《【《家用烟雾报警器的设计与实现》7000字（论文）】.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【《家用烟雾报警器的设计与实现》7000字（论文）】.docx（23页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。
1、家用烟雾报警器的设计与实现1绪论21.1 本设计的研究背景及意义21.2 论文主要工作22系统方案设计32.1系统总体规划32.2主要元件的选型32.2.1AT89C52单片机32.2.2集成温度传感器DS18B2042. 2.3气体传感器MQ-253. 3.4数码管驱动芯片74HC24563系统硬件设计74. 1AT89C52复位电路73.2 温度传感器电路73.3 MQ-2烟雾感器电路83.4 4A/D转换ADC0832电路83.5 报警器电路93.6 七段数码管显示电路93.7 状态指示灯、控制键电路104系统软件设计124.1 主函数的程序124.2 中断服务的程序134.3 数据处理
2、的程序134.4 数据显示的程序154.5 报警的程序154.6 报警值设置的程序18总结20参考文献211.1 本设计的研究背景及意义火灾是国内外普遍关注的灾难性问题。它是发生频率较高的一种灾害，在任何时间、任何地区都可能发生.随着社会经济的发展，建筑物、构筑物应用材料的多样性，各类工业和科学技术的发展，易燃材料增多，加之人们生活环境和生活方式的变革，火灾的危险性日益增加，火灾次数、火灾造成的人员伤亡和经济损失逐渐增多。尤其是近几年来，高层建筑人量增加，一旦发生火灾，灭火的难度更大。随着我国科技技术水平的进步，各种现代化写字楼对火灾报警以及自动灭火系统提出了越来越高的要求。设计出功能更完善的
3、消防设施，对保障人民生命财产的安全，起着极为重要的作用。为了减轻火灾带来的危害，就必须对现场环境中的烟雾和温度进行实时检测，严密精确无误的监测环境中烟雾的浓度和环境温度，并且及早发现事故存在的安全隐患，在火灾前期采取有效措施。因此研制火灾报警器与研究烟雾和温度的检测方法就成为传感器技术发展领域的一个比较重要课题。1.2 论文主要工作本论文主要的工作就是以电阻式烟雾传感器MQ-2和温度传感器DS18B20以及单片机技术为核心并与其他电子技术相结合而设计出一种技术水平相对较好的智能火灾报警器。本设计实现了对现场温度与烟雾的随时监控，能及时报警。对温度以及烟雾的设置能按照用户的意愿进行设置。在系统未
4、能及时报警情况下,用户可以进行手动启动报警功能，同时可以取消手动报警，在系统自动报警后，用户可以通过更改报警限制来取消报警。在进行功能选择时不影响报警功能与数据采集功能。2系统方案设计2.1系统总体规划火灾报警系统一般由火灾探测仪以及报警器组成。火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象一一气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。区域报警器将在接收到火警信号后经分析处理同时发出声和光的报警信号，并在屏幕上显示出烟雾浓度的级别和温度值，同时对应的发光二级管亮起。当系统检测到危险信号时，系统自动启动自救工作，减轻火灾带来的危害。此外，
5、用户可以通过功能设置键进行报警限值的设置，也可以通过此方法取消当前报警。整体电路的框图如图2-1所示。图27系统原理及组成框图2.2主要元件的选型2.2.1AT89C52单片机在火灾报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的温度、烟雾对应的两种模拟信号分别进行处理，以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。在单片机完成这些工作的过程中，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，并根据情况进行相应的处理。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。
6、根据多方面的比较，本设计选用ATME1.公司的AT89C52单片机作为控制器。AT89C52具有以下标准功能:8k字节FIaSh,256字节RAM,32位I/O口线，2个数据指针，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，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至OHz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。AT89C52引脚图如图2-2所JO(T2)P1.0匚VCC140(T2EX)P1.1匚
