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1、测控技术与仪器专业专业课程设计报告姓名：刘强飞班级：192202学号：123228教师：王斌基于单片机的烟雾报警器设计一.设计要求1 .可以检测火灾发生；2 .火灾发生时可报警。二.方案设计1 .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。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
2、性大大提高，以满足社会发展的需要。而传感器作为信息技术系统的感官器件，如果没有感官感受信息，或者“感官迟钝，都难以形成高精度、高速度的控制系统。美国曾把二十世纪八十年代称为传感技术时代，日本更是把传感技术列为十大技术之首。所以，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器和单片机芯片是至关重要的。在本论文中的最主要的设计是选AT89C51单片机和QM-N5半导体气体烟雾传感器为核心器件。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
3、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。2.系统的总体方案设计2.1 烟雾报警器的工作结构和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。为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的烟雾报警器具有显示报警状态、故障自检、换气排烟和自动灭火等功能。报警器采用延时的工作
4、方式，烟雾检测报警器以AT89C51单片机为控制核心，选用QMN5半导体气体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采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。反之则为正常工作状态。设计中为了方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够间接知道环境中的烟雾浓度，所以用数码管显示字符来指示报警状态。系统采用蜂鸣器声
5、音报警和LED闪烁状态作为警报信号。这种报警方法是在声音报警基础上，加入光闪报警。因为变化的光信号可以引起用户和家庭邻居的注意，弥补了在嘈杂环境中声音报警的局限，使得报警装置更加完善。在报警启动的同时，单片机控制器还可以控制调节阀喷水灭火和换气扇排烟动作。系统留有继电器接口，使单片机能够控制换气风扇和调节阀的工作状态，让系统在报警的同时自动启动相关安全装置。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
6、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。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。三设计的具体实现1 .系统的硬件电路1.1 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。其组成方框图如图1-1所示。交流电源负载图1-1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，使变压器的副边输出的交流电压符合设计要求。然后利用二极管的单向导通性，将交流电压变换为单方向的脉冲直流电压，再利用电容储能元
7、件组成的滤波电路，将脉动大的直流电压处理成平滑的脉动小的直流电压，即将整流电路输出的脉动直流电压中的交流成分滤掉，只留下比较平滑的直流电压，最后利用集成稳压器W7805,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1-2系统电源电路图1.2 AT89C51的时钟电路和复位电路(1)时钟电路：AT89C51单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTALl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成，在XTALl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振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组
8、成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHZ,C1、C2的电容值取30pF,电容的大小起频率微调的作用。时钟电路如图13。图1-3时钟电路和复位电路图（2）复位电路：单片机有多种复位电路，本系统采用自动复位（上电复位）与手动复位方式，电路如图当上电时，C3充电，电源经过电容器C3加到RESET引脚，使单片机复位；在正常工作时，按下复位键时单片机复位。1.3信号采集及前置放大电路在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。只有传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行
9、的放大、滤波、电平调整，才能满足单片机对输入信号的要求。图1-4LM324四运放引脚图和结构图设计中采用LM324作为电路的运算放大器。LM324是价格便宜的带差动输入功能的高增益四运算放大器。LM324的静态功耗小、价格低廉，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。如图15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，从传感器输出的信号经过运算放大器LM324的同相输入端，为保证电路引入负反馈，在IC2B中，输出
10、电压VO通过电阻R22接到反相输入端，由此组成差分比例运算电路。该电路的反馈组态为电压串联负反馈。9T图1-5信号采集及前置放大电路图设计中采用的信号放大电路有以下几个特点:(1)由于电路不存在虚地现象，所以其两个输入端都有较高的共模输入电压，这对放大电路的稳定性和运算的精度都有影响。(2)电电路中IC2A构成了的“电压跟随器可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。用来匹配阻抗用的，防止滑动变阻器输出电压受到影响。(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
