基于单片机的室内烟雾报警系统的设计

1、基于单片机的室内烟雾报警系统的设计摘   要 随着社会和经济的发展，在日常生活中做好火灾预防工作显得越来越重要了。因此，我们设计一种结构简单、经济实用的家庭烟雾报警器来满足市场的需求。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，设计了一种比较合理适用的烟雾报警器。 该设计以单片机STC89C52和传感器MQ-2作为烟雾报警器的核心元器件，并配合其它元器件来实现声音报警等功能。设计中选用STC89C52单片机作为控制器，选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件传感器来实现烟雾的检测。烟雾报警器主要由单片机控制电路、声音报警电路、烟雾信号采集及前置放大电

2、路、安全保护电路等构成，设计比较合理并且价格低廉、简单易懂。论文主要针对烟雾报警的各个功能以及组成部分进行详细的介绍和说明，并对其外围设备电路和主控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讲解和分析。关键字： 烟雾报警器；单片机；传感器The Design of Indoor Smoke Alarm System Based on MCUAbstract With the social and economic development, fire prevention in daily life to do more and more important. Therefo

3、re, we design a simple structure, economical and practical family smoke alarm to meet the needs of the market. Based on the basic requirements and functions of smoke alarm for home use, a reasonable and applicable smoke alarm is designed. The design of single-chip STC89C52 and MQ-2 sensor smoke alar

4、m as the core components, and with other components to achieve the voice alarm and other functions. The design of STC89C52 microcontroller as a controller, the choice of MQ-2 type semiconductor combustible gas sensor sensor to achieve smoke detection. Smoke alarm by the single-chip microcomputer con

5、trol circuit, sound alarm circuit, smoke signal acquisition and preamplifier circuit, safety protection circuit, etc., the design is reasonable and inexpensive, easy to understand. In this paper, the functions and components of smoke alarm are introduced and explained in detail, and the connection m

6、ode between the peripheral circuit and the main control circuit and the design of the system software are mainly explained and analyzed.1 绪   论1.1 课题背景 由于科技的发展以及工农业生产，越来越多的隐患也将随之而产生。为了早期发现和通报火灾，减少和防止火灾危害，防止火灾引起的燃烧和爆炸等事故，造成严重的人员伤亡以及经济损失，以及影响社会主义现代化建设。 为了预防和减少该事故的发生，那就一定要

7、采用先进可靠的仪表进行安全检测，实时检测烟雾的浓度，才能及早地发现隐患，随之采取强有力的措施，从而避免该类事故的发生，这样才能保证家庭及工业生产的安全。因此，智能烟雾检测系统将成为一个重要的研究领域。1.2 设计概述烟雾报警器系统的两大核心:单片机及烟雾传感器。单片机在传感器和报警器中起着桥梁枢纽作用，在工农业生产及人们的日常生活中已深入应用，随着社会的发展需求，各种类型的单片机应运而生。单片机传感器和报警电路设备的桥梁作用，其实是器件级计算机系统，也就是微控制器和微处理器。由于单片机成本低而且体积也较小，所以绝大数的电子系统中都有单片机的存在。同时，单片机也可以用在报警检测系统中，及时发现隐

8、患，让人们有足够的时间来采取相应措施，因此智能烟雾报警器在生活已经工业生产中起到了至关重要的作用。传感器好比人的鼻子，是信息时代的感官器件，“鼻子”的灵敏度直接导致了系统的反应速度。20世纪80年代曾被美国成为传感器时代，而在日本，传感器被称为十大技术之一。因此，根据烟雾报警器的需求，选择一款经济实用，反应灵敏的单片机和传感器是至关重要的。在该论文中，STC89C52单片机和MQ-2半导体气体烟雾传感器是本设计的两大核心器件。1.3 设计任务分析 本篇论文是烟雾报警器的设计： (1) 对系统进行整体规划和结构设计。 (2) 以STC8

9、9C52单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，让其功能更加完善。系统硬件电路主要分为数据收集、声音报警电路、状态指示灯电路等部分。  (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，为了方便后期的改进及维护，因此加了详细的注释。 (4) 硬件电路和软件的综合调试2 系统总体方案设计 烟雾报警器是能够检测出环境中的烟雾浓度过高时，并具有安全报警功能的仪器。该烟雾报警器的基本组成部分应包括：字符显示电路、单片机控制电路、信号采集模数转换电

10、路、安全保护电路和声光报警电路等部分组成。  为了适应工业和家庭等场所对易爆易燃等安全性的要求，设计出来的烟雾报警器应该具有明显的报警作用。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。该设计包括软件和硬件两个部分。 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、报警部分三大部分。电路总题框图如图2.1所示：处理器是采用的51系列单片机STC89C52。整个系统都是在系统软件控制下工作的。烟雾检测探头能将检测到的烟雾变成电信号

11、，然后送出模拟信号，再给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 烟雾传感器的介绍 烟雾传感器就是一个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。而烟雾传感器就是通过监测环境中烟雾浓度来实现火灾防范的。当烟雾探头接触到烟雾或者其他特定的气体时，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，单片机从而对其进行控制。MQ-2半导体传感器是以清洁空气中电导率

12、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。当空气中的烟雾浓度增高时，传感器的电导率也会随之而增加。MQ-2传感器具有一般半导体烟雾传感器的一些优点，如抗干扰能力强、输出信号大、灵敏度高、响应和恢复时间短、电导率变化大、工作稳定和寿命长等优点，在市面上应用相当广泛。由于测量范围和物理量的不同，传感器的结构和工作机理就不同。烟雾传感器大多数输出的电信号是模拟信号。当输入的信号强度符合A/D转换器的输入级别时，那么就不用放大器放大了；反之 ，就需要放大器对其进行放大。所以MQ-2传感器要想把采集到的信号发送给单片机，那就必须要经过A/D转换器将其转换成单片机可以识别的

