基于单片机的烟雾报警器的设计与实现.docx

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基于单片机的烟雾报警器的设计与实现

编号

时间：

2021.03.05

创作：

欧阳理

南京航空航天大学金城学院

毕业设计

题目

基于单片机的烟雾报警器的设计与实现

学生姓名

学号

系部

专业

班级

指导教师

二〇一五年五月

南京航空航天大学金城学院

本科毕业设计（论文）诚信承诺书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）（题目：

基于单片机的烟雾报警器的设计与实现）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。

尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名：

2015年5月10日

（学号）：

基于单片机的烟雾报警器的设计与实现

摘要

人们的生活变得越加智能化，电器使用越加频繁，消防工作就越加重要。

为了防止和减少火灾带来的巨大损失，需开发一种结构简单，经济适用的家用烟雾报警器并配合完善的监控报警系统。

本报警器由单片机最小系统、温度、烟雾传感器两部分构成，加上其他设备可实现检测环境温度、烟雾等气体浓度并声光报警。

本设计中选择STC89C52单片机作为控制元件，由于需要探测范围广、高灵敏度和优秀的稳定性的特点，故选用了MQ-2烟雾传感器。

报警器主要由烟雾信号采集，烟雾报警器模拟-数字转换电路，微处理器控制电路，显示电路，声光报警电路和安全电路组成，设计合理，操作简单易懂，性价比高。

烟雾报警器能够及时反映周围环境情况，发现温度烟雾异常和实时发出警报，从而降低火灾的危险性和各类损失。

关键词：

烟雾报警器，单片机，传感器

Designandimplementationofsmokealarm

basedonmicrocontroller

Abstract

Withthesocialandeconomicdevelopment,people'slivesbecomeincreasinglyintelligentuseofelectricalapplianceshasbecomeincreasinglyfrequent,sothefireservicehasbecomeincreasinglyimportant.Topreventfiresandreducefirecausedcasualtiesandfinanciallosses,soweneedtodevelopameanssimple,affordablehomesmokealarmsandwithasoundalarmandmonitoringsystems,inordertomeetmarketdemand.Smokealarmsforthehome-basedmicrocontrollershouldhavethebasicdesignandfunction,wedesignandexplainasmokealarm.

ThealarmsystemismainlycomposedofMCUandtemperature,smokesensorsintwoparts,plusotherequipmenttoachievetheimplementationofthegasconcentrationdetectionambienttemperature,smoke,etc.andonlysoundandlightalarms.ThisdesignchoiceSTC89C52microcontrollerasacontrolelement,theneedforawiderangeofdetectioncharacteristicsofhighsensitivityandexcellentstabilityIchoseMQ-2.Mainlybythesmokealarmsignalacquisitionandpre-amplifier,thesmokealarmanalog-digitalconversioncircuit,microprocessorcontrolcircuit,displaycircuit,soundandlightalarmcircuitandsafetycircuit,reasonabledesign,easytounderstand,inexpensive,itshighcost.Themainpartofthispaperforthealarmfunctionofvariouscomponentsandsystemsforadetaileddescriptionandinterpretationsoftwaredesignandsystemanalysisandinterpretation.

Iwisheveryfamilyahomesmokealarmisinstalled,itcanreflecttheenvironmentalconditionsaroundmoresensitivethanthehumansenses.Temperatureanomaliesfoundsmoke,realalertsandphonealarm.Canhelppeopleranoutofthedangerzoneintime,reducetheriskoffireandtypesoflosses

Keywords:

Thesmokealarm;MCU;sensor

2.5本章小结

第一章绪论

1.1设计概述

随着时代的进步，高科技行业的带动，在人们智能化的生活和工业生产中出现了越来越来多的隐患比如火灾。

那么及时的发现和报警火灾对减少财产损失和保护人身安全显得尤为重要。

烟雾报警器刚刚具有实时监测报警，灵敏度高，稳定性强的特点，并且结构简单的它方便适用于人们日常生活和工业生产的监控中。

烟雾报警器主要由两个核心部件：

烟雾温度传感器和单片机。

传感器可以将实时监测到的温度和烟雾浓度经过单片机控制系统传递到报警系统，系统会及时做出应答声光和电话报警。

单片机又称微控制器，它巧妙将中央处理器、存储器、定时/计数器、各种输入输出接口集成在一块集成电路芯片上。

主要特点表现在体积小、可靠性强、控制功能高、处理信息快，便于生产和携带。

传感器能够将感受到的信息转变成电信号输出满足了处理存储和控制要求，它对自动检测和自动控制有着无可替代的地位。

本课题研究中选用了stc89c52单片机和MQ-2型烟雾传感器。

MQ-2对易燃气体具有特别好的灵敏度在较大的浓度差之间，比如液化气、丙烷、氢气、酒精和烟雾等气体。

另外具有易于其他传感器的稳定性和使用寿命，较快的响应速度，只需要简单易懂的驱动电路即可工作，通常用于家庭住宅和工厂车间的可燃气体和烟雾浓度的监测。

从这些优点中不难看出它非常合适应用在家庭智能烟雾报警系统。

stc89c52是一种只需要低量功耗却能获得强大性能的单片机，完美的兼容性和灵活性使它轻而易举的运用于各个领域。

目前房地产开发商都会选择安装烟雾报警系统，它能够实时监测室内温度烟雾浓度，如发现异常能立即应答，实现声光报警，更高级的会短信电话报警消防队智能发送火灾地点，给了屋主强烈的安全感，人们也可以镇定秩序的撤退，更加有利于消防官员的工作，减少不必要的损失。

1.2烟雾报警器的现状及发展

火的创造促进了人类物质文明的发展但是火又给人类带来了破坏性的伤害，多少家庭支离破碎，多少建筑财物灰飞烟灭。

火灾是由于各种可燃气体和固体燃烧爆炸所造成的，而烟雾报警器可以监测到这些燃烧时产生的物质做出应答，实现报警。

最近几年我国消防自动报警技术取得了很大的进步，但是在各地的实际运用当中我们所运用的制度不尽相同，所以我国的自动报警水平较国外水平低些。

我觉得存在一些问题：

使用范围仅限于一些易发地区和高级小区；智能化还不到位像元器件不够灵敏，软件处理信息速度较慢，不能电话报警报警系统不健全的算法无法计算出烟雾的浓度、温度等等，有时候报警系统错报和漏报重要信息。

另外我国是用铜芯绝缘导线个电缆将控制器和传感器连接在一起，并且还有接线的限制存在成本高施工复杂，并且铜线怕高温发生火灾时对监测有影响。

对于上面这几个比较明显的问题，我觉得烟雾报警技术必须加快发展步伐，使用全新的工艺和材料，加强软件支持让我国的技术变的更加可靠、智能、灵活、系统、低误和无误。

运用计算机技术将“119”报警中心与报警器通过协议连接起来，实现远程控制，对室内进行网络监控，这样信息的共享会及时准确的被收集到报警中心，同意调配人员进行营救扑灭。

使用灵敏的传感器将火灾现场气体类别浓度、温度等模拟量通过AD转化实现数字化从而准确获得信息让消防人员做出正确快速有效的扑灭和营救。

设计开发不能局限于发展烟雾报警器还要发展其他类别能监控火灾的报警器，这样才能更好的保护人民的安全和财产。

1.3课题研究的目的和意义

随着社会的进步和发展，各个领域的用火用电量急剧上升必然导致火灾发生频率升高，让人们防不胜防，手足无措。

特别是居民区火灾居民遇灾情惊慌失措，逃离现场混乱妨碍消防员救援和扑灭工作，这样无形之中加大了工作的难度。

可见防火显得日益重要。

据统计进去90年代我国由火灾造成财产损失增加至年均十几亿元，死亡人数也打到年均2000多人。

数据统计体现出消防工作的重要性。

如果每个家庭里都有个智能烟雾报警器和强化消防意识和拓展火灾逃生知识，那么悲剧就不会那么容易上演了。

特别是大城市的房屋建设如此密集，火灾发生率较高，灾情可能也比较严重，如果我们能够及时检测到房屋烟雾异常，是不是可以免除许多无妄之灾，而烟雾报警器就具备这样直观而又智能的功能。

可见烟雾报警器是防患火灾的必不可少的一部分。

1.4毕业设计基本内容

本设计主要研究运用stc89c52单片机、MQ-2烟雾传感器和DS18B20温度传感器组成的各个模块设计达成烟雾检测并声光报警的功能，完成基本内容如下：

1.利用烟雾和温度传感器监测周围环境的烟雾浓度和温度的变化

2.设置烟雾浓度和温度的报警值，紧急报警和取消紧急报警按键

3.检测信息超过报警值，进行声光报警

4.继电器驱动风扇降温和GSM信息报警

第二章系统的总体方案设计

2.1系统总体功能介绍

通常将烟雾温度传感器、信号采集分析器、单片机、报警器等器件组成烟雾报警系统，烟雾温度传感器实时监测现场的各种现象——特殊气体、实时浓度、温度大小等数据。

根据原理图看出烟雾传感器检测特殊气体、实时浓度信号并通过转换器将模拟信号转变成数字信号，而温度传感器直接输出数字信号，这样单片机通过软件运行做出报警应答，实现声光报警和进行风扇降温、降水灭火等功能。

