基于单片机的烟感报警器毕业设计论文Word文件下载.docx
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2.1火灾的烟雾产生过程和温度升高过程
一般可燃物在燃烧时先产生燃烧气体，继而产生烟雾，在氧气充足的条件下就会完全燃烧而产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高。
起火过程中，刚开始会产生大量的烟雾且持续的时间相对较长，而此时现场的环境温度还不是太高没有骤变，若此时烟感传感器感应到了烟雾就可以及时报警并在火势没扩大之前让人们提前预防和撤离，这样就可以把火灾损失控制在最小限度。
等到火焰燃烧后，它会快速蔓延，产生大量的热而导致环境温度的升高，若能感受到温度的变化而报警提醒人们就可以比较及时地控制火灾。
若以此硬件设计中我会加入温度传感器和烟感传感器配合工作,互补各自的不足，大大的降低了报警器的误报率,起火过程曲线如图2.1所示。
图2.1起火过程曲线
2.2系统总体方案设计
2.2.1系统硬件总体构架
烟感报警系统主要由烟感数据采集模块、单片机控制模块、驱动声光报警模块组成。
图2.2为火灾报警系统的结构框图。
2.2系统结构框图
单片机是整个报警系统的控制核心，它的工作原理是：
先通过传感器（包括温感和烟感）将现场温度、烟雾等信号转化为可检测的电信号，放大和滤波电路将传感器输出的电信号送入A/D转换电路,完成烟雾传感器和温度传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。
本火灾自动报警系统具有以下功能：
（1）声音和灯光双重报警功能。
（2）系统自故障提醒功能:
硬件发生故障时，会发出故障提醒信号。
（3）异常报警功能:
环境中的烟雾浓度或温度较高时,能发出提示信号提醒人们注意，使人们早有防范。
（4）火灾报警功能:
火灾真正发生时也就是温度和烟雾都较高时，会发出声光报警信息。
2.2系统软件总体构架
系统采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序的调用实现的。
主要包括数据采集子程序、火灾判断程序,指示灯显示程序和驱动蜂鸣器报警子程序等，系统程序流程图如图2.3所示。
.
图2.3程序流程图
维了降低误报率，本系统对信号进行多次采集多次判断，最后再综合判断的结果做出最终的控制。
主程序是一个无限循环体，其流程是：
先对系统的各部分包括单片机各个端口输入输出的设置、外围驱动电路和数据存储电路等完成初始化，再对程序进行初始化，最后执行火灾报警系统中的数据采集任务，数据转换任务,查询判断任务和判断后的驱动各状态。
2.3系统主要器件的选择
2.3.1传感器的选择
l）烟感传感器简介
烟感探测器可以分为离子感烟探测器和光电感烟探测器,.烟感传感器是火灾报警系统的重要组成部分，具有非常好的预警功能,它是整个系统正常运行的关键。
当有火灾时，它会把火灾产生的烟雾非电量信号转变为电量信号送给单片机控制器。
其特点是模拟量传输，跟随非电量参数的变化而变化[16]。
以下对几种常见烟感传感器作一介绍.
