智能火灾报警系统的设计论文.docx

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智能火灾报警系统的设计论文

智能火灾报警系统的设计

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，研发一种小型智能报警器是十分必要的，报警器是用烟雾传感器组成的。

了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。

本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。

。

本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。

其中选用MQ.2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。

选用的STC12C5410AD单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。

以STC12C5410AD单片机和MQ.2型半导体电阻式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。

关键词：

烟雾；报警器；STC12C5410；传感器

Thedesignof

intelligentfirealarmsystem

Abstract

Withtheadventofthe"informationage"asameansofaccesstoinformation.sensortechnologyhasbeensignificantprogress,anditsapplicationsmorewidely,itsincreasinglyhighdemand,thedemandformoreandmoreurgent.Sensortechnologyhasbecomethemeasureofacountry'slevelofdevelopmentofscienceandtechnologyanimportantsymbol.Therefore,tounderstandandmasterthebasicstructureofthevarioustypesofsensors,theworkingprincipleandcharacteristicsareveryimportant.Inordertoincreaseawarenessandunderstandingofthesensor,especiallyin.depthstudyofthesmokesensoranditsusageandpurpose,basedonpractical,widespreadandtypicaldesignprinciplesofthesystem.Inthispaper,theuseofsingle.chipsensortechnologycombinedwiththedevelopmentanddesignofthesmokecontrolsystem..

Inthisthesis,smokesensorsandresistivecorechiptechnologyandcombinedwithotherelectronictechnology,designatechnicallevelbettersmokealarms.WhichchoiceMQ.2.typesemiconductorcombustiblegassensorstodetectsmokesmokesensortoachieve,withhighsensitivity,fastresponse,anti.interferenceability,etc.,andinexpensive,longservicelife.OptionalSTC12C5410ADmicrocontroller,whichintegratesA/Dconversion,hardwaremultiplier,hardwareresourcessuchaspulsewidthmodulatorwithhigh.speed,lowpowerconsumption,superanti.jamming,etc.,similartechnologyiscurrentlyhighercostproducts.

Keywords：

Smoke；Alarms；STC12C5410；Sensors

前言

火灾”，是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。

随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。

在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。

对于火灾，相信大家都不陌生，随时可以听到或者看到各种各样的火灾，小的失去钱财，大的家破人亡。

火灾的危害性也越来越大。

实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性就越来越突出。

由此，火灾报警器在消防工作就的作用也尤为突出了。

智能火灾报警器系统的发展变化很快，新技术的发展进一步拓展了火灾报警系统的应用领域，为一些报警系统无法胜任的环境提供了有效的手段。

我国的火灾报警从无到有，从有到现在的智能。

火灾报警系统集早期探测、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。

随着技术的创新，单片机早已深入应用到工农业生产各个领域及人们生活应用中。

于是，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。

我国的火灾报警从无到有，从有到现在的智能的发展过程，而且它的智能化的程度也越来越高了。

面对人类社会的经济与技术的急速发展改进火灾报警系统也成为必做的。

火灾报警的工作性能、维护费用及维护要求，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，因此，研制一种结构简单、价格低廉的智能火灾报警器是非常必要的。

1总体方案设计

智能火灾报警系统主要用到的是烟雾报警器，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。

报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以STC89C52单片机为控制核心，选用MQ.2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。

