智能家庭煙霧火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)

1、 智能家庭煙霧檢測火災(zāi)報警系統(tǒng)姓 名 張 晶 專 業(yè) 電子與通信工程 學(xué) 號 151331052 1 緒論1.1 課題背景隨著科技的發(fā)展，越來越多的巨大的隱患由于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活而產(chǎn)生。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財產(chǎn)安全。保衛(wèi)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)，防止火災(zāi)引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全。為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對煙霧進(jìn)行現(xiàn)場實時檢測，采用先進(jìn)可靠的安全檢測儀表，嚴(yán)密監(jiān)測環(huán)境中煙霧的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和家庭生活安全。因此，研究煙霧的檢測方法與研制煙霧報警 器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)

2、域的一個重要課題。 1.2 設(shè)計概述單片機(jī)及煙霧傳感器是煙霧報警器系統(tǒng)的兩大核心。單片機(jī)好比一個橋梁，聯(lián)系著傳感器和報警電路設(shè)備。近幾年來，單片機(jī)已逐步深入應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各部門及人們生活的各個方面。各種類型的單片機(jī)也根據(jù)社會的需求而開發(fā)出來。單片機(jī)是器件級計算機(jī)系統(tǒng)，實際上它是一個微控制器或微處理器。由于它功能齊全，體積小，成本低，因此它可以應(yīng)用到所有電子系統(tǒng)中。同樣，它也可以廣泛應(yīng)用于報警技術(shù)領(lǐng)域，使各類報警裝置的功能更加完善，可靠性大大提高，以滿足社會發(fā)展的需要。而傳感器作為信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”器件，如果沒有“感官”感受信息，或者“感官”遲鈍，都難以形成高精度、高速度的控制系統(tǒng)。美國曾

3、把二十世紀(jì)八十年代稱為傳感技術(shù)時代，日本更是把傳感技術(shù)列為十大技術(shù)之首。所以，根據(jù)報警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧傳感器和單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。在本論文中的最主要的設(shè)計是選STC89C52單片機(jī)和MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器為核心器件。 目前，現(xiàn)代建筑都會有選擇地安裝不同功能的煙霧自動報警系統(tǒng)。因為煙霧自動報警系統(tǒng)是建筑物的神經(jīng)系統(tǒng)，它能夠感受、接收著發(fā)生火災(zāi)的早期信號并及時報警，發(fā)出警報同時告知用戶和周邊居民。它就像是一個個稱職的更夫，給居住、忙碌或是休息在家庭中的人們以極大的安全感。在火災(zāi)的早期階段，準(zhǔn)確的探測到火情并迅速報警，對于及時組織有序快速疏散、積極有效地控制火災(zāi)的蔓

4、延、快速滅火和減少火災(zāi)對居住人群的損失都具有重要的意義。2 總體方案設(shè)計煙霧報警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器。該報警系統(tǒng)的最基本組成部分應(yīng)包括：信號采集模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、字符顯示電路、聲光報警電路和安全保護(hù)電路等部分組成。為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計的煙霧報警器具有顯示報警狀態(tài)。報警器采用延時的工作方式，煙霧檢測報警器以STC89C52單片機(jī)為控制核心，選用MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，配合外圍電路構(gòu)成煙霧報警系統(tǒng)。從設(shè)計的要求來分析該設(shè)計須包含如下結(jié)構(gòu)：煙霧檢測部分、STC89C52單片機(jī)主控部分、報警部分，AD采集

5、四大部分。電路總框圖如圖1所示： 電源開關(guān) 電源 STC89C52 單片機(jī)AD采集電路顯示電路報警電路按鍵控制 圖1 總體設(shè)計框圖處理器采用51系列單片機(jī)STC89C52。整個系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。設(shè)置在監(jiān)測點(diǎn)上的煙霧檢測探頭將檢測到的煙霧變換成電信號，送出模擬信號，給AD采集電路采集。在單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)軟件查詢、識別判決等環(huán)節(jié)實時發(fā)出煙霧報警狀態(tài)控制信號。驅(qū)動蜂鳴器及報警指示燈報警。2.1 煙霧檢測傳感器煙霧傳感器是測量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。而煙霧報警器的信號采集由煙霧傳感器負(fù)責(zé)。煙霧傳感器能夠?qū)怏w的種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)這些電信號的強(qiáng)弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境

6、中存在的情況有關(guān)的信息，從而達(dá)到檢測、監(jiān)控、報警的功能。可以說，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。煙霧傳感器作為報警器中不可缺少的核心器件，它決定了所采集的煙霧濃度信號的準(zhǔn)確性和可靠性。煙霧傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖 2 煙霧傳感器及其結(jié)構(gòu)圖MQ-2半導(dǎo)體傳感器是以清潔空氣中電導(dǎo)率較低的金屬氧化物二氧化錫(SnO2)為主體的N型半導(dǎo)體氣敏元件。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在煙霧氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧氣體濃度的增加而增大。在設(shè)計報警器時只有使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。該傳感器具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、電導(dǎo)率變化

