烟雾报警器的设计

1、分类号 密级 U U D D C C 中国地质大学江城学院 毕业设计（论文） 烟雾报警器的设计烟雾报警器的设计 姓 名： 朱 亮 专 业： 电子信息工程 班 级： 22001202 学 号： 2200120233 指导教师： 陈荣 讲师 论文外文题目：The Design of the Smoke Alarm 论文主题词：传感器 单片机 MSP430 烟雾报警器 外文主题词：Sensor Microprocessor MSP430 Smoke alarm 论文答辩日期： 答辩委员会主席： 阅评老师： 原创性声明原创性声明 本人呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有

2、 数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业论文的研 究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确的方式标明。本毕业论文的知识产权归属于培养单位。 本人签名： 日期： 摘摘 要要 随着时代的变革，信息技术飞速发展，人类感官外界再也不是单一的靠身体各个部 分器官。当人类嗅觉、味觉和触觉等等感应器官不足以获取外界需要的信息时就需要借 助一些辅助工具。在这个大时代的背景下传感器应运而生，而在很短的时间内则扩展到 众多领域。传感器可以将一些需要处理的数据在一定规律下按照一些特殊的运算方法转 换为信号输出的一种类似“感应

3、器官”的器件。这种元器件在我们的生活、生产中扮演 着无可取代的地位。而且在当下，传感器这种元器件在各个生产及生活的领域的应用则 是在一定程度上展现出了一个国家的科学技术。 在科学领域的任何产物都是与实际生活息息相关的，因此，生活中处处可以看到应 用到传感器的例子。今天我便是以感器的工作特性而制作出的烟雾报警器进行分析论证 的。这个时代已渐渐离不开”电”这个词，而生活中却经常因此而产生火灾，那么就需 要一个有力的监管系统，这个系统便是我们今天说的烟雾监管系统。 对烟雾报警器的认识和了解让我们先开始进一步认识了传感器，事实上传感器在报警器 中也扮演着很重要的地位，基于实际应用可客观了解，我着手设计

4、了这一烟雾报警系统 来让我们更方便的了解它们。 本论文着重介绍半导体气敏传感器其中的 MQ-2，这是以传感器技术结合其他多方面 电子信息技术应运而生的一种防护式报警器，其间还包含着 MSP430 单片机的应用原理。 现代化的报警器有着传统式报警器所没有的众多优点，例如：反应快，敏锐度高，体积 小和寿命长等优点。本篇着重研讨利用 MSP430 单片机、传感器和半导体电阻结合多种电 子信息技术制造出的烟雾报警器的各方面综合性能。尽可能使用方便，价格低廉，功耗 小，寿命长等多方面具有统一的价值的报警器。 关键词：关键词： 传感器 单片机 MSP430 烟雾报警器 ABSTRACT As the ch

5、ange of The Times, the information technology rapid development, human sense of the outside world is no longer a single on each part body organs. When the human touch, smell and taste, and so on sense enough to need access to the outside world of information needs with the help of some auxiliary too

6、ls. Arises at the historic moment under the background of the great age of sensor, and in a very short time far more expanded to many fields. The quantity of sensors can be some demand according to certain rules into a signal output device. This device plays an important role in our life. And nowada

7、ys, sensors in each domain application embodies the science and technology of a country. Any product in the field of science are corresponding to the real life, therefore, the sensor applied in life everywhere. Today I work is in a sense organ characteristic and analyzed the produce of the smoke ala

8、rm. This era has been the word, is inseparable from the electricity and the life is so often caused the fire, it needs to be a strong regulatory system, this system is our today said smoke regulatory system. Knowledge and understanding of smoke alarm lets began to further know the sensors, sensor in

9、 fact plays a very important position in alarm, based on the actual application can be objective understanding, I set out to design the smoke alarm system to make us more convenient to understand them. This paper focuses on the semiconductor gas sensor of MQ - 2, which is based on sensor technology

10、combined with other aspects of electronic information technology arises at the historic moment of a protected alarm, which also contains the application principle of MSP430 single chip microcomputer. Modern alarm has a traditional alarm didnt have many advantages, such as fast response, high sensiti

11、vity, small volume and long service life, etc. This paper focuses on research using the MSP430 MCU, sensors and semiconductor resistance combined with a variety of electronic information technology to create comprehensive performance on various aspects of the smoke alarm. As far as possible, easy to

12、 use, low cost, low consumption, long life and other aspects of unified value alarm. Keywords: sensor Microprocessor MSP430 Smoke alarm 目目 录录 1 1 引言引言 .1 1 1.1 论文的由来.1 1.1.1 论文的起始.1 1.1.2 论文的构思.1 1.1.3 论文目的和意义.2 1.2 烟雾报警器.3 1.2.1 烟雾报警器的类型.3 1.2.2 烟雾报警器的选择.3 1.2.3 烟雾报警器的现状及形势分析.4 1.3 本章小结.4 2 烟雾报警器的设

