国内的许多研发都侧重于大型场所的火灾报警。
因此，我们就有必要研制一种结构简单、经济实用的家庭烟雾报警器以适应市场的需求。
基于供家庭使用的烟雾报警器应该具备的基本要求和功能，文章设计了一种比较适合的烟雾报警器。
本设计以传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件即可实现声光报警、自动排烟换气和消防灭火等功能。
设计中单片机选用AT89C51作为控制器件，传感器选用QM-N5型气体传感器实现对烟雾的检测。
烟雾报警器主要由烟雾信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、显示电路、声光报警电路和安全保护电路构成，设计合理、简单易懂、价格低廉，使单片机在烟雾报警系统的控制中得到充分应用，具有一定的实用价值。
论文主要针对烟雾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，并对其主控电路和外围设备电路之间的接口连接方式，以及系统软件设计进行了重点的分析和讲解。
关键词：
烟雾报警器；单片机；传感器
DesignofSmokeAlarmBasedonMicrocontroller
Abstract
Withthedevelopmentofsocialandeconomic，thepreventionoffirearemoreandmoreimportant.However,inthepresent,mostofresearchanddevelopmentoffirealarmsystemsonlyfocusonlargesites.Therefore,itisnecessarytodesignasimple,economicalandpracticalfamilySmokeAlarmtomeetthemarketdemand.TakingboththebasicrequirementandthefunctionoffamilySmokeAlarmsshouldhaveintoaccount,thesisdesignsasuitablesmokealarmforhouseholdusing.
Whichthesensorandthemicrocontrollerofthedesignisthemostimportantpartofalarmdevices,withotherdevicescanachievealarmingwithsoundandlight,automaticallyreducingsmokeandfightingfire,etc.INdesign,microcontrollerusedAT89C51andselectQM-N5GasSensortodetectsmoke.Smokealarmmainlybythesignalacquiredcircuit,A/Dconvertedcircuit,MCUcontrolledcircuit,displayedcircuitandalarmingwithsoundandlightcircuit,reasonabledesign,simplestructure,easytouse,inexpensive.Asaresult,themicrocontrollerinthecontrolofthesmokealarmsystemisfullyapplied.Therefore,thisdesignaboutsmokealarmhaspracticalvalue.Thesisgivedetailedintroductionforthefunctionandtheoryofthevariouscomponentpartsofthealarmsystem,focusontheinterfacetechnologybetweenitsmaincontrolledcircuitandperipheralcircuit,alsogiveexplanationofthesoftware.
Keywords：
SmokeAlarm;MCU;sensor
摘要
Abstract
参考文献
致谢
基于单片机的烟雾报警器设计
1绪论
1.1概述
单片机及烟雾传感器是烟雾报警器系统的两大核心。
单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。
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，因此它可以应用到所有电子系统中。
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。
而传感器作为信息技术系统的“感官”器件，如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、高速度的控制系统。
美国曾把二十世纪八十年代称为传感技术时代，日本更是把传感技术列为十大技术之首。
所以，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器和单片机芯片是至关重要的。
在本论文中的最主要的设计是选AT89C51单片机和QM-N5半导体气体烟雾传感器为核心器件。
AT89C51单片机兼容标准MCS-51指令系统，功能强大，可供许多高性价比的场合应用，能够灵活应用于各种控制领域。
QM-N5半导体气体烟雾传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，寿命长，成本低，非常适用于家庭使用的气体泄漏报警器。
由这两个核心器件设计而成的整个烟雾报警器系统可实现声光报警、报警状态字符显示、换气扇排烟和喷水灭火等烟雾报警器应有的功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器，具有一定的实用价值。
目前，现代建筑都会有选择地安装不同功能的火灾自动报警系统。
因为火灾自动报警系统是建筑物的神经系统，它能够感受、接收着发生火灾的早期信号并及时报警，发出警报同时告知用户和周边居民。
它就像是一个个称职的更夫，给居住、忙碌或是休息在家庭中的人们以极大的安全感。
在火灾的早期阶段，准确的探测到火情并迅速报警，对于及时组织有序快速疏散、积极有效地控制火灾的蔓延、快速灭火和减少火灾对居住人群的损失都具有重要的意义。
1.2设计烟雾报警器的目的及意义
随着社会和经济的发展，家庭火灾防不胜防，防火工作也就越来越重要。
据美国消防学会统计，最近十多年中，安装自动消防设施的建筑中发生火灾，消防设施的有效率高达96.1%，确实起到了保证建筑物消防安全的作用。
这是因为自动报警系统能够及时将火灾迹象通知用户及有关管理人员，以便他们准备疏散或组织灭火，延长了建筑物可供疏散的时间并通过联动系统启动其他消防设施。
所以，设计一种能够在火灾刚刚发生时或者有可燃气体堆积引起的火灾隐患时就能报警的报警器就能使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少或消除因火灾造成的生命危害和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。
目前我国火灾自动报警系统只被安装在重要建筑上，而在美国、日本等发达国家，包括许多居民家庭都安装了火灾自动报警系统。
近几年，国内主要侧重于大型场所的大型火灾报警系统的研发，而在居民住宅区等小型防火单位，却需要安装廉价实用的烟雾自动报警装置。
由于我国人口不断的增长，土地也开始的稀缺，所以为了缓解城市用地的紧张，居住的楼层不断加高，这不但便于集中供电、供热、供气，而且也可以集中控制和管理。
但是，人们在享受这些现代设施带来了便利的时候，却也增加了火灾隐患。
楼层多、人员密集，一旦发生火灾，疏散困难，容易造成经济和人员的损失。
如果在家庭中没有安装火灾自动报警器，一旦在家庭中发生火灾，火灾容易由不被发现的早期火灾而演变成为更大、更严重的大型火灾。
