畢業設計基于單片機的火災報警器的設計與實現

任務背景家庭中的物品發生火災時，會產生大量的煙霧。煙霧的產生速度比溫度的上升速度要快。因此相較于感溫探測器居民家庭更適合安裝感煙探測器。通過近年來的一些火災案例可以看出，在火災中喪生的人均為吸入大量有毒有害氣體致死，原因為發生火災時沒有第一時間發現或等發現時火火災已蔓延擴大，不具備逃生機會。家庭居民火災多發生在夜間，如果發生火災，感煙探測器可第一時間動作提醒人們發生危險，這時人們可根據火災情況選擇撲救或進行逃。器材準備煙霧報警器數碼管溫度傳感器單片機蜂鳴器AD采集芯片一、了解火災報警器的原理本項目設計的火災報警器由煙霧信號采集電路與單片機控制電路兩大部分構成。根據設計要求、使用環境、成本等因素，選用MQ-2型半導體電阻式煙霧傳感器。該傳感器是對以烷類煙霧為主的多種煙霧有良好敏感特性的廣譜型半導體敏感器件。它的靈敏度適中，具有響應與恢復特性好，長期工作穩定性、重現性、不易受環境影響及抗溫濕度影響等優點?？傮w方案設計煙霧報警器是能夠檢測環境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器。該報警系統的最基本組成部分應包括：信號采集模數轉換電路、單片機控制電路、字符顯示電路、聲光報警電路和安全保護電路等部分組成。為適應家庭和工業等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設計的煙霧報警器具有顯示報警狀態。報警器采用延時的工作方式，煙霧檢測報警器以STC89C52單片機為控制核心，選用MQ-2半導體氣體煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，配合外圍電路構成煙霧報警系統。本設計包括硬件和軟件設計兩個部分。從設計的要求來分析該設計須包含如下結構：煙霧檢測部分、STC89C52單片機主控部分、報警部分，AD采集四大部分。電路總題框圖如下圖所示：電源開關電源STC89C52單片機AD采集電路顯示電路報警電路按鍵控制處理器采用51系列單片機STC89C52。整個系統是在系統軟件控制下工作的。設置在監測點上的煙霧檢測探頭將檢測到的煙霧變換成電信號，送出模擬信號，給AD采集電路采集。在單片機內，經軟件查詢、識別判決等環節實時發出煙霧報警狀態控制信號。驅動蜂鳴器及報警指示燈報警。2.1煙霧檢測傳感器選型煙霧傳感器是測量裝置和控制系統的首要環節。而煙霧報警器的信號采集由煙霧傳感器負責。煙霧傳感器能夠將氣體的種類及其濃度有關的信息轉換為電信號，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環境中存在的情況有關的信息，從而達到檢測、監控、報警的功能?？梢哉f，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動檢測、控制和報警系統。煙霧傳感器作為報警器中不可缺少的核心器件，它決定了所采集的煙霧濃度信號的準確性和可靠性。煙霧傳感器內部結構如下圖所示。 煙霧傳感器的介紹煙霧傳感器是模擬傳感器。它能將空氣中的煙霧濃度變量轉換成有一定對應關系的輸出信號的裝置。煙霧傳感器就是通過監測環境中煙霧的濃度來實現火災防范的。當煙霧探頭碰到煙霧或某些特定的氣體，煙霧探頭內部阻值發生變化，產生一個模擬值，從而對其進行控制。煙霧傳感器利用煙霧敏感元件的電阻受煙霧（主要是可燃顆粒）濃度影響阻值變化的原理向單片機發送煙霧濃度相應的模擬信號。在智能建筑中對火災探測器的應用主要以感煙火災探測器選用為主。隨著傳感器生產工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧探測器的體積也逐漸變小，提高了煙霧探測器的便攜性，更加利于生產、運輸和市場推廣。目前，煙霧傳感器廣泛應用在城市安防、小區、工廠、公司、學校、家庭、別墅、倉庫、資源、石油、化工、燃氣輸配等眾多領域。在國內的產品中，無論哪家生產的煙霧探測器，都可以探測到火災的發生，都具有比較高的靈敏度，而且在安裝中都比較簡單。但是，由于各生產的設備不可通用，獨立為正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通訊。使得用戶面對眾多廠家生產的煙霧探測器感到不知所措。而這也正是國內產品市場的一個重大缺陷。（1）煙霧傳感器的分類從構成氣體傳感器材料的形態上通常將它們分為干式和濕式氣體傳感器。由于對不同氣體的檢測方法不盡相同，目前主要的方法有：利用半導體氣體器件檢測的電氣法；使用電極和電解液對氣體進行檢測的電化學法；利用氣體對光的折射率或光吸收等特性來檢測氣體的光學法。（2）煙霧傳感器應滿足的基本條件一個煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件：(a)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應或低響應；(b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內的煙霧濃度；(c)對檢測信號響應速度快，重復性好；(d)長期工作穩定性好；(e)使用壽命長；(f)制造成本低，使用與維護方便。