13、电信号。  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，就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。 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。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机） 4、模拟量输出05V电压，浓度越高电压越高。5、对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。6、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性7、快速的响应恢复特性2.2 STC89C52单片机简介  STC89C52是一种高性能、低功耗的C

14、MOS8位微控制处理器，具有8K可编程Flash存储器15。使用非易失性的高密度储器技术制造，并能够与工业80C51产品引脚和指令完全兼容。在单芯片上，不仅可以在系统可编程Flash，而且拥有灵巧的8位CPU，使得STC89C52在众多嵌入式控制应用系统中不可缺少。STC89C52具有如下标准功能：256字节RAM，8k字节Flash，32位I/O 口线，2个数据指针，看门狗定时器，三个16位定时器/计数器，全双工串行口，一个6向量2级中断结构，片内晶振及时钟电路16。另外，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、

15、串口、计数器/定时器、中断继续工作。在掉电保护模式下，RAM内容能够被保存，振荡器被冻结，单片机停止一切工作，直到下一个硬件复位或中断为止。这一模块以单片机为核心把程序烧进去然后外围接上振荡电路、复位电路、LED显示电路、键盘控制、报警电路等子模块。2.3 总体框图（得修改）放个系统整体设计框图，自己画，然后在介绍下模块功能和系统3 系统的硬件电路3.1 单片机最小系统单片机最小系统由单片机、时钟电路、复位电路构成。 STC89C52 单片机的工作电压范围：4V5.5V,因此，我们通常用5V的直流电源给单片机供电。即单片机中的40脚VCC接+5V，而20

16、脚VSS接地17。 复位电路：用来确定单片机的起始工作状态，以便完成单片机的启动过程。当单片机接通电源时，能够产生一个复位信号，来确定单片机的起始工作状态以及完成单片机的启动。当单片机系统处于正常运行时，受到来自外界的干扰，出现程序错乱时，此时按下复位按钮，其内部的程序会重新开始执行。复位电路一般有两种：上电自动复位和外部按键手动复位。该设计所采用的复位电路为外部手动按键复位电路，因此，需接一个上拉电阻，用来提高输出高电平的值。 时钟电路：时钟电路就像单片机的心脏，它能够控制着单片机的工作节奏16。时钟电路也可以说是振荡电路，是它能向单片机提供正弦波信号，决定了单片机的执行

17、速度。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us。 要使单片机能够工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统。3.2 单片机的时钟电路与复位电路设计（1）时钟电路： AT89C51单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成，在XT

18、AL1和XTAL2引脚上外接晶体振荡器Y，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHZ，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。时钟电路和复位电路图（2）复位电路： 单片机有多种复位电路，本系统采用自动复位（上电复位）与手动复位方式，电路如图。当上电时，CJ3充电，电源经过电容器CJ3 加到RESET引脚，使单片机复位；在正常工作时，按下复位键时单片机复位。3.3状态指示灯电路指示灯电路图绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低；黄灯闪烁表示传感器连接故障或是线路接触不良；红灯闪烁表示环境中

19、烟雾浓度超过报警最低预设值，提醒用户尽快做出相应安全防范措施。3.4烟雾检测烟雾检测采用MQ-2传感器。MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。处于200300摄氏度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的调至而变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。工作原理： MQ-2的4脚输出随烟雾浓度变化的直流信号，被加到比较器U1A的2脚，Rp构成比较器的门槛电压

20、。当烟雾浓度较高输出电压高于门槛电压时，比较器输出低电平（0v），此时LED亮报警；当浓度降低传感器的输出电压低于门槛电压时，比较器翻转输出高电平（Vcc），LED熄灭。  调节Rp，可以调节比较器的门槛电压，从而调节报警输出的灵敏度。 R1串入传感器的加热回路，可以保护加热丝免受冷上电时的冲击。MQ-2模块原理图3.5声音报警电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P2.3端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。有源蜂鸣器，也称压电式压蜂鸣器，主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。 其中最重要的就是它的压电蜂鸣片，通常这是一种压电陶瓷，能进行电

21、能与机械能的转换。 发声过程为：外部提供恒定直流电压，提供能量给多谐振荡器，多揩振荡器起振，并提供变化的电压和频率给压电陶瓷，压电陶瓷将电能转化为机械能，也就发出了声音。报警装置采用电磁式有源蜂鸣器其参数特点如下： 额定电压：4V -8V 额定电流：=<300mA=<70Ma 声压电平：>=85 db谐振频率：2500Hz 线圈电阻：6.5±160±2 重   量 ：2g 系统设有一个消音按键，当报警器发出鸣叫时，用户到达现场，可按下消音

22、按键停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。声音报警电路图4 系统的软件的设计4.1 单片机开发工具Keil与仿真软件Protues 本系统的软件编程使用的是美国Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。   Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生

23、成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 Proteus是英国著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上

24、唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。1Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。2Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理

25、论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。3除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。4Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。4.2系统主程序设计及流程图主程序流程图如下图所示。首先要给传感器预热，因为QM-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。主程序设计先对传感器预热，预热同时，对传感器进行故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。 自己画在整个报警系统工作中，将烟雾信号变成电信号，然后送出模拟信号，再给AD采集电路采集由单片机进行分析处理，判断是否超过预设报警值，系统是否启动报警。主程序还包括LED八段式数码管浓度字符显示功能、手动报警功能、报警浓度设定功能，中断子程序等