烟雾报警器设计毕业设计论文.doc

目 录
前言 2
1. 报警器的概述 3
1.1设计烟雾报警器的目的及意义 3
1.2火灾报警器的现状及特点 3
1.3火灾报警器的发展趋势 3
2. 系统总体方案的设计 4
2.1烟雾报警器的结构和工作原理 4
2.2 烟雾传感器的选型 4
2.2.1烟雾传感器的介绍 5
2.2.2 MQ-5半导体气体烟雾传感器 5
2.3 单片机的选型 6
2.4 A/D转换器的选型 6
3.系统的硬件设计 7
3.1 系统电源电路 7
3.2 AT89C51的时钟电路和复位电路 7
3.3 信号采集及前置放大电路 8
3.4 A/D转换电路 9
3.5 声音报警及消音键电路 10
3.6 字符显示电路 11
3.7 状态指示电路 11
3.8安全保护电路 11
4. 系统的软件设计 13
4.1 系统主程序设计及流程图 13
4.2 主程序初始化流程图 13
4.3 报警子程序设计及流程图 14
总结 15
参考文献 16
致谢 17
附录1 18
烟雾报警器的设计

摘要：随着社会和经济的发展，防火工作越来越重要，但是目前国内的许多研发都侧重于大型场所的火灾报警。因此，我们就有必要研制一种结构简单、经济实用的家庭烟雾报警器以适应市场的需求。基于供家庭使用的烟雾报警器应该具备的基本要求和功能，文章设计了一种比较适合的烟雾报警器。本设计以传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件即可实现声光报警、自动排烟换气和消防灭火等功能。设计中单片机选用AT89C51作为控制器件，传感器选用QM-N5型气体传感器实现对烟雾的检测。 论文主要针对烟雾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，并对其主控电路和外围设备电路之间的接口连接方式，以及系统软件设计进行了重点的分析和讲解。
关键词：烟雾报警器；单片机；传感器

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前言
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。 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。

1. 报警器的概述
1.1设计烟雾报警器的目的及意义
随着社会和经济的发展，家庭火灾防不胜防，防火工作也就越来越重要。据美国消防学会统计，最近十多年中，安装自动消防设施的建筑中发生火灾，消防设施的有效率高达96.1%，确实起到了保证建筑物消防安全的作用。
目前我国火灾自动报警系统只被安装在重要建筑上，而在美国、日本等发达国家，包括许多居民家庭都安装了火灾自动报警系统。 家庭防火重在防患于未然，因此，我们就有必要研制一种结构简单、价格低廉的烟雾自动报警器，以适应市场的需求。
1.2火灾报警器的现状及特点
火灾自动报警系统作为重要的建筑自动消防设施，其技术进步性表现报警时间提前、报警可靠性提高、特殊场所火灾的探测报警、报警系统网络化、消防联动控制智能化、消防通信网络技术与计算机接警指挥管理等。
在国外，现在的火灾自动报警系统已达到智能型、全总线型和综合型，系统一旦报警，马上在显示器上出现报警探测器的具体地址，一目了然。
1.3火灾报警器的发展趋势
面对人类社会经济与技术急速发展的时代，伴随这电子、计算机、通讯和现代控制技术的迅速发展，现代火灾自动报警应用技术发展趋势正在向着全总线制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、蓝牙技术无线化、高灵敏化、综合化等方面发展。针对当前火灾自动报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁，智能化程度低，网络化程度低、特殊恶劣环境的火灾探测报警抗干扰等问题较为突出的现象，提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、开放的通讯协议。

2. 系统总体方案的设计
2.1烟雾报警器的结构和工作原理
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：信号采集及前置放大电路、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。
报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以单片机为控制核心，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。报警器系统结构如图2-1。

图2-1 可燃烟雾报警器系统结构框图
该系统的工作由烟雾信号采集及放大电路将集到的烟雾浓度信息转化为放大的模拟电信号。模数转换电路再将该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处理，并对处理后的数据进行分析。当输入A/D转换器的放大信号不为零时，启动报警电路。

2.2 烟雾传感器的选型
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中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。
2.2.1烟雾传感器的介绍
烟雾传感器是模拟传感器。它能将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。烟雾传感器就是通过监测环境中烟雾的浓度来实现火灾防范的。当烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体，烟雾探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。
2.2.2 MQ-5半导体气体烟雾传感器
MQ-5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可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

