煙霧傳感器的設(shè)計(jì)

1、-煙霧傳感器的設(shè)計(jì)*濤 開(kāi)營(yíng) 超(學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，253023)摘 要：本系統(tǒng)是基于STC89C52單片機(jī)的煙霧報(bào)警器，其主要模塊由單片機(jī)模塊、電源模塊、煙霧傳感器、液晶顯示、光敏傳感器、電磁閥控制、聲音報(bào)警、發(fā)光報(bào)警、外部中斷、時(shí)鐘、復(fù)位電路等模塊組成。通過(guò)單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，可有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)等危險(xiǎn)情況的檢測(cè)。其主要煙霧傳感器為MQ-2/MQ-2S氣體傳感器，所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。M

2、Q-2/MQ-2S氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低本錢(qián)傳感器關(guān)鍵字：STC89C52單片機(jī)； 煙霧傳感器；實(shí)時(shí)檢測(cè)一、緒 論1.1 設(shè)計(jì)背景當(dāng)今，火災(zāi)是世界各國(guó)人民所面臨的一個(gè)共同的災(zāi)難性問(wèn)題。它給人類(lèi)社會(huì)造成過(guò)不少生命、財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的開(kāi)展，社會(huì)財(cái)富日益增加，火災(zāi)損失上升及火災(zāi)危害圍擴(kuò)大的總趨勢(shì)是客觀規(guī)律。近幾年來(lái)，我國(guó)每年發(fā)生火災(zāi)約4萬(wàn)起，死2000多人，傷30004000人，每年火災(zāi)造成的直接財(cái)產(chǎn)損失10多億元，尤其是造成幾十人、幾百人死亡的特大惡性火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家和

3、人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失?；馂?zāi)的危害性具體表達(dá)在以下五個(gè)方面：1火災(zāi)會(huì)造成沉重的直接財(cái)產(chǎn)損失 2火災(zāi)造成的間接財(cái)產(chǎn)損失更為嚴(yán)重 ?，F(xiàn)代社會(huì)各行各業(yè)密切聯(lián)系，牽一發(fā)而動(dòng)全身。一旦發(fā)生重、特大火災(zāi)，造成的間接財(cái)產(chǎn)損失之大，往往是直接財(cái)產(chǎn)損失的數(shù)十倍。 3火災(zāi)會(huì)造成大量的人員傷亡 。4火災(zāi)會(huì)造成生態(tài)平衡的破壞，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)年均森林火災(zāi)毀林面積達(dá)100萬(wàn)公頃我國(guó)森林覆蓋率僅為13%，日本60%，森林大面積減少，造成洪水泛濫。 5火災(zāi)會(huì)造成不良的社會(huì)政治影響 。然而很多火災(zāi)都是由于發(fā)現(xiàn)不及時(shí)導(dǎo)致了嚴(yán)重的后果，及早發(fā)現(xiàn)隱患對(duì)于后期的救災(zāi)具有至關(guān)重要的作用。于是煙霧傳感器就應(yīng)運(yùn)而生了，而煙霧傳

4、感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在火災(zāi)報(bào)警和有害氣體檢測(cè)起到了至關(guān)重要的作用。而基于煙霧傳感器的火災(zāi)報(bào)警器也就順應(yīng)時(shí)代的要求產(chǎn)生了，他抑制了很多的不確定性，大大減小了誤報(bào)率，在實(shí)際生活中有很大的應(yīng)用價(jià)值。1.2 設(shè)計(jì)目的為了能切實(shí)保障人們的生命平安及財(cái)產(chǎn)平安不受火災(zāi)的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)出一種能夠在火災(zāi)剛剛發(fā)生時(shí)或者有可燃?xì)怏w堆積引起的火災(zāi)隱患或人員平安時(shí)就能報(bào)警，并且自動(dòng)翻開(kāi)噴水閥滅火的裝置，就能極減少不良后果的發(fā)生。做到防患于未然，使人們及早得知火情，將火災(zāi)撲滅在萌芽狀態(tài)。二、方案設(shè)計(jì)2.1傳感器的選擇方案一：MP135型半導(dǎo)體空氣污染敏感元件，由加熱器以及微型Al2O3瓷基片上形成的金屬氧化物半導(dǎo)體材料構(gòu)

5、成，用電極引線引出，封裝在金屬管座、管帽。當(dāng)有被檢測(cè)氣體存在時(shí)，空氣中該氣體的濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率就越高。使用簡(jiǎn)單的電路即可將這種電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與氣體濃度對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，對(duì)污染空氣敏感。缺點(diǎn)：價(jià)格高，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，對(duì)煙霧固體小顆粒靈敏度低。圖2-1 實(shí)物圖 圖2-2 典型應(yīng)用電路方案二：MQ-2煙霧傳感器，在可燃?xì)怏w或煙霧中MQ-2煙霧傳感器的電阻會(huì)有相應(yīng)的變化。MQ-2 氣敏元件由微型AL2O3 瓷管、SnO2 敏感層,測(cè)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，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，其中個(gè)用于信號(hào)取出，個(gè)

