烟雾探测报警器硬件设计论文

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第11页共26页1绪论1.1概述多年以来，火灾一直是人们所遭遇的最主要灾害之一，曾对人类的文明造成了重大破坏，许多著名的建筑大多都毁于火灾。例如：我国的南宋在杭州建都后，先后发生火灾20次，其中5次使全城为之一空。公元1201年3月（农历）的一场大火烧了数天，蔓延到城内外10余里，烧毁宫室、军营、仓库、民宅等58000余间，受灾达186300余人，成为我国灾害火灾之最。世界上其他国家的火灾问题也同样十分严重，例如1666年9月2日，英国伦敦失火，大火整整烧了5天，市内83.26%的面积成为瓦砾，其中包括古老的圣保罗大教堂，财产损失达1200万英镑，20多万人无家可归，又如1871年10月美国芝加哥西区发生了火灾，大火27小时后才被雨水浇灭，10万人无家可归，1.73万多间房屋被毁。现在，火灾仍然不断对人类社会造成巨大损失伤害，根据世界火灾统计中心的统计，近年来全球范围内，每年发生的火灾有600～700万起，死亡人数为65000～75000人，大多数国家的火灾直接损失占国有经济总值的0.2%以上。实际上，发生火灾后，除了直接经济财产损失外还有相当大的间接损失，所以要发展加强火灾防范，加强烟雾探测报警器的研究。1.2烟雾探测报警器的应用现状目前，现代建筑都会有选择地安装不同功能的火灾自动报警系统。因为火灾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。我国的烟雾探测报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，目前正朝智能化和网络化方向发展。火灾自动报警系统智能化是使探测系统能够模仿人的思维，主动采集环境温度，湿度光波等数据模拟量并充分采用模糊逻辑和人工神经网络技术等进行计算处理。对各项环境数据进行对比判断，从而准确地预报和探测火灾，避免误报和漏报现象。发生火灾时，能依据探测到的各种信息对火场的范围，火势的大小，烟的浓度以及火的蔓延方向等给出详细的描述，甚至可配合电子地图进行形象显示，对出动力量和扑救方法等给出合理化建议，以及实现各方面快速准确反应联动，最大限度得降低人员伤亡和财产损失，而且火灾中探测到的各种数据可作为准确判断起火原因，调查火灾事故责任的科学依据。此外，规模庞大的建筑使用全智能型火灾自动报警系统，即探测器和控制器均为智能型，分别承担不同的职能，可提高系统巡检速度，稳定性和可靠性。烟雾探测报警系统网络化是用计算机技术将控制器直接探测器之间、系统内部、各个系统之间以及城市“119”报警中心等通过一定的网络协议进行相互连接，实现远程数据的调用，对火灾自动报警系统实行网络监控管理，使各个独立的系统组成一个大的网络，实现网络内部各系统之间的资源和信息共享，使城市“119”报警中心的人员能及时，准确掌握各单位的有关信息，对各系统进行宏观管理，对各系统出现问题能及时发现并及时责成有关单位进行处理，从而弥补现在部分火灾自动报警系统擅自停用，值班管理人员责任心不强，业务素质低，对出现的问题处置不及时，不果断等方面的不足。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型烟雾探测报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探测报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的烟雾探测报警器是非常必要的。1.3烟雾探测报警器的组成烟雾探测报警系统一般由触发器件、烟雾报警模块、AD模块及具有其他辅助功能的装置组成。随着电子技术和计算机技术的迅速发展,烟雾探测报警系统的结构、形式越来越灵活多样,很难精确划分为几种固定的模式。烟雾探测报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用。烟雾探测报警控制器是烟雾探测报警系统的核心。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。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。单片机实际上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。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。1.4本章小节随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活得四周到处潜伏着火灾隐患。为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，所以要发展加强火灾防范，加强烟雾探测报警器的研究。以及讲述了烟雾探测器的应用现状及其组成。2烟雾探测报警器的方案设计2.1烟雾探测报警器设计思路烟雾探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：烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和A/D转换电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾探测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，如果大于，则启动报警电路，发出报警声音，反之则为正常状态。为了方便检测与监控，使仪器测试人员或用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中，方便调节报警限。也可以加入按键，使报警装置更加完善。还可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号更能引起用户的注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。2.2烟雾传感器的选型烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器。它将检测到的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。