基于单片机的火灾报警电路设计毕业作品.docx
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基于单片机的火灾报警电路设计毕业作品
毕设
业计
（20届）
基于单片机的火灾报警电路设计
所在学院
专业班级电子信息工程
学生姓名学号
指导教师职称
完成日期年月
摘要
随着科技的发展，各种电器设备步入了人们的生活，他们的存在使人们的生活得到了方便，但与此同时，在使用方法不正确的情况下时，有可能会引发火灾。
因此，火灾报警器是必不可少的。
火灾报警器是为了及早地发现并通报火灾，以减免不必要的财产损失。
火灾报警电路中最重要的部分为烟雾检测报警器，而烟雾检测报警器是由烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路三部分组成。
根据设计的条件、成本等各方面因素，采用STC12C5410AD单片机、LM324运算放大器、MQ-2型烟雾传感器等器件进行电路的设计。
软件方面，则是在KeilC51软件上使用C语言进行编程，来实现AD转换、数字滤波、线性化处理、段式晶体浓度显示、按键功能设置等功能。
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
Abstract
Withthedevelopmentoftechnology,allkindsofelectricalequipmentscomeintopeople’slives.Itcanmakepeople’slivesconvence,atthesametime,withthewrongusingmethod,therewillcauseafire.Therefore,thefirealarmisnecessary.Firealarmiseasytofindandnotifythefiresothatitcandecreasethepropertydamage.
Firealarmcircuitisthemostimportantpartofthesomkedetectionalarm.Thesmokedetectionalarmismadeofsignalacquisitioncircuit,analog-digitalconversioncircuit,MCUcontrolcircuit.Accordingtothedesignconditions,costandotherfactors.TheSTC12C5410ADmicrocontroller,LM324opamp,MQ-2smokesensorsandotherdeviceswillbeusedtodesignthefirealarmcircuit.ItcanbeusedClanguageintheKeilC51softwareplatform.ItwillachievetheADconversion,digitalfiltering,linearization,strutssrytalconcentrationshows,keyfeaturesetandsoon.
ThesmokealarmwhichmadeoftheSTC12C5410ADmicrocontrollerandMQ-2smokesensorscanachievesoundandlightalarm,faultdiagnosis,theconcentrationdisplay,alarmlimitsettings,delayalarmandsoon.Thestructureofsmokealarmissimple,andtheperformanceisstable.Itisalsoeasytouse.andit’sinexpensiveandintelligent.Ithassomepracticalvalue.
Keywords:
smoke;alarm;STC12C5410;sensor
9 附录23
1 引言
随着科技技术的发展，人类的生活水平不断提高。
消防工作的重要性也越来越突出。
因此，火灾报警电路在消防工作的作用也尤为突出了。
火灾报警装置经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，至今，它的智能化程度也越来越高。
火灾报警系统的应用范围很广泛，厂商主要偏重于大型仓库、商场、高级写字楼等大型火灾报警系统的研发，采用集中区域报警控制方式，这种系统复杂而且成本高。
而在居民区、办公室等小型防火单位，则需要一种单一或区域联网并廉价实用的火灾报警装置。
所以，设置一种结构简单、价格低廉的语音数字火灾报警器是必要的。
本设计是采用以STC12C5410AD单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心的烟雾报警器，它可以实现声光报警、浓度显示、报警限设置、延时报警等功能。
这是一种结构简单、性能稳定、价格低廉、智能化的报警器。
2 总体设计
火灾报警电路中最主要的部分是烟雾检测报警器。
而烟雾检测报警器可以检测到环境中的烟雾浓度，并具有报警功能。
它是由烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路三部分组成。
烟雾信号采集电路由烟雾传感器和模拟放大电路组成，它能把烟雾信号转化为模拟的电信号。
模数转换电路再将得到的模拟的电信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机，接着单片机对收到的数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，和预设值进行比较，如果大于，则启动报警电路发出警声，反之则为正常状态。
还有为了方便检测与监控，让人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显示出来。
另外加入按键功能来调节报警限。
为了使报警装置更加完善，可以加入不同颜色的闪烁灯来报警，以便能更容易引起人的注意。
2.1烟雾传感器的介绍及选定