本设计包括硬件和软件设计两个部分。

从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：

烟雾检测部分、STC89C52单片机主控部分、报警部分，AD采集四大部分。

电路总题框图如图1.1所示：

图1.1总体设计框图

处理器采用51系列单片机STC89C52[1]。

整个系统是在系统软件控制下工作的。

设置在监测点上的烟雾检测探头将检测到的烟雾变换成电信号，送出模拟信号，给AD采集电路采集。

在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出烟雾报警状态控制信号。

驱动蜂鸣器及报警指示灯报警。

2系统原理及原理图

智能火灾报警系统的原理是依据当烟雾浓度或温度达到设定值时，烟雾传感器和温度传感器感应到信号由ADC0832进行处理模数转化再到单片机进行处理，喇叭发出报警声音。

系统共分为控制电路、检测电路、显示和报警电路。

系统原理图如图2.1所示。

图2.1系统原理图

3系统的硬件电路

3.1控制模块设计

3.1.1单片机选型

单片机是智能火灾报警系统的心脏，用来接收火灾信号并启动报警装置显示和执行相应的报警。

在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。

同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，许多国家的集成电路的生产厂家也都相继推出各种类型的单片机，在众多单片机中，MCS系列单片机就其指令和运行速度而言，比以往的功能强大了很多，性能、技术、可靠性和性能价都十分的优秀，其中，C52系列单片机的优点是价钱便宜、I/O口多、程序空间大。

因此测控系统中，使用52系列单片机是最理想的选择，本设计就选择采用STC89C52【2】。

TC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器。

使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52【3】具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM和定时器及串口和中断时继续工作。

这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡电路、键盘控制、LED显示电路、报警电路等子模块。

下面对STC89C52【4】各引脚的功能进行较为详细的介绍：

（1）电源引脚Vcc和Vss。

Vcc（40脚）：

电源端为+5V。

Vss（20脚）：

接地端。

（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2。

XTAL2：

接芯片外部晶体引线端。

当使用芯片内部时钟时，这两个引线端接石英晶体和电容。

XTAL1：

接电容的一个端口。

在芯片内，它是振荡电路的反向放大器输入端。

当使用外部时钟时，用于接地。

（3）控制信号脚RSTALEPSEN和EA。

RST脚：

复位信号，只有高电平时才有效。

在此输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。

ALE/PROG（30引脚）：

地址锁存允许信号端。

当STC89C52上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号。

此频率为振荡器频率fosc的1/6，可以做外部时钟或者外不定时脉冲信号。

在CPU访问片外数据存储时，每取值一次（一个机器周期）会丢失一个脉冲。

PSEN（29脚）；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2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现。

表3.1P3口的第二功能表

引脚

第二功能

P3.0

RXD（输入口）

P3.1

TXD（输出口）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部中断）

P3.5

T1（定时器1外部中断）

P3.6

WR（存储器写选通）

P3.7

RD（存储器读写通）

EA/VPP（31脚）：

当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000H－FFFFH）不管是否有内部程序存储器。

FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

对于无芯片内的ROM的8031或8032，须外扩ERROM，此时必须将EA的引脚接地。

如果使用有片内ROM的STC89C52，外扩ERROM也是可以的，但也要使EA接地。

（4）I/O（输入/输出端口，P0，P1，P2，P3）

P0口：

P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。

P1口：

8位准双向I/O端口。

P2口：

即可以做地址总线输出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此时为准双向口）。

P3口：

双功能口，即可以做普通I/O口用（此时为准向口，也可以按每位定义实现第二功能操作）。

3.1.2单片机最小系统

要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图3.1示。

图3.1单片机最小系统

单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。

单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。

通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，可以根据情况选择6MHz、8MHz或12MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择20.30pF左右的瓷片电容。

单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。

手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。

上电自动复位通过电容C3充电来实现。

手动按键复位是通过按键将电阻R2与VCC接通来实现【5】。

系统利用P1口的P1.0.P1.3设置了4个独立按键S2～S5，当键按下时，P1口相应的引脚置为低电平，且与此键相连的发光二极管点亮。

时钟电路是单片机的内脏，它掌握着单片机工作节奏，时钟电路相当于振荡电路。

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us。

本系统采用STC系统列单片机，相比其他系列单片机具有很多优点。

一般STC单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写,下载程序较为方便；STC89C52单片机内部集成了看门狗电路；且具有很强抗干扰能力【6】。

