智能家庭烟雾火灾检测报警系统.docx

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智能家庭烟雾火灾检测报警系统

届别2013届

学号

毕业设计

智能家庭烟雾检测火灾报警系统

姓名

系别、专业

导师姓名、职称

完成时间

目录

摘要3

Abstract4

1绪论5

1.1课题背景5

1.2设计概述5

1.3烟雾报警器的国内外现状6

1.4烟雾报警器的发展趋势6

1.5设计任务分析7

2总体方案设计7

2.1烟雾检测传感器选型8

2.2.1烟雾传感器的介绍9

2.2.2MQ-2半导体气体烟雾传感器12

2.2单片机选型13

2.2.1STC89C52单片机简介13

2.2.2单片机的引脚功能描述14

2.1.3温度采集模块15

3系统的硬件电路16

3.1单片机最小系统16

3.2单片机的时钟电路与复位电路设计17

3.3烟雾检测AD采集电路17

3.4显示模块18

3.5声音报警电路18

3.6按键控制电路19

3.7电源模块19

3.8温度传感器（DS18B20）电路20

3.8.1DSl8B20简介20

3.8.2DSl8B20具体参数及工作方式22

3.8.318B20接口电路23

4系统软件的设计25

4.1系统主程序设计及流程图25

5硬件调试及调试中遇到的问题25

6电路的调试26

7总结评价26

致谢27

参考文献28

附件一：

总体原理图设计29

附件二：

部分程序源代码29

附件三：

实物图44

摘要

随着社会和经济的发展，防火工作越来越重要，但是目前国内的许多研发都侧重于大型场所的火灾报警。

因此，我们就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市场的需求。

基于供家庭使用的烟雾报警器应该具备的基本要求和功能，文章设计了一种比较适合的烟雾报警器。

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、自动排烟换气和消防灭火等功能。

设计中单片机选用STC89C52作为控制器件，传感器选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测。

烟雾报警器主要由烟雾信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、显示电路、声光报警电路和安全保护电路构成，设计合理、简单易懂、价格低廉，使单片机在烟雾报警系统的控制中得到充分应用，具有一定的实用价值。

论文主要针对烟雾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，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重点的分析和讲解。

关键字：

烟雾报警器；单片机；传感器

Abstract

Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,thefireworkismoreandmoreimportant,butmanyofthecurrentdomesticresearcharefocusedonthelargespacefirealarm.Therefore,itisnecessarytodesignasimplestructure,economicalandpracticalfamilysmokealarmtoadapttotheneedsofthemarket.Thebasicrequirementsofthesmokealarmforhouseholdusebasedonshouldhaveandfunction,thispaperdesignsasmokealarmissuitableforthe.

Thedesignofthesensorandsingle-chipmicrocomputerasthecoredevicesmokealarmdesign,withotherdevicescanachievesoundandlightalarm,automaticexhaustventilationandfireextinguishingfunction.DesignofsinglechipSTC89C52isselectedasthecontroldevice,theselectionofsensorfordetectionofMQ-2typesemiconductorgassensitiveelementsmokesensorsmoke.Thesmokealarmismainlycomposedofsmokesignalacquisitionandthepreamplifiercircuit,analog-digitalconversioncircuit,single-chipmicrocomputercontrolcircuit,displaycircuit,alarmcircuitandprotectioncircuit,reasonabledesign,simple,lowprice,makefulluseofMCUalarmsysteminthecontrolofthesmoke,andhasacertainpracticalvalue.Themainthesisofthesmokealarmsystemforthevariouscomponentsandfunctionsareintroducedandexplained,andtheconnectionmodeofthemaincontrolcircuitandperipheralequipmentcircuitinterface,andthesoftwaredesignofthesystemisanalyzedandtheexplanationofthekey.

Keywords:

Thesmokealarm;MCU;sensor

1绪论

1.1课题背景

随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。

为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。

保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。

为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。

因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。

1.2设计概述

单片机及烟雾传感器是烟雾报警器系统的两大核心。

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工农业生产各部门及人们生活的各个方面。

各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。

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。

1.3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~2002年烟雾传感器年均增长率为27%~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。

我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。

但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。

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。

检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。

若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示烟雾浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。

控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测烟雾的浓度。

探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。

当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。

此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。

1.4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。

针对当前烟雾自动报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁，智能化程度低，网络化程度低、特殊恶劣环境的烟雾探测报警抗干扰等问题较为突出的现象，提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、开放的通讯协议。

通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究，对系统方案、设备选型的优化组合，改进烟雾自动报警系统的工作性能、减少维护费用和维护要求，向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展，为更好的预防和遏制建筑火灾提供了强有力的保障，从而更好的保护国家和人民的生命、财产安全。

1.5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。

2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、声光报警电路和安全保护电路等部分组成。

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1所示：

图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所示。

图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。

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、体积小、维修方便、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。

但是其最大的缺点就是选择性较差。

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。

（b）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。

接触燃烧式气体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），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体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，就知道可燃性气体的浓度。

使用接触燃烧式传感器，其最大的缺点是探头很容易发生阻缓和中毒现象。

一般在连续使用两个月后应对该传感器进行维护。

这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。

（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，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。

即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。

（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（non-dispersiveIR）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。

由于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。

（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组成。

平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，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。

光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。

根据报警器检测烟雾种类的不同要求，很多场合都会选择使用半导体烟雾传感器。

经过对比众多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。

半导体烟雾传感器具有灵敏度高、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，维护成本较低，因而得到广泛应用。

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）SnO2材料的物理、化学稳定性较好，与其他类型气敏元件相比，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。

（b）SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱离时间短，可连续长时间使用。

（c）SnO2气敏元件结构简单，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