结果是由于一家的起火，而火势不能得到有效控制，使得火势迅速蔓延并很快出现大面积燃烧。
这不仅使的用户本身遭受重大的损失，还容易形成“火烧连营”的局面，给周边家庭和场所造成无法估计的损失和严重的影响。
据公安部消防局2011统计，近年来，我国每年发生家庭火灾5万余起，死亡800余人，占火灾死亡人数的70%以上。
根据网络新闻报道可知，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伤亡和重大的家庭财产损失，甚至连累左邻右舍。
由此可见：
家庭防火同样是现今社会的重要家庭安防问题，而且刻不容缓。
家庭防火重在防患于未然，因此，我们就有必要研制一种结构简单、价格低廉的烟雾自动报警器，以适应市场的需求。
1.3火灾报警器的现状及特点
火灾自动报警系统作为重要的建筑自动消防设施，其技术进步性表现报警时间提前、报警可靠性提高、特殊场所火灾的探测报警、报警系统网络化、消防联动控制智能化、消防通信网络技术与计算机接警指挥管理等。
在国外，现在的火灾自动报警系统已达到智能型、全总线型和综合型，系统一旦报警，马上在显示器上出现的具体地址，一目了然。
近年来，我国火灾自动报警工程应用技术实现了较快发展，但由于在实际应用中，火灾自动报警系统的通讯协议不一致，火灾自动报警工程技术水平还相对落后，还存在着一些比较突出的问题。
现阶段，我国火灾自动报警系统的主要问题有以下几点：
1、适用范围过小。
我国火灾自动报警系统技术比美、英等发达国家起步较晚，适用范围过有限，使得一般家庭用户未能普及使用火灾自动报警器。
由于家庭住宅等小单位的防范措施不到位，给家庭生活带来了许多的不方便和一定的损失。
2智能化程度低。
我国使用的火灾探测器虽然都进行了智能化设计，但由于传感器件探测的参数较少、支持系统的软件开发不成熟、各种算法的准确性缺乏足够验证、火灾现场参数数据库不健全等，火灾自动报警系统难以准确判定粒子（烟气）的浓度、现场温度、光波的强度以及可燃气体的浓度、电磁辐射等指标，造成迟报、误报、漏报情况较多。
3、网络化程度低。
我国应用的火灾自动报警系统形式基本上以区域火灾自动报警系统、集中火灾自动报警系统和控制中心火灾自动报警系统为主，安装形式主要是集散控制方式，自成体系，自我封闭，尚未形成区域性网络化火灾自动报警系统。
4、组件连接方式有待改善。
火灾自动报警系统以多线制和总线制连接方式为主，探测器和报警器及控制器之间是采用两条或多条的铜芯绝缘导线或铜芯电缆穿管相接，存在耗材多、成本高、抗干扰能力差的缺点。
同时，铜导线耐高温性能差、易磨损，系统施工维修复杂，影响了火灾自动报警系统的可靠性和更广泛的应用。
5、火灾自动报警系统误报、漏报问题较多。
由于火灾探测器的安装环境极其复杂，加之各种传感器在探测火灾方面存在着某些先天不足，无法准确地感应各种物质在燃烧过程中所特有的声波、光谱、辐射、气味等诸多方面发生的微妙变化，对火灾发生过程中所产生的不同粒径和颜色的烟雾存在探测“盲区”，误报、漏报现象时有发生。
1.4火灾报警器的发展趋势
面对人类社会经济与技术急速发展的时代，伴随这电子、计算机、通讯和现代控制技术的迅速发展，现代火灾自动报警应用技术发展趋势正在向着全总线制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、蓝牙技术无线化、高灵敏化、综合化等方面发展。
针对当前火灾自动报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁，智能化程度低，网络化程度低、特殊恶劣环境的火灾探测报警抗干扰等问题较为突出的现象，提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、开放的通讯协议。
通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究，对系统方案、设备选型的优化组合，改进火灾自动报警系统的工作性能、减少维护费用和维护要求，向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展，为更好的预防和遏制建筑火灾提供了强有力的保障，从而更好的保护国家和人民的生命、财产安全。
2系统的总体方案设计
2.1烟雾报警器的工作结构和原理
烟雾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。
该报警系统的最基本组成部分应包括：
信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成。
为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的烟雾报警器具有显示报警状态、故障自检、换气排烟和自动灭火等功能。
报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以AT89C51单片机为控制核心，选用QM-N5半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度信息，配合外围电路构成烟雾报警系统。
报警器系统结构如图2-1。
图2-1可燃烟雾报警器系统结构框图
该系统的工作由烟雾信号采集及放大电路将采集到的烟雾浓度信息转化为放大的模拟电信号。
模数转换电路再将该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处理，并对处理后的数据进行分析。
当输入A/D转换器的放大信号不为零时，启动报警电路。
反之则为正常工作状态。
设计中为了方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够间接知道环境中的烟雾浓度，所以用数码管显示字符来指示报警状态。
系统采用蜂鸣器声音报警和LED闪烁状态作为警报信号。
这种报警方法是在声音报警基础上，加入光闪报警。
因为变化的光信号可以引起用户和家庭邻居的注意，弥补了在嘈杂环境中声音报警的局限，使得报警装置更加完善。
在报警启动的同时，单片机控制器还可以控制调节阀喷水灭火和换气扇排烟动作。
系统留有继电器接口，使单片机能够控制换气风扇和调节阀的工作状态，让系统在报警的同时自动启动相关安全装置。
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。
以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。
2.2烟雾传感器的选型
烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。
而烟雾报警器的信号采集由烟雾传感器负责。
烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。
可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。
烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。
图2-2烟雾传感器及其结构图
2.2.1烟雾传感器的介绍
烟雾传感器是模拟传感器。
它能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。
烟雾传感器就是通过监测环境中烟雾的浓度来实现火灾防范的。
当烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体，烟雾探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。
烟雾利用烟雾敏感元件的电阻受烟雾（主要是可燃颗粒）浓度影响阻值变化的原理向单片机发送烟雾浓度相应的模拟信号。
在智能建筑中对火灾探测器的应用主要以感烟火灾探测器选用为主。
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，使得烟雾探测器的体积也逐渐变小，提高了烟雾探测器的便携性，更加利于生产、运输和市场推广。