6、用于提供加熱電流。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，性能穩(wěn)定，對(duì)煙霧固體小顆粒靈敏度高，價(jià)格較低。而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：管腳較多有6個(gè)，需要電流提前加熱功能才更好。圖2-3 MQ-2實(shí)物圖由于當(dāng)有煙霧或有害氣體產(chǎn)生時(shí)引起傳感器變化的是電阻所以用圖2-4 所示的驅(qū)動(dòng)電路就可以將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓。H兩端接到電源的兩端起預(yù)熱的作用。 圖2-4 典型應(yīng)用電路綜上所述，我們選擇方案二為最正確方案。2.2報(bào)警系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)液晶顯示器根據(jù)smog信號(hào)和see信號(hào)，顯示白天與黑夜，平安與危險(xiǎn)。當(dāng)有火災(zāi)危險(xiǎn)時(shí)，顯示并同時(shí)聲光報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)翻開(kāi)噴水閥噴水。當(dāng)按鍵按下時(shí)，外部中斷觸發(fā)，跳出報(bào)警。當(dāng)按下復(fù)位時(shí)，程序重新啟動(dòng)。2.3報(bào)

7、警系統(tǒng)方案選擇方案一：采用純硬件電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，其硬件電路如圖2-5所示。圖2-5 系統(tǒng)電路優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程容易，本錢(qián)較低。 缺點(diǎn):系統(tǒng)不穩(wěn)定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)液晶實(shí)時(shí)顯示和噴水自動(dòng)滅火的功能。方案二：采用硬件和軟件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警。包括熱釋電紅外傳感探頭電路、報(bào)警電路、單片機(jī)控制電路及相關(guān)的控制管理軟件組成。聲、光報(bào)警執(zhí)行電路單片機(jī)復(fù)位電路傳感器探頭信號(hào)處理報(bào)警器指示燈驅(qū)動(dòng)圖2-6 報(bào)警器設(shè)計(jì)框圖優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)穩(wěn)定，功能齊全，能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警、自動(dòng)噴水、液晶顯示等功能。缺點(diǎn):電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜，本錢(qián)較高。根據(jù)我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，我們選擇方案二作為最正確方案。三、 各局部電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)

8、模塊我們采用STC公司的STC89C52單片機(jī)，89C52機(jī)是高性能單片機(jī)，因?yàn)槭芤_數(shù)目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FLASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FLASH進(jìn)展校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下

9、拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)1時(shí)，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)展存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址1時(shí)，它利用部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)展讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能存放器的容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)

10、帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入1后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流。P3口也可作為AT89C52一些特殊功能口，如下所示：P3口管腳 備選功能P3.0 R*D串行輸入口P3.1 T*D串行輸出口P3.2 INT0外部中斷0P3.3 INT1外部中斷1P3.4 T0記時(shí)器0外部輸入P3.5 T1記時(shí)器1外部輸入P3.6 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通P3.7 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/：當(dāng)外

11、部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許端的輸出電平用于鎖存地址的地址字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想制止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOV*，MOVC指令是ALE才起作用。PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)端。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/VP：當(dāng)保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)

12、器0000H-FFFFH，不管是否有部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，將部鎖定為RESET；當(dāng)端保持高電平時(shí)，此間部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源。*TAL1：反向振蕩放大器的輸入及部時(shí)鐘工作電路的輸入。*TAL2：反向振蕩器的輸出,如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，應(yīng)不接。圖3-1 單片機(jī)STC89C52RC3.2 系統(tǒng)初始化電路復(fù)位方法一般有上電自動(dòng)復(fù)位和外部按鍵手動(dòng)復(fù)位，單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后, 在RESET端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)就可以完成復(fù)位操作。例如使用晶振頻率為12MHz時(shí)，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于2us。本報(bào)警器是外部手動(dòng)按鍵復(fù)位電路。 圖3

13、-2 單片機(jī)復(fù)位電路3.3時(shí)鐘電路*TAL1和*TAL2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振蕩器。石晶振蕩和瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，*TAL2應(yīng)不接。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為2個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個(gè)振蕩周期為1/12us，故而一個(gè)機(jī)器周期為1us。圖3-3 時(shí)鐘電路3.4 聲音報(bào)警電路用一個(gè)蜂鳴器、三極管和電阻接到單片機(jī)P2.1引腳上，當(dāng)單片機(jī)的P2.1引腳被置低電平后蜂鳴器響，當(dāng)單片機(jī)的P2.1引腳被置高電平后，蜂鳴器不響。系統(tǒng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，蜂鳴器發(fā)出“