11、块的设计。由于放大电路还增加入了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便地调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref和传感器的输出电压分别输入到运算放大电路的两个输入端，由此得到的输出电压U。与两个输入端之差成正比而实现差分比例电路。所以调节滑动变阻器Rp2,就可以直接改变放大电路的参考电压值，使报警系统可以在可燃烟雾气体的不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对不同烟雾浓度的测量。1.4A/D转换电路ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。ADC0809的转换速度较快，完成一次的转换时间为100s左右，可对0-5V
12、的模拟信号进行转换。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换,这是一种经济的多路数据采集方法。如图1-6所示，ADC0809的主要引脚功能如下。(I)INOIN7是8路模拟信号输入端。DoD7是8位数字量输出端。(2)AzB,C分别是ALE控制8路模拟通道切换，AzB,C分别与三根地址线或数字线相连，三者编码对应8个通道地址口。CzBzA=OOO-Ill分别对应IN0-IN7通道地址。OE,START,CLK,EOC为控制信号端,OE为输出允许端,START为启动信号端，CLOCK为时钟信号输入端,EOC为转换结束信号端。(4)Vref(+)和Vref(
13、一)为参考电压输入端。ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。图1-6ADC0809引脚图和内部逻辑结构图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。设计中采用中断方式进行数据传送。扩展中地址锁存器使用74LS373o74LS373是八D锁存器，常应用在地址锁存及输出口的扩展中
14、。其主要特点在于：控制端G为高电平时，输出QOQ7跟随输入信号DOD7的状态;G下跳沿时,DOD7的状态被锁存在QOQ7上。由于ADC0809片内无时钟，可利用AT89C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE脚的频率是AT89C51单片机的时钟频率的1/6o由于单片机频率采用6MHz,则ALE脚的输出频率为IMHz,在经二分频后为500kHz,恰好符合ADCO809对时钟频率的要求。由于ADCO809具有输出三态锁存器，因此其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。如图1-7所示，在单片机扩展连接ADCo809电路中，地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位AO,A1
15、,A2相连，以选通INOIN7中的一路。将P2.7（地址总线A15）作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此ADCc）809在锁存通道地址的同时，启动转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P2.7脚经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。转换结束信号EoC经反向后送到单片机的/INTO引脚，单片机读取A/D转换结果并将结果送PI端口显示。图1-7ADCo809与单片机的接口电路图1.5声音报警及消音键电路电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P2.3端口连接从而达到控制蜂鸣器是
16、否报警。报警装置采用电磁式无源蜂鸣器He-12075-B其参数特点如下：额定电压：1.5V额定电流：=10mA=75=85谐振频率：2048Hz线圈电阻：6.51-6O2重量:1.5g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1-8声音报警电路图图1-9消音按键连接电路图1.6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。8段LED数码管字符显示与比划编码对应关系如表1-1所示。表1-18段共阳极LED数码管显示字符与比划编码对应表数字dpgfe
17、dcba编码0 1000000COHl1111001F9H电路采用型号为CPS08011BR的光普牌LED共阳极数码管。其参数特点如下:大小：0.8寸显示方式:静态显示显示颜色:红色显示位数:图1-10数码管字符显示电路图1.7状态指示灯电路图1-11指示灯电路图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。1.8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KAl动
18、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1-12继电器连接及控制电路图继电器的工作原理是利用低压控制电路来控制高压工作电路。在继电器的输入回路中，当流经线圈的电流变化时，线圈会产生自激电压来抑制电流的变化，线圈中的电流变化越快，所产生的电压越高。所以在设计中，单片机驱动继电器时，需要并联一个二极管，利用二极管的反向击穿能力，来消除自激电压，达到稳定线圈电压和保护晶体管的目的。当晶体管C8550由导通变为截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，这时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在晶体管的c、e两极间，会使晶体管