13、计方案烟雾报警器的设计方案 .4 4 2.1 烟雾报警器的设计思路.4 2.2 烟雾报警器的设计方案.5 2.3 本章小结.5 3 烟雾报警器的硬件设计烟雾报警器的硬件设计 .5 5 3.1 烟雾报警器的电路设计.5 3.1.1 烟雾报警器的触发电路.5 3.1.2 烟雾报警器的数据采集及处理.6 3.1.3 烟雾报警器的报警系统.6 3.1.4 烟雾报警器的状态显示及控制.8 3.2 传感器的确定.9 3.2.1 烟雾传感器选择及设定.9 3.2.2 烟雾传感器的功能介绍.10 3.3 单片机的确定单片机的确定.1111 3.3.1 单片机的选取.11 3.3.2 MSP430 单片机的介绍

14、 .11 3.3 本章小结.12 4 4 烟雾报警器的软件设计烟雾报警器的软件设计 .1313 4.1 MSP430 的发展及应用 .13 4.2 报警系统的软件设计及流程.14 4.2.1 主流程设计.14 4.2.2 主程序及子程序设计.14 4.2.3 状态显示及控制.14 4.3 本章小结.14 5 5 功能测试功能测试 .1414 5.1 烟雾报警器的检测.14 5.2 烟雾报警的实验分析.16 5.3 本章小结.16 结束语结束语 .1616 致致 谢谢 .1717 参考文献参考文献 .1818 1 1 引言引言 1.11.1 论文的由来论文的由来 1.1.11.1.1 论文的起始

15、论文的起始 火灾作为重大灾害的的一种，由于发生的迅猛而且在很短时间内会延伸到很大的范围， 经常给人们带来巨大的财产损失更于甚者带来大量的人员伤亡。在各种各样的非自然灾 害之中，火灾可以说的上是经常发生而且相对普遍能够大范围的威胁公众的人身安全和 影响社会和谐发展的非自然灾害之一。人类在一定程度上能够对火灾的预防和及时控制 火灾的蔓延范围是人类社会现代文明中向前迈进的一个不可或缺的重要标志。简单的说 人类无论是在使用火的历史上还是同火灾做着顽强的斗争的历史上，基本是同时进行的。 人们在安全的使用火给生活带来便利的同时却也一直在预防着它的肆虐及无情，在长期 的使用下不断总结它各种各样的变化规律，想

16、借此尽快掌控它。在一定程度上对火的了 解能让我们更好的预防或者减少火灾这种非自然灾害对人类社会造成的重大危害。当火 灾发生了如果能在第一时间警示人们那么无论是在人员的伤亡上减少还是在财产的损失 上减少都是我们乐见其成的。能在火灾发生的第一时间警醒乃至逃离是很有必要的，所 以我们尽其可能创造一个能在火灾发生时对人们有警醒的工具。基于这一点，我便想到 了设计一个火灾报警器，结果便有了这篇论文的起始。 1.1.21.1.2 论文的构思论文的构思 随着近年来火灾的频繁发生经常给人们带来巨大的损失，这让我们不得不在善后之 后考虑一个很重要的问题，越来越多存在巨大安全隐患的地方凸显了出来，为了能在火 灾发

17、生之前更早一步预警人们，为了减少人员伤亡、减少巨大的财产损失，那么我们就 迫切的需要一种提前预防的火灾的发生进行安全预警的手段。因此研究火灾的发生及检 测预警就成了人类发展领域内的一个很重要的课题了。 在相继学习过传感器、单片机后，领略到传感器有优于人类的“嗅觉” ，感受到单片 器的处理及触发方式后就在构思一种可以对烟雾进行感应的器件。因此烟雾报警器这个 理念渐渐在脑海中成型，烟雾报警器要有起码的提前感应手段，而且需要有提前预警的 手段。基于这些则需要我们建立一个课题对这些方面进行深入的分析及探讨，最后做出 可行的产品。 1.1.31.1.3 论文目的和意义论文目的和意义 随着时代的发展，在现

18、代家庭之中使用火来取得预想的目的，而在使用之中的不经 意是造成家庭火灾频繁发生的重大原因。在现代家庭之中一旦因为某种原因而发生了火 灾，那么及其可能因为扑救不够及时或者缺乏灭火器材及发生时的处理不当再加上现场 的人出现惊慌失措的情形导致逃生缓慢等等一些不利的因素，从而导致火灾在危害人们 的生命及造成大范围的财产损失。家庭之中发生火灾的最根本原因是麻痹大意，没有及 时采取预防措施。而现在摆在眼前的有一种可以检测烟雾的器件在火灾发生之初给人们 带来警醒，这种器件便是烟雾报警器。在将要发生火灾或者已经发了火灾的初期，这种 器件的内部感应到了烟雾便会发出鸣笛声来提醒还未发觉的人。在我国的一些大中城市，

19、 几乎每天都发生家庭火灾，所以防止火灾的发生是所有现代化人需要警醒的一件事。假 如能根据每家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。就目 前来说单片机的使用已经在我们所生活及应用的各个方面得以展现，无论是导弹里面的 导航系统装置、计算机应用之中的通讯及大型的数据传输、飞机上的一些重要的仪表进 行控制、各种广泛的使用智能 IC 卡、工业化自动生产的过程中数据的处理和实时的控制、 一些高档次豪华的轿车里面的安全系统以及远程控制的玩具、电子宠物等等，这些中间 都有单片机出现或者使用的身影。 气敏电阻也可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。 利用 NTC