图2-2 MQ-5半导体气体烟雾传感器结构

2.3 单片机的选型
单片机是烟雾报警系统的心脏，用来接收火灾型号并启动报警装置显示和执行相应的保护和消防动作。它们的功能、指令、管脚基本相同，主要差别在于ROM和RAM。8031、8032片内无ROM，需要外扩程序存储器；8051、8052为片内掩膜ROM，供一次程序固化；8751、8752为光可擦片内ROM，由于擦写不方便，厂家生产家少；ATMEL89C51、89C52为Flash存储器，擦写方便，为市场流行主流品种。因此，测控系统中，使用ATMEL公司的89系列单片机是最理想的选择，又在根据本设计对单片机在系能上、可靠性和性价比上，因此本设计采用单片机AT89C51型号。

2.4 A/D转换器的选型
将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC.A/D转换器已成为信息系统中不可缺少的接口电路。
编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。所以两者之间要进行信号转换，那模塑转换器是必不可少的，此设计选用ADC0809型号。

3.系统的硬件设计
3.1 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。一般直流电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。其组成方框图如图3-1所示。

图3-1 直流稳压电源组成方框图
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，是变压器的副边输出的交流电压符合设计要求。以下是本设计所采用的电源电路图3-2。

图3-2 系统电源电路图
3.2 AT89C51的时钟电路和复位电路
1.时钟电路
AT89C51单片机行骗内部设有一个反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生产，在XTALE1和XTAL2引脚上外接晶体振荡器Y，内部振荡电路就会产生自激震荡。时钟电路如图3-3所示。

图3-3 时钟电路和复位电路
2.复位电路
单片机有做多种复位电路，本系统采用自动复位（上电复位）与手动复位方式，电路如图3-3所示。当上电时，C3充电，电源经过电容器C3加到RESET引脚，是单片机复位；在正常工作时，按下复位键时单片机复位。
3.3 信号采集及前置放大电路
如图3-4所示，IC2A作为电压跟随器，通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref接入IC2B的反相输入端，输出电压V0通过电阻R22接到反相输入端，由此组成查分比例运算电路。该电路的反馈组态为电压串联负反馈。

图3-4 信号采集及前置放大电路图
3.4 A/D转换电路
单片机与A/D的接口电路如图3-5所示。

图3-5 ADC0809与单片机的接口电路图

在单片机扩展连接ADC0809电路中，地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位A0,A1,A2相连，以选通IN0～IN7中的一路。转换结束信号EOC经反向后送到单片机的/INT0引脚，单片机读取A/D转换结果并将结果送P1端口显示。

3.5 声音报警及消音键电路
电路通过三级管基极串联一个电阻与单片机P2.3端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。报警装置采用电磁式无源蜂鸣器HC-12075-B，其参数特点如下表：
系统设有一个消音按键，当报警器发出鸣叫时，用户到达现场，可按下消音按键停止报警器鸣叫。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3-6声音报警电路 图3-7消音按键连接电路
3.6 字符显示电路
报警器浓度等级显示采用一个八段共阳极数码管显示。由于不显示小数点，所以不接dp段。电路采用型号为CPS08011BR的光普牌LED共阳极数码管。

图3-8 数码管字符显示电路
3.7 状态指示电路
绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低；黄灯闪烁表示传感器连接故障或是线路接触不良；红灯闪烁表示环境中烟雾浓度超过报警最低预设值，提醒用户尽快做出相应安全防范措施。

图3-9 指示灯电路图

3.8安全保护电路
在安全保护电路中，继电器（电磁继电器）是否动作是保护动作是否执行的唯一条件。当被检测到的现场烟雾浓度达到给定装置所设定的报警预设值时，继电器KA1动作，自动换气风扇启动。此时，单片机调用延时子程序，经延时600s后，继电器KA2动作，调节阀打开同时洒水灭火。

图3-10 继电路器连接及控制电路

4. 系统的软件设计
4.1 系统主程序设计及流程图
主程序流程图如下图所示。首先要给传感器预热，因为QM-N5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。

图4-1 主程序流程图
在整个报警器系统工作中，AT89C51单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行信号放大、A/D转换处理后，由单片机进行分析处理，判断系统是否启动声光报警。主程序还包括LED八段式数码管浓度字符显示功能、消音按键功能、安全联动装置，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 主程序初始化流程图
主程序初始化流程图如图4-2所示。给传感器预热后，程序开始执行初始化子程序，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等。

