室内环境烟雾测控系统设计.docx

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室内环境烟雾测控系统设计

摘要

我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。

目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。

而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种单环保的、廉价实用的火灾自动探测报警装置，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。

现场火灾报警器通过对传感器火情信息的检测，当报警器监测到火情信息后，产生声光报警信号，并进行相应的操作。

使用AT89S51单片机，选用传感器MQ-7作为敏感元件，利用多传感器信息融合技术，开发了可用于小型单位火灾报警的智能报警系统。

本课题研制的用于小型防火单位的智能火灾报警器具有以下特点：

（1）能对室内烟雾（CO2，CO）突变进行报警（声光报警）。

（2）如果出现硬件故障（如传感器遗落、内部元器件损坏等），能发出故障报警。

（3）如果有烟雾参数出现异常（如烟雾浓度过大），能发出异常报警信号，令值班人员到现场处理。

现场模拟实验表明，本系统安全可靠，误报率低。

该课题设计的意义在于可以实现对普通环境中烟雾浓度进行实时检测，以减少烟雾有毒气体对人体的伤害，通过报警来警示人们所处环境的烟雾浓度过高，并通过单片机来控制环境的有毒气体浓度，如本设计完成开风扇通风、切断有毒气体来源等由单片机控制的部分。

当然，本设计也完成了对外部有毒气体的数据采集系统的设计。

现在家具产品多种多样，智能化、小型化的节能、绿色、安全产品越来越受到普通大众的青睐。

该设计以其小型化、智能化并且设计的电路系统简洁明了、电路构成简单、易于维护、实用性强等特点能够广泛的应用于居民、企事业单位等多方面的安全防范。

因此该设计具有相当广阔的前景！

关键字：

单片机；传感器；信号处理

DesignofsmokeConcentrationMonitoringSystem

Abstract

引言

传感单片机

目前烟雾报警器的普及率还很低,但它确是今后重要的安全仪器之一。

本方案所设计的烟雾浓度测量报警装置是应用于居民家庭和企事业单位对烟雾浓度的实时监控和报警,它可大大降低由烟雾所引起的中毒、火灾、爆炸等事故的发生率。

本报测量警器系统的研制,可为广大居民家庭和企事业单位提供一个准确、可靠的烟雾浓度检测手段,使人们能及时发现烟雾浓度的超标,从而保障了人们的生命和财产安全。

第1章：

概述

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。

为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。

保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。

为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测系统，严密监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。

因此，研究烟雾的检测方法与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。

我们知道烟雾（烟雾）气体是一种无色、无味、无刺激、无法用五官感知的有毒气体，能抑制血液的携氧能力。

烟雾的毒性主要是影响氧气的供给与利用，烟雾与血红细胞的亲和力比氧气与血红细胞的亲和力大300倍以上，造成人体组织缺氧。

当吸入烟雾气体后，烟雾进入肺部抢先与血红细胞结合，使血红细胞丧失运输氧气的能力，造成人体多个器官缺氧，导致组织受损甚至死亡。

一般人在意外中毒时无法自我察觉，往往被发现时已进入昏迷状态，酿成重大伤害甚至死亡。

因此称之为家庭中的“隐形杀手”，一点也不过分。

　　烟雾的产生：

烟雾是由燃料（如汽油、柴油、煤、木炭、煤气、液化气、天然气等）燃烧不充分产生的。

家中产生烟雾的主要原因：

天然气、煤气、液化气、燃油、煤炭的不完全燃烧；热水器安装不当，废气回流；烟筒、排气管堵塞；密闭空间开着发动机、生火取暖，如在车库开着发动机、冬天紧闭门窗生炉子取暖等等。

有些国家对工作场所的烟雾允许体积分数都做了规定。

炼钢厂工作人员、消防人员、高速公路收费员、矿坑工作从业人员较可能暴露在高体积分数烟雾环境中;在生活中,堵塞的交通、在密闭房间内抽烟、甚至煤气、瓦斯等不完全燃烧的室内、火灾现场等,均可能使空气中的烟雾体积分数超过允许标准。

因此,对生活,工作环境中的烟雾体积分数实施准确而有效地检测与报警是一个与人类生态和工作环境相关的重要问题。

烟雾的浓度与健康成年人中毒的可能症状

空气中烟雾的浓度大致的吸入时间和出现的症状：

　　50ppm健康成年人在八小时内可以承受的最大浓度

　　200ppm2-3小时后，轻微头痛、乏力

　　400ppm1-2小时内前额痛；3小时后威胁生命

　　800ppm45分钟内，眼花、恶心、痉挛；2小时内失去知觉；2-3小时内死亡

　　1600ppm20分钟内头痛、眼花、恶心；1小时内死亡

　　3200ppm5-10分钟内头痛、眼花、恶心；25-30分钟内死亡

　　6400ppm1-2分钟内头痛、眼花、恶心；10-15分钟死亡

　　12800ppm1-3分钟内死亡

应该注意的是：

上述中的烟雾中毒症状，是对健康成年人而言，对于高危、脆弱人群，其反应不同。

因此本设计再预设报警器的上限值时应以200ppm。

为了解决烟雾这种对人体有毒害又不易被人们所发现的问题,避免更多事故的发生,一个高效实用的烟雾报警器将是较好的解决方案。

同时，伴随着各种天然气、煤制气、液化气的开发和使用各种可燃性气体散发在工作场所和人们生活中，因此连续、直接检测工作环境和生活环境中有毒气体、可燃性气体有着极其重要的意义。

