火灾报警器.docx

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火灾报警器

引言

当今，单片微型计算机技术迅猛发展，由单片机技术开发的智能化测控设备和产品广泛应用到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。

而室内故障监测报警系统正是单片机应用系统中的一种。

单片机应用系统由硬件和软件组成。

硬件是指单片机扩展的存储器、输入输出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件；软件是指单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序。

只有系统硬件和软件紧密配合、协调一致，才可能组成高性能的单片机应用系统。

在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率。

单片机应用系统的开发过程一般包括系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试几个阶段。

这几个系统开发阶段并不是相互独立、各自进行的，而应根据开发的实际需要，相互协调，交叉、有机的进行。

实现气体浓度检测离不开高性能的气体传感器。

从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。

随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器[22]。

在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量、PH值等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。

此次设计中所利用到的气体传感器就是要测量烟雾和煤气浓度的动态信号，并且利用数模转换芯片将浓度值转换为数字值，实现整个系统的检测与报警功能，实现智能控制。

本文的室内故障监测报警系统就是单片机应用系统的一种典型应用，要求能够检测烟雾和煤气浓度，并且在气体浓度超过给定值时能实时报警。

由于煤气中毒和火灾是家庭小区以及矿工企业常见事故，给人们生命财产安全带来了极大的危害。

为了能减少事故的发生，提醒人们注意，迫切地需要室内故障监测报警系统。

随着电子技术与计算机技术的发展，面对各种检测对象和大量的测试点，需要利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时检测。

而此时采用单片机来实现室内故障监测报警系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采集点的技术指标，从而大大提高系统的可利用性。

此次四路巡回检测系统正是把ADC0809与AT89S51单片机有机的结合起来，也符合了本设计的要求。

本人在此次设计中主要担任了系统的硬件电路图的设计、硬件的焊接和调试、软件的设计、以及各个芯片资料查找与整理等工作。

设计中超出了任务书所给的任务，提出了本室内故障监测报警系统在网络中的应用方案。

1.1课题背景随着国家经济的提高，现代化、智能化的多功能建筑越来越多，对建筑的防火安全设计要求也愈来愈高。

近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。

以“西气东输”工程为开端的大规模天然气利用工程的实施，意味我国城市燃气将大踏步地进入“天然气时代”。

我国天然气市场将迎来一个千载难逢的机会，城市燃气需求的主要增长点将体现在天然气上。

2000年党中央国务院提出“西部大开发”的重大战略部署，特别是2002年“西气东输”第一期工程正式开工，这无疑为发展西部地区的燃气产业带来历史性的机遇。

西气东输工程，在西部优势资源和东部广阔市场之间架起了一座“金桥”，西气东输工程投入使用后，每年供应长江三角洲地区100亿立方米天然气。

城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。

但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。

为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的室内煤气泄露报警器实为必要之举。

“报警早，损失少”，进一步说明了及时报警的重要性，在家庭里面也是如此，一旦发生火灾，提早报警，可以及时将火扑灭，以免小火酿成大灾。

目前常用的有感烟、感温和可燃气体火灾报警器。

像家庭中在使用煤气、液化石油气和天然气等燃料时，安装一个可燃气体报警器，当出现漏气或着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之主人及时采取措施。

日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器的法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。

美国目前已有7个州11个城市通过立法，规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳报警器。

随着城市燃气化的扩大，我国已有北京市、辽宁省、黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市、大连等省市相继发布燃气安全管理文件，做到政府立法和百姓自身提高安全保护意识有机结合。

煤气的主要成分是co、氢和烷烃、烯烃、芳烃等。

煤气有毒是因为其中的co、

芳烃等能与人体中的血红蛋白结合，造成缺氧，使人昏迷不醒甚至死亡，在低浓度下也能使人头晕、恶心及虚脱。

一氧化碳（CO）为无色、无味、无臭、无刺激气体，比重0.967,几乎不溶于水，不易被活性炭吸附。

当碳物质燃烧不完全时，可产生CO,如人体短时间内吸入较高浓度的CO,或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。