2.2.1烟雾传感器介绍(1)烟雾传感器的分类烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：(a)利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧传感器等。(b)利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。(c)利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。(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。2.2.2烟雾传感器的选定烟雾探测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。假如使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。如果中毒是环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在些物质时，经常对探头进行标定，是最有效的办法。因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，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。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，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。经过对比上述两种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：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、响应快的优点，他的抗干扰能力更强、寿命更长。2.2.3MQ-2烟雾传感器的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，如果晶粒间界处的离子受到该烟雾的调制而变化，就会引起表面电导率的变化。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。2.2.4MQ-2型传感器的特性及主要技术指标(1)MQ-2型传感器的一般特点：(a)MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。(b)MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。(c)MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。(2)MQ-2型传感器的基本特性(a)灵敏度特性烟雾传感器在接触同一种烟雾，其电阻值RS随气体浓度变化的特性称之为灵敏度特性，用K表示。K=RS/R0式中，R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电阻值。虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性K的值也会各有差异，但是它们都遵循同一规律，logRS=mlogC+n式中，m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于烟雾，m值为1/2～1/3；C为检测烟雾的浓度。n为与检测烟雾，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。(b)初期稳定特性半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电存放时间达到15天左右时，初期稳定时间一般需要5分钟左右。(c)加热特性半导体烟雾传感器一般要在较高的温度(200～450°C)下工作，所以需要对其加热。由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相接，当加热丝局部短路造成器件过热或放电时，可能引发事故。所以必须使用传感器生产厂家推荐的加热电压，使其工作在较安全的范围内。MQ-2型烟雾传感器加热电压为5±0.2V，加热电阻为31±3欧姆。当加热丝断路时，由于热惰性缘故，烟雾传感器的气敏特性并不立即消失，此时检测必出现较大的误差。为避免出现这种情况，所以要及时发现气敏元件的故障。(3)MQ-2型传感器的特性参数(a)回路电压：(Vc)5～24V(b)取样电阻：(RL)0.1～20K(c)加热电压：(VH)5±0.2V(d)加热功率：(P)约750mW(e)灵敏度：以甲烷为例R0(air)/RS(0.1%CH4)＞5(f)响应时间：Tres＜10秒(g)恢复时间：Trec＜30秒2.3单片机的选型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，另一方面要该信号分别进行处理，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。所以我选用STC89C52单片机。STC89C52是一种低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。2.4烟雾探测报警器整体设计方案2.4.1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2.1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。烟雾传感器烟雾传感器放大电路A/D转换单片机LED状态指示灯蜂鸣器数码管字符显示图2.1可燃性气体检测报警器结构框图2.4.2(1)烟雾浓度显示通过显示屏显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。(2)烟雾报警功能当烟雾浓度在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。(3)看门狗自检单片机状态功能调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。