基于单片机的烟雾报警器设计

中华人民共和国教育部

东北林业大学

毕 业 设 计

设计题目： 基于单片机的烟雾报警器设计 学 生： 林德明 指导教师： 郑 纲 讲师 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化2007级3班

2011年6月

东北林业大学毕业设计

东北林业大学

毕 业 设 计 任 务 书

设计题目 基于单片机的烟雾报警器设计 指导教师 郑 纲 讲师 专 业 机电工程2007级3班 学 生 林德明

2010年 12 月 22 日

东北林业大学毕业设计

题目名称：基于单片机的烟雾报警器设计 任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求） （1）课题内容： ①．设计基于单片机控制的烟雾报警器； ②．烟雾报警器的信号采集模块设计； ③．烟雾报警器的报警模块设计； ④．烟雾报警器的软件设计； （2）时间安排： 3月1日至4月15日：查找资料、调研、方案论证； 4月16日至5月15日：设计烟雾报警器； 5月16日至6月10日：撰写论文。 （3）工作量： 其 中： 参考文献篇数： 20篇以上（其中，外文资料3篇以上）； 图 纸 张 数： 讲解图：A0图纸1张，A1图纸1-2张； 说明书字数： 10000字以上 专业负责人意见 签名： 年 月 日

东北林业大学毕业设计

基于单片机的烟雾报警器设计

摘 要

随着社会和经济的发展，防火工作越来越重要，但是目前国内的许多研发都侧重于大型场所的火灾报警。因此，我们就有必要研制一种结构简单、经济实用的家庭烟雾报警器以适应市场的需求。基于供家庭使用的烟雾报警器应该具备的基本要求和功能，文章设计了一种比较适合的烟雾报警器。

本设计以传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件即可实现声光报警、自动排烟换气和消防灭火等功能。设计中单片机选用AT89C51作为控制器件，传感器选用QM-N5型气体传感器实现对烟雾的检测。烟雾报警器主要由烟雾信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、显示电路、声光报警电路和安全保护电路构成，设计合理、简单易懂、价格低廉，使单片机在烟雾报警系统的控制中得到充分应用，具有一定的实用价值。论文主要针对烟雾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，并对其主控电路和外围设备电路之间的接口连接方式，以及系统软件设计进行了重点的分析和讲解。

关键词：烟雾报警器；单片机；传感器

Design of Smoke Alarm Based on

Microcontroller

Abstract

With the development of social and economic，the prevention of fire are more and more important.However, in the present, most of research and development of fire alarm systems only focus on large sites. Therefore, it is necessary to design a simple, economical and practical family Smoke Alarm to meet the market demand. Taking both the basic requirement and the function of family Smoke Alarms should have into account, thesis designs a suitable smoke alarm for household using.

Which the sensor and the microcontroller of the design is the most important part of alarm devices, with other devices can achieve alarming with sound and light, automatically reducing smoke and fighting fire ,etc. IN design, microcontroller used AT89C51 and select QM-N5 Gas Sensor to detect smoke. Smoke alarm mainly by the signal acquired circuit, A/D converted circuit, MCU controlled circuit,displayed circuit and alarming with sound and light circuit,reasonable design, simple structure, easy to use, inexpensive. As a result, the microcontroller in the control of the smoke alarm system is fully applied. Therefore, this design about smoke alarm has practical value. Thesis give detailed introduction for the function and theory of the various component parts of the alarm system, focus on the interface technology between its main controlled circuit and peripheral circuit, also give explanation of the software .

