基于单片机的烟雾检测系统-毕业论文Word格式.doc
《基于单片机的烟雾检测系统-毕业论文Word格式.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的烟雾检测系统-毕业论文Word格式.doc（46页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
3.1系统的硬件设计 17
3.2软件设计 19
3.2.1A/D采样双通道流程 19
3.2.2报警流程设计 20
4系统的仿真 23
4.1A/D转换的仿真 24
4.2滤波及报警算法调试 25
5设计总结 27
5.1实现目标与特点 27
5.2结论及不足 28
致谢 29
参考文献 30
附录1 32
附录2 33
1绪论
1.1问题由来
随着社会的发展，人们对生活质量的要求越来越高，环境污染问题对人们的危害也越来越明显。
烟雾有一定的社会性，可能诱发多种疾病，多个体健康危害极大，可以引起致癌，提高心﹑脑血管疾病的发病率，引起呼吸道疾病等多种危害。
为了早期的发现和通报有害的气体，防止对环境的污染和人体得危害，保卫现代化建设，防止因有害烟雾而引起的中毒、污染等事故，造成严重的经济损失，甚至危害人的生命安全。
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。
公共场所的烟雾直接影响到人们的健康[1]。
2011年5月1日卫生部公布修订后的《公共场所卫生管理条例实施细则》，其中新增加了“室内公共场所禁止吸烟”等规定。
这是中国为兑现世界卫生组织控烟框架公约采取的最新举动。
目前我国烟雾报警器使用十分广阔，不仅可以及时检测工厂的气体，还可以让我们及早做好防患措施。
现在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。
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。
1.2课题现状
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年至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。
在很多国外家庭，国家强制规定必须要安装烟雾报警器，目的就是为了防止火灾的发生，本产品在火灾发生的早期一旦有烟雾发生就可感应到烟雾，同时发出85分贝的声音和发出光报警告知用户发生了火灾，应及时采取措施[2]。
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。
中国烟雾探测报警系统产业发展研究报告阐述了世界烟雾探测报警系统产业的发展历程，分析了中国烟雾探测报警系统产业发展现状与差距，开创性地提出了“新型烟雾探测报警系统产业”及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型烟雾探测报警系统产业”及替代产品的内涵。
根据“新型烟雾探测报警系统产业”及替代品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国烟雾探测报警系统产业发展进行了推演和精准预测，在此基础上，对中国的行政区划和四大都市圈的烟雾探测报警系统产业发展进行了全面的研究。
1.3论文的主要任务
目前，我们已经学习了许多相关知识，如单片机与单片机控制电路，传感器与其相关电路，D/A转换电路，A/D转换电路，放大电路设计，以及语音芯片等，已经具备对信号的采集、放大、传输控制，语音芯片的语音录制及放音控制，微控制电路的应用设计等能力，并具备一定的实践创新能力。
通过对微控制器，语音电路，烟雾传感器电路以及报警电路的整合，形成一个可靠性好稳定度高，性能优良的电路，能够实现对低浓度烟雾的有效检测，并给予语音警示的功能。
如果配以精美的外壳，则可以形成一个优秀的有良好社会效益和经济效益的产品。
本设计是以单片机为核心，通过烟雾传感器发出的信号对烟雾进行报警，最后通过语音报警电路报警，达到对烟雾报警的目的。
研究内容：
第一，电子语音芯片的录音和放音控制，以及音效的处理和信号的放大；
第二，烟雾检测装置的选型以及在低浓度下灵敏度域有效检测的方法与算法；
第三，控制电路的实现方式以及MCU的选型；
第四，电路的抗干扰能力和可靠性。
2系统原理概述
2.1烟雾检测报警器的设计思路
吸烟警示器是能够检测环境中的烟雾，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：
烟雾信号采集模数转换电路、单片机控制电路、录音报警电路。
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，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。
2.2系统硬件组成原理
本系统由烟雾传感器、A/D转换电路、MCU控制电路、语音模块及功放电路组成。
系统组成框图如图2-1所示：
图2-1系统组成框图
本系统采用的是以mq-7为传感器，以AT89C2051作为系统的主控芯片，通过语音录放电路报警的过程。
2.3烟雾传感器的选择
由于本次设计的是针对公共场所的烟雾，而这些烟雾大多都含有一氧化碳，所以就选用对一氧化碳具有很高灵敏度的mq-7气体传感器[3]。
Mq-7气体传感器特点：
对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性；
具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。
传感器的表面电阻Rs，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出而获得的。
二者之间的关系为：
Rs/RL=（Vc-VRL）/VRL（2-1）
图2-2电压与co浓度的关系
图2-2为利用回路测得在传感器由洁净空气转移至一氧化碳气氛中时，RL上的信号输出变化情况，输出信号的测定是在一个完整的加热周期（由高电压至低电压2.5分钟）或在两个完整的加热周期内测得。
灵敏度调整：
MQ-7型气敏器件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。
因此，在使用此类型气敏器件时，灵敏度的调整是很重要的。
当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。
灵敏度的调整程序：
第一，将传感器连接在应用回路中；
.
