毕业设计基于单片机的烟雾报警器的设计.docx
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毕业设计基于单片机的烟雾报警器的设计
毕业设计
基于单片机的烟雾报警器的设计
摘要
随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。
传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。
因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。
本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。
。
本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。
其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。
选用的STC12C5410AD单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。
以STC12C5410AD单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。
是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器。
具有一定的实用价值。
关键词：
烟雾，报警器，STC12C5410，传感器
Abstract
While“informationage”thearrival,obtainedtheremarkableprogressasthegaininformationmethod--sensortechnology,itsapplicationdomainismoreandmorewidespread,ismoreandmorehightoitsrequest,thedemandismoreandmoreurgent.Thesensortechnologyhasbecomeweighsoneofnationalscienceandtechnologylevelofdevelopmentimportantsymbols.Therefore,understoodandgraspseachkindofsensorthebasicstructure,theprincipleofworkandthecharacteristicisextremelyimportant.
Inordertoenhancetothesensorunderstandingandtheunderstanding,inparticulartothesmogsensorthoroughresearchaswellasitsusageandtheuse,basedonpractical,widespreadandthemodelprinciplehasdesignedthissystem.Thisarticleusedthemonolithicintegratedcircuitunionsensortechnologytodevelophasdesignedthissmogsupervisorysystem.。
Thepresentpapertakeleavestheminorsmogsensorandthemonolithicintegratedcircuittechnologyunifiesasthecoreandwithotherelectronictechnology,designsonekindoftechnicallevelgoodsmogalarmapparatus.Inwhichselectsthe2M007semiconductorresistancetypesmogsensorrealizationsmogtheexamination,hasthesensitivityhigh,responds,theantijammingabilityquicklystrongandsoonthemerits,moreoverthepriceisinexpensive,theservicelifeislong.SelectstheSTC12C5410ADmonolithicintegratedcircuit,itsconformityA/Dtransformed,thehardwaremultiplier,resourcesandsoonhardwarePDMkeyer,hashighspeed,lowmeritsandsoonpowerloss,ultrastrongantijamming,isthepresentsimilartechnologyneutralpricequitehighproduct.
Mayrealizetheacousto-opticstaketheSTC12C5410ADmonolithicintegratedcircuitandthe2M007semiconductorresistancetypegassensorasthecoredesignsmogalarmapparatustoreporttothepolice,thebreakdownfromthediagnosis,thedensitydemonstrated,reportstothepolicelimitstheestablishment,thetimedelayreportstothepoliceandwithfunctionsandsoinpositionmachineserialportcorrespondence.Isonekindofstructuresimple,theperformancestable,theeasytooperate,thepriceinexpensive,theintellectualizedsmogalarmapparatus.Hascertainpracticalvalue.
Keyword:
Smog,alarmapparatus,STC12C5410,sensor
第一章绪论
1.1论文研究来源、目的和意义
1.1.1论文研究来源
随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。
为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。
保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。
为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。
因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。
1.1.2论文研究目的和意义
为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。
保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。
烟雾检测报警装置是能够检测环境中的烟雾浓度并具有报警功能的仪器。
该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。
烟雾报警器属于《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录》中第46项，它归类于物理化学计量器具。
《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）第10.3.2条明确规定:
“散发可燃烟雾、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置烟雾浓度检测报警装置”。
2003年12月，国家执行新的烟雾探测器标准（GB15322-2003）《可燃烟雾探测器》，2004年10月国家颁布《可燃烟雾检测报警器规程JJG693-2004》，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。
目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。
如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，烟雾检测报警器的需求量就达2000万台以上。
随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。
近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。
到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。
可见，烟雾报警器具有十分广阔的市场前景。
1.2烟雾报警器的国内外现状
国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。
据有关统计，美国1996年~2002年烟雾传感器年均增长率为27%~30%。
随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。
1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。
我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。
但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。
近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。
燃气报警器可分为民用火灾烟雾报警器、工业用烟雾报警器、有毒有害烟雾报警器三大系列产品。
（1）民用火灾烟雾报警器
民用火灾烟雾报警器为居民家庭用的火灾报警器,一般安装在厨房，遇到火灾产生的烟雾时时，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，把烟雾排出室外
（2）工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器
工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。
工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。
检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。
若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示烟雾浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。
控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测烟雾的浓度。
探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。
当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。
此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。
1.3本论文主要任务
本篇论文是烟雾报警器的研制，主要基本部分和扩展部分：
（1）基本部分
（a）对系统进行整体规划和结构设计。
（b）以STC12C5410AD单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。
系统硬件电路主要分为前置放大电路、键盘电路、串口通信电路、声音报警电路、状态指示灯电路、液晶显示电路六个部分。
（c）系统的软件编制。
按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始化子程序、键盘处理子程序、滤波子程序、线性化处理子程序、浓度显示子程序、报警子程序、报警限值设置子程序、串口通信子程序。
在程序的编写过程中，加入了详细的文字注释，便于后期的改进与维护。
（d）硬件电路和软件的综合调试。