目前，烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。
在国内的产品中，无论哪家生产的烟雾探测器，都可以探测到火灾的发生，都具有比较高的灵敏度，而且在安装中都比较简单。
但是，由于各生产的设备不可通用，独立为正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通讯。
使得用户面对众多厂家生产的烟雾探测器感到不知所措。
而这也正是国内产品市场的一个重大缺陷。
（1）烟雾传感器的分类
从构成气体传感器材料的形态上通常将它们分为干式和湿式气体传感器。
由于对不同气体的检测方法不尽相同，目前主要的方法有：
利用半导体气体器件检测的电气法；使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。
（2）烟雾传感器应满足的基本条件
一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。
但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：
（a）能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；
（b）对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；
（c）对检测信号响应速度快，重复性好；
（d）长期工作稳定性好；
（e）使用寿命长；
（f）制造成本低，使用与维护方便。
（3）常见的烟雾探测器种类及工作原理
为了确保家庭环境的安全，需要对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。
但是，由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。
例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。
固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。
因此目前使用的烟雾传感器有很多种，各自的检测原理也各不相同，下面就对一些常用的烟雾传感器进行介绍。
（a）半导体烟雾传感器（半导体气敏传感器）
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。
半导体烟雾传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。
按照敏感机理分类，半导体烟雾传感器可分为电阻式和非电阻式。
当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种类型的传感器称为电阻式半导体气敏传感器；当ＭＯＳ场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器。
自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、体积小、维修方便、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。
但是其最大的缺点就是选择性较差。
该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。
（b）接触燃烧式传感器
当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧。
接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。
使用接触燃烧式传感器，其最大的缺点是探头很容易发生阻缓和中毒现象。
一般在连续使用两个月后应对该传感器进行维护。
这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。
（c）电化学传感器
电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。
电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。
即烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。
它的优点是：
反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大约两年）。
它主要适用于毒性烟雾检测。
目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。
（d）高分子烟雾传感器
利用高分子气敏元件制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。
高分子气敏元件在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。
高分子气敏元件由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。
高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。
（e）红外吸收型传感器
红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。
在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。
未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。
非扩散式红外探测器NDIR（non-dispersiveIR）是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。
由于不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。
由于非碳氢化合物易燃烟雾（如氢）不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。
（f）离子感烟传感器
离子感烟传感器对于火灾初起和阴燃阶段的烟雾气溶胶检测非常有效，可测烟雾粒径范围为0.03um-10um。
它在内外电离室里面有放射源镅241。
由于它能使两极板间空气分子电离为正、负离子，使电极之间原来不导电的空气具有导电性。
在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。
当火灾发生时，烟雾粒子进入电离室后，电力部分（区域）的正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上，使正、负离子相互中和的概率增加，从而将烟雾粒子浓度大小以电流变化量大小表示出来，实现对火灾参数的检测。
（g）光电式感烟传感器
光电式感烟传感器由光源、光敏元件和电子开关组成。
平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。
按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。
光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。
根据报警器检测烟雾种类的不同要求，很多场合都会选择使用半导体烟雾传感器。
经过对比众多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。
半导体烟雾传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低，因
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