智能家庭烟雾火灾检测报警系统

1、 智能家庭烟雾检测火灾报警系统姓 名 张 晶 专 业 电子与通信工程 学 号 151331052 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

2、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

3、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

4、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。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。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

5、四大部分。电路总框图如图1所示： 电源开关 电源 STC89C52 单片机AD采集电路显示电路报警电路按键控制 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

6、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

7、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只针状管脚，

8、其中个用于信号取出，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1。表1 MQ-2的技术指标加热电压（Vh） AC或DC 5±0.2V 回路电压（Vc）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

9、检测范围使用寿命最大DC 24V2K2000 K4(在1000ppmC4H10中)10S30S0.7W5010000ppm2年 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

10、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

11、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。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

12、 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：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，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。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、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

13、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。3 系统的硬件电路 3.1 单片机最小系统要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图3示。 图3 单片机模块电路 单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。复位电路就是确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程。单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动确定单片机起始工作状态。当单片机系统在运行中，受到外界环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后，在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位

14、操作。本设计采用的是外部手动按键复位电路，需要接上上拉电阻来提高输出高电平的值。时钟电路好比单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。时钟电路就是振荡电路，是向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。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。 3.2 单片机的时钟电路与复位电路设计本系统采用STC系统列单片机，相比其他系列

15、单片机具有很多优点。一般STC单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写,下载程序较为方便；且具有很强抗干扰能力。本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，如下图4、图5所示：图4 时钟电路图5 复位电路由于单片机P0口内部不含上拉电阻，为高阻态，不能正常地输出高/低电平，因而该组I/O口在使用时必须外接上拉电阻。3.3 烟雾检测AD采集电路 烟雾检测采用MQ-2传感器。经过ADC0832采集后就可以得到各种烟雾浓度下的电压值，从而设定出理想的烟雾强度报警值。电路如图6所示图6 烟雾浓度采集电路3.4 显示模块显示采用数码管显示，显示电路如图

16、7。数码管显示当前烟物浓度和温度值，采用三极管驱动数码管显示，优点：高亮度、成本低。图7 数码管显示3.5 声音报警电路电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P3.6端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。如图8所示。 图8 声音报警电路图 3.6 按键控制电路本电路设计了四个按键，一个设置键、一个加键、一个减键、一个紧急报警键，当遇到紧急情况时，可按下紧急报警键，蜂鸣器进行报警。如图9所示图9 消音按键连接电路图3.7 电源模块采用4节1.5 V干电池共4.5V做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。电源接口电路如图10，其中P1为电池接

17、口，SW1为电源开关。图10 电源接口电路3.8 温度传感器(DS18B20)电路3.8.1 DSl8B20简介DSl8B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司继DSl820之后最新推出的智能改进型智能温度传感器，能够直接读出被测温度并且可根据要求通过简单的编程实现9l2位的数字直读方式。可以分别存93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DSl8B20读出的信息或写入DSl8B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接DSl8B20供电，而无需额外电源。因而使用DSl8B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。DS18B2

18、0多点温度测量系统是以AT89C52单片机作为控制核心，智能温度传感器DS18B20为控制对象，用数码管显示，运用C语言实现系统的各种功能。设计完成了冷库温度的监控和报警等令人满意的效果。DSl8B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如11所示：图11 DSl8B20的内部结构图DS18B20的内部结构主要有四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图12所示： 图12 DS18B20的管脚3.8.2 18B20接口电路温度传感器接口电路如图13所示。图13 温度传感器接口电路图DS18B20有六条控

19、制命令：温度转换 44H 启动DS18B20进行温度转换 读暂存器 BEH 读暂存器9个字节内容 写暂存器 4EH 将数据写入暂存器的TH、TL字节 复制暂存器 48H 把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中 重新调E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节 读电源供电方式 B4H 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU 主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。4 总结评价烟雾检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市

20、场空间与发展前景。本论文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，合理地确定系统的设计方案，并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。 本论文设计的烟雾报警器由烟雾信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器。该传感器是对以烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件，它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。 在系统单片机控制电路的设计上，采用了高性能、高整合度的STC89C52单片机作为核心芯片，充分利用了其高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现了仪器的小型化和智能化。使仪器具有结构简单、性能稳定、体积小、成本低等优点。由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间