1、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-7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AT89S51单片机，其整合了硬件乘法器、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AT89S51单片机和MQ-7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。

2、本课题研究的主要内容有：

采用MQ-7型烟雾气敏传感器、MCU为核心、采用键盘对报警浓度进行预置、具有LED数码显示等功能进行气体浓度检测报警系统的设计。

主要包括采集放大电路、模数转换电路、键盘、显示电路和单片机控制等电路的软、硬件设计。

3、课题旨在研制生产、实践过程中所需的气体浓度报警装置。

4、主要实现的功能：

对烟雾气体浓度进行实时的测量和显示，并能对高浓度的烟雾气体进行报警。

在我们的实际生活中虽然测量气体浓度的测量产品非常多，但要完成对外界气体浓度测量，其一般原理是将外部的气体浓度的模拟量用传感器进行采集，然后再将采集到的信号，通过必要的转换器电路，输送至微机（单片机）进行分析处理以达到对气体浓度的测量。

由于本次设计的主要任务是完成对外界环境中烟雾浓度的显示和监测，因此根据设计的需要，设计中采取以

在本次设计中我们有两种方案可供选择：

方案一：

根据MQ-7型气敏传感器技术参数可知MQ-7型气敏传感器能够在常温环境中对烟雾气体浓度进行检测并不需要做温度补偿，它是由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件制成的半导体传感器。

将烟雾的浓度有关的信息转换成电信号，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。

其思路是烟雾报警器主要由采集模块、放大模块、模数转换模块和单片机控制模块组成。

本报警器的工作过程大致如下:

在开启电源前，根据实际情况通过键盘键入安全值和气体浓度的危害值。

开通电源由两类传感器（气体传感器和温度传感器-辅助作用）将所需的外界模拟信号采集放大后传送给A/D转换器,A/D转换器经模数转换后将数字信号传送至AT89S51单片机,再由单片机通过内部的数据处理,最终判断是否需要启动蜂鸣器进行报警和开启排风风扇进行排风，并显示实时浓度，当环境浓度下降到安全线以下时就通过单片机的控制关闭风扇。

方案二：

选择集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。

AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端温度传感器。

由于AD590是电流型温度传感器，他的输出同绝对温度成正比，即1μA/k，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10kΩ的电阻R1和一个100Ω的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC0809。

通过调节可调电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV/K。

火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。

TGS202气体传感器能探测CO2，CO，甲烷、煤气等多种气体，他灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。

当TGS202探测到CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。

选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如CO浓度达到0．06％）时，VA端获得适当的电压（设为3V）。

具体判断方法如下：

（1）对温度和烟雾进行了两次数据采集与判断温度≥100℃，温度异常，置标志位为1，否则为0；烟雾（CO，CO2）浓度≥0．06％，烟雾浓度异常，置标志位为1，否则为0。

（2）根据温度和烟雾的异常标志位判断现场情况2个标志位均为0，表示情况正常；2个中仅有1个为1，表示情况异常；2个均为1，表示有火灾发生，。

（3）综合两次情况做最后判断，并予以报警若53H和56H中数据不相同，说明是误报，调故障报警子程序；否则按该单元中的数据调相应的报警子程序。

报警器具有以下特点：

（1）能对室内烟雾（CO2，CO）及温度突变进行报警（声光报警）。

（2）如果出现硬件故障（如传感器遗落、内部元器件损坏等），能发出故障报警。

（3）如果只有一种参数出现异常（如烟雾浓度过大或是温度较高），能发出异常报警信号，令值班人员到现场处理。

（4）如果烟雾和温度同时出现异常，则说明有火灾，发出火灾警报。

图1-1由半导体传感器构成的气体测量及报警器总体设计框图

图1-2由电化学传感器构成的气体测量及报警器总体设计框图

根据以上两方案的比较：

首先，其在常温条件工作时，不需要温度补偿电路，因此选此传感器省去了设计温度补偿电路的麻烦。

放大调理电路也可用一般放大电路代替，显示采用LED动态显示电路，选用LED显示器是它便宜方便简单，它较指针式显示要准确，比液晶显示价格便宜而且晚上亮度高。

按键电路采用独立按键，它适合于按键比较少的情况。

复位电路采用看门狗上电复位，可以防止程序“跑飞”现象。

单片机采用AT89S51单片机为控制核心，完成数据的处理工作。

A/D转换采用ADC0809模数转换器。

因此可得到该方案的总体设计框图如图1-1所示。

复位电路可以采用典型的上电复位或者是按键复位电路，单片机采用AT89S51单片机为核心，完成数据的处理工作。

方案二：

选择集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。

AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端温度传感器。

但由于选用集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202作为敏感元件，利用多传感器信息融合技术，开发了可用于室内烟雾环境测控系统。