20、热敏电阻的自热特征可实现自动增益控制，构成 RC 振荡器稳幅电路，延迟电路 和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在气体 分析仪、热导分析、流量计、流速计中常利用热敏电阻这一特性，制成专用的检测元件。 PTC 热敏电阻常常应用在保护电器设备的过热、没有触点的继电器、控制在恒温、控制自 动增益的时候、电机启动的控制、延迟时间、彩电的自动消磁、补偿温度和火灾报警等 一些方面。 利用现代化的科技手段建立一系列的安全防卫是这个时代重要的课题，那么首先我 们从身边最小最甚微的地方对这些方面进行研讨。本次课题着重研究一种安全有效的预 防火灾的烟雾报警器，希望在面对安全隐患时

21、能给人们的生命及财产多一分保护，这是 本篇论文最初也是最首要的意义，目的则是在满足这一切的同时给生活带来更大的便利。 1.21.2 烟雾报警器烟雾报警器 1.2.11.2.1 烟雾报警器的类型烟雾报警器的类型 烟雾报警器按照所使用的传感器可分为光电烟雾报警器和离子烟雾报警器，从感应原 理又可以细分为化学性质烟雾报警器、物理性质烟雾报警器和光电性质烟雾报警器。 在离子烟雾报警器之中有一个电离室，这个离子室中使用了一种镅 241 的所放射元素， 镅 241 这种放射元素强度在 0.8 微居里左右的时候，镅 241 的电场的处于平衡状态，此 时属于正常状态。当电离室的这种平衡状态被进入的烟雾粒子打破

22、时，感应及处理电路 检测到烟雾浓度达到或者超过设定的预警值时，报警系统会发出鸣笛声。在光电烟雾报 警器里面则是一个学术名叫光学迷宫的装置，这个装置里面安有能发射红外线的红外对 管，在正常状态下红外对管不能接受红外发射端发射出的红外线，当平衡状态被进入的 烟尘打破时，光学迷宫里会进行一系列的光的折射和反射的现象，从而使得红外接收管 能接收到发射器发射出的红外光，根据红外光的照射强弱处理电路判断是否达到或者超 过设定值，当超出时发出鸣笛声示警。化学性质烟雾报警器、物理性质烟雾报警器和光 电性质烟雾报警器和上述触发条件基本大同小异，主要取决于它们所感应的烟雾实际的 性质类型。 1.2.21.2.2

23、烟雾报警器的选择烟雾报警器的选择 离子烟雾报警器是一种各方面比较均衡响应的报警器，它对细小的烟雾颗粒物的感应 要敏锐一些；光电烟雾报警器是有偏向性的一种报警器，她对一些大的烟雾颗粒物的感 应较为敏锐，对烟灰、细小的黑烟的响应相对来说要略微差些。当熊熊大火发生的时候， 空气中溢散的细小烟雾颗粒较多，而在暗火闷烧时，溢散在空气中大的颗粒物会相对较 多一些。当一些火灾在发生后，伴随着大量的烟无颗粒物产生，离子烟雾报警器的报警 敏锐程度远远快于光电烟雾报警器。其实这两种报警器报警的实际报警的时间间隔并不 是很大，但是真正对于这发生火灾的时候来说基本是争分夺秒，因为火势蔓延极快的原 因，所以在这种情况下

24、首先应该考虑的是同等情况下报警敏锐的报警器，所以综合种种 原因这时选择安装离子烟雾报警器是较为合理的。还有一种情况是暗火闷烧火灾发生之 后，伴随着大量的较大的烟雾颗粒的产生，此时因为选择先于离子烟雾报警器的光电烟 雾报警器。如果你想两者的长处兼而有之，那么可以在同一个报警器里安装串联式感应 传感器，那么它对多种烟雾都可以进行准确的识别。 1.2.31.2.3 烟雾报警器的现状及形势分析烟雾报警器的现状及形势分析 国内的报警器较国外晚发展几十年，国内报警器采用传统的敏感元器件感应、声波 感应以及红外收发等技术为基础。这种从单一的方面来说制作简单可能社用于大众人群， 但是现在随着经济飞速发展社会经

25、济体系改变，这种单一报警器已不再适用大众化，随 着多元化，现在需要更加高端的新产品来满足人们的需要。如果能将报警器与互联网互 联事发紧急报警或者进行远程操作则能满足更多的群体。国外的报警器技术先进功能广 泛、全面。较之国内的报警器，国外报警器应用范围大、能化高、联网程度高和组件方 式多种多样。他们从单一化到多元化、电控化、网控化以及智能化的技术都非常成熟。 而且国外发达国家报警器基本覆盖各个活动区域，而国内仅仅在一些重要建筑之内才有。 他们有相关的监控部门中心，一旦发生了紧急火灾安全消防人员能及时赶到而国内相较 之则有不如。所以我觉得相比较之下，国内较之国外还有很大的上升空间。说是有空间 其实

