烟雾浓度检测报警系统设计

题目题目烟雾浓度检测报警系统设计摘要家本文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。其中选用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，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。选用的STC12C5410AD单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。以STC12C5410AD单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器。具有一定的实用价值。关键词：烟雾；报警器；STC12C5410；传感器

目录TOC\o"1-2"\h\z\u9632一、设计要求 195781、功能与用途 1284122、课题研究的意义 1218663、国内外发展现状 116101二、设计方案及其特点 2147411、方案说明 2223302、方案论证 229672三、传感器工作原理 34462四、电路的工作原理 423772五、单元电路设计、参数计算和器件选择 5211221、单元电路设计 5230202、参数计算 784003、器件选择 86811六、总结 91286参考文献 10一、设计要求1、功能与用途功能：烟雾检测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，仪器的最基本组成部分应包括：以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。以STC12C5410AD单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。用途：在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭眼间毁于一旦，有的导致家破人亡，而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当、报警迟缓,是造成人员伤亡的重要因素。所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾的发生。这就是我们研究烟雾报警器的目的。2、课题研究的意义烟雾检测报警装置是能够检测环境中的烟雾浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，烟雾检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2008年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，烟雾报警器具有十分广阔的市场前景。3、国内外发展现状国外从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。二、设计方案及其特点传感器放大电路A/D转换电路单片机串行口安全控制装置状态指示灯传感器放大电路A/D转换电路单片机串行口安全控制装置状态指示灯声音报警器浓度显示四个按键图1火灾烟雾报警器系统设计方案框图图1火灾烟雾报警器系统设计方案框图方案论证烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。半导体烟雾传感器的突出优点：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。三、传感器工作原理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。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。本设计中采用的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。当处于200~300°C温度时，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受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为RA。一般其固有电阻值在(103～105)Ω范围。气敏元件一般工作在200℃以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH。直热式的加热电阻值一般小于5Ω；旁热式的加热电阻大于20Ω。气敏半导体时在接触不同气体时，工作于不同温度下产生的器件阻发生值变化。气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种：（a）电阻比灵敏度K：（1）式中:Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值；

Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值。

（b）气体分离度：

（2）式中:Rc1—气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值：

Rc2—气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1＞C2。

（c）输出电压比灵敏度Kv:（3）式中:Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；

Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出.四、电路的工作原理图2火灾烟雾报警器电路图图2火灾烟雾报警器电路图1．烟雾检测报警器工作原理本论文中的烟雾检测报警器以STC12C5410AD单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入STC12C5410AD单片机；然后，在STC12C5410AD单片机内A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。另外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就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝或电缆线和传感器断线或接触不良时，进行故障报警，发出声光报警信号。当然几种状态的报警信号是各不相同的。2．烟雾检测报警器的结构为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、故障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。报警器系统结构框图如图2.3所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。报警器采用巡检的工作方式，进行两级报警值设定，并发出不同的光、声信号。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。五、单元电路设计、参数计算和器件选择1、单元电路设计（一）单片机的选型1．单片机的选择单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，然后送LCD显示，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的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。如今市面上比较普遍的单片机有8051系列与STC系列。8051单片机虽然应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，但是速度慢，功耗大，适合民用，商用，不适合工业用途。STC单片机是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，但是存在溢出隐患问题。8051系列采用的是堆栈指针，STC采用硬件堆栈8级。当堆栈指针设定合理，局部变量少的情况下，8051系列用10层的程序嵌套不会出现问题。而STC单片机程序嵌套包括中断最多不能超过8层。所以如果用C语言进行STC编程设计容易堆栈溢出。为适用于本论文设计的烟雾检测报警器，应选择一种比8051系列速度快，功耗低，抗干扰性好，而又避免C语言编程溢出问题的单片机。宏晶科技新推出的STC12系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度却比8051单片机快8~12倍。而且STC12系列下属的STC12C54xxAD系列单片机是低功耗Flash单片机，它的高效寻址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器(PWM)等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此有很好的性价比和应用适应性。2．STC12C5410AD单片机的特点STC12C5410AD单片机较以往的单片机提高了工作效率，使系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著改善，而且进一步小型化和便携化。其内部集成的Flash几乎拥有现代追求个性化的用户所需要的掉电后数据不丢失、快速的数据存取时间、电可擦除、容量大、在线可编程、足够多的擦写次数、价格低廉和高可靠性等所有优点。STC12C5410AD单片机的管脚结构如图3所示。图3STC12C5410AD单片机管脚图图3STC12C5410AD单片机管脚图（二）烟雾检测报警器硬件电路设计1．信号采集及前置放大电路传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然会造成浪费。常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。LM324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。下面详细介绍运算放大电路：如图4所示，从传感器的上端出来的信号Vi经过运算放大器的同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压Vo通过电阻R4接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻R3接到参考电压Vref。同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。在图4中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知I-=I+=0。所以（4）而且V-=V+=Vi（5）由以上两式可求出（6）所以本放大电路的放大倍数A=1+R4/R3，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1。同相比例运算电路有以下几个特点：(1)同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。(2)电压放大倍数A=1+R4/R3，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。如果不接R3和R4，则此电路就成了“电压跟随器”，它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。(3)由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。此放大电路还加了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用滑动变阻器产生一个参考电压Vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考端。所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。而电压跟随器的作用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止R3和R4对滑动变阻器输出电压的影响。图4前置放大电路图图4前置放大电路图2．声音报警电路声音报警电路图如图5所示。报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，适用于家用煤气报警器的报警声音源。当单片机STC12C5410AD的17脚(P3.7)置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器报警。本报警器采用单片机STC12C5410AD的PWM功能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P3.7(PWM)口输出占空比一定的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。图5声音报警器电路图5声音报警器电路3．段式液晶显示电路报警器浓度显示采用太阳人公司生产的SMS0403四位段式液晶。其主要技术参数如下：显示容量：4位带小数点数字模块工作电压：2.7~5.5V工作电流：20uA(3.0V)，300uA(5.0V)字高：11.4mm环境相对湿度：<85％视角：6:00工作温度：-10~+50°C显示方式：反射式正显示存储温度：-20～+60°C接口方式：二线式串行接口接口信号说明：(1)VDD：电源正极(2)DI：串行数据输入(3)CLK：串行移位脉冲输入(4)VSS：电源地SMS0403四位段式液晶，它与单片机的连接示意图如图6所示。液晶模块的2脚(DATA)、3脚(CLK)分别连接单片机STC12C5410AD的16脚(P2.7)、15脚(P2.6)，构成了报警器的烟雾浓度液晶显示模块。SMS0304是四位段式LCD，每一位都对应一个字节的显示码，单片机通过16脚(P2.7)和15脚(P2.6)将显示码送入LCD。当CLK一个的上升沿(或下降沿)到来时，单片机将显示码送入DATA，每一个时钟周期发送一位显示码，发送8次完成LCD一位数字的显示。单片机驱动液晶模块，液晶模块进入正常工作状态，将烟雾浓度的采集值显示出来。图6SMS0403S与单片机连接示意图图6SMS0403S与单片机连接示意图4．状态指示灯及控制键电路状态指示灯及控制键电路图如图7和图8所示。单片机STC12C5410AD的18脚(P1.0)、12脚(P2.4)、13脚(P2.5)，控制输出的状态指示灯。绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低。黄灯闪亮表示传感器加热丝或者电缆发生断线或者接触不良。红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。单片机STC12C5410AD的23脚(P1.5)、22脚(P1.4)、21脚(P1.3)、20脚(P1.2)，构成键盘4个按键，分别为模式选择、上调、下调、确定(消音)。液晶模块显示浓度状态下，按下1键，进入报警限值手动调节模式，此时，每按一下2键，报警限值便会在初始值基础上加1，反之，每按一下3号键报警限值减1，到达预设值时按下4键，则确定当前值为新的报警限值。当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下4号键停止报警器鸣叫。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。图7状态指示灯电路图图7状态指示灯电路图图8控制按键连接示意图图8控制按键连接示意图5．报警器故障自诊断电路(1)判断传感器电源连接情况在传感器的地端串联一个电阻R6。当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P1.1(AD)口检测到；如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。图3.8为传感器电源连接自诊断电路。图9传感器电源连接自诊断电路图9传感器电源连接自诊断电路(2)判断传感器信号端连接情况另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热2分钟后，测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常。当报警器自诊断发现传感器连接不正常，就会发出长鸣声音警报，并伴随黄灯闪烁，提醒用户及时排除传感器连接问题。6.电源电路图10电源电路图图10电源电路图本系统使用外部220V交流供电，经过变压器变压，桥式整流和电容滤波以及可调试三端稳压器CW317调节后，可以输出连续可调的直流电压，可输出9V。可调式三端稳压器CW317，其特征参数Vo

=1.2V～3.7V，

Iomax=1.5V，最小输入、输出压差（Vi-Vo）min=3V，最大输入、输出压差（Vi-Vo）max=

40V。R1与RP1组成电压输出调节电路，输出电压Vo为：(7)2、参数计算对电源电路而言R1的值为120Ω-240Ω，流经R2的波动电流为5mA～10mA，RP1为精密可调电位器，电容C3与RP1并联组成滤波电路，以减少输出的纹波电压，二极管D5的作用是防止输出端与地短路时损坏稳压器。集成稳压器的输出电压Vo与稳压电源的输出电压相同，稳压器的最大允许电流ICM。

（5）式中，Vomax为最大输出电压，Vomin为最小输出电压，（Vi-Vo）min为稳压器的最小输入、输出电压差，（Vi-Vomax）为稳压器的最大输入、输出电压差。由式（4）可知道，取R1=240Ω，则RP1max=1.49KΩ，故取RP1为4.7KΩ的精密线绕可调电位器。由式（5）可得输入电压Vi的范围为（6）副边电压V2≥Vimin/1.1=12/1.1V，取V2=11V，副边电流I2>Iomax=0.8A，取I2

=1A，则变压器副边输出功率P2≥I2V2=11W，查表之后可以知道变压器的效率η=0.7，则原边输入功率P1≥P2/η=15.7W。为留有余地，选功率为20W的电源变压器。整流二极管D1，

D2，

D3与D4选IN4001，滤波电容C1，C