烟雾超标报警自动排气电路的设计与制作设计.docx
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烟雾超标报警自动排气电路的设计与制作设计
烟雾超标报警自动排气电路的设计与制作
[摘要]为了有效的降低火灾带来的损失,利用单片机AT89S51设计了一种烟雾超标报警自动排气电路。
它主要由单片机最小系统、烟雾检测电路、语音报警电路、自动排气电路等组成。
软件用C语言编写程序,在keil中进行程序的编译并下载到AT89S51芯片中。
先用proteus进行硬件仿真,通过后将下载的单片机和相关元器件焊接在PCB板上,上电后可以实现烟雾检测,语音报警和自动排气控制等功能。
[关键词]单片机;烟雾检测电路;语音报警电路;自动排气电路
Designandproductionofexcessivesmokealarmandautomaticexhaustcircuit
[Abstract]Inordertoreducefirelosses,theexcessivesmokealarmandautomaticexhaustcircuitisdesignedusingMCUAT89S51,whichismainlycomposedofMCUminimumsystem,smokedetectioncircuit,avoicealarmcircuit,automaticexhaustcircuit.etc.ThesoftwarewaswritteninClanguage,theprogramiscompiledontheKeilenvironmentanddownloadedtoAT89S51chip.ThehardwarepartissimulationintheProteusenvironment,whenpassingthrough,theMCUwhicharedownloadedandsomerelatedcomponentsareweldedinthePCBboard,onelectrifyingitcanbeachievedthatthesmokedetection,thevoicealarmcircuitandtheautomaticexhaustcontrolfuctions,etc..
[Keywords]MCU,Smokedetectioncircuit,Voicealarmcircuit,Automaticexhaustcircuit
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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1.引言
随着现在家庭中家用电器的使用量逐渐增加,用电量也随之增加。
而用电量的大幅增加也会增高火灾发生的频率。
如果在一般家庭中发生火灾,就会很大程度上出现扑救不及时的情况。
由于许多场合缺乏灭火器材以及人们在逃生时的惊慌失措,和外界逃生环境迟缓等不利因素,最终就会给人们的生活和财产带来重大的损失。
美国消防协会(NFPA)强调烟雾报警器在拯救生命方面发挥着越来越重要的作用,NFPA指出美国家庭火灾死亡人数的40%是由于未安装报警器造成的[4]。
随着经济的发展、大量楼宇的建成与使用,用于保障人身和财产安全的火灾报警系统显得越来越必要。
但火灾报警系统设置后,往往会发觉系统有些不尽如人意的地方。
如:
探测器经常误报警,经常演绎“狼来了”的故事,使得消防值班人员饱受困扰。
排除了设备质量不过关等情况后,我们发现这些情况往往是由于探测设备受到干扰而造成的。
下面将从火灾探测器的工作原理和结构入手,逐步分析探测器的部分和主要干扰来源,并对由此产生的误报警提出一些改进的方法。
火灾探测器的工作原理火灾探测器顾名思义就是探测是否有火灾可能或火灾正在发生的设备,根据火灾的特点及其产生物(例如:
烟、热、火焰等)的特性,可分为:
烟雾探测器、温度探测器及火焰探测器三类。
其中烟雾探测器和温度探测器用的地方占绝大部分[8]。
研究烟雾超标报警和自动排气电路对减低火灾损失有着非常重要的现实意义。
目前,火灾自动报警控制系统已广泛应用于商场、仓库、宾馆等场所,采用集中报警控制方式的总线控制系统。
随着人们生活水平及家居环境的提高,廉价实用的火灾自动报警器将进入家庭,而且需求量很大[3]。
(1)研究现状
随着经济的发展、大量楼宇的建成与使用,用于保障人身和财产安全的火灾报警系统显得越来越必要。
但火灾报警系统设置后,往往会发觉系统有些不尽如人意的地方。
如:
探测器经常误报警,经常演绎“狼来了”的故事,使得消防值班人员饱受困扰。
排除了设备质量不过关等情况后,我们发现这些情况往往是由于探测设备受到干扰而造成的。