第二，接通电源，通电老化48小时以上；
第三，调整负载电阻RL至获得对应于某一个一氧化碳浓度时所需信号值。
MQ-7型气敏元件的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成的。
因此，它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达5年。
根据MQ-7型烟雾传感器的工作原理，烟雾浓度的变化体现于其自身电阻的变化，将MQ-7与电阻串联构成分压电路。
考虑到整个系统的灵敏度，通过多次调试和测试，得到MQ-7型烟雾传感器与20K电阻串联的效果较好，为了保证采样数据的稳定性和可靠性，将分压输出的电压信号经由运放LM358构成的电压跟随电路跟随输出，减小电源波动、外界因素对采样数据的影响[4]。
2.4运放与A/D的选择
图2-3LM358引脚图
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358封装有塑封8引线双插式和贴片式两种。
LM358的特点：
（1）内部频率补偿；
（2）低输入偏流；
（3）低输入失调电压和失调电流；
（4）共模输入电压范围宽，包括接地；
（5）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；
（6）直流电压增益高（约100dB）；
（7）单位增益频带宽（约1MHz）；
（8）电源电压范围宽：
单电源（3—30V）；
（9）双电源（±
1.5一±
15V）；
（10）低功耗电流，适合于电池供电；
（11）输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）。
图2-4LM386的管脚图
LM386是美国国家半导体公司生产的功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。
LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要应用于低电压消费类产品。
为使外围元件最少,电压增益内置为20。
但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至200。
输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。
LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式[5]。
表2-1LM386的管脚说明
引脚序号
符号
功能
1
GAIN
增益调整
5
OUT
输出
2
N.F
负反馈
6
VCC
电源
3
IN
输入
7
FC
滤波
4
GND
地
8
A/D转换选用MCP3002，MCP3002器件提供了两种选择，可将模拟输入通道配置为2个单端输入（由VSS提供参考电压）或一个伪差分输入对。
通信配置作为串行命令的一部分在转换开始之前完成。
当用于伪差分模式时，通过发送给器件的命令字符串，将CH0和CH1通道配置为IN+和IN-输入。
IN+输入的范围从IN-至参考电压VDD。
IN-输入被限定在VSS满幅值±
100mV的范围内。
IN-输入可用于消除IN+和IN-输入端都存在的小信号共模噪声。
为了适应不同环境及不同的报警门限要求，方便使用者自定义调节，接入一个滑动变阻器，以简单而有效的实现报警门限可调功能[6]。
下图2-5是MCP3002的引脚分布图：
图2-5芯片引脚图
MCP3002各个引脚的功能如表2-2所示：
图表2-2MCP3002引脚功能
名称
VDD
CH0
CH1
CLK
DIN
DOUT
CS）（———）,）/SHDN
+2.7v至5.5v电源和参考电压输入
通道0模拟输入
通道1模拟输入
串行时钟
串行数据输入
串行数据输出
片选、关断输入
MCP3002的特性：
（1）±
1LSBDNL（最大值）；
（2）±
1LSBINL（最大值）；
（3）模拟输入可编程为单端输入或伪差分输入对；
（4）片上采样和保持电路；
（5）SPI串行接口（模式0,0和模式1,1）；
（6）单电源供电的电压范围：
2.7V至5.5V；
（7）在VDD=5V时的最大采样速率为200ksps；
（8）在VDD=2.7V时的最大采样速率为75ksps；
（9）低功耗CMOS技术：
-5nA典型待机电流，最大2µ
A；
-5V时，工作电流最大为550µ
（10）工业级温度范围：
-40°
C至+85°
C；
（11）8引脚MSOP、PDIP、SOIC和TSSOP封装；
（12）传感器接口；
（13）数据采集；
（14）电池供电系统；
（15）过程控制。
2.5单片机系统部分
2.5.1单片机AT89C51介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[7]。
图2-6AT89C51引脚图
2.5.2定时/计数器的结构及控制
定时/计数器的实质是加1计数器（16位），由高8位和低8位两个寄存器组成。
TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能；
TCON是控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。
定时/计数器结构如图2-7所示：
图2-7定时/计数器结构图