本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，如下图3.1.1和图3.1.2所示：

图3.1.1时钟电路图图3.1.2复位电路图

由于单片机P0口内部不含上拉电阻，为高阻态，不能正常地输出高/低电平，因而该组I/O口在使用时必须外接上拉电阻。

3.2检测电路设计

3.2.1烟雾检测电路

（1）传感器介绍

烟雾传感器是测量装置和控制系统的重要环节【7】。

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。

烟雾传感器内部结构如图3.2所示。

图3.2烟雾传感器及其结构图

烟雾传感器是模拟传感器，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。

它能将空气中的烟雾的浓度的变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。

烟雾型传感器就是通过监测环境中烟雾浓度来实现火灾防范的。

在烟雾探头要碰到烟雾时，烟雾探头的内部阻值会发生变化时，会产生一个模拟值，从而感受到。

在国内的产品中，无论哪家生产的烟雾型探测器，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。

烟雾传感器的分类从构成气体的传感器材料的形态上，通常将它们分为干式、湿式气体传感器，下面就对一些常用的烟雾传感器进行介绍：

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【8】。

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。

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。

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。

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。

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。

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，因而得到广泛应用。

因此，本设计中的烟雾传感器选用MQ.2半导体气体烟雾传感器。

（2）MQ-2半导体烟雾传感器

MQ-2半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡（SnO2）为主体的N型半导体气敏元件【9】。

当传感器所处环境中存在烟雾气体时，传感器的电导率随空气中烟雾气体浓度的增加而增大。

在设计报警器时只有使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

该传感器具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、抗干扰能力强、输出信号大、寿命长和工作稳定等优点，在市面上应用十分广泛。

二氧化锡（SnO2）半导体气敏元件特点：

SnO2材料的物理、化学稳定性较好，与其他类型气敏元件相比，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。

SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱离时间短，可连续长时间使用。

SnO2气敏元件结构简单，成本低，可靠行较高，机械性能良好。

MQ-2气敏元件结构如图2所示，由微型AL2O3型陶瓷管，SnO2敏感层,测量电极与加热器构成的元件固定，加热器就为气敏元件，提供了工作条件。

特点简单耐用。

MQ-2半导体气体烟雾传感器适用于烟雾、天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气等的检测，对可燃性气体的（CH4、C4H10、H2等）的检测很理想【10】。

这种传感器在较宽的浓度范围内对烟雾气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中。

是一款便携式气体检测器，非常适合多种应用的低成本传感器。

其技术指标表表3.2。

表3.2MQ-2的技术指标

加热电压（Vh）

AC或DC5±0.2V

回路电压（Vc）

负载电阴（Rl）

清洁空气中电阻（Ra）

灵敏度（S=Ra/Rdg）

响应时间（trec）

恢复时间（trec）

元件功耗

检测范围

使用寿命

最大DC24V

2KΩ

≤2000KΩ

≥4（在1000ppmC4H10中）

≤10S

≤30S

≤0.7W

50—10000ppm

2年

由于物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。

通常烟雾传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。

当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。

所以MQ.2半导体气体烟雾传感器要想把采集到的烟雾浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过将模拟信号经过A/D转换器转化为可以识别的电信号给单片机【11】。

图3.2.1烟雾浓度采集电路

设计时应注意，气敏元件开机通电时，其内阻很小，但经过一段时间后，才能恢复到原来的稳定状态。

因此，QM-2气体传感器需开机预热几分钟，才可投入使用，以免造成误报。

烟雾检测AD采集电路

烟雾检测采用MQ.2传感器。

经过ADC0832采集后就可以得到各种烟雾浓度下的电压值。

从而设定出理想的烟雾强度报警值。

电路如图3.2.1所示

3.2.2温度检测电路设计

温度采集模块主要就是选择温度传感器，针对温度传感器，可以用PT100，它是一种测温电路的传感器。

PT100型传感器的原理是利用温度与组织的变化，变化的函数关系特性来测温的，它的抗振动性、稳定性、准确度、耐高压好等优点。

但使用起来比较复杂。

也可以用DS18B20作为测温电路的温度传感器【12】。

DS18B20温度传感器的温度输出