2.2數碼管顯示器數碼管，也稱作輝光管，是一種可以顯示數字和其他信息的\h電子設備。471247TM1650品可以應用在顯示數字的設備上。478LED7-1，TM16504DP圖7-147G、V、DIOCLK，GVCC，5.5VDIO，CLK線，用來提供時鐘信號的線路。其可以接Arduino主板的IIC（A4、A5）接口。2.3MQ-2半導體氣體煙霧傳感器MQ-2半導體傳感器是以清潔空氣中電導率較低的金屬氧化物二氧化錫(SnO2)為主體的N型半導體氣敏元件。當傳感器所處環境中存在煙霧氣體時，傳感器的電導率隨空氣中煙霧氣體濃度的增加而增大。在設計報警器時只有使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。該傳感器具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度高、電導率變化大、響應和恢復時間短、抗干擾能力強、輸出信號大、壽命長和工作穩定等優點，在市面上應用十分廣泛。MQ-2半導體氣體煙霧傳感器適用于煙霧、天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣等的檢測，對可燃性氣體的（CH4、C4H10、H2等）的檢測很理想。這種傳感器在較寬的濃度范圍內對煙霧氣體有良好的靈敏度，能夠檢測多種可燃性氣體，十分適合應用在家庭的氣體泄漏報警器中。是一款便攜式氣體檢測器，非常適合多種應用的低成本傳感器。由于物理量和測量范圍的不同，傳感器的工作機理和結構就不同。通常煙霧傳感器輸出的電信號是模擬信號（已有許多新型傳感器采用數字量輸出）。當信號的數值符合A/D轉換器的輸入等級時，可以不用放大器放大；當信號的數值不符合A/D轉換器的輸入等級時，就需要放大器放大。所以MQ-2半導體氣體煙霧傳感器要想把采集到的煙霧濃度模擬信號傳送給單片機控制器就必須經過將模擬信號經過A/D轉換器轉化為可以識別的電信號給單片機。設計時應注意，氣敏元件開機通電時，其內阻很小，但經過一段時間后，才能恢復到原來的穩定狀態。因此，QM-2氣體傳感器需開機預熱幾分鐘，才可投入使用，以免造成誤報。2.4單片機選型單片機是煙霧自動報警系統的心臟，用來接收火災信號并啟動報警裝置顯示和執行相應的報警。在單片機實現的控制功能中，需要單片機有較快的運算速度，使檢測人員和用戶在報警器系統正常工作時能夠及時地觀測到實時的煙霧濃度等級，并進行相應處理。同時，在能夠滿足報警器系統設計的計算速度及接口功能要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，能夠不提高成本，縮小體積。由于單片機技術在各個領域正得到越來越廣泛的應用，世界上許多集成電路生產廠家相繼推出了各種類型的單片機，在單片機家族的眾多成員中，MCS系列單片機以其優越的性能、成熟的技術及高可靠性和高性能價格比，迅速占領了工業測控和自動化工程應用的主要市場，成為國內單片機應用領域中的主流。其中，51系列單片機的優點是價錢便宜,I/O口多,程序空間大。因此，測控系統中，使用51系列單片機是最理想的選擇，因此設計采用STC89C52。STC89C52單片機簡介STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在線可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標準功能：8k字節Flash，256字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。這一模塊以單片機為中心把程序代碼燒進去然后外圍接上復位電路、振蕩電路、鍵盤控制、LED顯示電路、報警電路等子模塊。四、程序設計

算法設計主程序流程圖如下圖所示。首先要給傳感器預熱,因為MQ-2型半導體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時間預熱。程序初始化結束后，系統進入監控狀態。在整個報警系統工作中，煙霧濃度信息經ADC0832轉換處理后，由單片機進行分析處理，判斷系統是否啟動報警。主程序還包括LED八段式數碼管濃度字符顯示功能、手動報警功能、報警濃度設定功能，中斷子程序等，使報警器功能更加完善，給用戶帶來便利。程序初始化程序初始化傳感器預熱處理開始單片機處理，判斷否超過設定報警值A/D轉換進入報警子程序信號采集是否 硬件連接為適應家庭和工業等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設計的煙霧報警器具有顯示報警狀態。報警器采用延時的工作方式，煙霧檢測報警器以STC89C52單片機為控制核心，選用MQ-2半導體氣體煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，配合外圍電路構成煙霧報警系統。成員任務安排從接受任務后具體成員的任務安排及時間安排如表1所示：表1任務實施計劃實