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基于单片机温度报警器设计论文
基于单片机的烟雾温度报警器设计
摘要
随着经济和社会的快速增长，火灾越来越引起人们的注意，可是当前国内的大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和温度报警器以适应市场的需求。
供家庭使用的烟雾温度报警器应该完备的基本要求和功效，作品设计了一种比较适合的烟雾温度报警器。
本设计以传感器和单片机作为烟雾温度报警器设计的中心，其它设备可实现声光报警等功能。
设计中单片机采用STC89C52作为控制器件，传感器采用MQ-2型气体传感器和数字型温度传感器DS18B20完成对烟雾和温度的检测。
烟雾温度报警器主要由烟雾信号采集及模数转换电路、温度采集电路、单片机控制电路、显示电路和声光报警电路几部分构成，设计合理、简单易懂、价格低廉，使单片机在烟雾温度报警系统的控制中得到充分应用，具有一定的实用价值。
论文主要针对烟雾温度报警器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；温度报警；单片机；传感器
1绪论
1.1概述
单片机、烟雾传感器和温度传感器是烟雾温度报警器系统的重要核心。
单片机作为控制中心，联系着传感器和报警电路。
近年来，单片机已逐步涉及到生活生产的各个方面，各种类型的单片机也根据社会的需要而开发出来。
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，所以它可以应用到所有电子系统中。
同时，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各种类型报警装置的功能更加齐全，可靠性大大提升，以满足社会的需要。
而传感器作为信息技术系统的“感官”器件，对报警系统是至关重要的。
因此，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最重要的。
在本论文中的最主要的设计是选STC89C52单片机、MQ-2半导体气体烟雾传感器和DS18B20数字型温度传感器为核心器件。
STC89C52单片机兼容标准MCS-51指令系统，是一种低功耗、高性能CMOS8位微处理器，能灵活适用于各领域。
MQ-2半导体气体烟雾传感器具有较高的灵敏度，使用寿命长，成本低，用于家用燃气泄漏报警装置很合适；温度传感器DS18B20拥有线性优良、性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便等优点。
1.2设计温度报警器的目的及意义
随着社会和经济的快速发展，家庭火灾问题日益凸显，防火工作也就越来越引起重视。
据统计，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%，切实起到了保证建筑物和人员消防安全的作用。
这是因为火灾自动报警系统能够及时将火灾迹象通知用户及有关管理人员，以便他们准备疏散或组织灭火，延长了建筑物可供疏散的时间并通过联动系统启动其他消防设施。
所以，如果能设计一种能够在火灾刚刚发生时或者有可燃气体堆积引起的火灾隐患时就能报警的报警器，就能使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少或消除因火灾造成的生命危害和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。
目前我国火灾自动报警系统只被安装在重要建筑。
近几年，国内主要研发侧重于大型场所的大型火灾报警系统，而在居民住宅区等小型防火单位，却缺少廉价实用的烟雾自动报警装置。
然而经济的发展在给人们的生活带来便捷的同时，却给城市的安全管理造成了巨大的压力，许多安全事故频频发生。
楼层多、人员密集，一旦发生火灾，疏散困难，容易造成经济和人员的重大损失。
由于家庭中没有安装火灾自动报警器，一旦有家庭发生火灾，而火势不能得到有效控制，火势迅速蔓延，这不但使用户本身遭受重大的损失，还容易形成“火烧连营”的局面，给周边家庭和场所造成无法估计的损失和严重的影响。
因此：
家庭防火同样是现今社会需要重视的家庭安全问题，刻不容缓。
家庭防火重在防患于未然，这就需要我们有必要设计出一种结构简单、价格低廉的温度自动报警器，以满足市场的需求。
1.3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。
近年来，我国火灾自动报警工程应用技术有了较快发展，但在实际应用中，由于火灾自动报警系统的通讯协议不一致，火灾自动报警工程技术水平还相对落后，还存在着一些亟待解决的的问题。
现今，我国火灾自动报警系统的主要问题有以下几点：
1、适用范围过小。
我国火灾自动报警系统技术相对美、英等欧美国家还有一定的差距，适用范围过太窄，很多家庭用户没能普及使用火灾自动报警器。
2、智能化程度低。
我国使用的火灾探测器虽然都进行了智能化设计，但由于传感器件探测的参数较少、支持系统的软件开发技术欠缺、各种算法的准确性缺乏足够验证、火灾现场参数数据库不健全等，火灾自动报警系统难以准确判定粒子（烟气）的浓度、现场温度、光波的强度以及可燃气体的浓度、电磁辐射等指标，造成迟报、误报、漏报情况较多。
3、网络化程度低。
我国应用的火灾自动报警系统形式基本上以区域火灾自动报警系统、集中火灾自动报警系统和控制中心火灾自动报警系统为主，安装形式主要是集散控制方式，自成体系，自我封闭，尚未形成区域性网络化火灾自动报警系统。
4、组件连接方式有待改善。
火灾自动报警系统以多线制和总线制连接方式为主，探测器和报警器及控制器之间是采用两条或多条的铜芯绝缘导线或铜芯电缆穿管相接，存在耗材多、成本高、抗干扰能力差的缺点。
同时，铜导线耐高温性能差、易磨损，系统施工维修复杂，影响了火灾自动报警系统的可靠性和更广泛的应用。
1.4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。
2系统的总体方案设计
2.1温度报警器的工作结构和原理
