火灾烟雾报警器的设计.docx

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火灾烟雾报警器的设计

本科生毕业设计

题目（中文）：

火灾报警器的设计

系部：

信息工程与科学系

专业年级：

指导教师：

职称：

副教授

火灾烟雾报警器的设计

摘要：

从古到今，防火工作一直都很重要，尤其是随着家庭用电量的急剧增加，有必要研制一种结构简单、经济实用的家庭烟雾报警器以适应需求。

本设计以传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件即可实现声光报警的功能。

在本设计中，单片机选用STC89C52作为核心控制器件，传感器选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器和DS18B20温度传感器。

该火灾烟雾报警器设计合理、简单易懂、易于操作，使单片机在烟雾报警系统的控制中得到充分应用，具有很大的使用价值。

在论文中，详细介绍了烟雾报警系统中的各个组成部分及功能，并对其主控电路和外围设备电路之间的接口连接方式，以及系统软件设计进行了分析和讲解。

关键字：

烟雾报警器STC89C52MQ-2DS18B20

Thedesignoffiresmokealarm

Abstract：

Tofirepreventionworkhasalwaysbeenveryimportant,especiallywiththerapidincreaseoffamilypowerconsumption,itisnecessarytodevelopasimplestructure,economicalandpracticalfamilysmokealarmtoadapttothedemand.Thisdesignbysensorandsinglechipmicrocomputerascorecomponentsofsmokealarmdesign,soundandlightalarmfunctioncanberealizedincombinationwithotherdevice.Inthisdesign,microcontrollerSTC89C52chosenasthecorecontroldevice,sensorselectionofMQ-2typesemiconductorgassensitiveelementsmokesensorsandDS18B20temperaturesensor.Thedesignoffiresmokealarmisrational,simple,easytooperate,makeSCMarefullyappliedinthesmokealarmsystemcontrol,areofgreatusevalue.Inthethesis,detailedintroducesthevariouscomponentsofthesmokealarmsystemandfunction,andthemaincontrolcircuitandtheinterfacebetweentheperipheralcircuitconnectionmode,aswellasthesystemsoftwaredesignareanalyzedandexplained.

Keywords:

smokealarmSTC89C52MQ-2DS18B20

第1章绪论

1.1设计概况

1.1.1设计背景

现代社会的高速发展，使得人们在日常生活和工业生产中对于火灾的防范越来越重要。

火灾，就是失去控制的燃烧所引发的灾害。

它对人类生命财产和社会安全构成了极大的威胁。

为了更早地发现和通报火灾，减少火灾危害，保护人身和财产安全，火灾探测器的研究和设计越来越显得重要。

单片机及烟雾传感器是本设计的两大核心。

单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。

近几年来，单片机已逐步深入应用到生产及人们生活的各个方面。

单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。

由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到所有电子系统中。

同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。

而传感器作为信息技术系统的“感官”器件，如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、高速度的控制系统。

美国曾把二十世纪八十年代称为传感技术时代，日本更是把传感技术列为十大技术之首。

所以，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器和单片机芯片是至关重要的。

在本论文中的最主要的设计是选STC89C52单片机和MQ-2半导体气体烟雾传感器为核心器件。

目前，现代建筑都会有选择地安装不同功能的烟雾自动报警系统。

因为烟雾自动报警系统是建筑物的神经系统，它能够感受、接收着发生火灾的早期信号并及时报警，发出警报同时告知用户和周边居民。

它就像是一个个称职的更夫，给居住、忙碌或是休息在家庭中的人们以极大的安全感。

在火灾的早期阶段，准确的探测到火情并迅速报警，对于及时组织有序快速疏散、积极有效地控制火灾的蔓延、快速灭火和减少火灾对居住人群的损失都具有重要的意义。

1.1.2烟雾报警器的国内外现状

国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。

据有关统计，美国1996年到2002年烟雾传感器年均增长率为27%到30%。

随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。

1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。

在70年代初期，我国开始研制烟雾报警器。

虽然取得了很大的进步，但主要是在引进国外先进的传感器技术和生产工艺基础上，进一步的研究和发展。

近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。

燃气报警器可分为民用火灾烟雾报警器、工业用烟雾报警器、有毒有害烟雾报警器三大系列产品。

（1）民用火灾烟雾报警器

民用火灾烟雾报警器为居民家庭用的火灾报警器,一般安装在厨房，遇到火灾产生的烟雾时时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。

有的报警器可自动开启排风扇，把烟雾排出室外

（2）工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器

工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。

工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。

检漏仪可随身携带，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。

若有泄漏，则会声光报警，同时数字显示烟雾浓度，能够在短时间内采取安全措施。

控制器与探测器结合使用，可长期监测烟雾的浓度。

探测器可在防爆现场安装，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方。

当燃气被探测器探测后，通过屏蔽电缆线可以将信号传到控制器，则控制器会发出声光报警，排风装置启动或电磁阀切断气源被关闭，以确保安全。

1.1.3烟雾报警器的发展趋势

面对人类社会经济与技术急速发展的时代，伴随这电子、计算机、通讯和现代控制技术的迅速发展，现代火灾自动报警应用技术发展趋势正在向着全总线制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、蓝牙技术无线化、高灵敏化、综合化等方面发展。

