基于单片机的火灾报警器设计.docx

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。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。本文利用单 片机结合传感器技术而开发设计了这一火灾报警器。本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、 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。本文设计的烟雾报警器可实现声光报警、浓度显示、报警限设置等功能。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。关键词：烟雾，报警器，STC12C5410，传感器目录1. 引言1 2. 烟雾检测报警器整体设计方案1 2.1 烟雾检测报警器工作原理1 2.2 烟雾检测报警器的结构1 3. 烟雾检测报警器的硬件设计2 3.1 信号采集及前置放大电路2 3.2 声音报警电路3 3.3 数码管显示电路3 3.4 状态指示灯及控制键电路4 4. 烟雾检测报警器的软件设计5 4.1 烟雾检测报警器软件流程及设计5 4.2 主程序设计及流程图5 4.3 报警子程序设计及流程图6 4.4 控制按键设计子程序及流程图7 5. 结论8 致辞9 参考文献101引言火灾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2。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，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。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路1。本文详细介绍了该火灾烟雾检测报警器硬件、软件的设计，最后，对整个设 计做了概括性总结。2.烟雾检测报警器整体设计方案2.1 烟雾检测报警器工作原理本论文中的烟雾检测报警器以 STC12C5410AD 单片机为控制核心，采用 MQ-2 型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。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。2.2 烟雾检测报警器的结构报警器系统结构框图如 1 所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完 成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入等功 能。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗1低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本5。图 1 可燃性气体检测报警器结构框图3. 烟雾检测报警器的硬件设计在报警仪的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来 的烟雾浓度对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处 理，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求7。在单片 机完成这些的工作中，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示的软件实现比 较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾 浓度，并根据情况做进行相应处理。3.1 信号采集及前置放大电路传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电 平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾传感器属于电 阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给 ADC 采集。 由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销。 所以本设计中的前置放大电路采用 LM324 作为电路的运算放大器。LM324 是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源或双电源 下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电 阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。2图 2 前置放大电路图3.2 声音报警电路声音报警电路图如图 3 所示。报警装置采用无源压电式 KM3712x 型蜂鸣器， 较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮。当单片机 STC12C5410AD 的 17 脚(P3.7)置 1 时，三极管 Q1 导通，蜂鸣器报警4。本报警器采用单片机 STC12C5410AD 的 PWM 功 能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制 P3.7(PWM)口输出占空比一定的 脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。图 3 声音报警电路图3.3 数码管显示电路3报警器浓度显示采用共阳数码管3。图 4 数码管结构图3.4 状态指示灯及控制键电路状态指示灯及控制键电路图如图 5、图 6 所示。单片机 STC12C5410AD 的 18 脚(P1.0)、12 脚(P2.4)、13 脚(P2.5)，控制输出的状态指示灯。绿灯常亮表示 正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低。黄灯闪亮表示传感器加热丝或者电缆发生 断线或者接触不良。红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户 尽快作相应安全措施。当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下按键停止 报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。图 5 状态指示灯电路图4图 6 控制按键连接示意图4. 烟雾检测报警器的软件设计4.1 烟雾检测报警器软件流程及设计本论文中，软件解决的主要问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对 信号进行转换，数字滤波，段式液晶浓度显示，按键功能设置，以及报警器声光 警报。4.2 主程序设计及流程图主程序流程图如图 7 所示。首先要给传感器预热三分钟，因为 MQ-2 型半导 体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正 常采集烟雾信息，需要一段时间预热10。程序初始化结束后，系统进入监控状 态。本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟，预热同时，对传感器加热丝故 障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或 电缆线是否断线或者接触不良。STC12C5410AD 单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行 A/D 转 换、平均值 法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时 送入段式液晶显示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯及按键功能设置，中断 子程序等，使报警器功能更加完善。5图 7 主程序流程图4.3 报警子程序设计及流程图当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应通 道的红灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全，避免火灾和爆炸事故的发生8。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于 暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报9。报警子程序流程图如图 8 所示。6图 8 报警子程序流程图4.4 控制按键设计子程序及流程图本报警器设计附加一个按键，功能分别为：确定(消音)。按键处理子程序流 程图如图 9 所示。7图 9 键盘处理子程序5结论本论文设计的烟雾报警器由烟雾信号采集电路与单片机控制电路两大部分 构成。在系统单片机控制电路的设计上，采用了高性能、高整合度的 STC12C5410AD 单片机作为核心芯片，充分利用了其高速数据处理能力和丰富的 片内外设，实现了仪器的小型化和智能化。使仪器具有结构简单、性能稳定、体 积小、成本低等优点。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。为提高响应时伺，保证传感器准确地、稳定 地工作，需要向烟雾传感器持续供给 5V 的加热电压。为了保证传感器加热工作 的可靠性，当传感器加热丝断线或传感器接触不良时，能够进行故障报警。在本论文研制的报警器的基础上，可以再做适当的功能扩展，使可燃性烟雾 报警器的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。这需要在今后对其进 行不断的研究和发展！8致 谢在本次毕业设计中，我得到了指导老师冯静老师的热心指导。自始至终关心 督促毕业设计进程和进度。帮助解决毕业设计中遇到的许多问题。还不断向我传 授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，使我在毕业设计过程 中少走很多弯路。在这里非常感谢冯静老师的指导和帮助，并致以真诚的谢意！同时，身边的同学给了我许多的帮助。在此，我向身边关心我的同学致以诚 挚的谢意！另外，系里的领导和老师也给了我们必要的指导，我也向系和年级的 领导们表示衷心的感谢！最后感谢学院对我这几年的培养。9参考文献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): 23-252彭军.传感器与检测技术.西安电子科技大学出版社, 2003: 263-3153谢望.烟雾传感器技术的现状和发展趋势.仪器仪表用户, 2006, 13(5): 1-24张鹏翼,罗卫兵,楼超英.基于 STC 单片机的无人飞机控系统设计.设计参考, 2006, 18: 23-255求是科技. 单片机应用系统开发实例导航.人民邮电出版社, 2003.6何衍庆.控制系统分析设计和应用.化学工业出版社, 2003.7宏晶科技(深圳).STC12C5410AD 系列单片机器件手册.8魏东. Keil C51 总线外设操作问题的深入分析. 单片机与嵌入式系统应用, 2006(2): 78-799曹珍贯.在单片机中用插值法实现线性化器.工矿自动化, 2005(6): 44-4510王勇, 冷剑青, 徐健健. 基于单片机的室内一氧化碳安全监控系统设计. 工业仪表 与自动化装置, 2001(4): 19-22.10