烟雾检测报警系统电子电路设计之欧阳育创编.docx
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烟雾检测报警系统电子电路设计之欧阳育创编
烟雾检测报警系统电子电路设计
时间：
2021.02.04
创作：
欧阳育
摘要
随着科技的进步，我们的日常生活中出现了许多容易燃烧的物品，为了提前发现并阻止火灾的发生，防止和减少火灾引起的事故。
故设计出本系统根据火灾发生时的特征即烟和热，利用M-Q2烟雾传感器检测烟雾，当检测到烟雾浓度较高时，通过单片机处理实现报警，并通过MAX485实现与上位机通信，实现上位机对下位机的分布式监控。
本系统下位机有信号采集模块，报警模块，串口通信模块组成，上位机通过VB界面对下位机进行监控。
整个系统效果还是比较好的，反应也较快，测量结果比较准确。
以STC89C51单片机和M-Q2烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。
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。
关键字：
烟雾传感器，STC89C51单片机，报警模块，串口通信
1绪论1
1.1课题描述1
1.2设计任务与要求1
1.3基本工作原理及框图1
2相关芯片及硬件电路设计2
2.1电路元件清单2
2.2电源电路的设计3
2.3光电传感器装置的设计4
2.4声音报警电路5
2.5数码管显示电路6
2.6烟雾检测模块电路7
2.7单片机的最小系统的设计8
3整体电路9
总结11
致谢12
参考文献13
附录1程序14
1绪论
1.1课题描述
本课题利用光电检测技术设计出一套烟雾检测报警系统。
光电传感器中光发射管与光敏接收管成90°排列，是电路中重要环节之一。
当没有烟雾时光发射管发出的光不会被光敏管接收到，当有烟雾时，光被漫反射，光发射管发出的光部分会被光敏管接收到。
在保持安全监测时，可根据光被漫反射后，光敏管接收到的光的强弱，通过光电转换电路及放大电路输出，经数字电路，51系列单片机判断，指令寄存或驱动数码管显示，亦可报警。
也可用接口电路，将数据传输到上位机。
烟雾检测报警装置是能够检测环境中的烟雾浓度并具有报警功能的仪器。
该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器[1]。
1.2设计任务与要求
为了提前发现和阻止火灾发生，防止和减少火灾引起的燃烧、爆炸等事故，造成社会严重的经济损失，甚至危及人的生命安全。
因此，研究烟雾的检测方法与烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。
本设计中的烟雾报警电路是能够检测环境中的烟雾浓度并具有声光报警功能的电路。
该报警电路是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。
因此研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并符合国家相关规定的报警器具有极其重要得意义[2]。
设计任务：
1．设计一个光电传感器装置，当有烟雾时，光被漫反射，光发射管发出的光部分会被光敏管接收到，根据光电信号强弱，经数字电路、单片机数字被送至显示电路显示，或被报警。
2．设计要求画出电路原理图（或仿真电路图）；元器件及参数选择；电路仿真与调试。
3．制作要求自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。
4．编写设计报告，写出设计与制作过程，附上资料和图纸，有心得体会。
1.3基本工作原理及框图
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（即浓度）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[3]。
半导体烟雾传感器的突出优点：
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[4]。
烟雾检测报警系统电子电路框图如图1所示。
图1烟雾检测报警系统电子电路框图
2相关芯片及硬件电路设计
2.1电路元件清单
烟雾检测报警系统元件清单如表1所示。
表1元件清单
序号
元器件类型
元器件规格
数量
备注
1
电源
12V蓄电池
1
2
变压器
单相变压器100KVA
1
3
定值电阻
金属膜电阻
13
4
可变电阻
滑动变阻器
2
5
极性电容
电解电容
5
6
二极管
二极管IN148
6
7
固定电容
瓷片电容
2
8
稳压器
可调式三端稳压器CW317