26、也是和人家相比有差距而这个差距就需要我们付出努力加以弥补。 1.3 本章小结 随着科技的飞速发展，越来越多的安全隐患在人们的工业生产和日常生活中产生了。 火灾作为人类社会威胁人们生命安全和造成巨大财产损失的灾祸，就需要我们辅以科学 手段对它加以防控。如果能在发生火灾的早期发现、防护及控制火灾，这样能大大减小 火灾给人们带来的一系列危害，同时这也是保护人身安全和财务损失的一种有效的措施。 所以本次我们便是以此为话题建立了课设，对这个话题进入深入的讨论和研究，建立一 个完整地安全报警体系对减少这类事故的发生是这个科学技术领域一个很重要的话题。 2 烟雾报警器的设计方案烟雾报警器的设计方案 2.1

27、烟雾报警器的设计思路烟雾报警器的设计思路 烟雾报警器，别称火灾烟雾报警器、烟雾传感器、烟雾感应器等。一般将独立的电 池供电、或交流电供电电池为备电，也有由总线供电，总线上可以连接有多个，与火灾 报警控制器联网、通讯组成一个报警系统，报警时现场无声音，主机有声光提示的。一 般的报警器现场报警时能发出声光指示，今天我们说的便是这种报警器。 烟雾报警器能通过感应烟雾浓度，当浓度达到设置的预警值是进行报警的仪器，它 最基本组成包括：烟雾感传感器感应电路、收集信号的信号转换电路、信号处理电路及 单片机处理的控制电路。 烟雾感应电路一般情况是采用模拟放大电路和烟雾传感器电路组成，烟雾传感器电 路将收集的烟

28、雾信号转化为电信号。信号转换电路将这种电信号转换成可以进行输送的 模拟信号，模拟信号被信号处理电路进行处理，单片机将处理后的信号传送给控制电路。 单片机控制电路中的单片机将该信号进行处理后进行分析，判断是否达到预警值。如果 未达到则判为正常状态，如果达到则判为非正常状态此时触发报警电路，由报警电路发 出报警声音并闪烁光指示灯。为了方便检测可以将单片机中检测的烟雾浓度值显示在监 控区的显示屏上，这样可以形象直观的环境中的烟雾浓度值，这样也使得报警装置更加 完善。 烟雾报警器中有两个很关键的部分，它们分别是烟雾传感器和单片机。根据发生在 不同环境下的的感应需要以及应对各种突发报警的需要，选取适合、

29、精准和价格便宜的 单片机芯片和烟雾传感器是非常重要的。 2.2 烟雾报警器的设计方案烟雾报警器的设计方案 烟雾报警器的此次设计是专门针对单片机原理及应用展开研讨的。其中涉及到了许 多相关知识是运用我们大学四年所学的电路技术、传感器遥感技术和单片机应用技术来 共同实现的。MSP430 单片机在其间扮演着连接的角色，连接传感器和报警器的。在一个 环境里的烟雾浓度、温度等数值达到烟雾传感器被测时输入的参数值时就会在一定的电 路转化为电量的变化输出。被测量和设定范围不同，那么传感器和单片机工作原理就不 一样。一般来说烟雾传感器输出的电信号是作为模拟信号输出的，而新型的传感器则是 采用的数字的，我们这里

30、就是采用的新型的数字信号输出。将传感器的数字信号传送给 单片机，有单片机芯片进行信号处理，当达到设定值时就启动报警器电路进行报警，反 正则不需要。 2.3 本章小结本章小结 本章对烟雾报警器进行一个初步的设计，无论是在选型还是在报警器的两个重要组 成部分单片机处理芯片和烟雾传感器都进行一定的深层次考虑已达到最好的组合从而发 挥出最好的效果。烟雾报警器的类别各式各样，处理方式也各不相同，所以内在的设计 也各种各样。在诸多的设计中选取一种合理可行的方法是现在首要的任务。 3 烟雾报警器的硬件设计烟雾报警器的硬件设计 3.1 烟雾报警器的电路设计烟雾报警器的电路设计 3.1.1 烟雾报警器的触发电路

31、烟雾报警器的触发电路 上图是传感器的基本触发电路。该传感器需要施加 2 个电压：加热器电压（VH）和测 试电压（VC） 。上面的 VH 是为传感器提供恒定的工作温度的一个物理量，而 VC 则是 用在测量传感器串联中的负载电阻上的电压。该传感器具备一定的极性，VC 要给它 提供直流电源。在符合传感器的电特性条件的前提下，VH 和 VC 是可以使用一个用以 供电的电源电路。为了较好使用到传感器的特性，在 RL 值的选取上需要一定的可取 性。 3.1.2 烟雾报警器的数据采集及处理烟雾报警器的数据采集及处理 烟雾感应数据的采集其实就是传感器或者其它可以检测的设备自动的进行信息采集 的过程。整个数据的

32、采集系统其实就是结合了计算机中的相关的软件进行实际操作的一 种应用于实例并能灵活的测量各种情况的自动检测系统。 系统进行数据采集、处理，其实是为了更好的控制声音、压力、电流、电压和温度 等物理量表现出来的现象。以 PC 元器件的功能进行的数据的采集，实际上是应用它里面 卖的模块化硬件结合计算机里面的应用软件来实现的。虽然采集数据会根据不同的系统、 不同的要求而设定不同的定义，但是每个系统实现的目的都一样，都是为了采集数据、 分析数据和显示数据。系统在数据采集的过程中，无论是整合信号还是进行信号的调理 又或者是数据进行采集装置和使用实现实际情况的软件。在本次设计里，数据采集是采 用 MQ-2 气

