防火报警器设计与调试.docx

1、防火报警器设计与调试防火报警器设计与调试第1章 系统总体设计方案1.1防火报警器设计思路防火报警器是能够检测环境中的烟雾浓度及温度，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、测温电路、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，使仪器测试人员及

2、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。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。烟雾传感器及单片机是可燃烟雾防火报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是 至关重要的。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。1.2防火报警器整体设计方案 1.2.1防火报警器工作原理 本论文中的防火报警器以AT89S52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及DS18B20测温电路采集温度信息。 首先，烟雾传感器经过AD0832进行

3、转换后，进入单片机，温度通过DS18B20进行采集，用数码管显示温度和烟雾浓度的级别，温度报警的上下限值可以通过三个按钮来设置，另外，还设置一个紧急呼叫按钮，可以通过按此按钮来紧急报警，也可以设置为无人状态，用烟雾和温度自动报警。1.2.2防火报警器的结构 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仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、报警功能及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仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。 报警器系统结构框图如图2.1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

4、显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入等功能。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及可 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2.1 防火报警器结构框图1.3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 处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是

5、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。1.3.1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：

6、 (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，能有效地检测允许范围内的烟雾 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。(3)常见烟雾传感器简介 下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。 (a)半导体烟雾传感器半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应

7、用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。 (b)固体电解质烟雾传感器 固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广 泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中有优势。 (c)接触燃烧式传感器 当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触

8、燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持300度400度的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道烟雾的浓度。 (d)高分子烟雾传感器 利用高分子气敏材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速 度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操 作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有

9、重要作用。高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。 (e)电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性烟雾检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 (f)热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻

10、 值的变化情况。温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。 (g)红外传感器 红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。 不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易

11、燃气。由于非碳氢化合物易燃烟雾(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。 (4)见烟雾传感器可检测烟雾种类 由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。表1简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。传感器种类C0CO2 H2S NH3 HC

12、NHCICOCI2CI2 NOX SO2O2CH4C3H2H2H2O半导体气体传感器固体电解质传感器接触燃烧式传感器电化学式传感器高分子电解质气体传感器注：好 不太好表1各种烟雾传感器可检测的烟雾种类1.3.2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，其探头的阻缓及中毒，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

13、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。半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为

14、敏感体制作的烟雾传感器以及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)。 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及中毒现象，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

15、强、寿命长等优点。1.4 温度传感器的选型 1.4.1 温度传感器的介绍 监测温度和采集数据的传感器种类繁多。从单一房间的温度监测到复杂的批次过程控制应用都依赖精准的温度获取。电阻温度计（RTD），热电偶，积体电路温度计（ICTD）,热敏电阻，红外线传感器是用于以上目的的主要传感器类型。RTD决定于材料电阻和温度的关系，它读数精确（一般小数点后2-3位），具有多种封装形式。他们一般由镍，铜及其他金属制造，但是较早前，RTD是由铂制造的，很大程度上因为铂的电阻在较宽的温度区间里与温度成线性关系。但是由于铂价格昂贵且当温度超过660度时不能适用,因为在这范围以外铂的惰性会失效导致读数不准。RTD需

16、要一个小功率激励源才能进行操作，且RTD应用性很强，在较大范围内它侦测温度非常准确漂移很小。 热电偶是由双金属导体制备，受热时产生的电压与温度成比例.同RTD一样，热电偶常用于工业设置里。其种类丰富（B,J,K,R,T等），提供不同的温度敏感范围。热电偶读数没有RTD那么精确，有时可能高达一度之差。热电偶和RTD一样本身及其脆弱，使用时它通常附有一根耐用探针。一般热电偶价格不贵，但若装了特殊外壳或装置，其价格将大大上升。因为热电偶种类繁多测温范围很大，最高可达1800度，能用在高温条件下（但值得注意的是，高温使用一般需要特殊外壳、包装或绝热材料）。 ICTD是常见的通用温度传感器，其价格不贵，

17、类似2线晶体管装置，工作电压在5-30V之间，由此产生的电流与温度成线性比例。也和RTD一样，ICTD低噪音，但比RTD更易使用，因为其无需电阻测量电路。ICTD的特点在于其简易，工业应用偏少，在-50100度范围内温度测量较准确，例如在HVAC，制冷机和室内温度监控等应用上。热敏电阻工作原理是由电阻调节获得不同温度。这样看来热敏电阻和RTD的工作原理类似，差别在于前者使用2线互连，对温度更加敏感，但是一定程度上读数不准。除此，电热调节器所用材料通常是陶瓷或聚合物（而RTD使用纯金属），这样使其具有价格上的优势。热敏电阻适应于大容量的温度监测，范围在-40200度，并且允许一定量的漂移的场合。