1
9
开关
闸刀开关
1
10
晶振
石英晶体谐振器
2
11
报警器
蜂鸣器
1
12
烟雾传感器
M-Q2型传感器
1
13
多谐振荡器
555定时器
1
14
单片机
STC89C51
1
15
运算放大器
LM324高增益四运算放大器
2
16
数码管
SMS0403四位段式液晶
1
17
开关
按键开关
4
18
发光二极管
磷砷化镓发光二极管
3
2.2电源电路的设计
本系统使用外部220V交流供电，经过变压器变压，桥式整流和电容滤波以及可调试三端稳压器CW317调节后，可以输出连续可调的直流电压，可输出9V。
可调式三端稳压器CW317，其特征参数Vo=1.2V～3.7V，Iomax=1.5V，最小输入、输出压差（Vi-Vo）min=3V，最大输入、输出压差（Vi-Vo）max=40V。
R1与RP1组成电压输出调节电路[5]。
电源电路图如图2所示：
图2电源电路图
2.3光电传感器装置的设计
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。
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[6]。
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。
气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件（电阻型）的固有电阻值，表示为RA。
一般其固有电阻值在（103～105）Ω范围。
气敏元件一般工作在200℃以上高温。
为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻（指加热器的电阻值）称为加热电阻，用RH。
直热式的加热电阻值一般小于5Ω；旁热式的加热电阻大于20Ω。
气敏半导体时在接触不同气体时，工作于不同温度下产生的器件阻发生值变化。
气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。
它表示气体敏感元件的电参量与被测气体浓度之间的依从关系。
表示方法有三种：
（a）电阻比灵敏度K：
式中:
Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值；
Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值。
（b）气体分离度：
式中:
Rc1—气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值：
Rc2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。
通常，C1＞C2。
（c）输出电压比灵敏度Kv:
式中:
Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；
Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出.
2.4声音报警电路
声音报警电路图如图所示。
报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，适用于报警器的报警声音源。
当单片机AT89S52的P1.0脚置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器报警。
本报警器采用单片机P3.0功能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P1.0（PWM）口输出占空比一定的脉冲，报警时蜂鸣器会发报警的声音[7]。
声音报警电路如图3所示：
图3声音报警电路
2.5数码管显示电路
报警器浓度显示采用共阳数码管。
显示浓度级别和2位温度.数码管实际上由7发光管组成8字形构成的.如图其接口电路是把所有显示器的8个笔画段a-h同名端连在一起，而每个显示器的公共极是各自独立的受I/O线控制。
控制端接在P2.7，字段则分别接在P0.0-P0.7口。
其主要技术参数如下：
模块工作电压：
2.7~5.5V
工作电流：
80ma,每段10ma
字高：
11.4mm环境相对湿度：
<85％视角：
6:
00
工作温度：
-10~+50°C
显示方式：
反射式正显示存储温度：
-20～+60°C
接口方式：
8线并行接口
数码管结构如图8所示：
图4数码管结构
2.6烟雾检测模块电路
QM-N5的连接方式如图4.4所示，因为烟雾传感器内部1脚和三脚相连，4脚和6脚相连，所以电路连接只需一对就可以工作了。
20K的可调电阻是为其报警功能而添加的。
