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基于单片机的烟雾警报系统方案

毕业论文（设计）

基于单片机的烟雾报警系统设计

一、选题目的和意义

火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。

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。

人类能够对火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。

火，给人类带来文明进步、光明和温暖。

但是，失去控制的火，就会给人类造成巨大的灾难。

本系统是一个由单片机控制的火灾烟雾浓度、温度检测系统，它将传感器输出地电压信号进行A/D转换、滤波、线性化，由单片机将电压值转换为气体浓度和温度送LED显示，并判断是否超过报警上限，若超过，则发出声光报警。

同时用户可以自己设定报警上限和定时时间，使用户可以根据实际情况方便的掌握安全状况。

本系统的设计能够与时监测到系统故障和环境中有无火灾，火灾一旦发生将实现声光报警，并采取有效措施控制火情的发展，将火灾消灭在萌芽状态，以确保人身财产安全，最大限度地减少损失。

二、本选题在国外的研究现状和发展趋势

自本世纪80年代开始，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。

目前国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，需要设置一种单一或区域联网、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、价格低廉的语音数字联网火灾报警器是非常必要的。

三、课题设计方案

1．目标：

通过设计一个以STC12C5410AD单片机为核心外加MQ-2型半导体电阻式烟雾敏感器件的火灾报警器可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警与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、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。

2．容：

对烟雾报警系统进行整体功能分析，实现硬件和软件设计，对所选芯片做简单介绍，分模块实现各部分功能。

3．研究途径和方法：

通过对课题的分析，然后进行市场调研，对现用烟雾报警器控制系统的优缺点进行研究，确定论文的结构和设计所需的软硬件。

四、计划进度安排

起止日期:

2011.10.8-2012.4.30

2011.10.8-2011.10.24拟定设计（论文）题目

2011.10.24-2011.10.31设计（论文）题目论证

2011.11.1-2011.11.3指导教师与毕业学生见面，下达工作任务

2011.11.3-2011.12.2市场调研，对现用烟雾报警器控制系统的优缺点分析，找出需改进的地方，完成开题报告

2011.12.21-2011.12.31确定系统的总体方案研制和硬件的选择。

2012.1.1-2012.1.12确定论文的架构

2012.2.24-2012.3.4烟雾报警器控制系统硬件电路设计

2012.3.5-2012.3.20烟雾报警器控制系统软件编程设计

2012.3.21-2012.3.31撰写毕业设计（论文），完成设计（论文）初稿

2012.4.1-2012.4.15提交中期检查表

2012.4.16-2012.4.30根据指导教师修改意见进行设计（论文）修改，并最终定稿

2012.5.1-2012.5.7上交论文

2012.5.19-2012.5.20参加答辩

五、主要参考文献

[1]连生.可燃烟雾探测器与其设置安装要领［J］.石油工程建设.1996

（1）:

23～25

[2]保卫,尚家峰,金水.燃气报警器的分类与选择[J].消防,2003（8）:

27～28

[3]军.传感器与检测技术［M］.电子科技大学,2003:

263～315

[4]望.烟雾传感器技术的现状和发展趋势［J］.仪器仪表用户,2006,13（5）:

1～2

[5]永生,莉玲.半导体气敏元件的选择性研究［J］.传感器技术,2002（3）:

1～3

[6]宏晶科技（）.STC12C5410AD系列单片机器件手册［EB/OL］..mcu2memory.，2000

[7]于冶会.对调整仪表用蜂鸣器振动规的探讨［J］.传感器世界,2000

（1）:

35～38

[8]何衍庆.控制系统分析设计和应用［M］.化学工业,2003:

20～21

[9]晓莉,俊涛.KEILC51单片机仿真器的设计［J］.微计算机信息（嵌入式与SOC）,2006,2

（2）:

