烟雾报警器的设计.docx
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烟雾报警器的设计
分类号密级
UDC
中国地质大学江城学院
毕业设计（论文）
烟雾报警器的设计
姓名：
朱亮
专业：
电子信息工程
班级：
22001202
学号：
2200120233
指导教师：
陈荣讲师
论文外文题目：
TheDesignoftheSmokeAlarm
论文主题词：
传感器单片机MSP430烟雾报警器
外文主题词：
SensorMicroprocessorMSP430Smokealarm
论文答辩日期：
答辩委员会主席：
阅评老师：
原创性声明
本人呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本毕业论文的知识产权归属于培养单位。
本人签名：
日期：
摘要
随着时代的变革，信息技术飞速发展，人类感官外界再也不是单一的靠身体各个部分器官。
当人类嗅觉、味觉和触觉等等感应器官不足以获取外界需要的信息时就需要借助一些辅助工具。
在这个大时代的背景下传感器应运而生，而在很短的时间内则扩展到众多领域。
传感器可以将一些需要处理的数据在一定规律下按照一些特殊的运算方法转换为信号输出的一种类似“感应器官”的器件。
这种元器件在我们的生活、生产中扮演着无可取代的地位。
而且在当下，传感器这种元器件在各个生产及生活的领域的应用则是在一定程度上展现出了一个国家的科学技术。
在科学领域的任何产物都是与实际生活息息相关的，因此，生活中处处可以看到应用到传感器的例子。
今天我便是以感器的工作特性而制作出的烟雾报警器进行分析论证的。
这个时代已渐渐离不开”电”这个词，而生活中却经常因此而产生火灾，那么就需要一个有力的监管系统，这个系统便是我们今天说的烟雾监管系统。
对烟雾报警器的认识和了解让我们先开始进一步认识了传感器，事实上传感器在报警器中也扮演着很重要的地位，基于实际应用可客观了解，我着手设计了这一烟雾报警系统来让我们更方便的了解它们。
本论文着重介绍半导体气敏传感器其中的MQ-2，这是以传感器技术结合其他多方面电子信息技术应运而生的一种防护式报警器，其间还包含着MSP430单片机的应用原理。
现代化的报警器有着传统式报警器所没有的众多优点，例如：
反应快，敏锐度高，体积小和寿命长等优点。
本篇着重研讨利用MSP430单片机、传感器和半导体电阻结合多种电子信息技术制造出的烟雾报警器的各方面综合性能。
尽可能使用方便，价格低廉，功耗小，寿命长等多方面具有统一的价值的报警器。
关键词：
传感器单片机MSP430烟雾报警器
ABSTRACT
AsthechangeofTheTimes,theinformationtechnologyrapiddevelopment,humansenseoftheoutsideworldisnolongerasingleoneachpartbodyorgans.Whenthehumantouch,smellandtaste,andsoonsenseenoughtoneedaccesstotheoutsideworldofinformationneedswiththehelpofsomeauxiliarytools.Arisesatthehistoricmomentunderthebackgroundofthegreatageofsensor,andinaveryshorttimefarmoreexpandedtomanyfields.Thequantityofsensorscanbesomedemandaccordingtocertainrulesintoasignaloutputdevice.Thisdeviceplaysanimportantroleinourlife.Andnowadays,sensorsineachdomainapplicationembodiesthescienceandtechnologyofacountry.
Anyproductinthefieldofsciencearecorrespondingtothereallife,therefore,thesensorappliedinlifeeverywhere.TodayIworkisinasenseorgancharacteristicandanalyzedtheproduceofthesmokealarm.Thiserahasbeentheword,isinseparablefromthe\"electricity\"andthelifeissooftencausedthefire,itneedstobeastrongregulatorysystem,thissystemisourtodaysaidsmokeregulatorysystem.
Knowledgeandunderstandingofsmokealarmlet'sbegantofurtherknowthesensors,sensorinfactplaysaveryimportantpositioninalarm,basedontheactualapplicationcanbeobjectiveunderstanding,Isetouttodesignthesmokealarmsystemtomakeusmoreconvenienttounderstandthem.