此传感器需要温度补偿电路，以温度传感器采集的温度信号送入单片机处理来对气敏传感器进行温度补偿，放大调理电路采用一般放大电路，显示电路有三种方式可以选择指针式显示、用液晶显示或用LED显示器，按键采用矩阵式按键，编程比较复杂。

在实际操作中使用性不大，较为麻烦。

所以本设计中使用性不大。

因此，综合考虑成本、易操作性、系统性能等因素，选择方案一较为合理。

第二章：

硬件设计部分

本设计的烟雾报警器装置的主要由采集模块、放大模块、模数转换模块和单片机控制模块组成。

其中采集模块与数据处理及单片机的控制模块是本设计的关键之处。

现在我们来

美国华瑞科学仪器公司生产的。

方案二是选用深圳商斯达实业有限公司生产的MQ-7型半单体式烟雾传感器。

火灾传感器按其结构和作用原理不同，可分为感温探测器，感烟探测器，感光探测器，可燃气体探测器等，它们分别适用于不同场合。

为了准确的进行火灾报警，针对商场，选用合适的温度和烟雾传感器是准确报警的前提，综合考虑各种因素，本系统选择集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。

AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端温度传感器。

电路如图4所示。

由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，即1uA/k,而数模转换芯片AD0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10k欧的电阻R1和一个100欧的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC0809。

通过调节可调电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV/K。

火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。

TGS202气体传感器都能探测CO2，CO，甲烷，煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测，

如图所示，当TGS202探测到CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。

选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如CO浓度达到0.06%）时，VA端获得适当的电压（设为3V）。

符号

参数名称

技术条件

Tao

使用温度

-20℃-50℃

储存温度

-20℃-50℃

相对湿度

小于95%RH

氧气浓度

21%（标准条件）氧气浓度

会影响灵敏度特性

表1TGS202环境条件表

因此该方案的要用到两种传感器，气敏传感器和温度传感器。

该方案的设计能够很好的检测出环境中一氧化碳的浓度并能进行实时显示。

但依据课题的使用范围而言，该设计过于繁琐设计难度高并且不够经济实惠。

特点：

在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度

对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高

长寿命、低成本

简单的驱动电路即可

应用：

家庭用气体泄漏报警器

工业用可燃气体报警器

便携式气体检测器

MQ-7气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。

当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

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。

MQ-7气体传感器对烟雾的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。

这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

图1是传感器典型的灵敏度特性曲线。

图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。

Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值

Ro表示传感器在1000ppm空气中的电阻值

图一：

灵敏度特性曲线

图2：

传感器的温度、湿度特性曲线

图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。

Rs表示在含1000ppm丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值

Ro表示在含1000ppm丙烷、20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值。

+5V

图3：

传感器的基本测试电路

传感器的表面电阻Rs，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出而获得的。

二者之间的关系为：

Rs/RL=（Vc-VRL）/VRL

规格：

符号

参数名称

技术条件

备注

回路电压

≤24V

加热电压

5.0V±0.2V

ACorDC

负载电阻

可调

加热电阻

31Ω±3Ω

室温

加热功耗

≤900mW

符号

参数名称

技术条件

备注

Tao

使用温度

　　-10℃－＋50℃

Tas

储存温度

　　-20℃－＋70℃

RＨ

相对湿度

　　小于　95%RＨ

氧气浓度

　　21%（标准条件）

氧气浓度会影响灵敏度特性

最小值大于２％

符号

参数名称

技术参数

备注

敏感体表面电阻

适用范围：

浓度斜率

≤0.6

标准工作条件

温度：

20℃±2℃Vc:

5.0V±0.1V

相对湿度：

65%±5%VH:

5.0V±0.1V

预热时间

不少于4分钟

敏感体功耗（Ps）值可用下式计算：

传感器电阻（Rs），可用下式计算：

Ps=Vc2×Rs/（Rs+RL）2Rs=（Vc/VRL-1）×RL

MQ-7气敏元件的结构和外形如图4所示（由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。

封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、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，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

　　AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

　　此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

　　•8031CPU与MCS-51兼容

　　•4K字节可编程FLASH存储器（寿命：

1000写/擦循环）

　　•全静态工作：

0Hz-24KHz

　　•三级程序存储器保密锁定

　　•128*8位内部RAM

　　•32条可编程I/O线

　　•两个16位定时器/计数器

　　•6个中断源

　　•可编程串行通道

　　•低功耗的闲置和掉电模式

　　•片内振荡器和时钟电路

　　AT89S51单片机的引脚图如下：

图2-6AT89S51的外部引脚图

各引脚功能如下：

VCC：

供电电压。

　　GND：

接地。

　　P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

　　P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

　　P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

　　P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3-1所示。

端口引脚

第二功能

P3.0

RED（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

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

表P3口的第二功能

　　　　I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q^为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能

　　RST：

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。

　　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。

　　/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。

　　/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程

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