烟雾传感器有很多种类，从其检测原来上来分可分为三大类：
（1）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。
（2）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。
（3）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。
烟雾传感器应满足的基本条件如下：
（1）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。
（2）对与被检测的烟雾具有很高的灵敏度，而且能有效地检测允许范围内的烟雾浓度。
（3）对检测的信号响应速度要快，重复性好。
（4）稳定性要好，使用寿命长，制造成本尽量低并且维护简单。
烟雾检测报警器主要应用于一些化工、石油、喷漆等容易发生燃气泄露的场所，针对这些可燃烟雾，一般选用接触式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。
接触式烟雾传感器，它的探头存在着阻缓。
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，因而引起响应反应速度和灵敏度。
相比而言，半导体烟雾传感器具有：
灵敏度高、响应块、体积小、结构简单、使用方便等特点。
因此，本设计选用MQ-2型电阻式半导体气体传感器。
2.2烟雾检测报警器的结构及功能
报警器的系统结构框图如图2-1所示。
系统以单片机为核心，结合传感器、放大电路、A/D转换来完成信号的采集及放大、浓度显示、状态显示、声音报警、按键输入、故障自检等功能。
图2-1系统框图
（1）自诊断故障报警功能
当传感器加热时产生断线或者接触不良，则发出警报声，并伴随着黄色指示灯的闪烁，提醒用户检查传感器的连接情况。
（2）烟雾浓度显示
液晶屏可以显示可燃烟雾的浓度值，用户可以切换模式到设置状态，使用键盘来调整报警限值。
（3）烟雾报警功能
当烟雾浓度连续20秒取值都超过报警限值，蜂鸣器发出尖锐的警报声，同时红灯闪烁。
（4）防止报警器误报功能
快速重复检测及延时报警可以区分出是可燃烟雾的泄漏，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，定时检查单片机的工作状态，一旦出现死循环状态，立即复位，确保报警器正常工作。
3 硬件设计
本系统硬件主要包括单片机的选型和烟雾检测报警硬件的设计。
3.1单片机的选择
单片机是烟雾检测报警器的核心部分，它要接受来自传感器的烟雾浓度的模拟信号和故障检测信号，还要对两种信号分别处理，并控制后续电路的相应工作。
另外单片机还得将模数转换后的信号进行数字滤波、线性化处理，然后送入液晶屏显示，使检测人员能够观察到烟雾的实时浓度，从而进行相应的处理。
这一过程的软件实现，需要单片机有很快的运算速度。
根据成本、精确性、可靠性及抗干扰性方面的因素，本设计选择STC12系列单片机。
因为STC12C54xxAD系列单片机是低功耗Flash单片机，它的高效寻址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D转换、硬件乘法器等功能特点，比较完善的实现了强大的功能与低功耗的结合。
最后再根据价格相同的情况下，尽量选择Flash较大的芯片，因此选择STC12C5410AD单片机作为本论文设计的烟雾报警器的单片机。
下面来介绍一下STC12C5410系列单片机：
STC12C5410系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机。
其主要特点如下：
1．增强型1T流水线/精装指令集结构8051CPU
2．工作电压：
5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）
3．工作频率范围：
0-35MHZ，相当于普通8051的0-420MHZ
4．用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节
5．片上集成512字节RAM
6．通用I/O口（27/23个），复位后：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏
7．ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
8．EEPROM功能
9．看门狗
10．内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下，可省外部复位电路）
11．时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器，用户在下载程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：
5.65MHZ-5.95MHZ，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有温漂，应认为是5MHZ-6.5MHZ
12．共2个16位定时器/计数器
13．PWM（4路）/PCA（可编程计数器列阵），也可用来实现4个定时器
14．ADC，10位精度ADC，共8路
15．通用异步串行口（UART）
16．SPI同步通信口，主模式/从模式
17．工作温度范围：
0-75°C/-40°C-85°C
18．封装：
PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，TSSOP-20
3.2烟雾检测报警电路设计
3.2.1信号采集及前置放大电路
传感器输出的信号一般比较微弱，因此需要经过前置电路的放大、滤波、电平调整之后再送入单片机。
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就可以发送给ADC（模数转换器）采集。
由于这里采用的是单极性供电，所以使用同相比例放大电路。