ThispaperfocusesonthesemiconductorgassensorofMQ-2,whichisbasedonsensortechnologycombinedwithotheraspectsofelectronicinformationtechnologyarisesatthehistoricmomentofaprotectedalarm,whichalsocontainstheapplicationprincipleofMSP430singlechipmicrocomputer.Modernalarmhasatraditionalalarmdidn'thavemanyadvantages,suchasfastresponse,highsensitivity,smallvolumeandlongservicelife,etc.ThispaperfocusesonresearchusingtheMSP430MCU,sensorsandsemiconductorresistancecombinedwithavarietyofelectronicinformationtechnologytocreatecomprehensiveperformanceonvariousaspectsofthesmokealarm.Asfaraspossible,easytouse,lowcost,lowconsumption,longlifeandotheraspectsofunifiedvaluealarm.
Keywords:
sensorMicroprocessorMSP430Smokealarm
1引言
1.1论文的由来
1.1.1论文的起始
火灾作为重大灾害的的一种，由于发生的迅猛而且在很短时间内会延伸到很大的范围，经常给人们带来巨大的财产损失更于甚者带来大量的人员伤亡。
在各种各样的非自然灾害之中，火灾可以说的上是经常发生而且相对普遍能够大范围的威胁公众的人身安全和影响社会和谐发展的非自然灾害之一。
人类在一定程度上能够对火灾的预防和及时控制火灾的蔓延范围是人类社会现代文明中向前迈进的一个不可或缺的重要标志。
简单的说人类无论是在使用火的历史上还是同火灾做着顽强的斗争的历史上，基本是同时进行的。
人们在安全的使用火给生活带来便利的同时却也一直在预防着它的肆虐及无情，在长期的使用下不断总结它各种各样的变化规律，想借此尽快掌控它。
在一定程度上对火的了解能让我们更好的预防或者减少火灾这种非自然灾害对人类社会造成的重大危害。
当火灾发生了如果能在第一时间警示人们那么无论是在人员的伤亡上减少还是在财产的损失上减少都是我们乐见其成的。
能在火灾发生的第一时间警醒乃至逃离是很有必要的，所以我们尽其可能创造一个能在火灾发生时对人们有警醒的工具。
基于这一点，我便想到了设计一个火灾报警器，结果便有了这篇论文的起始。
1.1.2论文的构思
随着近年来火灾的频繁发生经常给人们带来巨大的损失，这让我们不得不在善后之后考虑一个很重要的问题，越来越多存在巨大安全隐患的地方凸显了出来，为了能在火灾发生之前更早一步预警人们，为了减少人员伤亡、减少巨大的财产损失，那么我们就迫切的需要一种提前预防的火灾的发生进行安全预警的手段。
因此研究火灾的发生及检测预警就成了人类发展领域内的一个很重要的课题了。
在相继学习过传感器、单片机后，领略到传感器有优于人类的“嗅觉”，感受到单片器的处理及触发方式后就在构思一种可以对烟雾进行感应的器件。
因此烟雾报警器这个理念渐渐在脑海中成型，烟雾报警器要有起码的提前感应手段，而且需要有提前预警的手段。
基于这些则需要我们建立一个课题对这些方面进行深入的分析及探讨，最后做出可行的产品。
1.1.3论文目的和意义
随着时代的发展，在现代家庭之中使用火来取得预想的目的，而在使用之中的不经意是造成家庭火灾频繁发生的重大原因。
在现代家庭之中一旦因为某种原因而发生了火灾，那么及其可能因为扑救不够及时或者缺乏灭火器材及发生时的处理不当再加上现场的人出现惊慌失措的情形导致逃生缓慢等等一些不利的因素，从而导致火灾在危害人们的生命及造成大范围的财产损失。
家庭之中发生火灾的最根本原因是麻痹大意，没有及时采取预防措施。
而现在摆在眼前的有一种可以检测烟雾的器件在火灾发生之初给人们带来警醒，这种器件便是烟雾报警器。