图4-2 主程序初始化流程图
4.3 报警子程序设计及流程图
当放大后的信号不为零时，即烟雾浓度达到系统的报警预设值，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。报警子程序流程图如图4-3所示。

图4-3报警子程序流程图
总结

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须的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。其中电子元件是其核心部分，那就是单片机。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-5型半导体电阻式烟雾传感器，该传感器是以对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。这种传感器有良好的灵敏度，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。本文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，详细地阐述了基于单片机控制的烟雾报警器的设计目的和实现方法。通过系统方框图、硬件电路图和软件流程图的表示，全面、具体地阐述了系统中各个部分的原理和功能。设计报警系统能够自动检测管道的水压，让单片机控制调节阀的不同输出实现出水量自由变化，若水压不足就可以及时地通知用户储水，以免发生火灾时措手不及等。

参考文献
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[2]何利民.单片机高级教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
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[4]胡长胜.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2006.
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[6]李勋.单片机实用教程.北京：北京航空航天大学出版社，2000.
[7]李晓莹.传感器与测试技术[M].北京：高等教育出版社,2004.
[8]王桂荣.传感器原理及应用[M].北京：中国电力出版社,2010.
[9]王煜东.传感器应用电路400例[M].北京：中国电力出版社,2008.
[10]李朝青.单片机原理与接口技术[M].北京：航空航天大学出社,2009.

致谢
在此，由衷地感谢我的指导老师，从论文题目选择、提纲拟定、内容排版、到最后的论文敲定，整个论文的完成过程中始终给予我及时正确的指导和必要的督促；另外对答辩和评阅的各位老师表示感谢！

附录1
#include <AT89C51.h>
#define unchar unsigned char
#define uint unsigned int
uchar Tem1,Tem2,Smok1,Smok2;
uchar Tem=3.6,Smok=4.6; //设定温度烟雾报警阈值
uchar a,a1,a2,b,b1,b2;
void caiji_wenyan();
void delay_10ms(uint i); //程序声明
void panduan );
void baojing();
void main()
{
P10=0;P20=0;WR=1;RD=1;
P0=0XFa;P23=1;P24=1;P25=1;P26=0; //初始化
while(1) //主程序
{
caiji _wenyan (); //第一次采集温度烟雾信号
Tem2=Tem1;Smok2=Smok1;
delay_10ms(5); //延时50ms，让ADC0809准备好第二次数据转换
caiji _wenyan(); //第二次采集温度烟雾信号
panduan(); //将转换的数据与设定的报警阈值比较
baojing(); //报警程序
delay_10ms(1500); //系统隔15s对现场判断
};
}

void caiji_wenyan()
{
P0=0XF8; //选通IN-0，转换温度信号
WR=0;
if(EOC=1) {RD=0;Tem1=P0}; //当ADC0809转换结束，AT89C51打开AD的三态门，AD输出数据
else RD=1; //否则，AD继续转换
delay_10ms(1);
P0=0XF9; //选通IN-1，转换烟雾信号
WR=0;
if(EOC=1) {RD=0;Smok1=P0};
else RD=1;
}

void delay_10ms(uint i) //10ms延时程序
{
while(i--)
{
uchar i,j,k;
for(i=5;i>0;i--)
for(j=4;j>0;j--)
for(k=248;k>0;k--);
}
}

void panduan()
{
if(Tem1<Tem) a1=1; //当采集的温度高于阈值置1，否则，置0
else a1=0;
if(Tem2<Tem) a2=1;
else a2=0;
if(Smok1<Smok) b1=1; //当采集的烟雾浓度高于阈值置1，否则，置0
else b1=0;
if(Smok2<Smok) b2=1;
else b2=0;
}

baojing()
{
if(a1=a2&&b1=b2) //两次采集数据的标志位相同
{
a=a1;
b=b1;
if(a=1&&b=1) {P23=0;P10=1;P26=1}; //温度烟雾标志位都是1，发生火灾
if(a=1&&b=0) {P24=0;P10=1;P26=1};
if(a=0&&b=1) {P24=0;P10=1;P26=1}; //温度烟雾标志位只有一个1，异常
if(a=0&&b=0) P26=0; //温度烟雾标志位都为0，正常
};
else {P25=0;P10=1;P26=1}