(4)与上位机通讯功能可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。2.4.3烟雾检测报警器的主要技术指标(1)传感器类型：半导体电阻式(2)检测范围：0～100%LEL(3)报警准确度:：±5%LEL(4)报警点设置：达到20%LEL开始报警(5)报警器工作方式：现场固定安装，自然扩散进行采样，长年连续运行(6)工作环境温度：检测器-50°C～50°C；报警器(7)工作环境湿度：≤85%RH(8)报警方式：烟雾泄漏声光报警(9)指示方式：数字显示，可显示被测烟雾LEL%及设定报警限值(10)响应时间：≤30s(11)输出信号：可输出与烟雾浓度对应的0～5VDC标准信号(12)工作电压：AC220V±15%，50±lHz(13)具备快速重复检测和延时报警功能，可区别烟雾的泄漏和短时间的微量散失，防止误报。2.5本章小节本章主要阐述了烟雾报警器的设计方案，即传感器的选型，单片机的选型和报警器的设计。传感器从种类、选定、工作原理、基本特性四个方面分别叙述。根据本设计要求及使用环境、成本等因素选用的MQ-2型半导体电阻式烟雾敏感器件。并且从结构、功能、技术指标三方面对报警器进行了详细地论述，使其在较宽的温度范围工作，用于检测空气中烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度。该烟雾探测报警器将空气中烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度显示在仪表盘上，当空气中的烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度达到一定浓度时，则启动快速重复检测和延时报警，来区别出是管道中烟雾的泄漏，若判断是烟雾泄漏，则发出声、光报警信号。此系统还可接计算机进行现场实时控制。3烟雾探测报警器的硬件设计在报警仪的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的烟雾浓度对应的模拟信号，另一方面要对信号进行处理，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些的工作中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓度，并根据情况做进行相应处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用宏晶科技生产的STC系列单片机。3.1整体电路设计及原理图3.1系统整体电路图本论文中的烟雾探测报警器以STC89C52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，把传感器送来的烟雾浓度对应的电压信号送入A/D转换器。将得到的数据及时传送给单片机进行浓度比较，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显示屏，并判断浓度值是否超出报警限，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。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。3.2各个功能子电路设计3.2.1系统电源电路任何电子设备都需要稳定的直流电源供电，直流稳压电源是将交流电压转换成稳定的直流电压的设备。一般直流稳压电源是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。电源变压器的作用是，改变电网的交流电压的大小，将220V、50Hz的市电进行降压，使变压器的副边输出的交流电压符合设计要求。让电源电路的输出电压稳定为5V，以此作为系统各个部分电路的电源。以下是本设计所采用的电源电路图。图3.2系统电源电路图3.2.2A/D转换电路图3.3TLC1549与单片机的接口电路图首先由MQ-2传感器接收到烟雾信号，然后将烟雾信号传送给A/D转换器进行AD转换，将模拟信号转换为数字信号发送给单片机，由单片机进行滤波处理。本设计采用TLC1549。TLC1549是10位模数转换器。它采用CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到±1LSBMax（4.8mV）等特点。A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。在芯片选择（CS）无效情况下，I/OCLOCK最初被禁止且DATAOUT处于高阻状态。当串行接口把CS拉至有效时，转换时序开始允许I/OCLOCK工作并使DATAOUT脱离高阻状态。串行接口然后把I/OCLOCK序列提供给I/OCLOCK并从DATAOUT接收前次转换结果。I/OCLOCK从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。在CS的下降沿，前次转换的MSB出现在DATAOUT端。10位数据通过DATAOUT被发送到主机串行接口。为了开始转换，最少需要10个时钟脉冲。如果I/OCLOCK传送大于10个时钟长度，那么在的10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATAOUT拉至低电平以确保其余位的值为零。在正常进行的转换周期内，规定时间内CS端高电平至低电平的跳变可终止该周期，器件返回初始状态。3.2.3单片机模块图3.4单片机模块这个单片机由12M的晶振电路给单片机提供一个时钟信号，让单片机的工作速度为每秒12M。单片机将得到的数据及时传送给单片机进行浓度比较，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。S8、S9为2个按键，可以调节烟雾浓度达到报警的上限值。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU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。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，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。