33、敏式传感器来实现的。 3.1.3 烟雾报警器的报警系统烟雾报警器的报警系统 烟雾报警器由五个部分组成：烟雾触发元器件、信号进行接收的接收端、信号进行发送 的发送端、控制整个设备的控制部分和提供整个电路需要的电源。 （一）触发器件 手动或者自动的产生的报警信号在烟雾报警的系统中属于触发，触发的过程中自动 时是需要能探测火灾发生的烟雾传感器，而主动的需要人们可以及时操作的按钮。烟雾 传感器可以进行感应发生火灾后的一些物理量进行感应（如烟雾浓度、空气湿度、四周 的即时温度、光源的辐射强度等）。无论是在宽敞的地方烧起的明火或者是在封闭狭小 的环境里起的暗火，我们根据实际情况以及器件感应和处理数据来参考

34、。不同的场所以 及发生了不同类型的火灾处理的方式是不尽相同的。而设置一个手动报警的装置也是很 有必要的，因为总有一些措手不及的情况在人们先发现那此时就可以使用手动的方式进 行警醒，因此这部分也不能缺少。 （二）接收器 一个事物发生了，我们首先是要警醒。换句话说就是首先应该知道是怎么回事，实 际上在报警器里面也是有着行使这样一个功能的装置的，它便是接收器。火灾报警控制 器就是其中最基本的一种。接收端和处理端相连，其中有处理突发情况的处理系统，这 个系统则是肩负着整个系统稳定并且监视探测器及系统自身的工作状态；无论是接收信 号还是着手信号的转换、最后的处理信号都需要基于最初；进行声光报警；指示报警

35、的 具体部位及时间；同时执行相应辅助控制等诸多任务。是烟雾报警的系统中一个重要并 且不可缺少的部分。 在预防火灾的烟雾报警器之中，还应该有一些处理紧急情况的中断器、能随时随地的 显示各种数据监测情况的显示器区域，它们都可以说是报警器的一种外在的延伸或者功 能的补充。在一定的时候、一定的场景下行使它们的功能属性会有不一样的意外收获。 烟雾报警器的控制器主要应该有着电源自动转换功能、正常工作状态休眠功能、监控整 个电路的检测功能以及自动修复电路的故障修理功能。 （三）发送端 在烟雾报警器中肯定有一个将接收到的信号进行发送的装置，它以电信号为主要手 段对信号进行传输发送。 （四）控制设备 烟雾报警系

36、统当中，无论是接收信号还是处理信号、发送信号种种，其实都需要一个 能控制整个设备的控制装置。有了这个装置后我们可以对一些发生的情况有一个直观的 了解以及对全局的掌控。试想无论是输入人为的限定值还是需要它对一些简单的情况作 出简单的反应还是在有人掌控时优先于人，无人操作时则以系统判断为准。这些都是需 要控制的，又或者一次装置出现偏差为了造成不必要的恐慌，要及时处理。那么此时则 需要辅助重复性检查装置或者系统中断装置。 （五）电源 烟雾报警器系统既然是一个完整的警醒装置，那么应该考虑到各种可能发生的情况， 当无法提供电路需要的电源时，应该有属于自己的应急电源。而在不断电情况下又使用 外备电源并对内

37、置电源进行充电处理。充分的利用不同的电源来应对不同的情况以便达 到更好的效果。 3.1.4 烟雾报警器的状态显示及控制 MSP430F412 片内有直接驱动段式液晶的能力，段式连接如下图。 MSP430F412 段式连接 EDM-1602A 液晶显示器 符号符号电平电平输入输入/ /输出输出功能说明功能说明 VSS 电源地 0V VDD 电源 5V VL LCD 驱动电压 05V RSH/L输入寄存器选择：L 指令寄存器 H 数据寄存器 R/WH/L输入读写控制 L 写操作；H 读操作 E H/L H-L输入使能信号：R/W=L，E 下降沿有效 R/W=H，E 高电平有效 DB0DB3H/L输

38、入或输出数据总线，4 位传送方式时不用 DB4DB7H/L输入或输出数据总线，4 位传送时只用此 4 位 EDM-1602AEDM-1602A 控制信号控制信号 3.2 传感器的确定传感器的确定 3.2.1 烟雾传感器烟雾传感器选择及设定选择及设定 火灾产生的烟雾一般来说是由各种颗粒物参杂在一起的混合烟雾，所以它应该具备 体积大小、带电荷量多少、温度高低、质量几何等物理方面的性质。离子烟雾感应器的 工作原理是烟雾产生的细小粒子打破了电离室的平衡，从而根据电离平衡来判断的装置。 说的更具体一点其实就是电离室中有一种在一般情况下较为稳定的放射元素，当烟雾颗 粒进入时打破这种放射元素的平衡状态使得电