CO

主要来自取暖燃料，CO对人体的损害主要表现在损害血液输送氧气的能力，CO与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200--300倍，当CO与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害，达到60%时就会昏迷，达到90%就会死亡。

由于发生一氧化碳中毒事件的普遍性和隐蔽性，迫切需要一种能够很好的监控室内一氧化碳浓度的仪器，并且在一氧化碳浓度过高时能够采取相关措施防止火灾的发生，保护人们的生命财产安全。

本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作室内故障监测报警系统，保障人们的生命财产安全。

1.2燃气报警器的概述

首先我们应对国家标准规定的燃气报警器的种类有所了解。

燃气报警器可分为可燃气体检漏仪（简称“检漏仪”）,可燃气体报警控制器（简称“控制器”）、可燃气体探测器（简称“探测器”）、家用可燃气体报警器（简称“报警器”）四大系列产品。

报警器为居民家庭用的燃气报警器,一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。

有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外。

有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。

燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。

当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。

经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备（如排风扇、电磁阀）。

选择一款优质的燃气报警器，首先要选择质量过关的传感器。

质量不过关的传感器，一般16个月性能就下降，因而失去报警器的安全性，出现不报警或误报警现象，而一种好的传感器可连续使用十几年，特性也不会有什么变化。

但是，报警器中的其它电子元件的寿命都是有限，先进国家也规定燃气报警器的有效期最多为五年。

报警器都存在着检测误差，只有误差降低在5%以内这个报警器才符合使用要求。

这就要求了煤气传感器性能必须符合这个条件，高精度的传感器是系统的灵魂。

气体传感器受湿度、温度的影响较大，在条件需要的时候应该采用温度、湿度补偿来提高测量精度。

1.3课题研究的目的及意义

因此设计出性能更加可靠，经济实惠的室内故障监测报警系统已成为市场的需要。

目前，现有煤气检测仪器主要是面对工矿企业或公共场所的检测，价格高昂，对家庭也是不适应的。

因此，本次设计所面对的是广大居民，其优点在于：

1）成本低廉并能对烟雾和煤气准确报警

2）该产品无需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用、方便

简捷。

（3）能起到预防煤气中毒的效果，使人们高枕无忧。

该产品必须能够有效预防广大农村居民的冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件的发生，同时也能够给城镇居民安全使用煤气提供有力的保障。