常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单，所以本设计将使用LM324作为电路的运算放大器。
LM324是单片高增益四运算放大器，可以在较宽的电压范围内的单电源或双电源下工作，它的电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好，其输入偏流电阻式温度补偿的，无需要外接频率补偿，可以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：
图3-2前置放大电路图
如图3-2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的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3-2中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，
，
所以
，而且
由以上两式可求出
因此，电路的放大倍数
，此放大电路为同相比例放大电路，本设计的电路放大倍数为4.9倍。
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
，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。
如果不接R3与R4，则此电路就成了“电压跟随器”，它可以降低电路模块间由于阻抗产生的干扰。
（3）由于引入了深度电压串联负反馈，所以电路的输入阻抗比较高，输出阻抗比较低。
高输入阻抗就可以降低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，这便有利于电路中其他电路的设计。
此放大电路还加了参考电压和零点调节功能，这样可以更方便的调节由于使用不同传感器而导致的零点变化问题。
它是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。
因此调节滑动变阻器时，就能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。
3.2.2声音报警电路
声音报警电路图如图3-3所示。
本设计采用KM3712x型蜂鸣器，该蜂鸣器声音响亮，比较适用。
当单片机STC12C5410AD的17脚（P3.7）置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器响起。
本报警器采用单片机STC12C5410AD的PWM（脉宽调制）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，报警时蜂鸣器会发尖锐的警笛声。
图3-3声音报警电路图
3.2.3数码管显示电路
报警器的浓度显示采用共阳数码管，如图3-4所示。
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
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3-4数码管结构图
3.2.4状态指示灯电路及控制键电路
状态指示灯和控制键电路如图3-5和图3-6所示。
单片机的18脚（P1.0）、12脚（P2.4）、13脚（P2.5）,控制输出的状态指示灯。
绿灯表示环境中的可燃烟雾浓度低。
黄灯闪亮表示传感器加热或电缆发生断线或接触不良。
红灯则表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值。
当烟雾浓度超过报警限，报警器发出警报声，用户抵达现场，可以按键停止警报声。
如果经过一段时间，浓度依然超出报警限，报警器会再次响起。
图3-5状态指示灯电路图
图3-6控制按键连接示意图
3.2.5报警器故障自诊电路
（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，这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，会产生断路。
图3-7为传感器电源连接自诊断电路。
图3-7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
判断传感器信号端是否连接正确，可以在传感器预热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。
当报警器自诊不正常时候，就会发出长鸣声报警，并且黄灯闪烁，提醒用户。
4 软件设计
本系统软件所解决的主要问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行AD转换、数字滤波、线性化处理、液晶浓度显示、按键功能设置以及报警器声光报警。
4.1STC12系列单片机调试及开发工具
本系统的软件编程适用的是KeilSoftware公司的KeilC51，它是51系列兼容单片机C语言开发系统，和汇编相比，C语言在结构上、功能上、可读性上有明显的优势。
4.2烟雾检测报警器软件流程及设计
4.2.1主程序设计及流程图
首先需要给传感器预热几分钟，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电一段时间后，再次通电时候，不能马上采集烟雾信息，而需要一段时间的预热。
程序初始化结束后，系统进入监控状态。
STC12C5410AD单片机对检测到的烟雾浓度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将烟雾的浓度值与报警限相比较，再判断报警与否。
同时，送入液晶屏显示烟雾浓度值。
另外，主程序还包括状态指示灯和按键功能设置，中断子程序等。
主程序流程图如图4-1所示。
4.2.2主程序初始化及流程图
给传感器预热后，程序开始执行初始化子程序，这里实现的功能包括各种I/O口的输入和输出状态的设定、寄存器初始化和中断使能等等。
首先设定定时初值50ms，利用IAP写入EEPROM作为取值间隔。
然后设置定时器0，选择方式1。