19～20

指导教师意见与建议：

签名：

年月日

教学单位领导小组审批意见：

组长签名：

年月日

毕业论文（设计）的进度计划：

2011.10.8-2011.10.24拟定设计（论文）题目

2011.10.24-2011.10.31设计（论文）题目论证

2011.11.1-2011.11.3指导教师与毕业学生见面，下达工作任务

2011.11.3-2011.12.2市场调研，对现用烟雾报警器控制系统的优缺点分析，找出需改进的地方，完成开题报告

2011.12.21-2011.12.31确定系统的总体方案研制和硬件的选择。

2012.1.1-2012.1.12确定论文的架构

2012.2.24-2012.3.4烟雾报警器控制系统硬件电路设计

2012.3.5-2012.3.20烟雾报警器控制系统软件编程设计

2012.3.21-2012.3.31撰写毕业设计（论文），完成设计（论文）初稿

2012.4.1-2012.4.15提交中期检查表

2012.4.16-2012.4.30根据指导教师修改意见进行修改，并最终定稿

完成情况：

到现在为止，我通过查找资料和指导老师的指导完成了以上部分容，使我对烟雾报警器控制系统有了更为深刻的了解，通过软、硬件的设计和整体调试，使我积累了更丰富的经验。

下一步将要撰写论文准备参加答辩。

指导教师评议

签名：

年月日

备注：

基于单片机的烟雾报警系统设计

幸福的笑

（学院机电系，253023）

摘要：

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与其用法与用途，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报警系统，它是以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、延时报警与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；STC12C5410AD；传感器

1绪论

1.1概述

火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温和火光。

这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，与时扑灭火灾。

区域报警器能将所在楼层的探测器发出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的房间号；同时还能监视若干楼层的集中报警器（如果监视整个大楼的则设于消防控制中心）输出信号或控制自动灭火系统。

集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具体显示出着火的楼层和房间号，机上停走的时钟记录下首次报警时间性，利用本机专用，还可迅速发出指示和向消防队报警。

此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。

1.2现状

消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动。

是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。

依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。

在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，像消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。

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

烟雾检测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，仪器的最基本组成部分应包括：

烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。

烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。

模数转换电路将从烟雾检测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。

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（也就是报警限），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。

为方便检测与监控，使仪器测试人员与用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。

方便调节报警限，可以加入按键。

为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。

以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。

烟雾传感器与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、经济的烟雾传感器与单片机芯片是至关重要的[1]。

烟雾传感器的选型在下一节详细介绍。

单片机作为硬件电路的核心，它的选型将在第三章详述。

2.2烟雾传感器的选型

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、浓度处理与报警控制等工作。

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。

2.2.1烟雾传感器介绍

（1）烟雾传感器的分类

烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：

（a）利用物理化学性质的烟雾传感器：

如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。

（b）利用物理性质的烟雾传感器：

如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。

（c）利用电化学性质的烟雾传感器：

如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。

（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，能有效地检测允许围的烟雾浓度；

（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[2]。

2.2.2烟雾传感器的选定

烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。

使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓与中毒，是不可避免的问题。

阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。

虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。

中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。

当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。

因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。

一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，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[3]。

半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以与用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。

半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）[4]。

经过对比上述两种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：

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与中毒现象，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，而且只需要简单的驱动电路。

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

本论文中的烟雾检测报警器以STC12C5410AD单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。

首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入STC12C5410AD单片机；然后，在STC12C5410AD单片机A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；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限，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。

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发生断线或接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。

2.3.2烟雾检测报警器的结构

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器不仅能在较宽的温度围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、故障自检、延时报警功能与可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。

其目标是在传统的烟雾报警器的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积[5]。

报警器系统结构框图如图1所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音与闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。

报警器采用巡检的工作方式，进行两级报警值设定，并发出不同的光、声信号。

系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性与可靠性，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。

图1可燃性气体检测报警器结构框图

2.3.3烟雾检测报警器的功能

（1）自诊断故障报警功能

当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时，报警器发出警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，与时排除故障，保证安全。

（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与更改报警限。

（3）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，所以变化的声音与灯光更容易引起用户的注意。

（4）防止报警器误报功能

快速重复检测与延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏，还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。