系统功能原理框图如图2.1所示。

图2.1系统功能原理框图

2.2报警系统工作原理

整个报警系统由烟雾传感器将室内采集到的气体种类浓度等信息通过放大电路转变成模拟信号，然后系统会自动通过AD转化电路将信号变成数字信号以便于单片机的识别，而温度传感器直接输出数字量不需要转化。

控制器根据信息运算与我们事先设置的门限值比较，看是否已经达到危险浓度和温度，从而进行判断是否声光报警、风扇降温、降水灭火等应答。

在本次设计中出于对设计简单易操作的基本要求，使用数码管显示当前浓度和温度直观表现出实时室内情况，并采用蜂鸣器和LED灯实现简单明显的声光报警简单实用双重保障。

这样话在比较聒噪慌乱的环境中人们可以轻易发现明显的强光以防危险，使得报警系统更加安全和全面。

还可以加上继电器控制风扇和喷水阀门来实现排烟降温和灭火，更加智能的是设计中还可以载入GSM模块实现信息或电话连线119，播报气体种类，浓度等重要讯息。

2.3烟雾传感器和单片机的选择

2.3.1烟雾传感器介绍与选择

烟雾传感器能够检测到室内气体的类别和浓度，并这种模拟信号通过放大电路和AD转换电路转路可以变成单片机能够识别的电信号，然后单片机进过软件运算得出信号的强弱从而得知气体在室内的具体情况，各个报警器和继电器做出相应的应答，达到了检测、报警、灭火的自动控制要求，所以说烟雾传感器采集信息是整个报警系统的第一步骤也是重中之重。

那么传感器的精确性、稳定性、灵敏性显得尤为重要，换句话说传感器也是必不可少的核心器件，决定着本系统监测的各个重要指标。

随着现代技术的不断提高，制造传感器的技术逐渐简单、密集度不断提高，烟雾传感器的体积也日益减小，为传感器的日常携带提供了方便。

但是烟雾传感器通常工作得地方比较复杂，比如引起火灾的烟雾种类众多，有时候可能是多种气体燃烧，火灾时工作环境的温度不断升高也会影响监测性能。

所以作为日常使用的家用烟雾报警器必须要具备以下几个特点：

（1）能够单一检测一种烟雾具体参数，不收其它烟雾的影响；

（2）对监测的烟雾的具有极广的测量浓度范围和极高的灵敏性；

（3）监测信息的反映速度快，稳定性高；

（4）使用寿命较长，结构简单成本较低，易于量产和普及；

（5）检测出二氧化碳、一氧化碳和一些易燃气体。

常见的烟雾传感器种类：

电解质、半导体、接触式、高分子、热传导、电化学，但是本设计的报警器经常用于家庭、工厂等易燃场所，所以一般选用半导体和接触式传感器。

而接触式的经常暴露在外面由于氧化作用和杂志附着都会极大影响传感器的灵敏度，每几个月都要修理维护，成本也就比较高了。

与之相比的半导体传感器不仅具备灵敏度高、响应快，而且使用简单、修理成本低。

因此本设计选择了MQ-2半导体气体传感器，它具有探测范围广、极好灵敏度、极快应答速度、高于一般的半导体传感器长寿命和稳定性、外接简单的驱动电路就能安全工作，操作简单，并且适用于液化气、丙烷、氢气、酒精和烟雾等易燃易爆气体，这些性能决定它对于工厂、车间、家庭烟雾渗漏监测非常适用。

2.3.2stc89c52单片机简介

单片机是烟雾报警系统的核心枢纽，在单片机各项功能控制中，必须要有快速计算数据，这样才能做出及时监控反映当时烟雾浓度和种类，产生相应的应答。

同时在满足运算速度和控制功能我们还要考虑到报警器的量产化和工作环境的复杂，就使得设计选择成本较低、体积较小、结构简单、稳定性和抗干扰性好的。

在单片机的学习和实验中了解到一般正常使用的都是STC系列和8051系列的单片机，8051系列的虽然应用广泛、简单易懂、价格便宜但是运行速度缓慢、高消耗不适用于工业制造行业。