（2）扩展部分
（a）再加入一路传感器信号采集电路，利用双通道数据实现采集的优化，主要是利用辅助的一路进行修正主传感器，以提高精度和可靠性。
第二章烟雾检测报警器的方案设计
2.1烟雾检测报警器设计思路
烟雾检测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，仪器的最基本组成部分应包括：
烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。
烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。
模数转换电路将从烟雾检测电路送出的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滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值（也就是报警限），如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。
为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。
方便调节报警限，可以加入按键。
为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。
以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。
烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是至关重要的。
烟雾传感器的选型在下一节详细介绍。
单片机作为硬件电路的核心，它的选型将在第三章详述。
2.2烟雾传感器的选型
烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。
传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。
由此可见，传感器的选型是非常重要的。
2.2.1烟雾传感器介绍
（1）烟雾传感器的分类
烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：
（a）利用物理化学性质的烟雾传感器：
如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。
（b）利用物理性质的烟雾传感器：
如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。
（c）利用电化学性质的烟雾传感器：
如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。
（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；可以是单一的实体，也可以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备以下条件：
（a）能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；
（b）对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效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）常见烟雾传感器简介
下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。
（a）半导体烟雾传感器
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。
自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。
该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。
按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。
（b）固体电解质烟雾传感器
固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。
由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传感器。
但这种传感器制造成本高，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中有优势。
（c）接触燃烧式传感器
当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。
接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时将铂丝通电，保持300°C~400°C的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道烟雾的浓度。
（d）高分子烟雾传感器
利用高分子气敏材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。
高分子气敏材料在遇到特定烟雾时，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。
高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、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。
高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。
（e）电化学传感器
电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。
烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。
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。
目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。
（f）热传导传感器
热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。
它的测量原理是：
将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。
温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。
红外传感器
红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。
在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。
未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。
非扩散式红外探测器NDIR（non-dispersiveIR）是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。
不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。
由于非碳氢化合物易燃烟雾（如氢）不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。
（4）常见烟雾传感器可检测烟雾种类
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CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。
固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。
表2.1简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。
传感器种类
C0
CO2H2SNH3
HCN
HCI
COCI2
CI2NOX
SO2
O2
CH4
C3H2
H2
H2O
半导体气体传感器
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
固体电解质传感器
○
○
○
○
○
接触燃烧式传感器
◎
○
○
○
电化学式传感器
○
○
○
○
○
○
○
○
高分子电解质气体传感器
◎
○
○
○
○
注：
○好◎不太好
表2.1各种烟雾传感器可检测的烟雾种类
2.2.2烟雾传感器的选定
烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。
使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。
阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。
虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。
中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。
当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。
因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。
一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。
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，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。
半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）。
经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：
灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。
因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。
而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。
2.2.3MQ-2型烟雾传感器的工作原理
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。
按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。
半导体气敏元件也有N型和P型之分。
N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。
半导体气敏传感器的分类如表2.2所示。
表2.2半导体气敏传感器的分类所利用的特性工作温度表面电阻控制器300~450°C
表2.2半导体气敏传感器的分类
类型
所利用的特性
工作温度
代表性被检测气体
电阻型
电阻
表面电阻控制器
300～450°C
可燃性气体
体电阻控制器
300～450°C
700°C以上
乙醇、可燃性气体
非电阻型
二极管整流特性
室温～200°C
H2、CO、乙醇
晶体管特性
150°C
H2、H2S
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。
当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。
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这种烟雾存在的信息。
遇到可燃烟雾（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
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