19、击穿，继电器并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压，从而避免击穿晶体管。并联二极管时一定要注意二极管的极性不可接反，否则容易损坏晶体管等驱动元器件。1.9报警器故障自诊断电路判断传感器电源连接情况在传感器的地端串联一个电阻RI6。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ADCO809的IN2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1-13传感器故隙自诊断电路图(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12分钟后，通过与ADC0809的
20、INl输入端口连接，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，此时系统发出警报。1.IO烟雾报警器硬件总电路把上述各个部分电路结合到一起，就是所设计的可燃烟雾报警器总电路。通过各自分工，最终实现声光报警、字符显示、自动换气排烟和灭火功能。isilDFi9121516193Q线5Q8BglD2D3Dg5D7D8D8347gIlll图114烟雾报警器硬件电路设计图2.系统的软件的设计2.1 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
21、段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。主程序设计先对传感器预热，预热同时，对传感器进行故障检测，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。图2-1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。2.2 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输入输
22、出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等。设H比时器0,选打方式I允许外部“VrO点要绿灯,熄火黄tJ和红灯关闭安个IK动装置图2-2主程序初始化流程图2.3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，此时报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应输出通道的红灯闪亮，换气扇自动运行，并且延时打开调节阀。为防止误报，在程序设计上，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。YN峰叫器椁止图2-3报警子程序流程图2.4按键输入设计子程序流程图本报警器设计附加一个消
23、音功能按键。按键由于弹性作用的影响，在闭合及断开均有抖动过程，从而使电压也出现抖动，所以在识别按键时要消除抖动的影响。按键的识别方法采用扫描法，按键处理程序流程图如图4-4所示。N,Y调用箍时于程序,延时IOms上抖动调川谜盘处理程停图2-4键盘扫描子程序流程图四,存在问题和进一步的改进意见等本设计还有很多的不足的地方。所以，为了进一步提高系统的安全性和可靠性，可以在本论文设计的报警器的基础上做些改动。如设计换气扇根据不同的烟雾浓度实现自动调速，使环境中的空气质量能够得到适度的改善；设计数码管直接显示环境中的烟雾浓度值，让用户或者赶到现场的人能够直接地知晓环境中的烟雾浓度值，以便做出更好、更合
24、适的判断和处理；设计报警系统实现自动拨号功能，使用户和管理员能够及时地知道火灾情况并赶到现场，迅速地做处理；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。五.收获、建议现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电子世界领域，从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统），而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。21世纪是全人类进入计算机时代的世纪，而围绕单片机及嵌入式系
25、统形成的电子领域就是这个时代的基础。在人们的生活、生产中，单片机都可以嵌入到任何对象体系中去实现智能控制。在控制系统中，单片机可以将现场采集到的数据信息传送给上位机，实现更高级的监控和数据通信。如今，单片机构成的现代电子系统已深入到各家各户，并且变我们的生活，如家庭中的音响、电视机、洗衣机、微波炉、电话、空调机和安全防盗系统等。在完成本设计的写作过程中，我十分感谢我的指导老师。从选题到完成设计,老师一直都是很悉心的给我讲解着在设计中遇到的各种问题，循循善诱，严格把关，帮助我开拓设计思路，并不断地鼓舞着我，使我感到信心倍增，让我非常积极地投入到设计中，不断地完成设计中的一个个部分。让我充分感受到
26、了自己对学习的兴趣和热情，使我能够圆满地完成自己的课程设计。六.元件明细表和程序清单程序清单#include#include#defineucharunsignedcharAdefineuintunsignedint#includedelay.hsbitledr=P20;/ledsbitledg=P2l;/ledSbitfmq=P2八2;蜂鸣器sbitbutl=P23;按钮ucharStart=O;开始标志sbitZhUangtai=PlA0;报警数据voidmain()初始化Iedr=I;Iedg=I;fmq=l;while(l)(if(butl=O)判断开始按钮delay；while(bu
27、tl=O);Start=Istart;)if(start=O)/判断开始状态if(zhuangtai=l)比较Iedg=O;Iedr=I;fmq=l;elseIedr=O;Iedg=I;fmq=0;elseIedr=I;Iedg=I;fmq=l;)七.参考资料何利民.单片机高级教程M.北京:航空航天大学出版社,2006.李晓莹.传感器与测试技术M.北京:高等教育出版社,2004.何延治,杨海荣.火灾危险性评估在建筑防火设计中的应用几建筑设计管理,2006,16(33).胡显华.火灾探测器误报警的原因及改进方法J.电脑开发与应用,2007,20(11).杨旭方,李慧,余金栋.单片机控制与应用实训
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