在stc系列单片机凭借低功耗、高效率、便宜、稳定性能霸占了国内单片机主要市场。

本设计中选用了增强版51单片机stc89c52，具有较大区间的可编程存储器，能够完美兼容8051系列的各种指令代码，处理速率也是传统51单片机的10倍左右。

Stc89c52是由宏晶科技公司推出的一款加强版8051单片机，它强大的抗骚扰、运算能力、低消耗的特点令人撑舌。

它主要结构组成部分有中央处理器、程序和数据存储器、8组I/O接口、定时器/计数器、看门狗和EEPROM、片内晶体振荡时钟电路等。

另外它还有三种工作模式分别为：

正常、掉电和空闲。

2.3.3单片机的引脚功能描述

单片机stc89c52的引脚图如图2.2所示。

图2,2单片机stc89c52的引脚图

电源：

VCC：

5V电源输入端；

VSS:

与地连接。

I/O引脚：

P0：

可作为8位双向接口，当它作为总线时相当于A0到A7的低8位地址总线和D0到D7的数据线，自带上啦电阻无需外接；

P1:

正常的8位双向接口；

P2:

不仅正常的8位双向接口，而且对应P1口时作为总线时可接收高位地址相当于A8到A15；

P3：

除了作为寻常的双向接口，还有一些特殊功能比如串行的输入输出口，定时器0、1的外部输入还有外部中断0、1，有的时候还拿它用于读写数据存储器的选通信号。

时钟：

XTAL1：

使用外部时钟时，可作为时钟发生电路的输入端；片内振荡放大器输入端；

XTAL2;片内振荡放大器输出端。

控制线：

ALE/PROG:

当单片机访问外部程序存储器时，输出锁存低8位地址信息。

PSEN:

作为读片外程序存储器的选通信号。

EA/VPP:

与PSEN对应的控制信号，决定了是否访问片外程序。

RST：

复位端，两个机器周期高电平完成电路复位操作。

2.4温度传感器选择

温度传感器基本上有三种：

模拟集成温度传感器、控制器和智能温度传感器，一开始决定采用模拟集成温度传感器LM135，AD741、AD590等。

但这些传感器都输出的是模拟信号需要AD转换电路才能用单片机识别运用，增加软件编写的难度和硬件电路搭建的复杂性。

而控制器比如LM56、AD22105虽然不需要AD转换但是不受单片机控制与本设计不符合，最后就是智能温度传感器比如DS1722、DS1620、DS18B20等等，DS18B20直接输出数字信息，广范围的承受电压和测温，与正常智能传感器更好的是只需一条线即可实现与单片机双向通信，测量结果直接用数字显示非常简洁明了。

异于普通温度传感器的体积小、价格低、传输距离远、运算时间快等优点更加符合家用烟雾报警器的量产携带方便的要求，并且多种类的封装形式适用于各种场合和领域，因此本系统采用DS18B20芯片。

第三章系统硬件电路

3.1单片机最小系统

一般把运用最少元器件组成可以正常工作的单片机系统称为单片机最小系统，其组成部分一般有单片机、内部晶振电路、RST电路和外接供电电路。

单片机最小系统原理图如图3.1所示。

图3.1单片机最小系统原理图

系统说明：

stc89c52正常工作电压为3-5V,所以正常接5V外电源电路即可。

电路如图3.1所示，VCC接电源正极，VSS接地线，RST接上复位电路模块，而XTAL1和XTAL2连接内部时钟振荡电路。

3.1.1复位电路

单片机的复位电路如图3.2所示，其用途相当于各类电器的重启功能，比如在使用电脑和手机突然死机了就可以通过重启键钮让一切恢复原状，单片机也是一样的道理。

在运行单片机系统时，难免会会出现单片机运算失常，程序编译错误，这时候就需要复位键钮来重新运行单片机系统。

从图3.2中不难看出复位电路主要由电容电阻串联而成，并利用了电容充放电电压不能突变的特性，复位电路连接在RST引脚上，前面的引脚功能介绍知道了RST引脚上只要出现两个机器周期或以上的高电平就可复位。

本设计中采用了两种方法复位一个是外部手动开关复位和开机复位两种。

由图中RC元件的数值我们可以算出电容充电时间为0.1S,单片机启动的0.1S内时电容开始不断充电电压从零开始逐渐增加，那么电阻两端电压是从5V开始减小，那么不难看出在这0.1S内RST引脚是处于高电平的，所以开机会使单片机系统自动复位。