下面将从火灾探测器的工作原理和结构入手,逐步分析探测器的部分和主要干扰来源,并对由此产生的误报警提出一些改进的方法。
火灾探测器的工作原理火灾探测器顾名思义就是探测是否有火灾可能或火灾正在发生的设备,根据火灾的特点及其产生物(例如:
烟、热、火焰等)的特性,可分为:
感烟探测器、感温探测器及火焰探测器三类。
其中感烟探测器和感温探测器用到的地方占绝大部分[8]。
我国烟雾超标报警自动排气工程应用技术实现了较快发展,但由于在实际应用中,烟雾超标报警系统的通讯协议不一致,烟雾超标报警自动排气工程技术水平还相对落后,还存在着一些比较突出的问题。
如适用范围过小、智能化程度低、网络化程度低、组件连接方式有待改善、烟雾超标报警自动排气系统误报、漏报问题较多、超早期烟雾探测报警技术应用还几乎处于空白。
(2)发展趋势
针对当前烟雾超标报警自动排气系统存在的误报漏报频繁、智能化和网络化程度低、特殊恶劣条件下烟雾探测报警抗干扰能力弱等问题,烟雾超标报警自动排气系统应用技术应进一步着眼于当前国际发展的新形势,加快更新改造进程,加强对数字技术和新工艺、新材料的应用,改进系统能力,使烟雾超标报警自动排气系统应用技术向着高可靠、低误报和网络化、智能化方向发展。
新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究势在必行[7]。
(3)课题研究意义
烟雾超标报警器的意义在于可以实现对普通环境中烟雾浓度进行实时检测,以减少烟雾有毒气体对人体的伤害,通过报警来警示人们所处环境的烟雾浓度过高,并通过单片机来控制环境的有毒气体浓度,如完成开风扇通风、切断有毒气体来源等由单片机控制的部分。
现在家具产品多种多样,智能化、小型化的节能、绿色、安全产品越来越受到普通大众的青睐。
该设计以其小型化、智能化并且设计的电路系统简洁明了、电路构成简单、易于维护、实用性强等特点能够广泛的应用于居民、企事业单位等多方面的安全防范。
(4)论文结构
论文主要从方案论证及选择、硬件电路设计、系统软件设计、制作与调试等几大方面来介绍烟雾超标报警点的设计和制作过程。
其中方案论证及选择主要从三种可以实现烟雾超标报警自动排气功能的方案中选择一个成本低、易操作、系统性能较高的方案。
硬件电路设计主要是针对选择的方案进行具体的电路设计。
其中主要设计的电路包括:
单片机最小系统电路,烟雾检测电路,语音报警电路,自动报警电路等以及一些外围辅助电路。
系统软件设计则主要是设计单片机进行控制所需要的相关程序,这部分程序采用C语言进行编写。
最后的制作与调试主要是进行硬件仿真与制作,并对硬件进行相关功能的测试,检测是否能达到设计所要实现的功能。
最后对全文进行概括的总结,并提出相关扩展功能,有待进一步完善。
2.方案论证及选择
2.1方案一:
基于SOPC设计的烟雾超标报警自动排气电路
基于SOPC设计的烟雾超标报警自动排气电路原理框图如图2.1所示。
图2.1基于SOPC设计的烟雾超标报警自动排气电路原理框图
基于SOPC的烟雾报警系统。
SOPC(System-on-a-Programmable-Chip)可编程片上系统。
SOPC是在一块硅片上利用可编程逻辑技术来设计和开发一个完整的可编程片上系统。
可编程片上系统(SOPC)是一种特殊的嵌入式开发系统。
SOPC可编程片上系统其整个系统主要逻辑功能是由单个芯片完成之间的共同作用来完成的;SOPC可编程片上系统是可以自主进行编程的系统,具有灵活的可裁减、可扩充、可升级的自主编程设计方式,同时也可以在软硬件方面实现系统的可编程功能。
QuartusⅡ是最高级和复杂的用于SOPC的设计环境。
QuartusⅡ可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。
QuartusⅡ平台支持一个工作组环境下的设计要求,其中包括支持基于Internet的协作设计。
该系统由图中所示的几个部分构成。
烟雾传感器安装于检测现场,通过导线连接到主板传感器的驱动电路,传感器检测的信号送到放大电路将信号进行放大,A/D转换电路将放大后的信号转换为0~5V的电平信号,并由A/D转换芯片将转换的数字信号送入SOPC控制器。
系统的其它部分均安装在主板上,SOPC控制器接受到来自传感器的数据后将数值显示,并根据事先定制好的规则判断烟雾是否超标,如果有烟雾超标则将发出报警信息,并驱动语音报警电路发出报警,同时驱动自动排气电路开始工作。
2.2方案二:
基于放大器和比较器设计的烟雾超标报警自动排气电路
基于放大器和比较器的设计的烟雾超标报警自动排气电路原理框图如图2.2所示。
图2.2基于放大器和比较器的设计的烟雾超标报警自动排气电路原理框图
电化学传感器的工作原理是:
电化学传感器内部的物理结构可以与被测气体发生反应,能产生与检测空气中气体的浓度成正比的电信号来工作。
电化学传感器主要包括两部分:
传感电极(又称工作电极)和反向电极。
传感电极和反向电极中有一层薄的电解层,这层薄的电解层将传感电极和反电极隔开。
空气中的待检测气体通过网孔与传感器内部结构能够发生一定的化学反应反应,这种反应会形成一层憎水屏障,这层憎水屏障就会形成一种电极表面。
这样就完成了传感器的传感电极与空气中某种气体的发生的电化学反应。
电化学反应会形成一定的电信号,这种电信号就可以防止传感器中的电解质泄漏出传感器。
空气中的待检测气体透过网孔与传感电极发生电化学反应产生传感电极,这种电化学传感电极主要是应用的氧化机理和还原机理。
这两种催化反应主要是针对不同的被测气体以及不同的电极材料反应所生成的各种不同的电化学反应。
正负极之间通过电极间连接的电阻,产生的与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极之间流动。
如果测量该电流的大小,就可根据电流的大小与气体浓度的换算关系来确定空气中某种气体浓度。
由于电化学传感器在进行浓度监测的过程中会产生一定大小的电流,所以电化学传感器又被称为电流气体传感器。
在具体的实际应用中,由于电化学传感器在检测电路中使用时电极表面会连续发生电化学发应,传感电极电势会处于不断变化的状态,所以当电化学传感器在使用一段较长时间后,传感器的检测性能会逐渐退化。
2.3方案三:
基于气敏传感器设计的烟雾超标报警自动排气电路
基于气敏传感器设计的烟雾超标报警自动排气电路原理框图如图2.3所示。
图2.3基于气敏传感器设计的烟雾超标报警自动排气电路原理框图
采用基于单片机的烟雾报警器。
整体方案设计:
首先需要把烟雾信号转化成单片机[9](AT89S52)可识别的数字信号,这部分电路就需要烟雾检测电路、放大电路和数模转换电路组成。
其次由单片机中的程序判断传输的烟雾信号是否超标,最后在超标的情况下,由单片机控制启动报警和排气电路。
烟雾超标报警自动排气装置的最基本组成部分应包括:
它由光电式烟雾检测电路、语音发声电路、音频功放电路、排气控制电路和交流降压整流及稳压电路等组成[1]。
原理框图说明:
烟雾信号采集电路一般由气敏管[6]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。
再用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处理,并对处理后的数字信号进行分析比较,看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并自动排气电路,反之则为正常状态。
以上是根据报警器应具备的功能,提出的整体设计和需要解决的问题。
2.4方案选择
方案一:
基于SOPC设计的烟雾超标报警自动排气电路系统的可靠性不高。
由于可能会有因某种特定原因产生的类似火灾的干扰源触发报警系统。
所以不采取此方案。
方案二:
基于放大器和比较器的设计的烟雾超标报警自动排气电路采用电化学传感器。
电化学传感器有一个恒定的检测范围。
当检测的气体浓度处在这个范围之中时,检测到的气体浓度的可靠性最高。
当被测气体浓度超过电化学传感器的检测范围时,产生的电流大小不能准确的反应出气体浓度的大小,电化学传感器这时就会产生处于饱和状态的电流值。
当气体浓度低于范围的最小值时,就会削弱电化学传感器产生的反映信号,还有一些不可避免的环境噪声干扰,仪器的使用有误从而使读数不准确,也会降低电化学传感器的准确性和分辨率。
如果空气中的待测气体有交叉影响,电化学传感器回合很多气体都可以产生氧化还原反应并产生一定大小的电流。
待测气体的交叉影响使检测结果不能反映检测气体的实际含量,检测结果就会失去科学价值和原有的合理性。
此外传感器的零点漂移问题也是影响的主要因素,传感器的零点漂移是传感器以前曝光的时间和温度相互交叉影响的结果。
零点漂移是二个变数交互作用的结果,所以它不能够通过温度补偿来解决。
综上所述本设计的稳定性不高,存在的干扰因素较大,所以不采取此方案。
方案三:
基于气敏传感器设计的烟雾超标报警自动排气电路,首先传感器选用MQ-2型半导体烟雾气敏传感器,其在常温条件工作时不需要温度补偿电路,因此选此传感器省去了设计温度补偿电路的麻烦。
单片机采用AT89S51单片机为控制核心,完成数据的处理工作。
复位电路可以采用典型的上电复位或者是按键复位电路。
整体电路设计简单,可靠性较高,易于实现。
因此,综合考虑成本、易操作性、系统性能等因素,最终选择方案三。
3.硬件电路的设计
3.1单片机最小系统电路的设计
单片机最小系统的具体电路图如图3.1所示。