在将要发生火灾或者已经发了火灾的初期，这种器件的内部感应到了烟雾便会发出鸣笛声来提醒还未发觉的人。
在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防止火灾的发生是所有现代化人需要警醒的一件事。
假如能根据每家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。
就目前来说单片机的使用已经在我们所生活及应用的各个方面得以展现，无论是导弹里面的导航系统装置、计算机应用之中的通讯及大型的数据传输、飞机上的一些重要的仪表进行控制、各种广泛的使用智能IC卡、工业化自动生产的过程中数据的处理和实时的控制、一些高档次豪华的轿车里面的安全系统以及远程控制的玩具、电子宠物等等，这些中间都有单片机出现或者使用的身影。
气敏电阻也可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。
利用NTC热敏电阻的自热特征可实现自动增益控制，构成RC振荡器稳幅电路，延迟电路和保护电路。
在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在气体分析仪、热导分析、流量计、流速计中常利用热敏电阻这一特性，制成专用的检测元件。
PTC热敏电阻常常应用在保护电器设备的过热、没有触点的继电器、控制在恒温、控制自动增益的时候、电机启动的控制、延迟时间、彩电的自动消磁、补偿温度和火灾报警等一些方面。
利用现代化的科技手段建立一系列的安全防卫是这个时代重要的课题，那么首先我们从身边最小最甚微的地方对这些方面进行研讨。
本次课题着重研究一种安全有效的预防火灾的烟雾报警器，希望在面对安全隐患时能给人们的生命及财产多一分保护，这是本篇论文最初也是最首要的意义，目的则是在满足这一切的同时给生活带来更大的便利。
1.2烟雾报警器
1.2.1烟雾报警器的类型
烟雾报警器按照所使用的传感器可分为光电烟雾报警器和离子烟雾报警器，从感应原理又可以细分为化学性质烟雾报警器、物理性质烟雾报警器和光电性质烟雾报警器。
在离子烟雾报警器之中有一个电离室，这个离子室中使用了一种镅241的所放射元素，镅241这种放射元素强度在0.8微居里左右的时候，镅241的电场的处于平衡状态，此时属于正常状态。
当电离室的这种平衡状态被进入的烟雾粒子打破时，感应及处理电路检测到烟雾浓度达到或者超过设定的预警值时，报警系统会发出鸣笛声。
在光电烟雾报警器里面则是一个学术名叫光学迷宫的装置，这个装置里面安有能发射红外线的红外对管，在正常状态下红外对管不能接受红外发射端发射出的红外线，当平衡状态被进入的烟尘打破时，光学迷宫里会进行一系列的光的折射和反射的现象，从而使得红外接收管能接收到发射器发射出的红外光，根据红外光的照射强弱处理电路判断是否达到或者超过设定值，当超出时发出鸣笛声示警。
化学性质烟雾报警器、物理性质烟雾报警器和光电性质烟雾报警器和上述触发条件基本大同小异，主要取决于它们所感应的烟雾实际的性质类型。
1.2.2烟雾报警器的选择
离子烟雾报警器是一种各方面比较均衡响应的报警器，它对细小的烟雾颗粒物的感应要敏锐一些；光电烟雾报警器是有偏向性的一种报警器，她对一些大的烟雾颗粒物的感应较为敏锐，对烟灰、细小的黑烟的响应相对来说要略微差些。
当熊熊大火发生的时候，空气中溢散的细小烟雾颗粒较多，而在暗火闷烧时，溢散在空气中大的颗粒物会相对较多一些。
当一些火灾在发生后，伴随着大量的烟无颗粒物产生，离子烟雾报警器的报警敏锐程度远远快于光电烟雾报警器。
其实这两种报警器报警的实际报警的时间间隔并不是很大，但是真正对于这发生火灾的时候来说基本是争分夺秒，因为火势蔓延极快的原因，所以在这种情况下首先应该考虑的是同等情况下报警敏锐的报警器，所以综合种种原因这时选择安装离子烟雾报警器是较为合理的。
还有一种情况是暗火闷烧火灾发生之后，伴随着大量的较大的烟雾颗粒的产生，此时因为选择先于离子烟雾报警器的光电烟雾报警器。
如果你想两者的长处兼而有之，那么可以在同一个报警器里安装串联式感应传感器，那么它对多种烟雾都可以进行准确的识别。
1.2.3烟雾报警器的现状及形势分析
国内的报警器较国外晚发展几十年，国内报警器采用传统的敏感元器件感应、声波感应以及红外收发等技术为基础。
