基于单片机的火灾报警系统打印稿.pdf

常州信息职业技术学院电子与电气工程学院毕业设计论文 - 1 - 1 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书 专业电子信息工程班级中韩电子 072姓名余涌 一、课题名称：单片机火灾报警电路设计 二、主要技术指标： (1) 传感器类型：半导体电阻式 (2) 检测范围： 0100%LEL (3) 报警准确度 :：± 5%LEL (4) 报警点设置：达到20%LEL 开始报警 (5) 报警器工作方式：现场固定安装，自然扩散进行采样，长年连续运行 (6) 工作环境温度：检测器-50°C50°C；报警器0°C500°C (7) 工作环境湿度：85%RH (8) 报警方式：烟雾泄漏声光报警、自诊断故障报警 (9) 指示方式：数字显示，可显示被测烟雾LEL% 及设定报警限值 (10)响应时间：30S (11) 输出信号：可输出与烟雾浓度对应的05V DC 标准信号 (11) 工作电压： AC220V ±15%， 50±lHz (12)具备快速重复检测和延时报警功能，可区别烟雾的泄漏和短时间的微量散失，防止误报。 三、工作内容和要求：首先， 传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过 放大， 转化成较大的电压信号送入STC12C5410AD 单片机； 然后， 在 STC12C5410AD 单片机 内 A/D 转换、浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制 浓度值；最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处 于正常状态绿灯长亮， 当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。 另 外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越 快。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出 一个 5V 的电压。为了保证其可靠性，在输出5V 的电压的同时，进行故障监测。当传感器加 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院毕业设计论文 - 2 - 2 热丝或电缆线和传感器断线或接触不良时，进行故障报警， 发出声光报警信号。当然几种状 态的报警信号是各不相同的。 要求： (1)自诊断故障报警功能当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时， 报警器发出警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，及时排除 故障，保证安全。 (2)烟雾浓度显示通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘设 置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。 (3)烟雾报警功能当烟雾浓度连续20 秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来 越急促，并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更容易 引起用户的注意。 (4)防止报警器误报功能快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏，还是 由于打开阀门时的微量烟雾的散失。 (5)看门狗自检单片机状态功能调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦 发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。 (6)与上位机通讯功能可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和 处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。 (7)自动控制相关安全装置的扩展功能留有继电器接口，可以带动排风扇或大功率蜂鸣器，也 可以控制管道电子阀门，可在报警的同时自动启动相关安全装置。 四、主要参考文献： 1 陈连生 . 可燃烟雾探测器及其设置安装要领. 石油工程建设 . 1996(1): 2325 2 张保卫 , 尚家峰 , 赵金水 . 燃气报警器的分类与选择. 山东消防 , 2003(8): 2728 3 彭军 . 传感器与检测技术. 西安电子科技大学出版社, 2003: 263315 4 李永生 , 杨莉玲 . 半导体气敏元件的选择性研究. 传感器技术 , 2002(3): 13 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院毕业设计论文 - 3 - 3 5Yoon D h, Yu J h, Choi Gm. 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6 - 6 主要研究（设计）方法论述：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。 四、设计（论文）进度安排： 时间（迄止日期）工作内容 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院毕业设计论文 - 7 - 7 五、指导教师意见： 指导教师签名：2009 年 7 月3 日 六、系部意见： 系主任签名：2009 年7 月4 日 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院毕业设计论文 - 8 - 8 目录 【摘要】22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 9 【关键词】222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 9 第一章绪论2222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 10 11 概述22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 10 12 火灾报警器的发展趋势2222222222222222222222222222222222222222222222222222 11 1. 3 火灾报警器的现状及特点22222222222222222222222222222222222222222222222222 11 第二章烟雾检测报警器的方案设计22222222222222222222222222222222222222222 11 2. 1 烟雾检测报警器设计思路2222222222222222222222222222222222222222222222222 11 2. 2 烟雾传感器的选型2 222222222222222222222222222222222222222222222222222222 12 2. 2.1 烟雾传感器介绍2 2222222222222222222222222222222222222222222222222222 13 2. 2.2 烟雾传感器的选定2 222222222222222222222222222222222222222222222222222 14 2. 3 烟雾检测报警器整体设计方案222222222222222222222222222222222222222222222 15 2. 3.1 烟雾检测报警器工作原理2222222222222222222222222222222222222222222222 15 2. 3.2 烟雾检测报警器的结构222222222222222222222222222222222222222222222222 16 2. 3.3 烟雾检测报警器的功能222222222222222222222222222222222222222222222222 16 第三章烟雾检测报警器的硬件设计222222222222222222222222222222222222222 17 3. 1单片机的选型2 222222222222222222222222222222222222222222222222222 17 311 单片机的选择2 22222222222222222222222222222222222222222222 17 3. 2 烟雾检测报警器硬件电路设计2222222222222222222222222222222222 18 3. 2. 1 信号采集及前置放大电路22222222222222222222222222222222222 19 3. 2. 2 声音报警电路2 22222222222222222222222222222222222222222222 20 3. 2. 3 数码管显示电路2 222222222222222222222222222222222222222222 21 3. 2. 4 状态指示灯及控制键电路22222222222222222222222222222222222 22 3. 2. 5 报警器故障自诊断电路2222222222222222222222222222222222222 23 第四章烟雾检测报警器的软件设计222222222222222222222222222222222222222 24 4. 1 STC12系列单片机调试及开发工具222222222222222224 4. 2 烟雾检测报警器软件流程及设计2222222222222222224 4. 2.1 主程序设计及流程图 22222222222222222222224 4. 2.2 主程序初始化流程图 22222222222222222222225 4. 2.3 中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图22222222222222222 27 4. 2.4 插值法线性化处理子程序设计及流程图2222222222222222222222222 28 4. 2.5 报警子程序设计及流程图2222222222222222222222222222222222222 30 4. 2.6 控制按键设计子程序及流程图222222222222222222222222222222222 31 第五章实验检定及误差分析222222222222222222222222222222222222222222222 33 5. 1 烟雾检测报警器检定2222222222222222222222222222222222222222222 33 5. 1.1 爆炸下限 (LEL) 概念介绍2 2222222222222222222222222222222222222 34 5. 1.2实验数据分析2 22222222222222222222222222222222222222222222222 35 5. 