39、离室中发生了电量变化，而通过电量变化 的程度可以检测烟雾颗粒进入的浓度，由此来推断失火的程度。而气敏式传感器则是探 测空气中某些可燃气体的成分，所以在火灾探测方面，气敏式传感器性能并不如离子式 传感器。探测空气中可燃气体的含量。有效地探测煤气、液化石油气、然气、一氧化碳 等多种可燃性气体的微量泄漏。适用于石油、化工、煤炭、电力、冶金、电子等工业企 业，以及煤气厂、液化石油气站等生产和贮存可燃性气体的场所。 那么我们就对这些需要测定的烟雾成分对应烟雾传感器进行分析下，看看究竟如何对应。 结果见下表： 传感器种类传感器种类 气体种类气体种类 气敏式传感 器 固体电解质 传感器 接触燃烧式 传感器

40、电化学式传 感器 高分子电解 质气体传感 器 水蒸气 氢气 氧气 烷烃 炔烃 二氧化硫 氮氧化物 氯的氧化物 氰化物 二氧化碳 一氧化碳 硫氢化物 表示感应良好 表示感应一般 可以看出烟雾气体组成一般都是在石油化工、冶金油库、液化站、喷漆工作区等地 方常见的类型。根据上表可以看出一般应选气敏式烟雾传感器。当然还应该考虑到实际 时候可能因为一些化学性气体燃烧生成的固体颗粒物附着在元器件表面阻塞元器件的传 输通道从而使得传感器反应滞后，灵敏度降低所以对探头的设定有时有必要的，最好是 适用一些能长期暴露在酸碱性（有腐蚀性）含量较强的环境中不易被腐蚀的材料。因此 在对传感器严格要求的同时也要对探头进行

41、认真标定。气敏式传感器包括以氢化物的半 导体组成的陶瓷材料制作的烟雾传感器和单晶体半导体为材料而制作的烟雾传感器，它 们都具有敏锐度高、组成结构简单、体积小、反应快和性价比高的优点。所以综合种种 情况，我们选择其中较为合理的 MQ-2 气敏式传感器。 3.2.2 烟雾传感器的功能介绍烟雾传感器的功能介绍 因为 MQ-2 气敏式传感器的材料是氢化物半导体陶瓷材料或者单晶体半导体材料制作 的，所以在感应方面还有细致的分类。具体分为电阻式和非电阻式，或者按气敏式传感 器电阻的阻值分为随着浓度增加而增大的 P 型和随浓度降低而减小的 N 型。 MQ-2 一些重要参数： 标准工作条件 符号参数名称技术条

42、件备注 VC回路电压 15V AC or DC VH加热电压 5.0V0.2V AC or DC RL负载电压可调 RH加热电阻 313 室温 PH加热功耗 900mW 环境条件 符号参数名称技术条件备注 Tao使用温度 -10-50 Tas储存温度 -20-70 RH相对湿度小于 95RH O2氧气浓度21(标准条件)氧气 浓度会随灵敏度特性 最小值大于 2 灵敏度特性 符号参数名称技术参数备注 RS敏感体表面电阻 3k-30k （1000ppm 异丁烷） （3000/1000）异 丁烷 浓度斜率 0.6 标准工作条件 温度：202 VC：5.0V0.1V 相对湿度：655 Vh：5.0V0

43、.1V 预热时间不少于 24 小时 探测浓度范围： 100ppm-10000ppm 液化气和丙烷 300ppm-5000ppm 丁烷 5000ppm-20000ppm 氢气 100ppm-2000ppm 酒精 MQ-2 外型： 3.3 单片机的确定单片机的确定 3.3.1 单片机的选取单片机的选取 作为报警器的单片机首先要考虑到处理速度快，那么就可以想到我们学过的 C51、MSP430 等一些单片机了，其实如果不考虑处理速度肯定首选 C51，因为它简单而且 也具备其他单片机所具备的功能，但是它是 8 位位操作而 MSP430 则是 16 位位操作，在 相同的一条指令周期内，后者是前者处理速度的

44、 16 倍。但是后者时钟信号设置没有前者 简单方便，而且性价比也略有不如，但是为了获得极限的速度要忽略一些方面，所以最 后还是选择了 MSP430 单片机芯片。 3.3.2 MSP430MSP430 单片机的介绍单片机的介绍 1996 年由美国德州推向市场的一种名为 MSP430 系列的单片机因为具有 16 位超低功 耗、指令精简、具有混合的处理器等优点而成为一款市场应用较为广泛的单片机。该单 片机采用将多种不同功能的处理模块、数字模块和模数模块混合在一起进行信号处理， 从而使得一个芯片有多种功能的优点。MSP430 系列具有独特的时钟系统设计，支持可以 是多个中断的中断源可以随意镶嵌套。用中

45、断请求将 CPU 唤醒一般只需要 6us,MSP430G2xx 系列甚至在 1us 之内唤醒，通过合理的汇编程序可以做到做出最快的响 应的同时又可以降低系统总功耗。具有 16 位的单片机 MSP430 系列以它具有当前最流行 的精简指令结构而受到大家的钟爱。它在一个时钟周期之内就可以执行一条指令（传统 的 C51 单片机系列是需要 12 个时钟周期才能执行一条完整的指令） ，使 MSP430 在工作时 大大增强了数据处理和运算能力，可以有效地处理一些数字信号的处理。MSP430CPU 的框 架如下图。 3.3 本章小结本章小结 本章主要讲述了烟雾报警器的硬件设计方案，其中包括触发电路的设计、数