Key words ：Smoke Alarm;MCU; sensor

目 录

摘要 Abstract

1 绪论 ............................................................. 1 1.1 概述............................................................ 1 1.2 设计烟雾报警器的目的及意义...................................... 1 1.3火灾报警器的现状及特点 .......................................... 2 1.4火灾报警器的发展趋势 ............................................ 3 2 系统的总体方案设计 ............................................... 4 2.1烟雾报警器的工作结构和原理 ...................................... 4 2.2烟雾传感器的选型 ................................................ 5 2.2.1烟雾传感器的介绍 .............................................. 5 2.2.2 QM-N5半导体气体烟雾传感器 .................................... 8 2.3单片机的选型 .................................................... 9 2.4烟雾报警器的主要功能设计 ....................................... 12 3 系统的硬件电路 .................................................. 13 3.1 系统电源电路................................................... 13 3.2 AT89C51的时钟电路和复位电路 ................................... 13 3.3信号采集及前置放大电路 ......................................... 14 3.4 A/D转换电路 ................................................... 16 3.5声音报警及消音键电路 ........................................... 17 3.6字符显示电路 ................................................... 18 3.7状态指示灯电路 ................................................. 19 3.8安全保护电路 ................................................... 20 3.9报警器故障自诊断电路 ........................................... 21 3.10烟雾报警器硬件总电路 .......................................... 21 4 系统的软件的设计 ................................................ 23 4.1系统主程序设计及流程图 ......................................... 23

4.2主程序初始化流程图 ............................................. 24 4.3报警子程序设计及流程图 ......................................... 24 4.4按键输入设计子程序流程图 ....................................... 26 5 结论 ............................................................ 27 参考文献 致谢

基于单片机的烟雾报警器设计

1 绪论

1.1 概述

单片机及烟雾传感器是烟雾报警器系统的两大核心。单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到所有电子系统中。同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。而传感器作为信息技术系统的“感官”器件，如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、高速度的控制系统。美国曾把二十世纪八十年代称为传感技术时代，日本更是把传感技术列为十大技术之首。所以，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器和单片机芯片是至关重要的。在本论文中的最主要的设计是选AT89C51单片机和QM-N5半导体气体烟雾传感器为核心器件。

AT89C51单片机兼容标准MCS-51指令系统，功能强大，可供许多高性价比的场合应用，能够灵活应用于各种控制领域。QM-N5半导体气体烟雾传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，寿命长，成本低，非常适用于家庭使用的气体泄漏报警器。由这两个核心器件设计而成的整个烟雾报警器系统可实现声光报警、报警状态字符显示、换气扇排烟和喷水灭火等烟雾报警器应有的功能，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。

目前，现代建筑都会有选择地安装不同功能的火灾自动报警系统。因为火灾自动报警系统是建筑物的神经系统，它能够感受、接收着发生火灾的早期信号并及时报警，发出警报同时告知用户和周边居民。它就像是一个个称职的更夫，给居住、忙碌或是休息在家庭中的人们以极大的安全感。在火灾的早期阶段，准确的探测到火情并迅速报警，对于及时组织有序快速疏散、积极有效地控制火灾的蔓延、快速灭火和减少火灾对居住人群的损失都具有重要的意义。

1.2 设计烟雾报警器的目的及意义

随着社会和经济的发展，家庭火灾防不胜防，防火工作也就越来越重要。据美国消防学会统计，最近十多年中，安装自动消防设施的建筑中发生火灾，消防

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设施的有效率高达96.1%，确实起到了保证建筑物消防安全的作用。这是因为火灾自动报警系统能够及时将火灾迹象通知用户及有关管理人员，以便他们准备疏散或组织灭火，延长了建筑物可供疏散的时间并通过联动系统启动其他消防设施。所以，设计一种能够在火灾刚刚发生时或者有可燃气体堆积引起的火灾隐患时就能报警的报警器就能使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少或消除因火灾造成的生命危害和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。

目前我国火灾自动报警系统只被安装在重要建筑上，而在美国、日本等发达国家，包括许多居民家庭都安装了火灾自动报警系统。近几年，国内主要侧重于大型场所的大型火灾报警系统的研发，而在居民住宅区等小型防火单位，却需要安装廉价实用的烟雾自动报警装置。由于我国人口不断的增长，土地也开始的稀缺，所以为了缓解城市用地的紧张，居住的楼层不断加高，这不但便于集中供电、供热、供气，而且也可以集中控制和管理。但是，人们在享受这些现代设施带来了便利的时候，却也增加了火灾隐患。楼层多、人员密集，一旦发生火灾，疏散困难，容易造成经济和人员的损失。如果在家庭中没有安装火灾自动报警器，一旦在家庭中发生火灾，火灾容易由不被发现的早期火灾而演变成为更大、更严重的大型火灾。结果是由于一家的起火，而火势不能得到有效控制，使得火势迅速蔓延并很快出现大面积燃烧。这不仅使的用户本身遭受重大的损失，还容易形成“火烧连营”的局面，给周边家庭和场所造成无法估计的损失和严重的影响。据公安部消防局2011统计，近年来，我国每年发生家庭火灾5万余起，死亡800余人，占火灾死亡人数的70%以上。根据网络新闻报道可知，英国每年发生50000起以上的严重家庭火灾，其中大部分火灾造成伤亡和重大的家庭财产损失，甚至连累左邻右舍。由此可见：家庭防火同样是现今社会的重要家庭安防问题，而且刻不容缓。家庭防火重在防患于未然，因此，我们就有必要研制一种结构简单、价格低廉的烟雾自动报警器，以适应市场的需求。