当传感器检测到烟雾的时间，第3和第6脚之间的电阻会变的很低，可调电阻在适合的阻值时，单片机的P1.2口就会被至为低电平，此时我们就可以通过查询或中断方式检测该信号变化，检测到后设置P1.3口也为低电平，加上个三极管，这样就可以驱动蜂鸣器，达到报警的目的[8]。
烟雾检测模块电路如图5所示：
图5烟雾检测模块电路
2.7单片机的最小系统的设计
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路。
STC89C51单片机最小系统见图6所示：
图6单片机的最小系统
晶振电路：
晶振电路为单片机的正常工作提供时钟信号，可以说是单片机的心脏部分，它一般有晶振和电容两部分组成。
晶振的选择根据系统的其他设计要求不同而有所不同，常用的有11.0592M和12M两种，11.0592一般用于串口通信，因为它可以提供准确的波特率，本系统因为要和上位机进行通信，故选用该种晶振。
12M晶振是最常用的晶振，因为它可以产生精确的μS级的机器周期,方便定时操作[9]。
3整体电路
烟雾报警电路主要由烟雾传感器和单片机电路及分立元件组成，电路将检测到的烟雾信号转化成电信号，经过5单片机电路电路进行电位分析，判断电位是否大于或等于某个预设值（也就是临界报警值）。
为方便调节临界报警值，在烟雾传感器检测电路部分安装了电位器。
以下是电路的工作方式与过程：
当电源开关闭合后，交流电经过降压、整流、滤波、稳压四个过程后，产生12V和5V的直流电压，给单元电路和整机供电。
电路经预热3分钟后，整机进入工作状态。
当电路处于无烟雾的情况下，烟感元件MQ-2的极片A-B间的阻值较大，该电阻与R3的分压减小，相应使单片机电路脚处于低电平，LED指示灯和蜂鸣器不工作。
当烟感元件接触到可燃性气体或烟雾时，其烟感元件MQ-2极片A-B间的电阻值降低，从而使该电阻与R3的分压上升，相应单片机电路脚电位上升，相应5的输出端③脚的输出信号驱动报警电路发出报警，直到烟雾消失后电路才能恢复正常[10]。
烟雾报警整机电路如图7所示：
图7烟雾报警整机电路
总结
随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。
烟雾报警器也随之被广泛应用于各种场合。
该设计的家用可燃性气体泄露报警，采取了单独利用硬件的开发方式，充分利用了气敏传感器及其他元件的特性，使其相辅相成，从而该设计的燃气报警装置有较高的性价比。
该智能可燃性气体报警器具有较好的性能，并且价格低廉，适应市场上可燃性气体报警器发展的方向所以其应用前景广阔。
通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。
这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。
通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。
致谢
时光如梭，光阴似箭，毕设转眼之间就来到了终点，我一直都认为能够在大学的终点自己亲手完成自己的毕业设计，自己尽情的发挥自己在这四年所学到的东西，把自己不能理解的理论知识用于实践是一件非常快乐的事，所以我一直非常期待它的到来。
事实也是这样，在整个毕业设计的过程中我学会了很多东西，毕业设计让我学会了发现问题，提出问题,分析问题,解决问题的能力。
这些将对我以后的工作和人生产生深远的影
响。
本次毕业设计我首先要感谢指导老师林科老师，特别是毕业设计的开始，当我对自己的课题毫无头绪的时候，是林老师仔细的给讲解我的课题的思路，以及如何才能更好的实现，在后续的设计和调试过程中林老师也都给予了细心的指导，他那严谨的治学态度，认真负责的工作作风，朴实无华的生活态度都给我留下了深刻的印象，这些也将成为我今后学习生活中永远学习的楷模。
在设计制作的过程中，也得到了其他老师的热心指导和周围同学的真诚帮助，感谢他们提供了良好的环境，使我在设计中避免了许多麻烦，少走了不少弯路。
在此向他们表示衷心的感谢。
同时感谢参考资料的各位作者。
参考文献
[1]贾秀美.数字电路实践技术（第一版）.中国科学技术出版社，2000.
[2]王毓银.脉冲与数字电路（第三版）.高等教育出版社，1999.
[3]路勇.电子电路实践及仿真（第一版）.清华大学出版社，2004.
[4]岳怡.数字电路与数字电子技术（第一版）.西北工业大学出版社，2001.
[5]刘常澍.数字逻辑电路（第一版）.国防工业出版社，2002.
[6]萧宝瑾.protel99SE操作指导与电路设计实例（第一版）.太原理工大学，2004.
[7]赵学良，张国华.电源电路[M].北京:
电子工业出版社,1995.
