烟雾传感器的课程设计.docx
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烟雾传感器的课程设计
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实践教学
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兰州理工大学
计算机与通信学院
2011年秋季学期
微机原理课程设计
题目：
烟雾传感器的课程设计
专业班级：
通信工程
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学号：
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成绩：
摘要
烟雾报警器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟感器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。
酒精泄露的检测、监控以及对酒后驾车的检测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少。
资料显示，我国近几年发生的重大交通事故中，有将近三分之一是有酒后驾车引起的。
为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车，现场实时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视，酒精浓度测试仪逐渐得到广泛应用。
此外，酒精测试也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度场合。
如今，气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展，因此，酒精浓度检测仪具有十分广阔的现实市场和潜在的市场要求。
本文运用了8088|8086，并借助相应的外围电路，将检测结果通过LCD、LED等显示方法告知使用者。
本设计用的MQ303酒精传感器就是一种对气体敏感的化学传感器，以及MQ-2烟雾浓度传感器，它们随着外部气体的浓度不同而改变敏感膜的电阻。
系统选STC89C52RC为控制核心，对检测到的气体状况进行相应的处理分析、处理和显示，并能够实现超限报警。
关键字：
酒精传感器，烟雾传感器，显示报警
第一章、总体思想
1.1系统设计所需资源
STC89C52，MQ-2电阻式烟雾传感器、MQ-3A酒精传感器各1个，16P，40P等底座若干,LED发光二极管各若干个,蜂鸣器一个,5V直流电机及电机配套的风扇叶一个,5V直流电机及配套偏心轮（震动使用）,单面覆铜板（印制PCB版）,电位器102，103各若干,LM324或LM339一个,12864液晶一块,按键若干,自锁按键若干,继电器一个,导线若干。
2.2系统框图和主程序流程图
图1-1框图
图1-2流程图
第二章、方案选择
2.1芯片的选择
8086|8088它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档MEGE系列的全部性能和特点。
但由于采用了小引脚封装（为DIP28和TQFP/MLF32），所以其价格仅与低档相当，再加上AVR的系统内可编程特性，使得无需购买昂贵的仿真器和编程器也可进行嵌入式系统的设计和开发，同时也为8086|8088的初学者提供了非常方便和简捷的学习开发环境。
ATmega8的这些特点，使其成为一款具有极高性能价格比的芯片，深受广大用户的喜爱，在产品应用市场上极具竞争力，被很多家用电器厂商和仪器仪表行业看中，从而使ATmega8迅速进入大批量的应用领域。
但是其管脚比较少，不适合这次课设。
STC89C52
STC是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，但是存在溢出隐患问题。
8051系列采用的是堆栈指针，STC采用硬件堆栈8级。
当堆栈指针设定合理，局部变量少的情况下，8051系列用10层的程序嵌套不会出现问题。
而STC单片机程序嵌套包括中断最多不能超过8层。
所以如果用C语言进行STC编程设计容易堆栈溢出[2]。
汇编语言对于不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移植。
而C语言是一种结构化的高级语言，虽然占用资源较汇编多，但是可读性好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。
鉴于C语言的易读性和普遍性，本论文的软件设计选择C语言编程。
为适用于本论文设计的烟雾酒精检测报警器，应选择一种比8051系列速度快，功耗低，抗干扰性好，而又避免C语言编程溢出问题的。
宏晶科技新推出的STC89C52系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
其突出的特点是功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高。
是的新一代8051，指令代码完全兼容传统8051，速度却比8051快8~12倍。
。
而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和应用适应性。
2.2传感器的选择
2.2.1酒精传感器的选择
方案1：
直热式MnO₂半导体气敏传感器
制作工艺简单、成本低、功耗小，可以在高回路电压下使用、价格低廉的可燃气体泄漏报警器。
但是其热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间巷削辑离，互相影响；加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成与材料的接触不良。
方案2：
旁热式MnO₂半导体气敏传感器
克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，免了回路间的相互影响；元件热容量大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性，不过价格昂贵。
近年来，使用二氧化锡（SnO2）气敏元件制成的酒精检测器，不仅对酒精味敏感，对汽油味、香烟味同样敏感，易造成检测失误，因此限制了它的普遍推广和使用。
综上我选择了方案二旁热式MnO₂半导体气敏传感器MQ-3气体传感器，MQ-3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酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中酒精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-3气体传感器对酒精的灵敏度高，可以抵抗汽油、烟雾、水蒸气的干扰。
这种传感器可检测多种浓度酒精气氛，是一款适合多种应用的低成本传感器.所以我们选择MQ-3酒精传感器。
2.2.2烟雾传感器的选择
GQQ0.1型烟雾传感器质安全型，适用于煤矿井下有瓦斯、煤尘爆炸性气体环境中，与综保监控仪配套，（也可用于其它电控装置配套），用于煤矿井下皮带输送机胶带因摩擦发热或其它原因产生的烟雾进行检测，通过可编程控制器编程实现对皮带的保护。