7、大、響應(yīng)和恢復(fù)時間短、抗干擾能力強(qiáng)、輸出信號大、壽命長和工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在市面上應(yīng)用十分廣泛。二氧化錫(SnO2)半導(dǎo)體氣敏元件特點(diǎn)：(a)SnO2材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性較好，與其他類型氣敏元件相比，SnO2氣敏元件壽命長、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)。(b)SnO2氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫離時間短，可連續(xù)長時間使用。(c)SnO2氣敏元件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠行較高，機(jī)械性能良好。MQ-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有只針狀管腳，

8、其中個用于信號取出，個用于提供加熱電流。 MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器適用于煙霧、天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣等的檢測，對可燃性氣體的（CH4、C4H10、H2等）的檢測很理想。這種傳感器在較寬的濃度范圍內(nèi)對煙霧氣體有良好的靈敏度，能夠檢測多種可燃性氣體，十分適合應(yīng)用在家庭的氣體泄漏報警器中。是一款便攜式氣體檢測器，非常適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。其技術(shù)指標(biāo)表1。表1 MQ-2的技術(shù)指標(biāo)加熱電壓（Vh） AC或DC 5±0.2V 回路電壓（Vc）負(fù)載電陰（Rl）清潔空氣中電阻 （Ra） 靈敏度（S=Ra/Rdg）響應(yīng)時間(trec)恢復(fù)時間(trec)元件功耗

9、檢測范圍使用壽命最大DC 24V2K2000 K4(在1000ppmC4H10中)10S30S0.7W5010000ppm2年 由于物理量和測量范圍的不同，傳感器的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)就不同。通常煙霧傳感器輸出的電信號是模擬信號（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。當(dāng)信號的數(shù)值符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級時，可以不用放大器放大；當(dāng)信號的數(shù)值不符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級時，就需要放大器放大。所以MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器要想把采集到的煙霧濃度模擬信號傳送給單片機(jī)控制器就必須經(jīng)過將模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以識別的電信號給單片機(jī)。 設(shè)計時應(yīng)注意，氣敏元件開機(jī)通電時，其內(nèi)阻很小，但經(jīng)過一段時間后，才

10、能恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，QM-2氣體傳感器需開機(jī)預(yù)熱幾分鐘，才可投入使用，以免造成誤報。2.2 單片機(jī)選型單片機(jī)是煙霧自動報警系統(tǒng)的心臟，用來接收火災(zāi)信號并啟動報警裝置顯示和執(zhí)行相應(yīng)的報警。在單片機(jī)實現(xiàn)的控制功能中，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，使檢測人員和用戶在報警器系統(tǒng)正常工作時能夠及時地觀測到實時的煙霧濃度等級，并進(jìn)行相應(yīng)處理。同時，在能夠滿足報警器系統(tǒng)設(shè)計的計算速度及接口功能要求的同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。由于單片機(jī)技術(shù)在各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相

11、繼推出了各種類型的單片機(jī)，在單片機(jī)家族的眾多成員中，MCS系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動化工程應(yīng)用的主要市場，成為國內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。其中，51系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是價錢便宜,I/O口多,程序空間大。因此，測控系統(tǒng)中，使用51系列單片機(jī)是最理想的選擇，因此設(shè)計采用STC89C52。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在線可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU

12、 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。這一模塊以單片機(jī)為中心把程序代碼燒進(jìn)去

13、然后外圍接上復(fù)位電路、振蕩電路、鍵盤控制、LED顯示電路、報警電路等子模塊。3 系統(tǒng)的硬件電路 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)要使單片機(jī)工作起來最基本的電路構(gòu)成為單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3示。 圖3 單片機(jī)模塊電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、復(fù)位電路、時鐘電路構(gòu)成。復(fù)位電路就是確定單片機(jī)的工作起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動過程。單片機(jī)接通電源時產(chǎn)生復(fù)位信號，完成單片機(jī)啟動確定單片機(jī)起始工作狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到外界環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。一般有上電自動復(fù)位和外部按鍵手動復(fù)位，單片機(jī)在時鐘電路工作以后，在RESET端持續(xù)給出2個機(jī)器周期的高電平時就可以完成復(fù)位

14、操作。本設(shè)計采用的是外部手動按鍵復(fù)位電路，需要接上上拉電阻來提高輸出高電平的值。時鐘電路好比單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。時鐘電路就是振蕩電路，是向單片機(jī)提供一個正弦波信號作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行速度。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。因為一個機(jī)器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機(jī)器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us。 3.2 單片機(jī)的時鐘電路與復(fù)位電路設(shè)計本系統(tǒng)采用STC系統(tǒng)列單片機(jī)，相比其他系列