1.4系统设计任务

本文利用单片机电路制作室内故障监测报警系统。

设计过程中关键的两个部分：

系统硬件的设计和控制软件的编写。

这也是在设计过程中需要解决的关键的问题。

（1）硬件任务

单片机室内故障监测报警系统的硬件主要有3大部分，即浓度检测和显示模块、主控模块和设置报警模块。

浓度检测模块主要由半导体气体传感器QM-N5组成，它是整个系统中关键的元件；显示部分由LCD1602组成。

主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机进行控制。

设置报警模块主要由键盘和报警器等组成，这个模块是对报警煤气浓度进行设置和浓度过高的时候进行报警处理。

硬件的设计需要单片机、模电及其数电的相关知识。

在解决这一问题的过程中，需要查阅大量资料，结合所学知识，向老师获取帮助。

（2）软件任务

它的软件设计主要包括主程序和中断处理两大部分：

主程序要完成I/O口，定时器

的初始化及对中断输入的设定，然后延时使传感器进入稳定工作状态，等待定时器的中断；中断处理程序根据具体情况需要有相应的子程序。

要对程序进行多次调试，分块编程。

对各个子程序块所解决的问题要相当明确。

最后在制作完成硬件电路板后要调试出设计要求的功能。

2系统方案设计

设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。

硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。

并且把这些元器件焊接在一块电路板上。

它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。

软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。

2.1设计要求

设计的监测报警系统应实现如下功能：

系统能巡回检测四个不同位置的烟雾和煤气浓度，把检测到的信号送单片机处理，处理过的数据送显示器显示和送存储器保存，在烟雾和煤气浓度达到设置值时系统启动报警。

2.2设计思路

本设计拟按以下思路展开研究：

（1）根据该设计要实现的基本功能，设计大致应该分为信号采集放大，信号处理控制，系统设置报警三个部分。

1信号采集部分即通过气体传感器检测室内气体浓度，将这种变化量转化成电压模拟量的变化，然后通过运放进行必要的放大。

2信号处理部分是将采集到的模拟信号转换成数字信号，送入控制器进行处理，并将处理过的信号送存储器保存和送显示器显示。

3系统设置报警部分是通过预定控制方式并利用蜂鸣器报警实现系统的准确操作。

（2）依据上面所说的思路，得到如下一些基本的结论：

1信号采集部分为了能准确采集到气体浓度的变化应选用半导体气体传感器，为使其有效的检测室内气体浓度，采用电阻型半导体气体传感器；而放大部分使用运放进行比例和反相两级放大。

2信号处理部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。

将模拟信号送A/D模

块进行模数转换，经过处理后送存储器保存和送显示器显示。

3系统设置报警部分可以考虑采用4M键盘设置初始值和蜂鸣器报警

根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图2-1所示：

图2-1设计思想框图

将上述设计思想结合设计要求总结为：

单片机电路制作室内故障监测报警系统对室内四个不同位置的烟雾和煤气浓度进行巡回监测；由电阻型半导体气体传感器采集烟雾

和煤气的浓度；采集到的信号送入A/D模块完成A/D转换；最后将数据送入单片机进行数据处理；处理过的数据送存储器进行保存以方便调用；处理过的数据经过比较，若超过预先由键盘设定的值则触动报警器报警；由单片机处理过的数据都送显示器或经串

口接口调用送电脑进行再处理2.3设计方案

2.3.1方案一

采用单个传感器检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入A/D芯片中进行模数转换，利用AT89S51单片机控制触动蜂鸣器进行声音报警以及将气体传感器检测到的浓度值在液晶显示器上显示出来。

分析：

此设计虽然简单，但是存在着严重的问题。

采用单个传感器检测房间气体浓度是不合适的。

气体传感器所测量的值经常会发生变化。

在一段短时间内可能很稳定，而在一段较长时间内则可能有缓慢起伏，或呈周期性的脉动变化，甚至出现突变的尖峰。

气体传感器主要通过两个基本特性--静态特性和动态特性来反映传感器的这种变动性。

静态特性通常反映在灵敏度上。

所谓的灵敏度，是指在静态工作条件下，其单位输入所产生的输出，用S表示。

ydy

S=lim心°Axdx

（2-1）动态特性是气体传感器的特有问题，反映气体传感器对随时间变化的输入响应特性。

动态特性好的气体传感器，其输出特性曲线随时间变化很小。

动态特性的输入与输出关系不是一个常数，而是时间的函数，随时间的变化而变化，因此常用"传递函数"表征。

Nb丄宀妙丄,

十1+...+—y=b

（2-2）

由此可见，气体传感器的输入和输出关系并非简单的线性或曲线关系，要对气体传感器建立一个准确的温度修正数学模型是很困难的。

通常应用时，都忽略气体传感器的动态特性，根据其静态温度响应灵敏度，采取一定的措施对其进行补偿。

如通过温度传感器测出环境的温度，对气体传感器的输出特性曲线进行修正；或者直接对传感器进行硬件补偿。

气体传感器特性总是会受到环境温度、湿度的影响而变化，气体报警器要能够有效实现对环境气氛的监控，有效避免误报、漏报，提高测量的准确性，必须对气体传感器进行有效的温、湿度补偿和修正。

本设计主要考虑如何有效实现传感器的温度补偿。

传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。

所谓硬件补偿是指直接使用温度传感器在电路中对气体传感器进行补偿，这种方式虽然简单，但只有在温度传感器和气体传感器的温度特性一致时，才能很好地补偿；很难实现宽范围的气体传感器和温度传感器的特性匹配。