7、239P0.0(ADO)P1.2E338P0.1(AD1)P1.3匚437P0.2(AD2)P1.4匚536P0.3(AD3)(MOSI)P1.5匚635P0.4(AD4)(MISO)P1.6匚734PO.5(AD5)(SCK)P1.7E833P0.6(AD6)RST匚932P0.7(AD7)(RXD)P3.0匚1031EAPP(TXD)P3.1匚1130A1.E/PROG(INTO)P3.2匚1229PSEN(INT1)P3.3E1328P2.7(A15)(TO)P3.4匚1427P2.6(A14)(Tl)P3.5匚1526P2.5(A13)(WR)P3.6匚1625P2.4(A12)(RD
8、)P3.7匚1724P2.3(A11)XTA1.2匚1823P2.2(A10)XTA1.1匚1922P2.1(A9)GNDI2021:P2.0(A8)图2-2AT89C52引脚图2.2.2集成温度传感器DS18B20DS18B20有三只引脚：VCC、DQ和VDD。采用了外部供电的链接方式，而总线必须链接上拉电阻，线总线在空置状态时，都是一直处于高电平。DS18B20的内部有64位的ROM单元和9字节的暂存器单元，64位ROM包含了DS18B20唯一的序列号。原理图如图2-3。图2-3DS18B20原理图DS18B20是DA1.1.AS公司的最新单线数字温度传感器,它的体积更小、适用电压更宽、更
9、经济。DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。他的测量温度范围为-55+125C,在TO+85C范围内，精度为0.5。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量,如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。2. 2.3气体传感器MQ-2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。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得
10、这种烟雾存在的信息。例如遇到可燃气体(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。图2-4MQ-气体传感器结构和外形MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(Sn02)O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。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为
11、与该气体浓度相对应的输出信号。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。结构和外形如图2-4所示，封装好的气敏元件有6只针状管脚,其中4个用于信号取出2个用于提供加热电流。2. 3.4数码管驱动芯片74HC24574HC245是数码管的总线驱动器，典型的CMoS型三态缓冲门电路，74HC245引脚图如图2-5。单片机或CPU的数据/地址/控制总线端口都有一定的负载能力,如果负载超过其负载能力就应加驱动器。因此可驱动本设计使用的数码管。74HC245功能表如表2-1所示。O叵叵a叵叵叵叵叵叵3IRMA1A2A3MA5A6A7NDvcceB0B1B2B3B4BS86B7回回
12、回回EEEE回图2-574HC245引脚图第1脚DIR,为输入输出端口转换用。DlR=1，OE=0”则AI输入，对应Bl输出，其它类同。如果DIR=0、OE=0”则Bl输入，对应Al输出。第19脚OE为使能端，为“1”时A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才启用，也就是起到开关的作用。表2T74HC245功能表Inputlnput0utputOEDIRAnBn1.1.A二BInput1.HInputB=AHXZZH：高电平1.：低电平X：悬空3系统硬件设计3.1AT89C52复位电路复位是使单片机或系统恢复某种确定的初始状态。单片机就是从复位开始工作的。开机瞬间RST引脚获得高电平，
13、随着电容Cl的充电，引脚的高电平将逐渐下降。若RST引脚的高电平保持2个机器周期，单片机就复位，持续保持则循环复位。复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位，本设计使用的是上电复位方式，上电复位电路图如图3-1所示。l三3-l单片机的复位电路262810p3.011P31：12p3.2：13p2314p3415p3.5：16p3.6：17p3.7：+5V八温度传感器3. 2温度传感器电路DS18B20可以使用外部电源VDD,也可以使用内部的寄生电源。当VDD端口接3.OV-5.5V的电压时是使用外部电源；当VDD端口接地时使用了内部的寄生电源。无论是内部寄生电源还