另外一种就是手动开关复位了，当电容完全充满电的时候，电阻两端电压为0即RST引脚为低电平，单片机正在正常工作。

这时我们按下开关，电容相当于导线被短路了，处于放电过程电压不断减小这是电阻两端电压则变成高电压，因此RST引脚又处于高电平系统也随之复位。

图3.2复位电路

3.1.2晶振电路

单片机时钟振荡电路分为外部时钟振荡电路和内部时钟振荡电路，分别如图3.3（a）、（b）所示。

如图3.3（a）可知，当使用外部时钟时，XTAL1可作为时钟发生电路的输入端，XTAL2不接线；如图3.3（b）可知，当使用内部振荡电路时，XTAL1，2可分别作为片内振荡放大器的输入输出端。

每当出现一个机器周期，定时器工作计一个数，又因为12个振荡周期相当于一个机器周期，所以计数频率是振荡频率1/12。

定时时间就是N个机器周期。

本系统选用内部时钟振荡电路。

（a）外部时钟振荡电路（b）内部时钟振荡电路

图3.3时钟电路

3.1.3电源选择

一般运用到单片机上的外接电源有两种：

USB接口和电池供电两种方式。

首先选择了电池供电，然而电池的选择也有分类比如5V的蓄电池和用三节1.5V的干电池组成的电压为4.5V的电源。

蓄电池拥有稳定的电压和电流，但是由于他体型过于笨重和体积偏大，在本设计的家用烟雾报警器结构简单的特点相违背，所以放弃这种电池电源。

然而干电池电池更换简单，携带方便并且在试用整个报警系统时，系统中各个元器件都能有稳定足量的电压正常工作，可见干电池作为外接电源是最合适本次设计烟雾报警器。

所以本设计选择外接干电池电源

电源接口如图3.4所示其中SW1是电源开关，D1电源信号灯，P1为干电池接口。

电池盒接口

图3.4外接干电池电源电路图

3.2烟雾检测AD采集电路

设计使用的stc89c52单片机没有自带的A/D转换功能，所以加上ADC0832与传感器串联，将采集到的不同气体不同浓度通过AD转换器变成不同电压值。

MQ-2中六个引脚其中2和5是加热丝分别接电源和地，另外两对引脚用于信息取出分别接电源和地，烟雾检测浓度AD转换采集电路原理图如图3.5所示。

在进行AD转化时必须要先将CS使能端置于低电平，单片机通过P3.3向CLK输入时钟脉冲，通过DI输入通道选择CH0通道转换，DO输出信号。

VCC

图3.5烟雾检测浓度AD转换采集电路

3.3数码管显示模块

本设计中数码管显示电路用的是4位共阳数码管采用接三极管驱动，单片机的P1口分别接数码管a，b，c，d，e，f，g，dp，第28管角（P2.7）、27管脚（P2.6）、26管脚（P2.5）、25管脚（P2.4）与三极管基极相连控制数码管灯的开关，而数码管的四个位选择管脚与三极管集电极相连。

因为是共阳极数码管，当与基极相连的P2口管脚时低电平时三级管导通，数码管亮。

数码管驱动电路原理图如图3.6所示。

图3.6数码管驱动电路原理图

3.4声光报警控制电路设计

利用单片机的P3.6引脚控制电路通断，当室内温度或者烟雾浓度超过我们预设的警戒值，那么与三极管基极相连的P3.6是低电平，三级管导通，这时蜂鸣器发出声音警报和LED灯发光警报。

声光报警电路如图3.7所示。

P3.6

GND

GND

图3.7声光报警电路

3.5按键控制电路

设计中运用独立按键设计控制电路，系统中设立了四个按键开关，每个开关对应着不同的功能，也对应着不同的输出管脚。

按键控制电路原理图如图3.8所示,下面给出四个按键的定义和功能：

（1）s5设置键：

按下开关系统进入设置警戒值状态包括温度和烟雾浓度；

（2）s3加号按键：

每按一次可以让烟雾浓度提高一个量级或温度提高一个度数；

（3）s4减号按键：

每按一次可以让烟雾浓度降低一个量级或温度提高降低度数；

（4）s2紧急报警键：

当系统有时候来不及反应，我们遇到了危急情况，按下紧急键就能实现即时报警。

P2.0

P2.1

P2.2

P2.333

图3.8按键控制电路原理图

3.6温度传感器（DS18B20）电路

3.6.1DS18B20简单介绍

数字温度传感器DS18B20结构简单只有三个VCC、VDD、DQ引脚，测量结果非常简洁明了的数字显示，9到12位的高精确度测量水准，还有一百多摄氏度的测量区间，另外只需要单独一根I/O接口就可以与单片机形成通信。

温度传感器电路图如图3.9所示。

图3.9温度传感器电路

引脚说明：

DQ:

数据传输接口；寄生供电电源工作方式的电源线；

GND:

地线；

VDD:

外接电源供电方式的电源线