AT89S51单片机定时/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。
TMOD用于设置其工作方式；
TCON用于控制其启动和中断申请[9]。
1.工作方式寄存器TMOD
工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。
其格式如表3-2：
表2-3工作方式寄存器格式
位号
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
GATE
C/T
M1
M0
GATE：
门控位。
GATE＝0时，以运行控制位TRX（X=0，1）来启动定时/计数器运行；
GATA＝1时，要用软件使TR0或TR1为1，同时外部中断引脚或也为高电平时，才能启动定时/计数器工作；
C/T计数器模式和定时器模式选择位：
C/T=1时，选择计数器模式，计数器对外部输入引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）的外部脉冲计数；
C/T=0时，选择定时器模式。
M1M0：
工作方式设置位。
定时/计数器有四种工作方式，由M1M0进行设置。
表2-4工作方式及功能
M1M0
工作方式
00
工作方式0
13位计数器
01
工作方式1
16位计数器
10
工作方式2
自动再装入8位计数器
11
工作方式3
定时器0：
分成两个8位计数器
定时器1：
停止计数
2.控制寄存器TCON
TCON的低4位用于控制外部中断,已在前面介绍。
TCON的高4位用于控制定时/计数器的启动和中断申请。
其格式如下：
表2-5控制寄存器格式
位
字节地址：
88H
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
TF1（TCON.7）：
T1溢出中断请求标志位。
T1计数溢出时由硬件自动置TF1为1。
CPU响应中断后TF1由硬件自动清0。
T1工作时，CPU可随时查询TF1的状态。
所以，TF1可用作查询测试的标志。
TF1也可以用软件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一样。
TR1（TCON.6）：
T1运行控制位。
TR1置1时，T1开始工作；
TR1置0时，T1停止工作。
TR1由软件置1或清0。
所以，用软件可控制定时/计数器的启动与停止。
TF0（TCON.5）：
T0溢出中断请求标志位，其功能与TF1类同。
TR0（TCON.4）：
T0运行控制位，其功能与TR1类同。
2.5.3中断控制
CPU对中断系统所有中断以及某个中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的。
表2-6中断寄存器地址控制
EA
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
IE
EX0（IE.0），外部中断0允许位；
ET0（IE.1），定时/计数器T0中断允许位；
EX1（IE.2），外部中断0允许位；
ET1（IE.3），定时/计数器T1中断允许位；
ES（IE.4），串行口中断允许位；
EA（IE.7），CPU中断允许（总允许）位。
2.54单片机外围电路介绍
AT89C51单片机的复位输入引脚RST为AT89C51提供了初始化的手段。
有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。
在89C51的时钟电路工作后，只要在RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。
只要RST保持高电平，则89C51循环复位。
只有当RST由高电平变成低电平以后，89C51才从0000H地址开始执行程序[8]。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
本系统的复位电路是采用按键复位的电路，如图2-8所示，是常用复位电路之一。
单片机复位通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。
上电时，刚接通电源，电容C相当于瞬间短路，+5V立即加到RESET端，该高电平使89C51全机自动复位，这就是上电复位；
若运行过程中需要程序从头执行，只需按动按钮即可。
按下按钮，则直接把+5V加到了RESET端从而复位称为手动复位。
复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部清零。
图2-8AT89C51复位电路
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200Ω，RK取1KΩ。
2.6报警部分
美国ISD公司于2001年最新推出一种单片8～20秒单段语音录放电路ISD1810，它的基本结构与ISD1110、1420完全相同，采用CMOS技术，内含振荡器，话筒前置放大，自动增益控制，防混淆滤波器，扬声器驱动及FLASH阵列[9]。
一、主要特性：
（1）使用方便的单片8至20秒语音录放；
（2）外接电阻调整录音时间，高质量，自然的语音还原技术；
（3）内置喇叭驱动放大电路；
（4）边沿、电平触发放音10000次录音周期（典型）；
（5）自动节电，维持电流0.5uA，3
升级会员 