温度报警器是可以检测环境中的烟雾浓度和环境实时温度，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：
信号采集及模数转换电路、温度采集电路、单片机控制电路、字符显示电路和声光报警电路等几部分组成。
为满足家庭和工业对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的温度报警器应具备显示报警状态、声光报警等功能。
报警器采用延时的工作方式，烟雾温度报警器以STC89C52单片机为核心器件，选用MQ-2半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度信息和DS18B20数字型温度传感器检测温度信息，结合外围电路组成温度报警系统。
报警器系统结构设计如图2-1。
图2-1温度报警器系统结构框图
该系统的工作由烟雾信号采集然后放大电路将采集到的烟雾浓度信息转化为模拟电信号。
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输入单片机，再利用温度传感器经过内部A/D转化，发送温度数字信号给单片机。
单片机对这些数字信号进行处理，同时对处理后的数据进行分析。
设计中为了便于检测与监控，使仪器测试人员及用户能够间接知道环境中的烟雾浓度和温度值，所以用LCD1602液晶屏显示字符来指示报警状态。
系统采用蜂鸣器声音报警和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限制，使得报警装置更加完善。
根据报警的功能，提出了总体设计思路。
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重要环节。
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。
烟雾传感器作为报警器中不可或缺的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。
图2-2烟雾传感器及其结构图
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。
烟雾传感器利用烟雾敏感元件的电阻受烟雾（主要是可燃颗粒）浓度影响阻值变化的原理向单片机发送烟雾浓度相应的模拟信号。
在国内的产品中，大多厂家生产的烟雾探测器，都可以探测到火灾的发生，都具有较高的灵敏度，而且安装简单。
但是，基于各生产的设备不可通用，不但不可彼此互相代替，更不能互相通讯。
使得用户面对众多厂家生产的烟雾探测器感不知如何抉择，这恰好是国内产品市场的一个重大缺陷。
（1）烟雾传感器的分类：
从组成气体传感器材料的形态上可分为干式和湿式气体传感器；检测方法也不大相同，当前主要有：
采用半导体气体器件检测的电气法；利用电极和电解液对不同气体进行检测的电化学法；使用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。
（2）烟雾传感器应满足的基本条件
一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；能够是单一的实体，也能够是由多个不同功能传感器组成的阵列。
但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具有以下条件：
（a）能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的别的烟雾不响应或低响应；
（b）对被测烟雾具有良好的灵敏度，能快速的地检测允许范围内的烟雾浓度；
（c）对检测信号响应速度快，重复性好；
（d）长期工作稳定性好；
（e）使用寿命长；
（f）制造成本低，使用与维护方便。
（3）常见的烟雾探测器种类及工作原理
为了保证家庭环境的安全，需要对各种可燃性气体和有毒性气体进行检测。
但是，由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。
例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CH2、CO、CH3OH、C2H5OH等。
固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如H2、O2、CO2、Cl2、SO2等。
当前使用的烟雾传感器有很多种，各自的检测原理也各不相同，下面就对一些使用广泛的的烟雾传感器进行简单的介绍。
（a）半导体烟雾传感器（半导体气敏传感器）
半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。
半导体烟雾传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。
按照敏感机理分类，半导体烟雾传感器可分为电阻式和非电阻式。
当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种类型的传感器称为电阻式半导体气敏传感器；当ＭＯＳ场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器。
（b）接触燃烧式传感器
当这样的易燃烟雾暴露覆盖着传感器和一个催化氧化反应的表面燃烧。
检测接触燃烧式气体传感器元件通常是铂丝（稀有金属催化剂层可以用铂，钯等包衣），使用铂线来传递电流，以保持在300℃〜400℃的高温下，然后如果有易燃气体接触，可燃性气体会在稀有金属，铂丝催化层烧掉所以温度会上升，铂丝的电阻值也不断提高;通过测量铂丝的电阻值的大小变化，你知道可燃气体浓度。
使用接触燃烧式传感器，其最大的缺点是很容易出现阻塞探头易于中毒。
通常情况下，连续使用进行维护的传感器响应经过两个月。
这无形中增加了工作人员的工作量，同时增加报警维护成本。
（c）电化学传感器
电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。
电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。