15、單片機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)。一般STC單片機(jī)資源比其他單片機(jī)要多，而且執(zhí)行速度快；STC系列單片機(jī)使用串口對單片機(jī)進(jìn)行燒寫,下載程序較為方便；且具有很強(qiáng)抗干擾能力。本系統(tǒng)采用內(nèi)部方式的時鐘電路和加電自復(fù)位的復(fù)位電路，如下圖4、圖5所示：圖4 時鐘電路圖5 復(fù)位電路由于單片機(jī)P0口內(nèi)部不含上拉電阻，為高阻態(tài)，不能正常地輸出高/低電平，因而該組I/O口在使用時必須外接上拉電阻。3.3 煙霧檢測AD采集電路 煙霧檢測采用MQ-2傳感器。經(jīng)過ADC0832采集后就可以得到各種煙霧濃度下的電壓值，從而設(shè)定出理想的煙霧強(qiáng)度報警值。電路如圖6所示圖6 煙霧濃度采集電路3.4 顯示模塊顯示采用數(shù)碼管顯示，顯示電路如圖

16、7。數(shù)碼管顯示當(dāng)前煙物濃度和溫度值，采用三極管驅(qū)動數(shù)碼管顯示，優(yōu)點(diǎn)：高亮度、成本低。圖7 數(shù)碼管顯示3.5 聲音報警電路電路通過三極管基極串連一個電阻與單片機(jī)P3.6端口連接從而達(dá)到控制蜂鳴器是否報警。如圖8所示。 圖8 聲音報警電路圖 3.6 按鍵控制電路本電路設(shè)計了四個按鍵，一個設(shè)置鍵、一個加鍵、一個減鍵、一個緊急報警鍵，當(dāng)遇到緊急情況時，可按下緊急報警鍵，蜂鳴器進(jìn)行報警。如圖9所示圖9 消音按鍵連接電路圖3.7 電源模塊采用4節(jié)1.5 V干電池共4.5V做電源，經(jīng)過實驗驗證系統(tǒng)工作時，單片機(jī)、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。電源接口電路如圖10，其中P1為電池接

17、口，SW1為電源開關(guān)。圖10 電源接口電路3.8 溫度傳感器(DS18B20)電路3.8.1 DSl8B20簡介DSl8B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DSl820之后最新推出的智能改進(jìn)型智能溫度傳感器，能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)要求通過簡單的編程實現(xiàn)9l2位的數(shù)字直讀方式。可以分別存93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DSl8B20讀出的信息或?qū)懭隓Sl8B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接DSl8B20供電，而無需額外電源。因而使用DSl8B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。DS18B2

18、0多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)是以AT89C52單片機(jī)作為控制核心，智能溫度傳感器DS18B20為控制對象，用數(shù)碼管顯示，運(yùn)用C語言實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。設(shè)計完成了冷庫溫度的監(jiān)控和報警等令人滿意的效果。DSl8B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如11所示：圖11 DSl8B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖12所示： 圖12 DS18B20的管腳3.8.2 18B20接口電路溫度傳感器接口電路如圖13所示。圖13 溫度傳感器接口電路圖DS18B20有六條控

19、制命令：溫度轉(zhuǎn)換 44H 啟動DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換 讀暫存器 BEH 讀暫存器9個字節(jié)內(nèi)容 寫暫存器 4EH 將數(shù)據(jù)寫入暫存器的TH、TL字節(jié) 復(fù)制暫存器 48H 把暫存器的TH、TL字節(jié)寫到E2RAM中 重新調(diào)E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字節(jié)寫到暫存器TH、TL字節(jié) 讀電源供電方式 B4H 啟動DS18B20發(fā)送電源供電方式的信號給主CPU 主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。4 總結(jié)評價煙霧檢測報警器可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市

20、場空間與發(fā)展前景。本論文在對煙霧傳感器和報警技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計方案，并對儀器的整體設(shè)計和各個組成部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計。 本論文設(shè)計的煙霧報警器由煙霧信號采集電路與單片機(jī)控制電路兩大部分構(gòu)成。根據(jù)設(shè)計要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器。該傳感器是對以烷類煙霧為主的多種煙霧有良好敏感特性的廣譜型半導(dǎo)體敏感器件，它的靈敏度適中，具有響應(yīng)與恢復(fù)特性好，長期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、不易受環(huán)境影響及抗溫濕度影響等優(yōu)點(diǎn)。 在系統(tǒng)單片機(jī)控制電路的設(shè)計上，采用了高性能、高整合度的STC89C52單片機(jī)作為核心芯片，充分利用了其高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)，實現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。使儀器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越快，響應(yīng)時間和恢復(fù)時間