（5）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。

（6）与上位机通讯功能

可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以与便于采集和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。

（7）自动控制相关安全装置的扩展功能

留有继电器接口，可以带动排风扇或大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子阀门，可在报警的同时自动启动相关安全装置。

3烟雾检测报警器的硬件设计

3.1核心芯片选择

在报警器的设计中，单片机是其核心部件。

它一方面要接收来自传感器送来的烟雾浓度对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。

在单片机完成这些的工作中，尤其是将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，然后送LCD显示这一过程的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况做进行相应处理。

并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。

根据多方面的比较，本设计选用宏晶科技生产的STC12系列单片机中集成Flash较大的STC12C5410AD。

STC12C5410AD单片机具有以下特点：

（1）增强型8051核。

（2）10KBFlash程序存储器。

（3）2KB数据Flash（EEPROM）。

（4）512BRAM。

（5）两个16位定时/计数器。

（6）最多27根I/O口线。

（7）全双工异步串行口（UART）。

（8）高速同步通信端口（SPI）。

（9）8通道10位ADC。

（10）4通道PWM/可编程计数器阵列/捕获/比较单元（PWM/PCA/CCU）。

（11）MAX810专用复位电路和硬件看门狗[6]。

图2STC12C5410AD单片机的引脚图

3.2烟雾检测报警器硬件电路设计

3.2.1信号采集与前置放大电路

传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。

本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。

由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然会造成浪费。

常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。

LM324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压围的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。

下面详细介绍运算放大电路：

如图3所示，从传感器的上端出来的信号Vi经过运算放大器的同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压Vo通过电阻R4接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻R3接到参考电压Vref。

同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。

在图3中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，I-=I+=0，

所以V-=Vo*R3/R3+R4+Vref*R4/R3+R4

（1）

而且V-=V+=Vi

Vo=Vi*（R3+R4）/R3

（2）

所以本放大电路的放大倍数A=1+R4/R3，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1。

同相比例运算电路有以下几个特点：

（1）同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。

因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。

（2）电压放大倍数A=1+R4/R3，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位一样，所以此电路实现了同相比例放大。

如果不接R3和R4，则此电路就成了“电压跟随器”，它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。

（3）由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。

高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。

此放大电路还加了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。

它利用滑动变阻器产生一个参考电压Vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考端。

所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。

而电压跟随器的作用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止R3和R4对滑动变阻器输出电压的影响。

图3前置放大电路

3.2.2声音报警电路

声音报警电路图如图4所示。

报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器[7]，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，适用于家用煤气报警器的报警声音源。

当单片机STC12C5410AD的17脚（P3.7）置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器报警。

本报警器采用单片机STC12C5410AD的PWM功能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P3.7（PWM）口输出占空比一定的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。

图4声音报警电路图

3.2.3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，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

图5数码管结构图

3.2.4状态指示灯与控制键电路

状态指示灯与控制键电路图如图6和图7所示。

单片机STC12C5410AD的18脚（P1.0）、12脚（P2.4）、13脚（P2.5），控制输出的状态指示灯。

绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低。

黄灯闪亮表示传感器加热丝或者电缆发生断线或者接触不良。

红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。

当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下按键停止报警器鸣叫。

若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。

图6状态指示灯电路图

图7控制按键连接示意图

3.2.5报警器故障自诊断电路

（1）判断传感器电源连接情况

在传感器的地端串联一个电阻R6。

当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P1.1（AD）口检测到；如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。

图8传感器电源连接自诊断电路

（2）判断传感器信号端连接情况

此时不需要外加电路，在传感器预热2分钟后，测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常。

当报警器自诊断发现传感器连接不正常，就会发出长鸣声音警报，并伴随黄灯闪烁，提醒用户与时排除传感器连接问题[8]。

4烟雾检测报警器的软件设计

4.1STC12系列单片机调试与开发工具

本系统的软件编程使用的是美国KeilSoftware公司出品的KeilC51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

C51工具包的整体结构中，μVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。

开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。

然后分