电路主要包括:
单片机、时钟电路、复位电路。
图3.1单片机最小系统电路图
(1)AT89S51单片机
AT89S51是一个低功耗,高性能的CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,AT89S51采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有的特点为:
40个引脚,4KB片内程序存储器,128比特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。
AT89S51可以通过硬件设置振荡频率可为0Hz,也可通过软件设置进入省电模式。
在空闲模式下,单片机的CPU就会停止工作而RAM定时计数器、串行口以及外部中断系统是继续工作,这样就可以在掉电的情况下使振荡器冻结,将数据保存在RAM中,掉电的时候系统会停止芯片的其它功能,直至外部中断响应或硬件电路进行复位。
AT89S51芯片有三种封装形式PDIP、TQFP和PLCC,这三种不同的封装形式适应不同产品的需求。
特别注意:
31脚(/EA/Vpp)是选择片内外存储器的引脚,当/EA/Vpp接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当/EA/Vpp接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。
(2)复位电路:
单片机在启动时都需要复位,以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态,并从初态开始工作,复位后PC=0000H,使单片机从第—个单元取指令。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时,且振荡器稳定后,如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上,则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有:
手动按钮复位和上电复位。
根据实际情况选择如图3.1所示的复位电路,该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键,在接通电源瞬间,电容C1上的电压很小,复位下拉电阻R2上的电压接近电源电压,即RST为高电平,在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降,当RST端的电压小于某一数值后,CPU脱离复位状态,由于电容C1足够大,可以保证RST高电平有效时间大于10ms,CPU能够可靠复位。
增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。
当复位按键按下后电容C1通过R1放电。
当电容C1放电结束后,RST端的电位由R1与R2分压比决定。
由于R1< R1的作用在于限制按键按下瞬间电容C1的放电电流,避免产生火花,以保护按键触电。 最小系统中复位电路的电容C1的大小直接影响单片机的复位时间,一般采用10uF左右极性电容,单片机最小系统的电容值越大复位的时间越短。 在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振,单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度,频率越大处理速度越快。 (3)时钟电路: 单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的,而片内的时钟产生方式有两种: 内部时钟方式和外部时钟方式。 本文就采用内部时钟方式。 内部时钟方式片内高增益反相放大器通过XTAL1和XTAL2外接作为反馈元件的晶体与电容组成的并联谐振回路,构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。 振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率,晶体选择11.0592MHz;电容C2、C3的值则有微调作用,通常取30pF左右的瓷片电容。 3.2烟雾检测电路的设计 3.2.1烟雾传感器的选择 烟雾传感器的主要分为离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感和气敏式烟雾传感器。 (1)离子式烟雾传感器: 离子式烟雾传感器是一种先进的技术,是一种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,它的性能远优于由光电式烟雾传感器构成的火灾报警器。 (2)光电式烟雾传感: 该烟雾传感器内部有一个光学迷宫,安装有红外对管,没有烟雾时红外接收管接收不到红外发射管发射出来的红外光线,当烟雾进入光学迷宫时,通过折射、反射后,接收管将接收到红外光线,报警电路判断是否超过阈值,超过则发出警报,反之则不然。 (3)气敏式烟雾传感器: 该烟雾传感器是一种检测特定气体的传感器。 它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等,其中用的最多的是半导体气敏传感器。 半导体气敏元件有N型和P型之分。 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小,P型阻值随气体浓度的增大而增大。 当温度在200~300℃时半导体气敏元件让空气中的氧吸附在元件表面,当氧负离子吸附在半导体气敏元件表面可以形成氧负离子吸附,氧负离子的减少就会使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。 当遇到空气中可燃气体时,由于可燃气体能够提供给电子,可燃气体中就会有正离子吸附在金属氧化物半导体表面,氧负离子放出电子使可燃气体以正离子的吸附也要放出电子,电阻值下降就是因为半导体电子密度增加。 当气体中可燃气体的浓度减少或可燃性气体不存在了,半导体气敏元件中金属氧化物半导体就能恢复氧的负离子吸附,使电阻值升高到初始状态。 这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理[6]。 此次使用的气敏式烟雾传感器选择的具体型号为MQ-2。 该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置,适宜于烟雾、液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等的探测。 本设计选用的MQ-2型气体传感器,这种型号的传感器的特点是灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长、价格低廉等优点。 MQ-2气体传感器是SnO2(氧化锡)半导体气敏传感器属于电阻型气敏元件。 它是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化。 若气浓度发生变化,其阻值也将随之变化。 根据这一变化,可以从阻值的变化得出吸附气体的种类和浓度。 MQ-2的主要特点: (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。 (当输出为低电平时信号灯亮,可直接单片机) (4)模拟量输出0~5V电压,浓度越高电压值越高。 (5)快速的响应恢复特性。 (6)具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。 (7)适宜于烟雾、液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等的探测。 3.2.2烟雾传感器电路 烟雾检测电路图如图3.2所示。 主要由烟雾传感器MQ-2和相关元器件构成。 图3.2烟雾检测电路图 传感器的电导率是随空气中可燃气体浓度的增大而增大,再使用相应的外围电路就可将电导率的变化转变成与该气体浓度变化相对应的电信号。 一般情况下,传感器输出的信号会比较弱,而且其中还包括了一些避免不了的干扰,对这种信号的放大就需要有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗的放大电路。 当传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整后,输出的信号才能满足单片机对输入信号的要求。 烟雾传感器是气-电变换器,它属于气敏传感器,它将空气中烟雾或可燃性气体的含量(即浓度)转化成对应的电压或者电流信号,传感器作为烟雾报警器的信号采集部分,是整个系统的核心组成部分之一。 一个烟雾传感器既可以只实现单个功能,也可以实现多种功能的。 一个完整的烟雾传感器都必须具备: (a)能够检测某种单一烟雾,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,制造成本低,使用与维护方便等条件。 3.3语音报警电路的设计 设计的语音报警电路如图3.3所示。 语音报警电路主要由语音录放音电路和音频放
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