软件补偿方式通过传感器的温度特性曲线拟合进行算法补偿，这种方式是以一定的特性曲线作为基础，对不同的工作环境和不同传感器的温度特性，用算法处理和

查表修正以得到不同的补偿效果。

该方式较为复杂，对特性离散的传感器，拟合效果差。

为了解决这个问题，提出采用双传感器补偿方式，具体来说就是选用两个特性一致（实际上只能做到非常接近）的气体传感器来实现补偿，把其中一个气体传感器A密封代替温度传感器，对另一气体传感器B进行补偿。

这样的补偿方式，不仅能较好地拟合气体传感器的静态温度特性，而且对传感器的动态温度响应也能同步实现补偿[23]。

由于方案一传感器测量精度不高，所以不予采纳。

2.3.2方案二采用双传感器，采用相互补偿的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入A/D芯片中进行模数转换，利用AT89S51单片机控制声音报警以及将气体传感器检测到的浓度值在显示器显示出来。

分析：

此设计方法虽然解决了传感器检测气体浓度时温度和湿度对测量值的影响，但是，在实际制作的过程中，需要利用的核心控制芯片必须最少具有4路8位A/D口,

气体和温度敏感信号直接由A/D口采集后，进行一定的算法修正和软件补偿。

由于本课题要求采用四路巡回检测，如果采用本方案那么就需要8个特性相同的半导体气体传感器（4个密封检测气体浓度，另外4个做补偿），为了达到更好的温度修正效果，往往需要传感器厂家的配合，在生产时对传感器进行成对生产，以保证传感器特性的一致性。

并且主控制芯片采用常规的ADC0809和单片机并不支持，且制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高。

单单采用此种方法并不能更好的提高测量性能，还需要加以软件补偿。

由于采用此方案制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高，所以不予采纳。

2.3.3方案三

采用高性能半导体气体传感器，采用四路巡回检测的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入A/D芯片中进行模--数转换，利用AT89S51单片机控制声音报警、键盘输入、存储器运行，并且将气体传感器检测到的浓度值在LCD显示器上显示出来。

分析：

选用此方法设计电路不仅解决了温度、湿度的影响，并且简化了设计电路，降低了成本，采用此种方法设计主体电路。

具体电路设计将在下文中给出。

通过搜集信息，提出本次设计采用QM-N5型气体传感器。

现在特将此传感器简单介绍如下：

（1）特点：

QM-N5型气体传感器是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。

适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。

灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短。

用它做成的报警器完全可以达到UL2034标准,不需温、湿度补偿。

（2）工作条件：

工作电压：

5V±0.5V

静态功耗：

W0.5W（加热丝冷态电阻为50Q±2）Q环境条件：

温度-10C〜+50E,相对湿度W95%初期稳定时间：

W15分钟

响应时间：

W10s恢复时间：

W60s

检测煤气浓度范围：

50〜20000ppm

（3）对一氧化碳反应的敏感度：

图2-2系列一氧化碳浓度的条件下Rl电压的振荡曲线。

高湿高温对传感器的影响：

根据测试结果表明，此传感器可承受96%RH相对湿度、70C的环境条件，但基电平升高。

2.3.4方案的确定

现今半导体气体传感器技术的不断提高，使得在应用此类传感器时不必采用温度、湿度补偿，极大的简化了电路和降低了成本。

鉴于对以上三个方案的对比分析，方案三最符合设计要求，所以我选择使用方案三来设计本次毕业设计的主体电路。

2.4系统方案组成

本设计属于单片机应用系统。

它是单片机在系统检测方面的应用，是典型的嵌入式系统。

通常将满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统；而把面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。