14、是外部供电，1/0口线要接6.8KQ左右的上拉电阻。本设计采用的是外部电源供电方式，连接图如图3-2所示。P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3,rpP3.2/1NT0P3.31FTP3.40P3.5/T1P36/WRP3.7/RD图3-2温度采集电路DS18B20的外部电源供电方式在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度。在外部供电的方式下应注意GND引脚不能悬空，否则不能转温度,读取的温度总是85。3. 3MQ-2烟雾感器电路本设计烟雾传感器米用MQ-2,
15、在可燃气体或烟雾中MQ-2烟雾传感器的电阻会有相应的变化，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。气敏元件共有6只针状管脚,其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。直流电压直接供传感器MQ2的加热丝H-H工作，H两端接到电源的两端起预热的作用，检测烟雾之前要加热丝给传感器MQ-2预热一定时间。当采集到电压后经过AD模数转换器将模拟量转换为数字量。经过校准就可以得到准确的烟雾或者可燃气体的浓度。这种传感器具有轻微的极性，在满足传感器电性能要求的前提下，为更好利用传感器的性能，还需要通过滑动变阻器的调节与校准，才能得到精确的烟雾信号。
16、其电路图如图3-3所示。图3-3MQ-2基本电路3.4A/D转换ADC0832电路A/D转换电路在本设计中采用的是数模转换常用芯片ADC0832,烟雾传感器的输出端接到ADC0832的CHOo经烟雾传感器MQ-2所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行A/D装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。ADC0832电路图如图3-4所示。P20/A8P21/A9P22/A10P23/A11P24/A12P25/A13P26/A14P27/A15P3CVRXDP31/TXDP32NT0P33NTYP3.4/T0P3.51P36WRP37/R6图3-4A/D转
17、换电路3. 5报警器电路由T89C52实现声音报警控制。蜂鸣器为无源蜂鸣器，低电平时发出声音，当室内可燃性气体浓度、烟雾浓度或温度超过设定的限定值时，单片机将P3.7置为低电平，三极管导通，扬声器发出蜂鸣报警，直到有工作人员将电路断开,或烟雾、温度降到限值以下。蜂鸣器负极接地，正极接三极管输出，其电路原理图如图3-5所示。+5v蜂鸣器报警1.S2图3-5声音报警电路在报警的同时，设计加入了一个自救电路，烟雾浓度过高时，可以通过电机把烟雾抽去，使室内烟雾浓度降低。当温度过高时还可以通过电机，将冷气吹入，降低温度，若发现火灾，则将C02吹入，（此步骤需用户手动完成）。如图3-6所示。3. 6七段数
18、码管显示电路数据采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，就被传送到系统的显示模块，让人们更直接地观察到相关数据。在本系统中，对1.ED进行的是动态扫描，除了给显示器提供段的输入之外，还要对显示器进行位控制。显示器的第一位显示烟雾浓度级别，而后两位则显示当前实际温度，中间显示”将温度和烟雾分开。本系统显示用的4位七段共阳数码管由数码管专用数码驱动芯片74HC245驱动,P2为数据段码输出口，P2O至P2.7分别接驱动芯片74HC245的A0三A7,74HC245的BO至B7分别接数码管的a、b、c、d、e、f、g、dp,PO.0、PO.KPO.2.PO.3引脚用作位选，分别控制4位数码管的亮灭
19、。数码管的位选引脚接上拉电阻为共阳，可以由位选引脚输出高低电平经过74HC07驱动器控制数码管亮灭。七段数码管电路图如图3-7所示。图3-7数码管显示电路图3.7状态指示灯、控制键电路状态指示灯控制电路如图3-8所示,单片机AT指示2引脚的P3.4、P3.5、P3.6控制输出的状态指示灯。绿灯亮表示室内环境处于正常状态，环境中没有火灾危险。红灯表示温度超过了设定的报警限值。黄灯亮表示环境中烟雾浓度超过报警限值，若同时亮，说明温度和烟雾都超过了设定的报警限值，即可能会发生火灾，提醒用户尽快采取相应措施。图3-8状态指示灯电路控制键电路采用独立式按键设计。4个按键分别接单片机的P0.0、P0.1、