另外STC89X52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。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。3.2.4数码管显示电路报警器浓度显示采用四位共阴数码管。显示浓度级别，其主要技术参数如下：模块工作电压：2.7～5.5V工作电流：80mA，每段10mA工作温度：-10～+50°C图3.5数码管显示电路3.2.5声音报警电路声音报警电路图如图3.6所示。电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P2.7端口连接如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P37(PWM)口输出占空比一定的脉冲，从而达到控制蜂鸣器是否报警。图3.6声音报警电路图3.2.6复位电路单片机有多种复位电路，本系统采用手动复位方式，电路如图3.7。在正常工作时，按下复位键时单片机复位。图3.7复位电路图3.3本章小节本章阐述了烟雾报警器的硬件设计。首先按选用STC89C52单片机作为该报警系统的核心控制器，它对于传感器送来的烟雾浓度对应的模拟信号进行处理，控制后续电路进行相应的动作。然后详细地阐述了烟雾报警器电路设计，分为电源模块、AD模块、单片机模块、显示模块、报警模块。4烟雾探测报警器的软件设计4.1烟雾探测报警器软件流程及设计软件解决的主要问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行AD转换，数字滤波，线性化处理，段式液晶浓度显示，按键功能设置，以及报警器声光警报。传感器预热并故障检测程序初始化开始传感器预热并故障检测程序初始化开始是否按下模式切换进入报警限设置模式是否按下模式切换进入报警限设置模式YNA/D转换A/D转换平均值法滤波平均值法滤波线性化处理线性化处理是否超过报警限是否超过报警限进入报警处理程序进入报警处理程序Y浓度显示N浓度显示设置指示灯状态设置指示灯状态图4.1主程序流程图主程序流程图如图4.1所示。首先要给传感器预热三分钟，因为MQ-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。本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟，预热同时，对传感器加热丝故障检测，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。STC89C52单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入段式液晶显示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯及按键功能设置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。4.2本章小节本章阐述了烟雾报警器的软件设计。这里选择的STC系列单片机，应用KEILC51编程器和STC单片机专用ISP下载软件开发完成。然后按照软件实现的功能，简单地设计并叙述了主程序设计。5实验检定和误差分析以及调试5.1烟雾探测报警器的检定5.1本论文设计的烟雾检测报警器选用“%LEL”作为烟雾的测量单位及衡量标准，下面介绍关于LEL的相关概念。“LEL”是指爆炸下限。可燃烟雾在空气中遇明火种爆炸的最低浓度，称为爆炸下限(LowerExplosionLimited)，简称LEL。可燃烟雾在空气中遇明火种爆炸的最高浓度，称为爆炸上限(UpperExplosionLimited),简称UEL。烟雾的浓度过低或过高时是没有危险的，只有与空气混合形成混合气或更确切地说遇到氧气形成一定比例的混合气才会发生燃烧或爆炸。燃烧是伴有发光发热的激烈氧化反应，它必须具备三个要素：可燃物（燃气）；助燃物（氧气）；点火源（温度）。可燃气的燃烧可以分为两类，一类是扩散燃烧，即挥发的或从设备中喷出、泄漏的可燃气，遇到点火源混合燃烧。另一类燃烧，是可燃气与空气混合着火燃烧，这种燃烧反应激烈而速度快，一般会产生巨大的压力和声响，又称之为爆炸。燃烧与爆炸没有严格的区分。有关权威部门和专家已经对目前发现的可燃气作了燃烧爆炸分析，制定出了烟雾的爆炸极限，它分为爆炸上限和爆炸下限。低于爆炸下限，混合气中的可燃气的含量不足，不能引起燃烧或爆炸，高于上限混合气中的氧气的含量不足，也不能引起燃烧或爆炸。另外，可燃气的燃烧与爆炸还与烟雾的压力、温度、点火能量等因素有关。爆炸极限一般用体积百分比浓度表示。本设计中设定一氧化碳的爆炸下限为10%体积比，对应的报警限设在20%LEL，也就是甲烷含量为2%体积比时报警器报警。5.1.2因为家用煤气中主要成分为甲烷，所以本实验在烟雾标定时，选用甲烷烟雾。实际甲烷烟雾与进入到单片机输入端的电压值对应数据如表5.1所示。表5.1实际甲烷烟雾与送入单片机的电压值对应数据浓度（%）电压（V）03.70103.65203.60303.48403.30502.98602.61702.22801.80901.021000从该曲线可以看出，电压值与烟雾浓度之间是非线性关系，为了实时显示气体浓度，需要对其进行线性化处理，使显示的烟雾浓度与实际误差在±5%范围内。对曲线作线性化处理时，根据曲线的走势，将烟雾浓度分成7段。直线方程f(x)=f(xi)+(x-xi)f(xi)-f(xi)/（xi–xi）i=1,2,3L,7(5-1)其中，f(x)为实际烟雾检测LEL浓度，x为实际烟雾检测浓度对应的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi是区间的上限浓度对应电压值，f(xi)为区间下限点烟雾LEL浓度值，f(xi)为区间上限点烟雾LEL浓度值，根据公式计算出7个直线方程式，如下：(1)0%~10%LELf(x)=0.50x+3.70(2)10%~20%LELf(x)=0.50x+3.613)20%~40%LELf(x)=1.50x+3.90(4)40%~50%LELf(x)=3.2x+4.58(5)50%~60%LELf(x)=3.7x+4.83经实验的标定，实际烟雾浓度与显示浓度误差对比如表5.2所示：表5.2分段线性化误差数据浓度（%LEL）浓度误差浓度（%LEL）浓度误差005055355310-160015465220370325-175530580-2353854402903455955根据误差计算公式X=i，在本实验中N为20，计算本报警器。