18、 红外传感器代表了温度监测设备中最新前沿的仪器。红外辐射通过监测物体的电磁辐射（也叫做热摄影或高温测量）来对其进行远程温度测定，红外监测对快速移动的物体或难以测得高温易变化的环境有很好的效果红外广泛应用在制造流程中，如对金属、玻璃、水泥、陶瓷半导体、塑料、纸品、织物及涂层的温度。1.4.2 温度传感器的选型 温度传感器的测量性能要求：（a）测量范围（b）分辨力（c）准确度在决定使用哪种测温器件时，需着重考虑的是价格、温度测量所需达到的精度、设备对环境的适用性以及布线。例如：对ICTD来说，一般双绞电缆，最简单的布线方案就能使它正常工作，几千米的布线也不会造成信号损失。；而相比较RTD，则需要3

19、或4线制。对于RTD，线的规格也同样重要。直径必须相配，接合无误，即使在最佳的条件下，也易受噪音的影响，尤其在线过长的情况下。热电偶的应用通常都有严格的布线要求。每种热电偶有其匹配的线，和它的材料组成相搭配。这种专业线价格昂贵，所以在热电偶应用时，以短程布线为多。根据本设计需求，本设计选用了DS18B20温度传感器。在众多的温度传感器中，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。第2章 系统硬件设计2.1 系统工作原理本火灾自动报警系统中，以AT89

20、S52单片机为主控核心，使用DS18B20温度传感器采集温度信息，使用MQ-2气体传感器采集气体信息。DS18B20采集的数据为数字信号，可以直接发送至单片机进行处理。MQ-2气体传感器输出的信号一般比较微弱，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。MQ-2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ADC0832采集，信号经过A/D转换模块后传送进入单片机进行处理。单片机内部程序中预先设定报警临界值，包括温度过高报警和气体浓度过高报警。单片机正常工作后，判断所接收到的数据是否达到报警临界值，如果到达报警值单片机控制蜂鸣器

21、和LED灯进行报警，如果没有达到报警值单片机继续接收并处理新数据。如果单片机接收到报警按键信号，直接报警。单片机实时向CAI3461BH数码管显示模块输出显示信号，显示模块显示周围环境温度和气体数值。下图是系统工作原理框图：图3.1 系统原理框图2.2 控制器模块设计在自动火灾报警系统的设计中，单片机是其核心部件。单片机一方面要接收来自传感器送来的感应信号和故障检测信号，另一方面要对不同信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作，同时还要查询是否有按键按下的请求。如今市面上比较普遍的单片机主要是89S52系列。89S52单片机应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，编程灵活，控制简单，很适合我

22、们所要制作的火灾自动报警系统。2.2.1 AT89S52单片机40个引脚，4k bytes flash片内程序存储器，128 bytes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。AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性

23、存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。其结构框图如图3.2所示。图3.2 AT89S52结构框图图3.3 AT89S52此外，AT89S52设计和配置了震荡频率可为12MHZ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。主要功能特性： 兼容mcs

24、-51指令系统 4k可反复擦写(1000次）isp flash rom32个双向i/o口 4.5-5.5v工作电压2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33mhz全双工uart串行中断口线 128x8bit内部ram2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式 3级加密位看门狗（wdt）电路 软件设置空闲和省电功能灵活的isp字节和分页编程 双数据寄存器指针按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。1.多功能I/O口AT89S52共有四个8位的并行I/O口：P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0 P0.7，P1.0

25、 P1.7，P2.0 P2.7，P3.0 P3.7，共32根I/O线。每根线可以单独用作输入或输出。（1）P0端口，该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。在对Flash存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。（2）P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写

26、“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表3所示。表3 P1口管脚复用功能端口引脚复用功能P1.0T2（定时器/计算器2的外部输入端）P1.1T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）P1.5MOSI（用于在线编程）P1.6MISO（用于在线编程）P1.7SCK（用于在线编程）（3）P2端口，

27、该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。（4）P3端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出

28、缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在AT89S52中，同样P3口还用于一些复用功能，如表4所列。在对Flash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。表4 P3端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.

29、7RD（外部数据存储器读选通）2.RST 复位输入端。在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。在SFR AUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。3.ALE/PROG 地址锁存允许信号。在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉

30、冲。在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。4.PSEN 程序存储器允许信号。它用于读外部程序存储器。当AT89S52在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期PSEN被激活2次。在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。5.EA/Vpp 外部存取允许信号。为了确保单片机从地址为0000HFFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。但是，如果锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。当执行内部程序时

31、，EA应接到Vcc。在对Flash存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压Vpp。6.XTAL1 振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。7.XTAL2 振荡器的反相放大器输出。2.3 显示模块设计本火灾自动报警系统需要实现对周围环境温度和气体的实时监测，故需要显示模块来显示周围环境的温度和气体变量。采用SMC1602A液晶显示模块可以实时清楚的显示周围环境变量，该液晶显示模块能够同时显示16x02即32个字符，也就是16列2行，便于独立显示温度和气体变量。2.3.1 数码管显示显示电路图3.4数码管显示电路数码管引脚图数码管使用注意事项说明：（）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；（）焊接温度：度；焊接时间：（）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b