46、据采集及 处理系统的设定、报警系统的设定等等方面，这些方面归根结底就是两点：一点就是烟 雾传感器的选取，而另一点则是单片机芯片的选择。根据设计方向及环境要求、经济等 跟方面综合因素选取了 MQ-2 型气敏式烟雾报警器。而且从它的组成结构、行使功能和技 术指标三方面对烟雾报警器进行了一个比较系统完善的对比。在各方面综合比较后，选 择了它是有原因的，而其原因则是在本章中有详细的讲解。 4 4 烟雾报警器的软件设计烟雾报警器的软件设计 4.1 MSP430MSP430 的发展及应用的发展及应用 TI 公司从 1996 年推出 MSP430 系列单片机至今，已经推出了 X1XX、X2XX、X3XX、X

47、4XX、XX5X、X6XX等几个系列。其中 MSP430 的X3XX、X4XX、X6XX系列是 具有 LCD 驱动的模块的单片机系列，这对提高系统的集成度较有帮助的。 TI 公司从 1996 年到 2000 年初相继推出 MSP430 系列单片机中的一些子品牌，首先推 出了 31x、32x、33x 等几个系列，它们都具有 LCD 驱动模块。每一系列有 ROM 型（C） 、 OTP 型（P）和 EPROM 型（E）等芯片。这几个系列的使用模式分别为：使用 EPROM 式开发 的样机，是用 OTP 式进行小批量的生产，而对于 ROM 型来说则是适用于大批量量产的产 品。MSP430 的 3xx 系

48、列因为缺少 Flash 型芯片，早已经停产，在国内基本没有使用。 在之后，因为 Flash 的技术得到快速的发展，TI 公司将这个技术引入到了 MSP430 系 列单片机当中。两千年推出的无论是 F11x 还是紧随其后的 11x1 系列，都是采用了 20 脚 封装，在内存上容量够大、片上功能较为齐全和 I/O 串口的引脚数相对较少，而价格同 样便宜。在本年度的七月又推出了带 ADC 或硬件乘法器的 F13x 和进步系列 F14x，次年七 月到 2002 年又相继推出了带 LCD 控制器的 F41x、F43x、F44x。 TI 在两千零三年至两千零四年期间又相继推出了 F15x 和 F16x 系

49、列产品，它里面有两 个方面的发展：一是增加了 RAM 的容量；二是从外围模块来说，增加了 I2C、DMA、DAC12 和 SVS 等模块。 TI 在 2004 年下半年推出了 MSP430 x2xx 系列，该系列是对 MSP430 x1xx 片内外设的进 一步精简，它价格低廉、小型、快速、灵活，成为当时业界功耗最低的单片机，可以快 速开发超低功耗医疗、工业和消费类嵌入式系统。和 MSP430 x1xx 系列相比，MSP430 x2xx 的 CPU 时钟提高到 16MHz（MSP430 x1xx 系列是 8MHz） ，待机电流却从 2uA 降到 1uA，具有 最小 14 引脚的封装产品。 在前几

50、个系列基础上，TI 后续推出了性能更高、功能更强的 MSP430 x5xx、MSP430 x6xx 系列。它们的运行速度可达 25MIPS，并具有更大的 Flash（256KB） 、更低的功耗（活动模式耗电仅 165Ua/MIPS）,以及更丰富的外设接口 （USB 等） 。 此外，TI 还推出了 FRAM 系列，FRAM 能提供具备动态分区功能统一存储器，且存储器 访问速度比闪存快 100 倍，同时进一步降低了存储器访问功耗，活动模式耗电最低达到 82uA/MIPS。 在最近几年里，美国 TI 公司在应对某些特殊的领域应用上有了一些对策，首先是利 用 MSP430 的超低功耗的特点，推出了一些

51、具有针对性的专用单片机，如专门用于电量计 量的 MSP430FE42x，以及后面用于气表、水表类型具有无磁传感模块的 MSP430FW42x 的器 件，以及用于人体医学监护（血糖、血压、脉搏等）的 MSP430FG42x 系列单片机。这些 单片机都是对应性的设计出来以满足产品的要求的产物，所以当中不仅有 MSP430 系列具 有的超低功耗特点还有它的精简设计。 4.2 报警系统的软件设计及流程报警系统的软件设计及流程 4.2.1 主流程设计主流程设计 在单片机开发的过程当中，除去必须的硬件之外的同时也离不开相应的软件。本次 设计无论是在 C 语言体现的功能还是单片机结构上以及芯片的可读性和使用

52、后的可维护 性上都有着别的语言所没有的显著优势。流程图见附录图 1。 4.2.2 主程序及子程序设计主程序及子程序设计 烟雾报警器在按下测试按钮至少 3 分钟后，烟雾报警器的感应器才能开始正常采集 烟雾信息，因为刚开始不通电放置，所以导致之后如果使用需要经历程序初始化的阶段。 烟雾报警器发出清脆响亮的脉动报警讯号表示烟雾感应器开始感应烟雾信息了。正常是 表示正常的绿灯闪亮，当烟雾感应器感应到烟雾浓度达到设定值时，报警器会发出一种 类似警笛的鸣笛声，与此同时绿灯熄灭红灯闪亮，以此来提示相关人员在最短时间内采 取安全的对应手段或打开控制局面的安全装置的开关，从而避免火灾的发生或者在没有 形成大的面