这种从单一的方面来说制作简单可能社用于大众人群，但是现在随着经济飞速发展社会经济体系改变，这种单一报警器已不再适用大众化，随着多元化，现在需要更加高端的新产品来满足人们的需要。
如果能将报警器与互联网互联事发紧急报警或者进行远程操作则能满足更多的群体。
国外的报警器技术先进功能广泛、全面。
较之国内的报警器，国外报警器应用范围大、能化高、联网程度高和组件方式多种多样。
他们从单一化到多元化、电控化、网控化以及智能化的技术都非常成熟。
而且国外发达国家报警器基本覆盖各个活动区域，而国内仅仅在一些重要建筑之内才有。
他们有相关的监控部门中心，一旦发生了紧急火灾安全消防人员能及时赶到而国内相较之则有不如。
所以我觉得相比较之下，国内较之国外还有很大的上升空间。
说是有空间其实也是和人家相比有差距而这个差距就需要我们付出努力加以弥补。
1.3本章小结
随着科技的飞速发展，越来越多的安全隐患在人们的工业生产和日常生活中产生了。
火灾作为人类社会威胁人们生命安全和造成巨大财产损失的灾祸，就需要我们辅以科学手段对它加以防控。
如果能在发生火灾的早期发现、防护及控制火灾，这样能大大减小火灾给人们带来的一系列危害，同时这也是保护人身安全和财务损失的一种有效的措施。
所以本次我们便是以此为话题建立了课设，对这个话题进入深入的讨论和研究，建立一个完整地安全报警体系对减少这类事故的发生是这个科学技术领域一个很重要的话题。
2烟雾报警器的设计方案
烟雾报警器，别称火灾烟雾报警器、烟雾传感器、烟雾感应器等。
一般将独立的电池供电、或交流电供电电池为备电，也有由总线供电，总线上可以连接有多个，与火灾报警控制器联网、通讯组成一个报警系统，报警时现场无声音，主机有声光提示的。
一般的报警器现场报警时能发出声光指示，今天我们说的便是这种报警器。
烟雾报警器能通过感应烟雾浓度，当浓度达到设置的预警值是进行报警的仪器，它最基本组成包括：
烟雾感传感器感应电路、收集信号的信号转换电路、信号处理电路及单片机处理的控制电路。
烟雾感应电路一般情况是采用模拟放大电路和烟雾传感器电路组成，烟雾传感器电路将收集的烟雾信号转化为电信号。
信号转换电路将这种电信号转换成可以进行输送的模拟信号，模拟信号被信号处理电路进行处理，单片机将处理后的信号传送给控制电路。
单片机控制电路中的单片机将该信号进行处理后进行分析，判断是否达到预警值。
如果未达到则判为正常状态，如果达到则判为非正常状态此时触发报警电路，由报警电路发出报警声音并闪烁光指示灯。
为了方便检测可以将单片机中检测的烟雾浓度值显示在监控区的显示屏上，这样可以形象直观的环境中的烟雾浓度值，这样也使得报警装置更加完善。
烟雾报警器中有两个很关键的部分，它们分别是烟雾传感器和单片机。
根据发生在不同环境下的的感应需要以及应对各种突发报警的需要，选取适合、精准和价格便宜的单片机芯片和烟雾传感器是非常重要的。
烟雾报警器的此次设计是专门针对单片机原理及应用展开研讨的。
其中涉及到了许多相关知识是运用我们大学四年所学的电路技术、传感器遥感技术和单片机应用技术来共同实现的。
MSP430单片机在其间扮演着连接的角色，连接传感器和报警器的。
在一个环境里的烟雾浓度、温度等数值达到烟雾传感器被测时输入的参数值时就会在一定的电路转化为电量的变化输出。
被测量和设定范围不同，那么传感器和单片机工作原理就不一样。
一般来说烟雾传感器输出的电信号是作为模拟信号输出的，而新型的传感器则是采用的数字的，我们这里就是采用的新型的数字信号输出。
将传感器的数字信号传送给单片机，有单片机芯片进行信号处理，当达到设定值时就启动报警器电路进行报警，反正则不需要。
本章对烟雾报警器进行一个初步的设计，无论是在选型还是在报警器的两个重要组成部分单片机处理芯片和烟雾传感器都进行一定的深层次考虑已达到最好的组合从而发挥出最好的效果。
烟雾报警器的类别各式各样，处理方式也各不相同，所以内在的设计也各种各样。
在诸多的设计中选取一种合理可行的方法是现在首要的任务。
3烟雾报警器的硬件设计
上图是传感器的基本触发电路。
该传感器需要施加2个电压：
加热器电压（VH）和测试电压（VC）。
上面的VH是为传感器提供恒定的工作温度的一个物理量，而VC则是用在测量传感器串联中的负载电阻上的电压。
该传感器具备一定的极性，VC要给它提供直流电源。