（a）半导体烟雾传感器（半导体气敏传感器）
半导体烟雾传感器一般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和用半导体器件制作的烟雾传感器。
半导体烟雾传感器的原理是:
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。
半导体烟雾传感器一般可分为电阻式和非电阻式。
当气敏元件接触到气体时，半导体的阻值会发生变化，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
原理:
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。
接触燃烧式气体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），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体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，就知道可燃性气体的浓度。
使用接触燃烧式传感器，其最大的缺点是探头很容易发生阻缓和中毒现象。
一般在连续使用两个月后应对该传感器进行维护。
这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。
（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。
电化学气敏传感器原理:
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,即烟雾浓度信号把电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传输出。
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。
（d）高分子烟雾传感器
高分子烟雾传感器最近几年发展很快。
高分子气敏元件在遇到特定烟雾时，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会相应发生变化。
高分子气敏元件由于具有易操作性、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，在检测毒性烟雾和食品鲜度等方面具有重要作用。
高分子烟雾传感器灵敏度高，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）离子感烟传感器
离子感烟传感器对于烟雾气颗粒检测很有效，可测烟雾粒的直径范围为0.03um-10um,它在内外电离室里面有放射源镅241。
它会使两极板间空气分子电离为正、负离子，使原来不导电的空气带电。
当火灾发生时，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，这样烟雾粒子浓度大小可以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组成。
正常情况下,光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，使电路维持正常，如果有烟雾，到达光敏元件上的光就显著减弱，光敏元件根据光强弱的变化变成电的变化，光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。
（2）温度传感器
温度传感器一般分为定温式和差温式。
温度传感器只有在温度发生较为大的变化时才能检测到，而温度突然升高时火灾已经发生，火苗已经出现，所以温度传感器检测不适用于火灾发生的早期，但可在火灾发生时烟雾较少时再次报警，它往往感测的范围较小，一般安装在不宜安装感烟探测器的区域。
这里就不一一介绍了。
2）烟感传感器的选择
本设计中烟感传感器采用的是离子型感烟传感器，它的内部有微量的放射性物质媚（Am）241，由于金属电极覆盖着传感器，所以放射物质不会泄露。
它对灰白、白色和黑色烟雾都比较敏感，最大不足是受环境湿度对它影响比较大。
NIS-09C传感器的功耗比较低也普遍适用,灵敏度也比较高。
NIS-09C离子烟雾探测器探测到的是烟雾浓度模拟量，烟雾浓度p和输出电压v之间是近似线性的关系，其特性曲线方程：
v=-0.3p+5.6。
3）温度传感器
温度探测器使用的是集成温度传感器LM94022，因为它工作电压低且工作电压范围宽，又能与模数转换器配合使用。
该传感器属于高精度模拟输出CMOS温度传感器，其主要特性如下：
（1）工作电压低，在1.5V电压下就可工作；
且工作电压范围宽，是1.5—5.5V；
（2）静态电流小
（3）末级为推挽输出，输出电压与感测的温度成反比，确保芯片即使在较高的温度范围内仍可保持极高的灵敏度；
（4）可提供4个不同增益让用户自行选择，其中包括-5.5mV/℃、-8.2mV/℃、-10.9mV/℃及-13.6mV/℃；
（5）可检测的温度范围宽，-50℃至150℃都可以；
GS0、GS1是LM94022的灵敏度选择输入端，当给它们施加不同电平时，就会有有4种不同的灵敏度，用户可以选择适合的灵敏度，如表2.3所示（温度升高输出的电压反而减小,所以灵敏度为负值）。
根据测量温度的范围和系统电路的工作电压选择比较合理的。