53、积性燃烧的时候将火灾控制住以及及时疏散人群。流程图见附录图 2。 4.2.3 状态显示及控制 因为有的时候需要根据显示的数据去判断当时发生的情况，所以就需要有一个状态 显示及控制。感应装置只是对着固定的感应起着作用，有部分时候不排除它不会对当时 发生的情况进行误判，狼孩子的故事大家耳熟能详了，所以为了避免那个故事结局那样 的悲剧式结尾我们应该有一个良好的认识。所话说为了偷懒所以制造出种种能代替偷懒 的工具，其实先不说这句话的对错，就说我们时常那个挂在嘴边那句“变则通，通则达” 说的其实也有道理。言归正传，说到虽说有报警器进行检测，但是还是要画龙点睛式的 多加一个显示，而且在一些时间里还可以根据

54、实际情况对当时检测的数据进行一个汇总 分析。 4.3 本章小结本章小结 这一章着重说的是烟雾报警器中软件的设计。从介绍软件编程的流程开始一路往后介 绍，在这里选择的是 C 语言，因为 C 语言的众多优点，所以在这个过程中也省下了很多 麻烦。按照软件实现的功能，详细的介绍了部分流程及处理。最后在综合说明了一下状 态显示及程序的控制方面。 5 5 功能测试功能测试 5.1 烟雾报警器的检测烟雾报警器的检测 整个电路的测量元件是采取得是 MQ-2 旁热式烟雾传感器，这种传感器在无烟雾的时 候，烟雾传感器的阻值较高，约 20K 欧。当有烟雾进入了传感器里面时，它的阻值很快 的下降，并且 A、B 两边都

55、有电势的变化。大部分情况下，从烟雾传感器中输出的信号较 为微弱，这时候则需要通过放大电路对微小的信号进行放大，并且同时附带滤波，还要 进行电平调节，从而使得输入信号得以满足单片机的要求。因为本系统基本都是使用的 是单极性供电，所以使用同相比例放大电路在这里更为合理，同时可以减少硬件的花销。 在经常可以看得到的运放中，LM324 价钱便宜、操作简单等一些优点尤为突出，所以这一 次的设计中， LM324 做为电路的运放在前置电路中使用。LM324 在片上属于单片，增益 上属于高增益，运算上属于四运算的放大器，它可以在电压范围较大的情况下使用一个 电源或着多个电源工作，这时候电源的电流大小与电源电压

56、是没有关系的。四个运算放 大器应该按一定的顺序放好，它的电阻是补偿温度的，另外是不需外接频率补偿的，刚 好可以做到输出的电平与数字电路相吻合的。 如上图所示，信号从传感器的上端 2 出来的 Vi 经过了运放的同相输入端，为了确保 输入的负反馈，那么输出的电压 Vo 应该要通过电阻 R2 从而接到反相输入的一端，与此 同时，反相输入的一端通过电阻 R1 直接接到了参考电压 VREF 端。因为引入的是深度系 列电压负反馈，所以电路中的输入阻抗较高，输出的阻抗是很低的。可降低高输入阻抗 放大器电路向前端电路的影响，与此同时低的输出阻抗是可以增加其自身的抗干扰性的， 这方面在电路设计模块中明显是有帮助

57、的。该放大器电路增加了参考电压一个，引入零 位调整的功能，这样我们就可以引起不同的传感器更方便的调整为零的变化。它采用了 滑动变阻器来创建了一个参考电压 VREF，回收电压跟随器的电压输入参考电压端的运算 放大器电路。因此，要调整滑动变阻器，可以直接更改参考电压放大电路。而电路中的 电压跟随器的作用是用来匹配阻抗和防止 R1 和 R2 两个滑动变阻器在电路中输出电压从 而对电路造成影响。当检测到气体或烟雾，电压后的信号是数字信号的输出为高电平， 另一方面是低电平。为了单片机更好地进行信号的处理，此电路还增加了一个 NPN 的三 极管，有高低电平转换的作用。就这样看似很复杂的烟雾传感器的信号检测

58、就这样轻松 的完成了。 5.2 烟雾报警的实验分析 本次实验分析是以甲烷气体为例，因为在生活中常发生的火灾中，天然气引发的较为 普遍，所以本次就选取天然气的主要成分甲烷作为测试气体。 甲烷浓度与传感器输出电压甲烷浓度与传感器输出电压 浓度 （%） 0102030405060708090100 电压 （v） 3.703.653.603.483.302.982.612.221.801.020 从这个表可以看出来气体浓度与电压成非线性关系，但是为了实际好操作以及便于处理 我们利用数学的线性回归对这个规律进行线性化处理。 所得的线性方程为：F（x）=-0.028x+3.72 5.3 本章小结本章小结 本章着重介绍了烟雾报警器功能测试方面以及实验后的分析和综合评估。功能测试是从 电路方面深入介绍的，从接收信号再到系统反应来评估的。而测试则是选取某种为例的， 比如生活中较为常见的火灾一般是天然气的燃烧，而天然气的主要成分是甲烷，那么可 以针对甲烷对报警器进行