在符合传感器的电特性条件的前提下，VH和VC是可以使用一个用以供电的电源电路。
为了较好使用到传感器的特性，在RL值的选取上需要一定的可取性。
烟雾感应数据的采集其实就是传感器或者其它可以检测的设备自动的进行信息采集的过程。
整个数据的采集系统其实就是结合了计算机中的相关的软件进行实际操作的一种应用于实例并能灵活的测量各种情况的自动检测系统。
系统进行数据采集、处理，其实是为了更好的控制声音、压力、电流、电压和温度等物理量表现出来的现象。
以PC元器件的功能进行的数据的采集，实际上是应用它里面卖的模块化硬件结合计算机里面的应用软件来实现的。
虽然采集数据会根据不同的系统、不同的要求而设定不同的定义，但是每个系统实现的目的都一样，都是为了采集数据、分析数据和显示数据。
系统在数据采集的过程中，无论是整合信号还是进行信号的调理又或者是数据进行采集装置和使用实现实际情况的软件。
在本次设计里，数据采集是采用MQ-2气敏式传感器来实现的。
烟雾报警器由五个部分组成：
烟雾触发元器件、信号进行接收的接收端、信号进行发送的发送端、控制整个设备的控制部分和提供整个电路需要的电源。
（一）触发器件
手动或者自动的产生的报警信号在烟雾报警的系统中属于触发，触发的过程中自动时是需要能探测火灾发生的烟雾传感器，而主动的需要人们可以及时操作的按钮。
烟雾传感器可以进行感应发生火灾后的一些物理量进行感应（如烟雾浓度、空气湿度、四周的即时温度、光源的辐射强度等）。
无论是在宽敞的地方烧起的明火或者是在封闭狭小的环境里起的暗火，我们根据实际情况以及器件感应和处理数据来参考。
不同的场所以及发生了不同类型的火灾处理的方式是不尽相同的。
而设置一个手动报警的装置也是很有必要的，因为总有一些措手不及的情况在人们先发现那此时就可以使用手动的方式进行警醒，因此这部分也不能缺少。
（二）接收器
一个事物发生了，我们首先是要警醒。
换句话说就是首先应该知道是怎么回事，实际上在报警器里面也是有着行使这样一个功能的装置的，它便是接收器。
火灾报警控制器就是其中最基本的一种。
接收端和处理端相连，其中有处理突发情况的处理系统，这个系统则是肩负着整个系统稳定并且监视探测器及系统自身的工作状态；无论是接收信号还是着手信号的转换、最后的处理信号都需要基于最初；进行声光报警；指示报警的具体部位及时间；同时执行相应辅助控制等诸多任务。
是烟雾报警的系统中一个重要并且不可缺少的部分。
在预防火灾的烟雾报警器之中，还应该有一些处理紧急情况的中断器、能随时随地的显示各种数据监测情况的显示器区域，它们都可以说是报警器的一种外在的延伸或者功能的补充。
在一定的时候、一定的场景下行使它们的功能属性会有不一样的意外收获。
烟雾报警器的控制器主要应该有着电源自动转换功能、正常工作状态休眠功能、监控整个电路的检测功能以及自动修复电路的故障修理功能。
（三）发送端
在烟雾报警器中肯定有一个将接收到的信号进行发送的装置，它以电信号为主要手段对信号进行传输发送。
（四）控制设备
烟雾报警系统当中，无论是接收信号还是处理信号、发送信号种种，其实都需要一个能控制整个设备的控制装置。
有了这个装置后我们可以对一些发生的情况有一个直观的了解以及对全局的掌控。
试想无论是输入人为的限定值还是需要它对一些简单的情况作出简单的反应还是在有人掌控时优先于人，无人操作时则以系统判断为准。
这些都是需要控制的，又或者一次装置出现偏差为了造成不必要的恐慌，要及时处理。
那么此时则需要辅助重复性检查装置或者系统中断装置。
（五）电源
烟雾报警器系统既然是一个完整的警醒装置，那么应该考虑到各种可能发生的情况，当无法提供电路需要的电源时，应该有属于自己的应急电源。
而在不断电情况下又使用外备电源并对内置电源进行充电处理。
充分的利用不同的电源来应对不同的情况以便达到更好的效果。
MSP430F412片内有直接驱动段式液晶的能力，段式连接如下图。
MSP430F412段式连接
EDM-1602A液晶显示器
符号
电平
输入/输出
功能说明
VSS
——
电源地0V
VDD
——
电源5V
VL
——
LCD驱动电压0~5V
RS
H/L
输入
寄存器选择：
L指令寄存器
H数据寄存器
R/W
H/L
输入
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