它的优点是：
反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大约两年）。
它主要适用于毒性烟雾检测。
当前国际上绝大部分毒气检测都采用该类型传感器。
（d）高分子烟雾传感器
利用高分子气敏元件制作的烟雾传感器，高分子气敏元件在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。
高分子气敏元件具有操作简单、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、容易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。
（e）红外吸收型传感器
红外线传感器利用红外灯烟测量目标的两束光通过的烟雾内测量所述主梁元件，由基准元件烟雾比较所述参考光束中。
测量和比较元件，所述红外线被选择性地吸收烟雾。
红外光不被光检测器和一个差分信号，以产生一烟雾浓度吸收正比于目标。
非扩散红外探测器NDIR（非色散红外）就是其中之一，不吸收所有的光以最小的扩散，整个损失记录。
（f）离子感烟传感器
离子感烟传感器可用于对火灾初起和阴燃阶段的烟雾气溶胶的检测，可测量烟雾粒径范围为0.03um~10um。
在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。
当发生火灾时，烟雾粒子进入电离室后，电力区域的正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上，使正、负离子相互中和的概率增加，从而将烟雾粒子浓度大小以电流变化量大小表示出来，实现对火灾参数的检测。
（g）光电式感烟传感器
光电式感烟传感器由光源、光敏元件和电子开关三部分组成。
平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。
按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。
本设计中的烟雾传感器选用MQ-2半导体气体烟雾传感器。
图2-3MQ-2半导体气体烟雾传感器结构
2.2.2MQ-2半导体气体烟雾传感器
在（SnO2）等导电性氧化锡低洁净空气使用MQ-2气体传感器的敏感材料。
增加而增加的可燃气体的浓度，可燃性气体传感器感测传感器的电导率。
和用于将对应于输出信号中的气体浓度的电导率的变化的简单电路。
该检测可燃性气体，丙烷高MQ-2气体传感器，液化石油气，天然气及其他氢灵敏度都非常好。
传感器，低成本的传感器，可以检测出可燃性气体的各种广泛的应用是优选的。
图2-4是典型的传感器灵敏度特性。
纵轴所示的电阻率传感器（卢比/RO）中，横轴表示气体浓度。
RS表示用不同浓度的气体传感器的电阻值
RO表示的氢传感器1000ppm的电阻值
在标准测试条件下，在所有试验中，数字完成。
灵敏度特性：
图2-5是传感器典型的温度、湿度特性曲线。
图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。
Rs表示在含1000ppm丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值
Ro表示在含1000ppm丙烷、20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值
温/湿度的影响：
基本测试回路：
图2-6是传感器的基本测试电路。
该传感器需要施加2个电压：
加热器电压（VH）和测试电压（VC）。
其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。
VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。
这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。
在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。
为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。
规格：
A.标准工作条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Vc
回路电压
≤24V
DC
VH
加热电压
5.0V±0.2V
ACorDC
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
31Ω±3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mW
B.环境条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Tao
使用温度
-10℃－＋50℃
Tas
储存温度
-20℃－＋70℃
RＨ
相对湿度
小于 95%RＨ
O2
氧气浓度
21%（标准条件）
氧气浓度会影响灵敏度特性
最小值大于２％
C.灵敏度特性
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体表面电阻
2KΩ-20KΩ
（2000ppmC3H8）
适用范围：
300-10000ppm
丙烷、丁烷、氢气
α
（R3000ppm/
R1000ppmC3H8）
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度：
20℃±2℃Vc:
5.0V±0.1V
相对湿度：
65%±5%VH:
5.0V±0.1V
预热时间
不少于48小时
敏感体功耗（Ps）值可用下式计算：
传感器电阻（Rs），可用下式计算：
Ps=Vc2×Rs/（Rs+RL）2Rs=（Vc/VRL-1）×RL
D.结构，外形
MQ-2/MQ-2S气敏元件的结构和外形如图2-7所示（结构A或B）,由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层,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。