主要用于煤矿井下皮带输送机胶带因摩擦发热或其它原因产生的烟雾进行检测，通过可编程控制器编程实现对皮带的保护。
MQ-2烟雾传感器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。
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。
适用于家庭或工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等监测装置。
对比过后，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器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。
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，进而由完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。
2.2.3温湿度传感器
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
2.3模数转换器的选择
ADS8364是一款六路模拟输入、16位并行输出的模数转换器。
六路模拟输入分为三组（A,B和C）,每个输入端都有一个保持信号来实现所有通道的同时采样与转换功能，非常适合于多路（多种）采集系统的需要。
ADS8364提供了一个灵活的高速并行接口，可以运行在直接寻址、循环采样、FIFO等三种模式，每个通道的输出数据都可直接作为一个16bit的字。
TLC2543是11输入端是我12位模数转换器，具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简单、价格低等优点，应用前景好。
由于它带有串行外设接口，而51系列单片机没有SPI，因此研究它的接口与51单片机的接口非常有意义。
所以课设选择了TLC2543模数转换器。
2.4LCD液晶显示
显示质量高，由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
体积小、重量轻，液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
功耗低，相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
2.5报警方案
方案1：
蜂鸣器发音报警
蜂鸣器是一种给它接上一定电压后发出“嘀……嘀……嘀……”响声的发音设备。
其耗电低，发音效果好，容易引起人们注意，不过其功能小，应用领域不大
方案2：
扬声器报警
用扬声器发出设计时实现录制好的声音，提醒驾驶员切勿酒后驾驶。
虽然很贴近实际，可以让人不必再用“解码”就可以知道，但是其声音响度不够。
经过考虑，蜂鸣器发音报警其耗电低，发音效果好，容易引起人们注意，不过其功能小，应用领域不大。
但考虑到不需要其太大功能，所选择蜂鸣器。
该电路将通过发光二极管（LED）闪亮来实现光报警
第三章、硬件设计
3.1芯片8086或8088
引脚如图3-1：
图3-18086|8088引脚图
•Vcc：
电源电压
•GND：
地
•P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
•P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
•P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
•P3口：
P3口时一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
•RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
•ALE：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
•
：
程序储存允许（
）输出是外部程序存储器的读选通信号，当89C5X单片机由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次
有效，即输出两个脉冲。
在次期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次信号。
•
/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFH），端必须保持低电平（接地）。
•XTAL1：
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
•XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端
时钟电路：
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图3—2（a）所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图3—2（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路
图3—2时钟电路
复位及复位电路
（1）复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表一所示。
表一一些寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
00H
（2）复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图4—3所示：
图3—3复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3—4（a）所示。
这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3—4（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，
其电路如图3—4（c）所示：
（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
图3—4复位电路
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
本系统的复位电路采用图3—4（b）上电复位方式。
STC89C52主要功能如表二所示。
表二STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
下图为的最小系统图：
图3-5
3.2传感器
3.2.1酒精传感器MQ-3
MQ-3酒精传感器对乙醇蒸气有很高的灵敏度，并且响应和恢复快速。
另外，MQ-3酒精传感器简单的驱动回路和可靠的稳定性是相比较于其他型号传感器的优点。
MQ-3酒精传感器可用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测，也可用于其他场所乙醇蒸气的检测。
MQ-3酒精传感器有6只针状管脚，其中4个管脚（两个A和两个B）用于信号读取，两个H脚用于提供加热电流。
MQ3型气敏传感器技术指标如下：
使用气体：
酒精（乙醇）
探测范围：
10~1000*10-6
特征气体：
100*10-6
灵敏度：