显示烟雾浓度与实际浓度之间的误差为2.55%，在所规定误差范围±5%之内。因此，本论文中的可燃性报警器满足检测要求。5.2实验误差分析在测量仪器的实际使用中，造成误差的来源很多，通常是多种误差源综合作用的结果。硬件误差主要来自以下四个方面：(1)传感器非线性误差本系统选用MQ-2型半导体陶瓷式烟雾传感器，烟雾浓度与输出电压存在一定的非线性，使用折线插值方法进行线性化处理。(2)电子元器件参数的离散性、温度不稳定性造成的误差传感器输出信号一般比较微弱，需要过数据采集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。运放误差是造成前置放大误差的主要原因，运放的输入失调电压，输入失调电流是影响电路精度的重要因素。本设计选用高输入阻抗、低噪声的放大器，可以满足要求。另外所选的阻容器件都是经过精确测量后再焊接上去的，并经过仔细调试以获得最佳性能。(3)环境、外部噪声引起的误差环境因素包括环境温度、湿度、空气中的尘埃等。对本系统来说，空气中的成分对系统的探头和单片机及其外围电路影响很小，在进行测量时不用进行补偿。但环境温度、湿度对传感器有一定的影响。但是温湿度的影响相对于系统5%LEL的精度要求，可以忽略不计。另外，系统还受到各种外部电磁噪声的干扰，设计上，把探测器与控制器之间的信号线用屏蔽电缆连接。在电路板布线时，注意抗干扰设计。5.3调试5.3.1判断传感器电源连接情况。在传感器的地端串联一个电阻R，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P2.1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。蜂鸣器在本设计中的作用主要在于发出警报声响以提示操作人员，蜂鸣器发声的原理是使用单片机的定时器定时，按照一定音调所对应的频率产生驱动信号并使用另一个计时器控制发音的持续时间，使蜂鸣器发出对应频率和长短的声音。调试蜂鸣器模块使用一下一段程序：unsignedcharcodeSONG[]={0x26,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x26,0x10,0x20,0x10,0x20,0x80,0x26,0x20,0x30,0x20,0x30,0x20,0x39,0x10,0x30,0x10,0x30,0x80,0x26,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x1c,0x20,0x20,0x80,0x2b,0x20,0x26,0x20,0x20,0x20,0x2b,0x10,0x26,0x10,0x2b,0x80,0x26,0x20,0x30,0x20,0x30,0x20,0x39,0x10,0x26,0x10,0x26,0x60,0x40,0x10,0x39,0x10,0x26,0x20,0x30,0x20,0x30,0x20,0x39,0x10,0x26,0x10,0x26,0x80,0x26,0x20,0x2b,0x10,0x2b,0x10,};……voidPlaySong(uchari){ ucharTemp1,Temp2; uintAddr; Count=0; //中断计数器清0 Addr=i*217; while(1) { Temp1=SONG[Addr++]; if(Temp1==0xFF) //休止符 { TR0=0; Delay_xMs(100);} elseif(Temp1==0x00) //歌曲结束符 { return;} else { Temp2=SONG[Addr++]; TR0=1; while(1) { Speak=~Speak; Delay_xMs(Temp1); if(Temp2==Count) { Count=0; break;}}}}}voidMain(){ Time0_Init(); //定时器0中断初始化 { Play_Song(0);}}这一段程序的功能是使用蜂鸣器演奏歌曲《祝你平安》中的一段音乐，其中音符的频率根据标准音频表设计，由于单片机使用12MHz的晶振，计时器将产生10ms的定时中断，定时器初始值为D8F0H，之后在播放调用过程中配合循环产生相应的节拍时间。5.3.2烟雾探测报警器仿真图5.1仿真结果图打开用Proteus软件编辑好的电路图，双击单片机导入程序，导入程序仿真后，如图5.1所示，由于在元件库中没有烟雾传感器，所以我们用滑动变阻器来代替它。设置一个浓度值115，调节滑动变阻器，当浓度值超过115时开始报警。5.3.2根据原理图焊接电路板按照设计的电路图焊接电路板，焊接时要牢记注意点，短路、虚焊都不要出现，在焊接每一次完成后都要认真检查有没有出现错误，避免在总体的焊接完毕后，出现不知所以的问题。所以在焊接时严格按照电路图焊接。焊接完成后检查电路板焊接情况，用万用表检查电路是否存在短路、虚焊。检查完毕确认没有问题的情况下加电测试。实物电路板如图5.2所示。图5.2电路板实物图5.3.3系统运行中一共有多种报警方式及警告级别，在整体运行调试中，将通过使系统处于各种环境条件下进行行为测试，整个测试过程及系统行为记录见表5.3。其中由于一氧化碳的测试具有一定危险性，调试时使用模拟电压输入代替传感器电压信号。表5.3系统整体运行调试行为记录温度示数(℃)烟雾浓度示数(ppm)屏幕显示蜂鸣器鸣响200各数据示数否300各数据示数否400各数据示数否500各数据示数否600各数据示数否700各数据示数否800各数据示数否2140各数据示数否2070各数据示数否20100各数据示数否20130各数据示数否19160各数据示数否20190各数据示数否20220各数据示数是20250各数据示数是20280各数据示数是5.4本章小节本章介绍了烟雾报警器的误差来源，大致介绍了各硬件模块的功能调试与系统整体运行的调试结果，对在调试中发现了一些存在的误差情况进行了一些修改，但整体运行仍存在着一定误差，此外系统自检中对传感器的检测方式仍没有适当的算法将检测改为并行模式。但系统总体能够实现火灾检测与报警的完整功能，并可以正常运行，达到了设计要求。结论烟雾检测报警器可保障生产与生活的安全，