当前烟雾自动报警系统存在许多的不足，比如通讯协议不一致，系统出现误报，智能化程度较低，网络化程度较低，等一些特殊恶劣环境较为突出的现象下，提出了采用统一、标准、开放的通讯协议。

通过对系统方案、设备选型的优化，对新技术、新工艺、新材料的应用研究，改进烟雾自动报警系统的工作性能、减少维护费用和要求，向着更高可靠性、灵敏性、和低误报率，以及系统网络化、技术智能化方向发展，为更好的预防和遏制火灾提供了强有力的保障，从而使国家和人民的生命、财产安全得到更好的保护。

1.2设计任务分析

本篇论文是烟雾报警器的研制：

（1）对系统进行整体规划和结构设计。

（2）以STC89C52单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。

系统硬件电路主要分为数据收集、声音报警电路、状态指示灯电路、数码管显示电路部分。

（3）系统的软件编制。

按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始化子程序、浓度显示子程序、报警子程序、报警限值设置子程序。

在程序的编写过程中，加入了详细的文字注释，便于后期的改进与维护。

（4）硬件电路和软件的综合调试。

第2章总体方案设计

烟雾报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器。

该报警系统的最基本组成部分应包括：

信号采集模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路等部分组成。

为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的烟雾报警器具有显示报警状态。

报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以STC89C52单片机为控制核心，选用MQ-2半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度信息，配合外围电路构成烟雾报警系统。

本设计包括硬件和软件设计两个部分。

从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：

烟雾检测部分、STC89C52单片机主控部分、报警部分，AD采集四大部分。

电路总题框图如图2.1所示：

图2.1总体设计框图

处理器采用51系列单片机STC89C52。

整个系统是在系统软件控制下工作的。

设置在监测点上的烟雾检测探头将检测到的烟雾变换成电信号，送出模拟信号，给AD采集电路采集。

在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出烟雾报警状态控制信号。

驱动蜂鸣器及报警指示灯报警。

2.1烟雾检测传感器选型

烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。

而烟雾报警器的信号采集由烟雾传感器负责。

烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。

可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。

烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。

烟雾传感器内部结构如图2.2所示。

图2.2烟雾传感器及其结构图

2.2.1烟雾传感器的介绍

烟雾传感器是模拟传感器。

它能将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。

烟雾传感器就是通过监测环境中烟雾的浓度来实现火灾防范的。

当烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体，烟雾探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。

烟雾传感器利用烟雾敏感元件的电阻受烟雾（主要是可燃颗粒）浓度影响阻值变化的原理向单片机发送烟雾浓度相应的模拟信号。

在智能建筑中对火灾探测器的应用主要以感烟火灾探测器选用为主。

随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾探测器的体积也逐渐变小，提高了烟雾探测器的便携性，更加利于生产、运输和市场推广。

目前，烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。

在国内的产品中，无论哪家生产的烟雾探测器，都可以探测到火灾的发生，都具有比较高的灵敏度，而且在安装中都比较简单。

但是，由于各生产的设备不可通用，独立为正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通讯。

使得用户面对众多厂家生产的烟雾探测器感到不知所措。

而这也正是国内产品市场的一个重大缺陷。

（1）烟雾传感器的分类

从构成气体传感器材料的形态上通常将它们分为干式和湿式气体传感器。

由于对不同气体的检测方法不尽相同，目前主要的方法有：

利用半导体气体器件检测的电气法；使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。

（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：

（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）常见的烟雾探测器种类及工作原理

为了确保家庭环境的安全，需要对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。

但是，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。

因此目前使用的烟雾传感器有很多种，各自的检测原理也各不相同，下面就对一些常用的烟雾传感器进行介绍。

（a）半导体烟雾传感器（半导体气敏传感器）

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。

半导体烟雾传感器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而制成的。

按照敏感机理分类，半导体烟雾传感器可分为电阻式和非电阻式。

当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种类型的传感器称为电阻式半导体气敏传感器；当ＭＯＳ场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器。

（b）接触燃烧式传感器

当这种被催化物覆盖的传感器表面接触易燃烟雾时，就会发生氧化反应而燃烧。

其检测元件一般为铂金属丝，当对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温时，若与可燃性气体接触，可燃性气体就会燃烧，从而铂丝的温度就会上升，电阻值也就上升。

通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就可得到可燃性气体的浓度。

（c）电化学传感器

电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。

电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是电流（气体直接氧化或还原产生），也可以是电动势（离子作用于电极产生）。

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）。

（d）高分子烟雾传感器

利用高分子气敏元件制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。

高分子气敏元件在遇到特定烟雾时，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。

高分子气敏元件由于具有易操作性、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）红外吸收型传感器

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，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。