要求高电平大于0.5V；
低电平小于0.5V。
表2.3LM94022的4种灵敏度
GS0
GS1
灵敏度典型值（mV/℃）
-5.5
1
-8.2
-10.9
-13.6
LM94022的输出特性如图2.5所示，测量温度与输出电压在不同灵敏度时的特性。
输出电压随温度升高而下降，其灵敏度为负值。
从图可看出，LM94022的输出电压与感测的温度是反比关系，并且其线性度极好。
在VDD为5V时，不同灵敏度的几个特定温度值时的输出电压如表2.5所示（典型值）。
图2.5LM94022的输出特性
表2.4VDD为5V，t为25℃时的输出电压值
被测温度
GS=00（mV）
GS=01（mV）
GS=10（mV）
GS=11（mV）
-50
1299
1955
2616
3277
-25
1168
1767
2366
2965
1034
1565
2100
2633
25
898
1365
1831
2298
50
760
1159
1558
1958
续表2.4VDD为5V，t为25℃时的输出电压值
75
619
949
1290
1609
100
476
737
997
1257
125
332
521
711
901
150
183
301
420
593
按表2.4的数据计算出的灵敏度值与表2.3给出的典型灵敏度有一些差值。
例如，在GS=00时，-25℃时的输出电压为1168mV，-50℃时的输出电压为1299mV，则其平均灵敏度为-5.24mV/℃；
50℃时的输出电压为760mV，75℃时的输出电压为619mV，则其平均灵敏度为5.64mV/℃。
表2中GS==00时，灵敏度为-5.5mV/℃。
2.3.2单片机芯片的选择
单片机是烟感报警器系统最重要的部分，可以说是它的心脏。
它用来接收信号并根据判断结果驱动报警装置。
51系列单片机的优点是价钱便宜，程序空间大，I/O口多，它是检测系统中比较理想的选择。
本设计使用的控制芯片是ATMEL公司生产的AT89C51，高性能CMOS8位微处理器。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可灵活应用于各种控制领域。
40个引脚，2个全双工串行通信口。
AT89C51的引脚图如图2.6所示。
芯片可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，能反复擦写有效地降低开发成本。
要性能参数如下：
本设计主要采用AT89C51芯片。
AT89C51具有如下特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
图2.6AT89C51芯片的引脚图
2.3.3A/D转换芯片的选择
A/D转换电路采用的数模转换芯片是ADC0809，ADC0809是8位8通道的，由8路模拟开关、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成，芯片引脚图如图2.7所示。
图2.7ADC0809芯片的引脚图
ADC0809具有以下功能:
（1）8位分辨率。
（2）
1LSB的不可调误差范围。
（3）供电电压为+5v，外部提的供基准电压，+5v是典型值，此时允许输入模拟电压范围为0—5V。
（4）多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟信号分时输入。
（5）输出锁存器可存放和输出转化得到的数字量。
（6）转换时间为100μs左右,。
3火灾自动报警系统硬件设计
3.1信号放大和滤波电路
由于传感器输出的模拟信号比较微弱，且含有干扰信号，所以需要把感应到的信号进行放大和滤波。
3.1.1温度传感器的放大与滤波电路
温度传感器使用的是高精度模拟输出CMOS温度传感器LM94022，该传感器的末级为推挽输出，检测的温度与输出的电压成反比关系，也就是输出电压越低温度越高；
本设计温度传感器灵敏度选择-5.5mV/℃，所以LM94022的GS0和GS1端口都接地，温度传感器的放大和滤波电路如图3.1所示。
图3.1温度传感器的放大和滤波电路
电路设计中要求高输入低输出，故放大电路、滤波电路的前置电阻R4、R8的阻值设为10K。
由于运放LM324的输入级是差动放大电路，它的两端输入回路参数要求对称，即
，
，故
。
依据运算放大器“虚短”、“虚断”特性，知
故电压放大倍数为：
（3-1）
3.1.2烟雾传感器的滤波电路
选择的NIS-09C烟雾传感器输出电压较大，所以不需要放大烟雾信号，所以对信号只进行滤波处理就可以了，烟雾信号滤波电路如图3.2所示。
由于温度、烟雾信号调理电路运放LM324接直流电源，电路中有直流，所以在电路中设计了起隔直通交的电容。
系统采用固定门限检测法判断火灾是否发生，温度限制值设定为57℃，烟雾浓度阈值设定为3.2%每英尺，超过此值就会报警。
图3.2烟雾信号滤波电路
低通滤波器LPF电路的电压放大倍数为：
（3-2）
用
取代s，且令
，得出电压放大倍数为：
（3-3）
由于为信号频率二次幂的函数式，故为二阶LPF。
设带通截止频率为
，则当
时，上式的分母的模等于
，可解出二阶LPF的上限截止频率为：
，
（3-4）
二阶低通滤波电路的衰减斜率可达-40dB/十倍频，但是又由于
远离
，即在
处，信号的放大倍数已急剧下降，所以该滤波电路以降低滤波器通频带为代价来获得滤波器衰减斜率。