20、PO.2、P0.3,单片机的PO口接上拉电阻。单片机扫描是否有按键闭合，如有键闭合，则判断键号并转入相应的键处理。功能控制键电路如图3-9所示，4个键定义如下：PO.0：手动报警键，按此键可以手动启动报警功能。PO.1.限值设置键，按此键则可以进入报警值的设定。P0.2：限值减键，按此键当前设定项报警限值逐减。P0.3：限值加键，按此键当前设定项报警限值逐加。图3-9功能控制键电路4系统软件设计4.1 主函数的程序火灾报警器主程序流程图如图4-1所示。图4-1主程序流程图系统启动后首先进行初始化，然后开启中断，在中断中对数据进行及时采集，并且在中断中将检测值与报警限设定值相比较，判断是否要报警
21、。然后进入主程序的死循环中，不断循环执行四项功能：显示数据、判断是否手动报警、判断是否要设定报警值、判断是否需要显示精确值。而数据采集于报警判断则在定时中断中执行，在主函数中显示的数据是烟雾的级别与整数位温度值。主函数程序如下：voidmain()sysrest();系统初始化while(l)xianshiO;显示温度和烟雾数据if(SD=O)sdong()；检查是否启动手动报警if(SET-O)CzhiO;检查是否启动设置报警值if(Jia=OJian=O)jingque();是否显示精确值)1J4.2 中断服务的程序系统设定定时器工作方式后开启系统中断，以便响应中断定时，及时对室内烟雾浓度
22、和温度进行采样，并及时判断是否超过设定的限值。系统初始化成功后便开始接受中断申请，定时中断间隔时间为65乘以16亳秒即约1秒左右对烟雾数据和温度数据进行一次采样，然后把数据送入主程序的显示函数中等待中断退出然后显示。中断中同时判断是否需要报警进行判断，能即使报警。因此本设计对数据有良好的时效性，不会因主程序的运行而影响对数据的处理。中断服务程序如下：voidtimerO(void)interrupt1(TRO=O;is+;if(is=16)datadisp(dat0=adc0832(CH),ReadTemperature();is=0;Baoj();THO=-(Time)/256;/T1.O=
23、-(Time)%256;/TRO=I;4.3数据处理的程序由于烟雾数据采集、AD转换后得到的是烟雾浓度，设计中要求数码管中显示的是烟雾浓度的级别，所以对数据采集后，还要对烟雾浓度数据对烟雾浓度进行分等级。烟雾等级数据放在disdataO中，由主函数里的xianshi()函数调用。本设计中将烟雾浓度等级分为6个级别：FO、Fl、F2、F3、F4、F5,各个级别对应烟雾浓度值如下：F0：烟雾浓度小于等于5；F1：烟雾浓度小于等于20；F2：烟雾浓度小于等于40；F3：烟雾浓度小于等于80；F4：烟雾浓度小于等于120；F5：烟雾浓度大于120；温度数据采集并数据转换后直接存放在disdata2和d
24、isdata3中，disdata2存放的是温度的十位数，disdata3则存放的是温度的个位数。temp是用于判断是否报警用的。数据处理程序如下：voiddatadisp(uinty,uintt)数据处理ywu=(y%10000)/1000*1000+(y%1000)/100*100+(y%100)10*10+y%10;if(ywu=0)disdata0=0;if(ywu5)disdataO=l;if(ywu20)disdata0=2;if(ywu40)disdata0=3;if(ywu80)disdata0=4;if(ywu120)disdata0=5;temp=t;disdata2=(t%
25、1000)/100;disdata3=(t%100)10;temp=disdata2*10+disdata3;4.4数据显示的程序为了将烟雾级别与温度数据在数码管中分开，设计中把烟雾级别现在是第一个数码管，第二个数码管显示“-”将其分开，第三四个数码管分别显示温度的个位十位。这样对数据的实际情况一目了然。数据显示子程序如下：voidxianshi()将disdata里的温度数据在数码管上显示(intkey=0;if(pbi=0)show();pbi一;elsefor(;key=tuxianIIsign=-lIIywu=ybz)Md=O;3个1.ED代替马达p05-0;p06-l;p07=l;D
26、elay(15);soundO;红色p05-l;p06-0;p07=l;Delay(15);soundO;黄色p05-l;p06=l;p07=0;Delay(15);soundO;p05=l;p06=l;p07=l;Delay;if(sign-0)非手动报警1.edzc=I;if(temp=tuxian)1.edrbj=0;Md=O;else1.edrbj=I;if(disdataO=yuxian)1.edybj=0;Md=O;else1.edybj=I;)if(Sign=I)手动报警1.edzc-I;1.edrbj-I;1.edybj-O;Delay(15);soundO;1.edzc=I;