（f）离子感烟传感器

离子感烟传感器对于火灾初起和阴燃阶段的烟雾气溶胶检测非常有效，可测烟雾粒径范围为0.03um-10um。

它在内外电离室里面有放射源镅241。

由于它能使两极板间空气分子电离为正、负离子，使电极之间原来不导电的空气具有导电性。

在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。

当火灾发生时，烟雾粒子进入电离室后，电力部分（区域）的正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上，使正、负离子相互中和的概率增加，从而将烟雾粒子浓度大小以电流变化量大小表示出来，实现对火灾参数的检测。

（g）光电式感烟传感器

光电式感烟传感器由光源、光敏元件和电子开关等器件组成。

平常光源发出的光，通过透镜射到达光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达的光就减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。

按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。

不同场合，报警器检测烟雾种类的要求不同，但很多场合都会选择使用半导体烟雾传感器。

因为比较其他半导体烟雾传感器，其优点更加突出。

比如具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本也比较较低。

因此，本设计中的烟雾传感器选用MQ-2半导体气体烟雾传感器。

2.2.2MQ-2半导体气体烟雾传感器

MQ-2半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡（SnO2）为主体的N型半导体气敏元件。

当传感器所处环境中存在烟雾气体时，传感器的电导率随空气中烟雾气体浓度的增加而增大。

在设计报警器时只有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。

该传感器具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、抗干扰能力强、输出信号大、寿命长和工作稳定等优点，在市面上应用十分广泛。

二氧化锡（SnO2）半导体气敏元件特点：

（a）物理、化学稳定性较好，与其他类型气敏元件相比，SnO2气敏元件寿命更长、稳定性更好、耐腐蚀性更强。

（b）对气体检测是可逆的，而且吸附、脱离时间短，时间使用就越长。

（c）结构简单，成本低，可靠行较高，机械性能良好。

MQ-2气敏元件的结构如图2所示，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。

MQ-2半导体气体烟雾传感器适用于烟雾、天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气等的检测，对可燃性气体的（CH4、C4H10、H2等）的检测很理想。

这种传感器在较宽的浓度范围内对烟雾气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中。

是一款便携式气体检测器，非常适合多种应用的低成本传感器。

其技术指标表2.1。

回路电压（Vc）

加热电压

负载电阴（Rl）

清洁空气中电阻（Ra）

灵敏度（S=Ra/Rdg）

响应时间（trec）

恢复时间（trec）

元件功耗

检测范围

使用寿命

最大DC24V

AC或DC5±0.2V

2KΩ

≤2000KΩ

≥4（在1000ppmC4H10中）

≤10S

≤30S

≤0.7W

50—10000ppm

2年

表2.1MQ-2的技术指标

由于物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。

通常烟雾传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。

当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。

所以MQ-2半导体气体烟雾传感器要想把采集到的烟雾浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过将模拟信号经过A/D转换器转化为可以识别的电信号给单片机。

设计时应注意，气敏元件开机通电时，其内阻很小，但经过一段时间后，才能恢复到原来的稳定状态。

因此，QM-2气体传感器需开机预热几分钟，才可投入使用，以免造成误报。

2.2单片机选型

单片机是烟雾自动报警系统的心脏，用来接收火灾信号并启动报警装置显示和执行相应的报警。

在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。

同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。

其中，51系列单片机的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。

因此，测控系统中，使用51系列单片机是最理想的选择，因此设计采用STC89C52。

2.2.1STC89C52单片机简介

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器。

使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能：

256字节RAM，8k字节Flash，32位I/O口线，看门狗定时器，三个16位定时器/计数器，2个数据指针，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

还有，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡电路、键盘控制、LED显示电路、报警电路等子模块。

2.2.2单片机的引脚功能描述

下面对STC89C52各引脚的功能进行较为详细的介绍：

1）电源引脚Vcc和Vss

Vcc（40脚）：

电源端为+5VVss（20脚）：

接地端。

2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTAL2（18脚）：

接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反向放大器的输出端。

若采用外部震荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把词信号直接接到内部时针发生器的输入端。

XTAL1（19脚）：

接外部晶体的一个引脚。

在片内，它是一个反向放大器的输入端。

当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。

3）控制信号脚RSTALEPSEN和EA

RST（9脚）：

当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（30引脚）：

地址锁存允许信号端。

当STC89C52上电正常工作后，正脉冲信号不断从ALE引脚传出。

此频率为振荡器频率fosc的1/6，当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。

在CPU访问片外数据存储时，每取值一次（一个机器周期）会丢失一个脉冲。

平时不访问片外存储时，正脉冲也以1/6的振荡频率从ALE端固定输出，于是ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。

PSEN（29脚）；程序存储允许输出信号引脚。

在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。

此引脚接ERROM的OE端。

PSEN端有效，即允许读出ERROM/ROM中的指令码。

CPU在从