2 实验误差分析2 222222222222222222222222222222222222222222222222 36 第六章结束语2222222222222222222222222222222222222222222222222222222 37 第七章答谢词2222222222222222222222222222222222222222222222222222222 38 参考文献2 22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 39 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院毕业设计论文 - 9 - 9 单片机火灾报警系统设计 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 “information age” the arrival, obtained the remarkable progress as the gain information method - - sensor technology, its application domain is more and more widespread, is more and more high to its request, the demand is more and more urgent.The sensor technology has become weighs one of national science and technology level of development important symbols.Therefore, understood and grasps each kind of sensor the basic structure, the principle of work and the characteristic is extremely important. In order to enhance to the sensor understanding and the understanding, in particular to the smog sensor thorough research as well as its usage and the use, based on practical, widespread and the model principle has designed this system.This article used the monolithic integrated circuit union sensor technology to develop has designed this smog supervisory system.。 The present paper take leaves the minor smog sensor and the monolithic integrated circuit technology unifies as the core and with other electronic technology, designs one kind of technical level good smog alarm apparatus.In which selects the 2M007 semiconductor resistance type smog sensor realization smog the examination, has the 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院毕业设计论文 - 10 - 10 sensitivity high, responds, the antijamming ability quickly strong and so on the merits, moreover the price is inexpensive, the service life is long.Selects the STC12C5410AD monolithic integrated circuit, its conformity A/D transformed, the hardware multiplier, resources and so on hardware PDM keyer, has high speed, low merits and so on power loss, ultra strong antijamming, is the present similar technology neutral price quite high product. May realize the acousto-optics take the STC12C5410AD monolithic integrated circuit and the 2M007 semiconductor resistance type gas sensor as the core design smog alarm apparatus to report to the police, the breakdown from the diagnosis, the density demonstrated, reports to the police limits the establishment, the time delay reports to the police and with functions and so in position machine serial port correspondence.Is one kind of structure simple, the performance stable, the easy to operate, the price inexpensive, the intellectualized smog alarm apparatus.Has certain practical value. Key word : Smog, alarm apparatus, STC12C5410, sensor 1绪论 11 概述 火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；也可 以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。即由 自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个 完整的消防控制系统。火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段， 将伴随产生烟雾、高温格火光。这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报 警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。区域报警器能将所在楼层之探测器发 出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的房间号；同时还能监视若干 楼层的集中报警器（如果监视整个大楼的则设于消防控制中心）输出信号或控制 自动灭火系统。集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具 体显示出着火的楼层和房间号，机上停走的时钟记录下首次报警时间性，利用本 机专用电话，还可迅速发出指示和向消防队报警。此外，也可以控制有关的灭火 系统或将火灾信号传输给消防控制室。 12 发展趋势 二十多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列 完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。国外的产品和品牌一统天下， 占领中国的大部分市场。由于中国的建设正在飞速发展，市场大的惊人，难道这 由中国发展带来的成果只能由外国企业来瓜分？可幸的是中国企业抓住了机遇， 顶住了挑战，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也 吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了十多年时间，通过几次产品更新 换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得 现在大多国外产品只有招架之功，这是典型的自力更生，走自己的路。当然目前 而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚启动。中国企业正虎视眈眈，准备 进军海外市场。 1. 3 现状及特点 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院毕业设计论文 - 11 - 11 消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分 析控制器、消防控制联动。是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输 和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。依托中国多年的基本建设 的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国 许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极 少一部分的利润，象消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的 行业其实是很少的。 在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已 经超越，存在的问题是：类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起 步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距； 国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外 市场，并最终占领海外的消防报警市场。 2 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 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院毕业设计论文 - 12 - 12 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， 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院毕业设计论文 - 13 - 13 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°C400 ° 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。 (g) 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-dispersive IR )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