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单片机的选型
单片机是自动烟雾报警系统用于接收信号并启动火灾报警显示和执行相应的操作和防火的核心。
在单片机的控制功能中，你需要有一个更快的计算速度微控制器，检测和用户时，报警系统工作正常，及时的实时观测的烟雾浓度水平，并进行相应处理。
同时，为满足同一类型的单片机报警系统设计计算需要考虑选择价格低廉，轻巧的机型，确保准确报警的速度和接口的功能，可靠性和抗干扰能力的基础上，不能提高成本，降低体积。
单片机作为最典型的嵌入式系统，所以它是最好的低端控制系统设备。
由于其体积小，成本低的很低，环境要求的发展，软件资源丰富，开发工具和编程语言也大大简化，它被广泛应用于家用电器，机器人，仪器仪表，工业控制单元，办公自动化产品及通讯设备，现代化的电子系统是最重要的智能工具。
由于MCS系列单片机集成了几乎完美的中央处理单元，处理功能强大的中央处理单元的专用寄存器，这给我们使用的微控制器提供了极大的方便了方便灵活的集成。
由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。
其中，51系列单片机的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。
因此，测控系统中，使用51系列单片机是最理想的选择，因此设计采用STC89C52。
（1）STC89C52功能特性概述
目前市场上使用比较常见的51系列是STC89C52。
STCSTC89C52是通过低电压，高性能CMOS8位微控制器与4K字节的只读程序可以反复擦写存储器（PEROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM）的生产，该设备采用了该公司的STC高密度，非易失性存储技术，与标准MCS-51指令集，内置通用8件中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大STC89C52单片机可为您提供高性价比的许多应用程序兼容的地方可灵活应用于各种控制领域其。
性能参数如下：
（a）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（b）4k字节可重擦写Flash闪速存储器
（c）1000次擦写周期
（d）全静态操作：
0Hz－24MHz
（e）三级加密程序存储器
（f）128×8字节内部RAM
（g）32个可编程I／O口线
（h）2个16位定时／计数器
（i）6个中断源
（j）可编程串行UART通道
（k）低功耗空闲和掉电模式
图2-4STC89C52的引脚排列图
STC89C52单片机提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，STC89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
图2-5STC89C52单片机的基本组成图
（2）STC89C52的内存空间
1、内部程序存储器（FLASH）4K字节。
2、外部程序存储器（ROM）64K字节。
3、内部数据存储器（RAM）256字节。
4、外部数据存储器（RAM）64K字节。
表2-2程序存储器的6个特殊地址
0000H
上电或复位入口地址
0003H
000BH
0013H
001BH
0023H
外部中断0入口地址
定时器T0中断入口地址
外部中断1入口地址
定时器T1中断入口地址
串口中断入口地址
在上述事件发生时，PC指针获得固定的地址，然后CPU执行PC指针所指地址单元内的程序。
图2-6STC89C52的存储器结构
2.4数字温度传感器DS18B20
DALLAS公司生产的由半导体型单向智能DS18B20温度传感器，温度传感器属于新一代的智能微处理器改编的，温度测量和控制仪表可广泛应用于工业，民用，军事等领域，测量和控制系统而大型设备。
它具有体积小，简单的界面，传输距离远等特点。
其性能特点：
1单总线专用技术，既可通过串行端口电缆，还可以通过其他的I/O口线与微机接口，无须经过其他变换电路，直接输出测量的温度值（9二进制数，包括符号位）;
2测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率最小为0.0625℃
3内含64位经过激光修正的只读存储器ROM
4元件和所述开关电路被集成在集成电路中的晶体管的形式
5温度测量结果直接输出数字信号，以“一线总线”串行传送给CPU，而CRC错误纠正传输具有很强的抗干扰能力
6适配各种单片机或系统机
7用户可分别设定各路温度的上、下限
8适应电压范围宽，3.0～5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电
DS18B20的管脚排列如图2-7所示。
引脚功能如表2-3所示
图2-7DS18B20引脚图
序号
名称
引脚功能描述
1
Vcc
可选择的Vcc引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
GND
地信号。
表2-3
DS1820包括寄生电源，温度传感器64的ROM激光线接口，存储中间数据缓存（含便签RAM），用于存储用户设定温度的上限和下限触发器TH和TL存储和控制逻辑，8位循环冗余校验（CRC）发生器和内部的其他七个部分。
其内部结构框图如图2-8所示。
图2-8DS18B20内部结构
64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码。
温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。
DS18B20温度传感器与DS18B20单片机的接口电路电源可以通过两种方式使用，一种是使用电源模式，然后DS18B20的1脚接地，两足为信号线，
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