14、滴答滴答的聲音，這樣就實(shí)現(xiàn)了聲音報(bào)警的功能。 圖3-4 聲音報(bào)警電路3.5發(fā)光報(bào)警電路由2個(gè)發(fā)光二極管接上電阻后連上單片的P1引腳，外接VCC，當(dāng)單片機(jī)的P2.0引腳被置低電平后，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，P2.0引腳被置高電平后，發(fā)光二極管被熄滅，這樣起到報(bào)警作用。 圖3-5 發(fā)光報(bào)警電路3.6外部中斷電路按下手動(dòng)復(fù)位鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入中斷程序，程序使系統(tǒng)停頓報(bào)警。圖3-6 外部中斷電路3.7供電電路通過(guò)電腦USB供電，按下開(kāi)關(guān)D9亮，則通電圖3-7 電源電路在實(shí)物產(chǎn)品中由于有電磁閥作為噴水閥，我們用家用電220V交流電提供總電源，通過(guò)穩(wěn)壓模塊降壓到5V為系統(tǒng)電路提供電源。圖3-8 穩(wěn)壓電路3.8液晶顯

15、示電路我們選用的是價(jià)格廉價(jià)的1602液晶作為顯示器，D0-D7輸送數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過(guò)控制RS WR LCDEN的上下電平，控制液晶的顯示圖3-8 1602液晶電路3.9光敏傳感器電路光敏傳感器感光，則電阻變小，當(dāng)可調(diào)電阻適當(dāng)時(shí)，電平由高轉(zhuǎn)低，為單片機(jī)所感知。圖3-9 光敏電路3.10煙霧傳感器電路當(dāng)有煙霧時(shí)，smog變?yōu)楦唠娖綀D3-9 煙霧電路3.11電磁閥控制電路我們采用工作穩(wěn)定的可控硅模塊，來(lái)控制電磁閥的工作。圖3-10 可控硅模塊四、整體原理圖翻開(kāi)Altium Designer軟件，進(jìn)展原理圖繪制，在繪制過(guò)程中要注意元件的封裝。五、心得體會(huì)在本次制作傳感器的過(guò)程中，感覺(jué)自己收獲頗多。首先，

16、通過(guò)自己查找資料認(rèn)識(shí)了一種用途非常廣泛的傳感器，即熱釋電紅外傳感器，對(duì)其原理、應(yīng)用領(lǐng)域都有了一定的了解。其次，在親手制作時(shí)不僅學(xué)到了跟多東西，而且也暴露了自己的一些問(wèn)題。在確定方案是首先想到的就是用到單片機(jī)，第一，用單片機(jī)能簡(jiǎn)化電路，電路可靠性高。第二，本學(xué)期正好在學(xué)習(xí)單片機(jī)這門(mén)課程，可以借此時(shí)機(jī)穩(wěn)固這方面的知識(shí)，這樣可以做到學(xué)以致用。在繪制原理圖過(guò)程中進(jìn)一步熟悉了Altium Designer這個(gè)軟件。在編寫(xiě)程序的過(guò)程中遇到了很多的問(wèn)題，一開(kāi)場(chǎng)程序往往沒(méi)有到達(dá)預(yù)期的效果，然后再不斷的修改，最后完全符合要求。令我印象比較深刻的是實(shí)際制作電路板的過(guò)程，包括洗板子、鉆孔、焊接原件。總之，通過(guò)制作傳

17、感器，更加了解了傳感器在生活中的應(yīng)用，穩(wěn)固了自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，增強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力。六、附錄6.1實(shí)物照片圖5-1 電路板照片圖5-2 作品實(shí)物照片6.2電路元器件明細(xì)表序號(hào)名稱(chēng)型號(hào)規(guī)格位號(hào)數(shù)量光敏電阻電阻電阻電阻滑動(dòng)變阻器.電容.電容.電容揚(yáng)聲器.發(fā)光二極管紅直流電源6.3 參考文獻(xiàn)【1】*愛(ài)鈞.單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)M.電子工業(yè)【2】童詩(shī)白華成英. 模擬電子技術(shù)根底第四版 . 高等教育【3】宏晶科技 STC12C5616AD系列單片機(jī)器件手冊(cè) 2005:10-06【4】.常用電子元件及典型應(yīng)用電子工業(yè)周惠潮 編著【5】.電子技術(shù)根底M第五版高等教育康華光編著【6】. 傳感器原理及應(yīng)用

18、 電子科技大學(xué) 主編：振廷【7】. 模擬電子技術(shù)根底簡(jiǎn)明教程第四版主編：童詩(shī)白 華成英6.4 源程序*include<reg52.h>*define uchar unsigned char*define uint unsigned intsbit beep=P20;sbit see=P22;sbit smog=P23;sbit lcden=P35;sbit lcdrs=P34;sbit lcdwr=P24;uchar code table0=" S I F E "uchar code table1=" S O S ! "uchar code

19、table2=" D A Y "uchar code table3=" N I G H T "uchar num;uchar i,j,mu,flag=1;void dsp();void action0();void action1();void delay(uint z)uint *,y;for(*=z;*>0;*-)for(y=110;y>0;y-);void write_(uchar )lcdrs=0;P0=;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar date)lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init()lcdwr=0;lcden=0;write_(0*38);write_(0*0e);write_(0*06);write_(0*01);write_(0*80+0*10);void dsp()init();if(mu=1)for(num=0;num<12;num+)write_data(table1num);delay(20);elsefo