3.2晶振电路与复位电路
3.2.1晶振电路
晶振电路视为单片机AT89C51工作提供时钟信号的，芯片中有一个高增益反相放大器，该放大器的输入端引脚是XTAL1,输出端引脚是XTAL2。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振荡器一起构成自激振荡器。
电路中的外接石英晶体这一感性原件及电容c1,c2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡回路，系统的晶振电路如图3.3所示。
由于外接电容C1、C2的容量大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容的容量大小范围为
；
如果使用陶瓷谐振，则电容容量大小为
本设计中使用石英晶体，电容的容值设定为30pF。
3.2.2复位电路
复位是单片机硬件初始化操作,经复位操作后,单片机系统才能开始正常工作.系统在启动时都需要复位，这样CPU和系统各部件就处于需要的初始状态以便从初始状态开始工作。
AT89C51的复位信号由芯片的REST引脚输入。
当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时为有效则这时CPU就可以完成系统的复位。
单片机系统的复位操作比较简单,只有两种复位方式,即手动复位和加电复位，本设计采用的是手动复位方式。
手动按钮复位通过专用的复位电路来实现,Vcc当人为按下按钮时，产生的复位信号通过REST引脚送入单片机进行系统复位操作。
复位电路中s2为手动复位开关，电容C1可避免高频谐波对电路的干扰。
AT89C51的复位电路如图3.3所示。
图3.3晶振电路与复位电路
3.3声光报警电路
3.3.1声音报警器
声光报警电路在AT89C51的控制下，可以根据不同的情况（火灾、异常、故障），发出不同的声光信号报警。
声音报警电路如图3.4所示。
由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。
声报警电路由单片机的P10引脚进行控制，当P10输出的电平为高电平时，三极管导通，蜂鸣器的电流形成回路，蜂鸣器响；
否则，三极管截止，蜂鸣器不发出声音。
图3.4蜂鸣器报警
3.3.2光报警器
光报警电路路如图3.5，由单片机的P2口进行控制，P2口的P2.3～P2.6分别控制4个发光二极管，予以光报警，如图所示。
P2.3～P2.6控制的灯依次为红色（火灾信号灯）、红色（异常信号灯）、黄色（故障信号灯）和绿色（正常信号灯）。
当P2.3～P2.6输出低电平时，对应的信号灯便会发光报警。
图3.5光报警
3.4数据采集电路
本设计中的A/D转换器使用的是通用8位芯片ADC0809，芯片的几个重要管脚功能如下：
（1）ALE:
地址锁存允许信号，对应ALE上跳沿，A,B,C地址状态送入地址锁存器中。
（2）地址锁存与译码电路完成对A，B，C三条地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择。
（3）A，B和C为地址线，模拟通道的选择信号。
（4）START：
转换启动信号，当START上跳沿时，所有内部寄存器清零；
下跳沿时，开始进行A/D转换；
在转换期间，START应保持低电平。
（5）EOC：
转换结束信号。
当EOC=0时，正在进行A/D转换；
EOC=1时转换停止。
（6）OE：
输出允许信号，用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE＝1，输出转换得到的数据；
OE＝0，输出数据线呈高电阻。
由于本设计中数模转换芯片使用的是ADC0809，其工作的时钟信号频率为500KHz，此芯片中无时钟电路，时钟信号由外部AT89C51的ALE端口提供。
系统AT89C51与ADC0809接口电路如图3.6所示。
图3.6AT89C51与ADC0809接口电路
当AT89C51的ALE端口不访问外部存储器时，AT89C51的ALE端以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，故晶振设定12MKz，再经过二分频电路，单片机即可向ADC0809输出500KHz的时钟信号。
二分频电路由D触发器实现，R、S端接地，D接Q非，Q端作为输出端，CLK接AT89C51的ALED端。
D触发器的特性方程为
（3-5）
由于当CP=1时，D触发器有效；
CP=0时，触发器保持原来状态。
故D触发器能实现对ALE端口的信号二分频[28]。
由于本火灾报警系统只采集温度、烟雾信号，经过调理的温度、烟雾信号分别进入ADC0809的IN-0和IN-1端口，其余输入引脚接地，8个数字量输出引脚接AT89C51的P3口。
单片机的P3口接受ADC0809传输来8位数字量，向A/D输出的8位地址经地址锁存器74LS373锁存，选择低3位地址作为A/D的通道选通地址。
ADC0809通道选通如表3.1。
表3.1ADC0809通道选通
通入通道
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
A
B
C
本设计使用地址锁存器是74LS373，当三态允许控制端OE为低电平
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