27、1.edrbj=O;1.edybj=IjDelay(15);soundO;1.edzc=O;1.edrbj=I;1.edybj=IjDelay(15);soundO;1.edzc=I;1.edrbj=I;1.edybj=IjDelay(5);)判断是否报警else1.edzc=0;1.edrbj=I;1.edybj=I;Md=I;不报警4.6报警值设置的程序系统初始化后，用户可以根据自己修要对报警值进行设置，温度的设置值为整数，设置的是温度的实际值。烟雾的设置是对烟雾浓度的级别进行设置。烟雾浓度分为6个级别（0、5）,POT为设置键，当检测到启动设置报警值按键被按下时，则系统进入设置程序。PO
28、C2、P（3对应减和加。“设置”键处于按下状态时，显示当前所设置的烟雾级别与温度报警值，释放后则默认进入烟雾报警级别设置，数码管只显示当前烟雾级别。再次按下设置按键时则进入温度报警值设置，数码管只显示当前设定温度。按“加”和“减”键进行报警值的递增、递减设置，长按设置按键表示确认设置并退出，若用户在进入设置状态持续6秒没有动作，系统则自动退出到正常状态。报警值设置程序流程图如图4-3所示。图4-3报警值设置程序流程图系统自动报警子程序如下：voidczhi(void)/js=1000;ys=js;ts=js;/js=60为一秒While(SET=O)show();while(ys0)&(tsO
29、)设置温度报警值shezhi1=11;shezhi2=11;shezhi3=11;温度的设定值不亮while(ysO)while(SET-O)show();ys-js;show();While(Jian=O)if(yuxian-0)break;show();yuxian一;delayt(300);shezhi0-yuxian;While(Jia=O)if(yuxian=-9)break;show();yuxian+;delayt(300);shezhi0-yuxian;while(SET!=O&Jia!=0&Jian!=0)show();ys-；if(ys0)ts=js;show();Whil
30、e(Jian=O)if(tuxian-0)break;show();tuxian-;delayt(300);shezhi2=tuxian10;shezhi3=tuxianl-tuxian10*10;while(Jia=0)if(tuxian=99)break;show();tuxian+;delayt(300);shezhi2=tuxian10;shezhi3=tuxianl-tuxian10*10;while(SET!=O&Jia!=O&Jian!=0)show();ts-；if(ts=O)ts=O;ys=O;break;if(SET=O)ts=O;ys=js;delayt(250);if(
31、SET=O)ys=O;ts=O;ts=js;restzhi();重载设定值)while(SET-O)show();总结本论文是在对烟雾、温度传感器和报警技术进行深入研究的基础上，通过比较，最后合理地确定系统的设计方案，并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和详细设计。整个系统最终实现了预期的目标。本系统通过设计一个以AT89C52单片机为核心的火灾报警器可以实现声光报警、浓度显示、报警限设置、精确数据显示等功能。是一种结构简单、性能稳定以及使用方便的智能化的火灾报警器。本报警器的电路结构设计的很简单，易于维护。本设计的程序以C51语言编写，充分利用了芯片的资源，提高了测量精度和代码执
32、行效率，减小了代码容量，本论文研制的报警器的基础上，可以进行适当的功能扩展，使智能火灾报警器的功能更加的完善，安全性更加的高，通过现场标定及测试，以及烟雾浓度与温度的实验数据的具体分析，计算本报警器显示数据与实际数据之间的误差已近较小，满足了检测的基本要求，达到了预期的设计效果。参考文献1苏航.基于单片机的远程烟雾报警系统U).东北石油大学,2018.2徐妙靖，祖一康.基于单片机的烟雾检测报警系统设计J.电脑知识与技术,2016,12(35):276-277.3陈亚光,陈云,侯建成,胡国民.基于单片机的烟雾报警器设计与实现U1.辽宁科技学院学报,2016,18(05):4-6.朱贵宪.基于单片机控制的智能型灭火装置设计J.山西电子技术，2019(06):24-27.秦莉艳.单片机的智能烟雾报警系统的设计U1.电子测试,2020(21):16-17+75.6田学文.自动烟雾报警系统设计与开发M.电子科技大学,2019.周熊.基于T89C52单片机的烟雾报警器设计J.电子设计工程，2013,21(01):164-165+169.8孙波,刘士彩,郭帅,李昊朔，张志勇.基于T89C51单片机的烟雾报警装置设计U1.实验室科学,2018,21(06):45-50.9谢永超,杨利,严俊.基于MQ-2型传感器的烟雾探测报警器的设计J.计算机测量与控制，2021,29(08):255-259.