1.3火灾报警器的现状及特点

火灾自动报警系统作为重要的建筑自动消防设施，其技术进步性表现报警时间提前、报警可靠性提高、特殊场所火灾的探测报警、报警系统网络化、消防联动控制智能化、消防通信网络技术与计算机接警指挥管理等。

在国外，现在的火灾自动报警系统已达到智能型、全总线型和综合型，系统一旦报警，马上在显示器上出现报警探测器的具体地址，一目了然。近年来，我国火灾自动报警工程应用技术实现了较快发展，但由于在实际应用中，火灾自动报警系统的通讯协议不一致，火灾自动报警工程技术水平还相对落后，还存在着一些比较突出的问题。现阶段，我国火灾自动报警系统的主要问题有以下几点：1、适用范围过小。我国火灾自动报警系统技术比美、英等发达国家起步较晚，适用范围过有限，使得一般家庭用户未能普及使用火灾自动报警器。由于家庭住宅等小单位的防范措施不到位，给家庭生活带来了许多的不方便和一定的损失。2智能化程度低。我国使用的火灾探测器虽然都进行了智能化设计，但由于传感器件探测的参数较少、支持系统的软件开发不成熟、各种算法的准确性缺乏足够验证、火灾现场参数数据库不健全等，火灾自动报警系统难以准确判定粒子(烟气)的浓度、现场温度、光波的强度以及可燃气体的浓度、电磁辐射等指标，造

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成迟报、误报、漏报情况较多。3、网络化程度低。我国应用的火灾自动报警系统形式基本上以区域火灾自动报警系统、集中火灾自动报警系统和控制中心火灾自动报警系统为主，安装形式主要是集散控制方式，自成体系，自我封闭，尚未形成区域性网络化火灾自动报警系统。4、组件连接方式有待改善。火灾自动报警系统以多线制和总线制连接方式为主，探测器和报警器及控制器之间是采用两条或多条的铜芯绝缘导线或铜芯电缆穿管相接，存在耗材多、成本高、抗干扰能力差的缺点。同时，铜导线耐高温性能差、易磨损，系统施工维修复杂，影响了火灾自动报警系统的可靠性和更广泛的应用。5、火灾自动报警系统误报、漏报问题较多。由于火灾探测器的安装环境极其复杂，加之各种传感器在探测火灾方面存在着某些先天不足，无法准确地感应各种物质在燃烧过程中所特有的声波、光谱、辐射、气味等诸多方面发生的微妙变化，对火灾发生过程中所产生的不同粒径和颜色的烟雾存在探测“盲区”，误报、漏报现象时有发生。

1.4火灾报警器的发展趋势

面对人类社会经济与技术急速发展的时代，伴随这电子、计算机、通讯和现代控制技术的迅速发展，现代火灾自动报警应用技术发展趋势正在向着全总线制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、蓝牙技术无线化、高灵敏化、综合化等方面发展。

针对当前火灾自动报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁，智能化程度低，网络化程度低、特殊恶劣环境的火灾探测报警抗干扰等问题较为突出的现象，提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、开放的通讯协议。通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究，对系统方案、设备选型的优化组合，改进火灾自动报警系统的工作性能、减少维护费用和维护要求，向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展，为更好的预防和遏制建筑火灾提供了强有力的保障，从而更好的保护国家和人民的生命、财产安全。

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