Rinair/Rintypicalgas
5
敏感体电阻：
400~4000kΩ（空气中）
响应时间：
10s（70%Response）
恢复时间：
30s（70%Response）
加热电阻：
31Ω
3Ω
加热电流：
180mA
加热电压：
5V
0.2V
加热功率：
900mW
工作条件：
环境温度：
－10~65摄氏度湿度：
95%RH
贮存条件：
温度：
－20~70摄氏度湿度：
70%RH
灵敏度调整：
MQ3型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。
因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。
建议使用200ppm的乙醇蒸汽校准传感器。
当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。
电路图如图3-5：
图3-6MQ-3传感器电路原理图
3.2.2烟雾传感器MQ-2
MQ-2气敏元件的结构和外形如图所示（结构AorB）,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。
特点：
1、具有信号输出指示。
2、双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）
3、TTL输出有效信号为低电平。
（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）
4、模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。
5、对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。
6、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性
7、快速的响应恢复特性
电路图如3-6:
图3-7
3.2.3DHT11数字温湿度传感器
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
应用领域
►暖通空调►测试及检测设备
►汽车►数据记录器
►消费品►自动控制
►气象站►家电
►湿度调节器►医疗
►除湿器
图3-9
DHT11引脚说明
Pin
名称
注释
1
VDD
供电3－5.5VDC
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，请悬空
4
GND
接地，电源负极
本系统中得电路：
图3-10
3.3TLC2543数模转换器
TLC2543数模转换器模块采用TI公司的TLC254312位串行A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。
由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，且价格适中。
其特点有：
（1）12位分辨率A/D转换器；
（2）在工作温度范围内10μs转换时间；
（3）11个模拟输入通道；
（4）3路内置自测试方式；
（5）采样率为66kbps；
（6）线性误差+1LSB（max）
（7）有转换结束（EOC）输出；
（8）具有单、双极性输出；
（9）可编程的MSB或LSB前导；
（10）可编程的输出数据长度。
TLC2543的引脚排列如图1所示。
图1中AIN0～AIN10为模拟输入端；
为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为地
图3-11
3.4LCD液晶显示
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器。
发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单【4】。
LCD1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2和40×2行等的液晶显示模块，模块组件内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。
图3-12
3.5按键电路
电路图3-14：
图3-14
按键功能如下：
S2:
在个人信息，显示的温湿度,酒精浓度，烟雾浓度及报警值之间切换，实现多功能切换显示
S3:
移动LCD1602的光标，每按下一次光标右移一位。
S4:
增加示值及报警值。
S5:
减小示值及报警值【6】。
3.6报警电路
报警电路如图所示。
报警电路由P3.7口输出接电阻R23，三极管，蜂鸣器组成。
当设定值小于设定值时候，蜂鸣器发出警报。
图3-15
报警程序如下：
voidwarning（）//报警程序
{
if（（（TH_data>=T_num）&&（num1==1））||（（RH_data>=H_num）&&（num1==1））||（（Alc_0>=Alc_num）&&（num1==2））||（（Smog_0>=Smog_num）&&（num1==3）））
{
Beer=0;
}
elseBeer=1;
if（TH_data>=T_num）
LED_RED=0;
elseLED_RED=1;
if（RH_data>=H_num）
LED_GRE=0;
elseLED_GRE=1;
}
voidinit（）
{
TMOD=0x01;
TH0=0x3c;
TL0=0xb0;
ET0=1;//定时器0中断允许位
TR0=1;//定时器0运行控制位
3.7时钟芯片DS1302
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。
实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、周、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。
时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：
（1）RES复位
（2）I/O数据线（3）SCLK串行时钟【7】。
时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。
DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW
DS1302是由DS1202改进而来增加了以下的特性：
双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。
它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域下面。
将主要的性能指标作一综合：
实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的能力，还有闰年调整的能力
318位暂存数据存储RAM
串行I/O口方式使得管脚数量最少
宽范围工作电压2.05.5V
工作电流2.0V时,小于300nA
读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式
8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装根据表面装配
简单3线接口
与TTL兼容Vcc=5V
可选工业级温度范围-40+85
双电源
升级会员 