嵌入式系统一般分为四种：

工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。

嵌入式系统具有以下特点：

（1）面对控制对象。

如传感信号输入、人机交互操作，伺服驱动等。

（2）嵌入到工控应用系统中的结构形态。

（3）能在工业现场环境中可靠运行的品质。

（4）突出控制功能。

如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统（I/O控制、位操作和转移指令等）。

单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入

式应用要求。

单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。

2.4.1系统三大部分

单片机应用系统的结构分三个层次

（1）单片机：

通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。

（2）单片机系统：

指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。

（3）单片机应用系统：

指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。

在单片机系统的基础

上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道（键盘、显小器、

打印机等）和串行通信口（RS232）以及应用程序等。

单片机应用系统三个层次的关系如图2-3:

单片机应用系统

人机交互通道

串行通信口

应用程序

图2-3单片机应用系统三个层次的关系

以此理解，单片机室内故障监测报警系统同样具有单片机应用系统的三个层次。

其中以AT89S51单片机为核心构成单片机系统。

在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理，控制外围电路。

为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。

整个监测报警系统由三个部分组成，分为三大模块：

浓度检测模块、主控模块和设置及报警模块。

在本次设计中，使用的核心器件是单片机和QM-N5型气体传感器。

为了保证整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：

以单片机为中心,其他各大模块一一展开。

其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将房间中的烟雾和煤气浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且将浓度值显示出来；主控模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；设置及报警模块是此系统的外围电路，它的功能实现形式最人性化，体现了智能控制，通过键盘设置报警浓度值，在检测到烟雾和煤气浓度超过设定值时会启动蜂鸣器报警。

242系统框图

本系统由三大部分九个不同电路组成，分别是：

1）信号采集部分：

1~4路传感器电路；

2）信号处理部分：

A/D转换电路，2K存储器电路，LCD显示电路，串口通信电路，单片机复位电路；

3）设置报警部分：

4M键盘电路，报警器电路。

系统总的结构框图如下图2-4所示：

图2-4系统结构框图

3系统模块设计

3.1气体浓度检测模块

室内故障监测报警系统采用四路巡回检测的方法，检测器件采用QM-N5型气体传

感器检测房间气体浓度，检测结果送入模/数芯片ADC0809中进行模数转换。

目前，气敏材料的发展使得气体传感器的灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格便宜，并提高了传感器的选择性和敏感性。

现有的燃气报警器，多采用氧化锡加贵金属催化剂气敏元件，但选择性差，并且因催化剂中毒而影响报警的准确性。

半导体气敏材料对气体的敏感性与温度有关。

常温下敏感度较低，随着温度的升高，敏感度增加，在一定温度下达到峰值。

由于这些气敏材料在需要在较高温度下（一般大于100C）达到

敏感度最好，这不仅要消耗额外的加热功率，还会引发火灾。

气体传感器的发展解决了这一问题。

将气体传感器安装在易燃、易爆、有毒有害气体的生产、储运、使用等场所中，及时检测气体含量，及早发现泄漏事故。

并将气体传感器与保护系统联动，使保护系统在气体到达爆炸极限前动作，将事故损失控制在最低。

同时，气体传感器的小型化和价格的降低，使之进入家庭成为可能。

本设计选用了半导体气体传感器，半导体气体传感器主要使用半导体气敏材料。

自从1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快等优点，得到了广泛的应用，目前已成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。

按照检测气敏特征量方式不同分为电阻式和非电阻式两种。

电阻式半导体气体传感器是通过检测气敏元件随气体含量的变化情况而工作的。

主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料。

随着近年来复合金属氧化物、混合金属氧化物等新型材料的研究和开发，大大提高了这种气体传感器的特性和应用范围。

例如：

W03气体传

感器可检测NH3的浓度范围为5ppm〜50ppm,ZnO-CuO气体传感器对200ppm的CO非常敏感。

非电阻式半导体气体传感器是利用气敏元件的电流或电压随气体含量而变化的原理工作的。

主要有CMOS二极管式和结型二极管式，以及场效应管式气体传感器。

检测气体大多为氢气、硅烷等可燃气体。

鉴于上述选择要点，本文中用到的烟雾和煤气传感器必须具备测量效果好、功耗小、动态特性良好和体积小、重量轻、价格低廉几个主要特征。

为此我