[8]张义申，陆坤等.电子设计技术[M].西安:
西安电子科技大学出版.1996.
[9]刘君华，智能传感器系统.西安：
西安电子科技大学出版.2000.
[10]纪树赓，自动显示技术与仪表.3板.北京：
机械工业出版社，1996.
附录1程序
1.BIN_BCD:
MOVDPTR,#TEMP_TAB
MOVA,TEMPER_NUM
MOVCA,@A+DPTR
MOVTEMPER_NUM,A
RET
TEMP_TAB:
DB00H,01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H
DB08H,09H,10H,11H,12H,13H,14H,15H
DB16H,17H,18H,19H,20H,21H,22H,23H
DB24H,25H,26H,27H,28H,29H,30H,31H
DB32H,33H,34H,35H,36H,37H,38H,39H
DB40H,41H,42H,43H,44H,45H,46H,47H
DB48H,49H,50H,51H,52H,53H,54H,55H
DB56H,57H,58H,59H,60H,61H,62H,63H
DB64H,65H,66H,67H,68H,69H,70H,71H
DB72H,73H,74H,75H,76H,77H,78H,79H
DB80H,81H,82H,83H,84H,85H,86H,87H
DB88H,89H,90H,91H,92H,93H,94H,95H
DB96H,97H,98H,99H
TSR1:
DJNZR0,TSR1;延时512微秒
SETBDQ
MOVR0,#25H;延时60微秒，判断18B20返回信号
TSR2:
JNBDQ,TSR3
DJNZR0,TSR2
LJMPTSR4;延时
TSR3:
SETBFLAG1;置标志位,表示DS18B20存在
LJMPTSR5
TSR4:
CLRFLAG1;清标志位,表示DS18B20不存在
LJMPTSR7
TSR5:
MOVR0,#0FFH;512US
TSR6:
DJNZR0,TSR6;延时
TSR7:
SETBDQ
RET
DELAY:
MOVR7,#00H
MIN:
DJNZR7,YS500
RET
YS500:
LCALLYS500US
LJMPMIN
YS500US:
MOVR6,#00H
DJNZR6,$
RET
DELAY1:
MOVR7,#20H
DJNZR7,$
RET
END
2.VB程序：
PublicdAsString
PrivateSubCommand1_Click（）
End
EndSub
PrivateSubCommand2_Click（）
MSComm1.Output="1"
Text2.Text="下位机1信息"
EndSub
PrivateSubCommand3_Click（）
MSComm1.Output="2"
Text2.Text="下位机2信息"
EndSub
PrivateSubCommand4_Click（）
Timer1.Interval=1000
Timer1.Enabled=True
EndSub
PrivateSubCommand5_Click（）
Timer1.Enabled=False
EndSub
PrivateSubForm_Load（）
d="1"
MSComm1.CommPort=1
MSComm1.InputLen=0
MSComm1.Settings="9600,n,8,1"
MSComm1.InBufferSize=512
MSComm1.InBufferCount=0
MSComm1.OutBufferSize=512
MSComm1.OutBufferCount=0
MSComm1.RThreshold=1
MSComm1.SThreshold=1
MSComm1.PortOpen=True
EndSub
PrivateSubMSComm1_OnComm（）
DimBuf$
SelectCaseMSComm1.CommEvent
CasecomEvReceive
Buf=MSComm1.Input
a=Mid（Buf,1,1）
b=Asc（a）
Text1.Text=Hex（b）
c=Mid（Buf,2,1）
Ifc="1"Then
Shape1.FillColor=vbRed
Else
Shape1.FillColor=vbGreen
EndIf
CaseElse
EndSelect
EndSub
PrivateSubTimer1_Timer（）
MSComm1.Output=d
Ifd="1"Then
Text2.Text="下位机1信息"
e=d+1
d=e
Else
Text2.Text="下位机2信息"
d="1"
EndIf
EndSub
时间：
2021.02.04
创作：
欧阳育
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