方式1状态下，定时器的工作寄存器TH1、TL1是全16位参与操作的。
然后定时器0中断允许位置1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，再设置报警限初值。
主程序初始化流程图如图4-2所示。
图4-1主程序流程图
图4-2主程序初始化流程图
4.2.3报警子程序设计及流程图
当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器会发出清晰的鸣叫声，之后红灯闪亮，使操作人员采取相应的安全对策，从而保障安全，避免火灾等事故的发生。
为了防止误报，在程序设计上，采取了对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄露，还是由于短暂打开阀门时产生的。
报警子程序如图4-3所示。
开始之后，读取处理后的气体浓度值，是否大于20%，否则返回监控状态，是则延迟20秒继续采集一组浓度数据，再判断是否大于20%。
是则进行传感器故障自诊断，如有问题，则黄灯闪烁并发出报警声。
如没有问题，则启动燃气泄露报警，发出警报声。
消音键按下之后，则返回到上电状态。
图4-3报警子程序设计流程图
4.2.4控制按键设计子程序及流程图
本报警器设计附加一个按键，功能为：
确定（消音）。
按键处理子程序流程图如4-4所示。
开始之后，先进行扫描键值，判断是否有键按下，如没有继续扫描，如有键按下，则延迟10ms去除抖动，再判断是否有键按下，如没有继续返回到键值扫描，如有键按下，则提取键值，接着调用键盘处理子程序。
开始
图4-4键盘处理子程序
5 实验检定及误差分析
5.1烟雾报警器检定
5.1.1爆炸下限的概念
烟雾检测报警器使用“%LEL”作为烟雾的测量单位，下面介绍一下LEL既爆炸下限的概念。
可燃烟雾在空气中遇火发生爆炸的最低浓度为爆炸下限（LowerExplosionLimited）,简称LEL。
而可燃烟雾在空气中遇火爆炸的最高浓度，为爆炸上限（UEL）。
可燃烟的浓度处于过低或过高时，是没有危险的。
不过与氧气形成一定比例的混合气体时就会发生燃烧或者爆炸。
甲烷在空气中的浓度为9%-11%时遇明火就会爆炸。
这里先假定甲烷的爆炸下限为5%体积比，把这个5%体积比，一百等分，让5%体积比对应100%LEL。
当检测到的数值达到10%LEL报警点时，相当于这时甲烷的含量为0.5%体积比。
当数值达到20%LEL报警点时，这时甲烷含量为1%体积比。
这里设定甲烷的爆炸下限为10%体积比，所以报警限设在20%LEL，也就是当甲烷的含量为2%体积比时，报警器报警。
5.1.2实验数据分析
由于家庭煤气的主要成分为甲烷，所以设定甲烷烟雾为检测烟雾。
下表5-1为甲烷烟雾和其进入到单片机输入端的电压值对应的数据，图5-1为数据的曲线图。
表5-1烟雾浓度值与对应电压值表
浓度（%）
电压（V）
0
3.71
10
3.64
20
3.59
30
3.47
40
3.31
50
2.97
60
2.60
70
2.23
80
1.81
90
1.03
100
0
图5-1烟雾浓度与电压值的曲线图
从曲线图可知，电压与浓度为非线性关系，因此必须对其进行线性化处理，使其显示的烟雾浓度的误差在±5%范围内。
根据取现的走势，将烟雾浓度分成7段，分别是0～10,10～20,20～40,40～50,50～60,60～80,80～100，单位LEL%。
直线方程为：
（5-1）
I=1,2,3,4,5,6,7
公式中，f（x）为实际烟雾检测浓度，x为实际气体检测浓度对应的电压值，xi是区间的下线浓度对应电压值，xi+1为上限浓度对应的电压值，f（xi）为下限烟雾的浓度值，f（xi+1）为上限烟雾浓度值。
根据公式5-1得出7个直线方程：
（1）0%～10%LELf（x）=0.50x+3.71
（2）10%～20%LELf（x）=0.50x+3.61
（3）20%～40%LELf（x）=1.50x+3.90
（4）40%～50%LELf（x）=3.2x+4.58
（5）50%～60%LELf（x）=3.7x+4.83
（6）60%～80%LELf（x）=4.05x+5.04
（7）80%～100%LELf（x）=9.00x+9.00
经过试验的检定，实际烟雾浓度与显示的误差对比如表5-2所示：
表5-2实际烟雾浓度与显示的误差对比表
浓度（%LEL）
浓度误差
浓度（%LEL）
浓度误差
0
0
50
5
5
3
55
2
10
-1
60
1
15
3
65
3
20
2
70
2
25
-1
75
4
30
4
80
-1
35
2
85
3
40
3
90
4
45
5
95
5
经过误差计算公式计算后，显示烟雾浓度与实际烟雾浓度之间的误差为2.57%，在所规定的误差范围±5%之内。
因此，报警器满足检测的要求。
5.2实验误差分析
测量仪器在使用的时候，造成误差的因素有很多，通常都是多种误差源综合产生的结果。
对于报警器来说，误差源主要来自软件和硬件两方面。
软件误差主要来自：
（1）A/D转换量化误差：
STC12C5410AD单片机的内部A/D转换器为12bit，输入单片机的模拟信号为0～3.7V，参考电压为2.5V，转换误差为0.016%。
（2）数字滤波过程中的有限字长效应：
在运算过程中，由于字长有限而不能保留原有的数据的有效位数会出现舍入误差，在累计计算之后会造成计算误差。
不过这里使用的单片机可以直接执行16×16bit定点乘法和32÷16bit定点除法运算，因此有限字长造成的误差可以忽略不计。
硬件误差主要来自：
（1）传感器：
这里采用MQ-2型半导体陶瓷式烟雾传感器，烟雾浓度与输出电压之间有一定的非线性，线性化处理后会产生误差。
（2）电源造成的误差：
直流电源供电时，会不可避免地残留一定的交流成分形成噪声信号，从而影响测控系统。
（3）环境、外部噪声引起的误差等：
外部条件包括环境温度、湿度、空气中的尘埃等等。
因此需注意报警器的安装环境。
6 结论
烟雾检测报警器可以避免火灾、爆炸以及可燃气体泄露造成的威胁
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