基于单片机的烟雾报警器毕业论文 - 图文

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于

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我校

毕业设计（论文）任务书

课题名称：

基于单片机的烟雾报警器

一、课题训练内容

1. 培养学生通过图书馆、互联网等资源查阅相关资料（包括外文资料），训练学生自主获得知识的能力和自学能力；

2. 培养学生把所学的单片机系统运用，并与传感器结合起来，运用所学知识设计各种算法和程序，提高学生的设计创新能力；

3. 锻炼学生自己查找资料、自己学习的能力； 4. 锻炼学生的自我创新能力；

5. 在书写论文的过程中，锻炼学生的语言表达能力、逻辑思维能力、办公软件使用的能力；

6. 培养学生与人合作、相互交流的能力。

二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量的具体要求）

课题是基于单片机的烟雾报警控制系统，在整个的设计过程中，主要任务和要求包括：

1. 大量收集与本课题有关的资料：到图书馆、各大书店寻找目标识别技术以及主动基方面的资料，并认真进行阅读；到各大数据库和相关网站上搜索与本课题相关的学位论文和相关资料。

2. 上交毕业设计开题报告一份。开题报告内容与学校模板要求一致，字数不少于2000字；经指导教师检查合格后才能进行后续工作。

3. 理清论文的总体思路，完成主要的研究工作：包括各种模型、算法和实验。 4. 完成毕业设计论文，字数不少于15000字。论文包含11个部分：封面、任务书、开题报告、中英文摘要及关键词、目录、正文、参考文献、附录、外文资料、中文译文、致谢共11个部分。

三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料

参考资料：

[1]陈连生. 可燃烟雾探测器及其设置安装要领[J].石油工程建设. 1996(1): 23~25

[2]张保卫,尚家峰,赵金水..燃气报警器的分类与选择[J].山东消防, 2003(8):

27~28

[3]彭军. 传感器与检测技术[M]. 西安电子科技大学出版社, 2003

[4]李永生, 杨莉玲. 半导体气敏元件的选择性研究[J]. 传感器技术, 2002(3): 1~3

[5] 谢望. 烟雾传感器技术的现状和发展趋势[J]. 仪器仪表用户, 2006, 13(5): 1~2

[6]童诗白，华成英，模拟电子技术基础[M].北京高等教育出版社，2010. [7]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): 27~28

[8]彭军. 传感器与检测技术. 西安电子科技大学出版社, 2003: 263~315 [9]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): 1~3

[10]Yoon D h, Yu J h, Choi Gm. CO Gas Sensing Properties of Zn0-CuO Composite. Sensors and Actuators. 1998(46): 15~23

[11]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): 1~2

[12]蔡文斋. 专业级串口调试器设计. 现代电子技术, 2006(23): 69~72

四、毕业设计（论文）进度表

注：1.本任务书一式两份，一份学院留存，一份发给学生。

2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写，其余各项均要求打印，打印字体和字号按照《我校毕业设计（论文）规范》执行。

我校毕业设计（论文）开题报告

开题报告内容包括：课题的意义，所属领域的发展状况，课题的研究内容、研究方法、研究手段和研究步骤以及参考书目等。 一． 课题的意义、所属领域发展状况 在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。人类能够对火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。火，给人类带来文明进步、光明和温暖。但是，失去控制的火，就会给人类造成巨大的灾难。对于火灾，在我国古代，人们就总结出“防为上，救次之，戒为下”的经验。随着社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生火灾的危险性也在增多， 火灾的危害性也越来越大。据统计， 我国 70 年代火灾年平均损失不到 2.5 亿元， 80 年代火灾年平均损失不到 3.2 亿元。进入 90 年代， 特别是 1993 年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡 2000 多人。 实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性就越来越突出。由此，烟雾报警器在消防工作就的作用也尤为突出了。我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。但目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探测报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的语音数字联网火灾报警器是非常必要的。 探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了烟雾探测的应用领域，为一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术弱信号处理技术、低功耗MCU技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。火灾着极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐。 我国烟雾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪 70 年代我国才开始研制生产烟雾报警系统产品。进入 80 年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始发育。烟雾报警产品真正发展是在 90 年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。这时期，我国生产烟雾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平。 二．本课题的研究内容 本课题研究的是基于单片机的烟雾报警控制系统。该系统是以单片机为核心，用烟雾传感器采集烟雾浓度信息经模数变换，交由单片机处理，储存并显示。 三．研究方法和研究手段 由于本课题涉及的知识比较多，所以在课题的制作过程中需要用以下方法和手段： （1）查阅资料。到图书馆借阅与课题相关的书，熟悉课题的研究意义及原理，为课题的研究打下一个良好的基础。 （2）硬件设计及调试。在熟悉原理的基础上，绘制相应的电路原理图，进行硬件调试。 （3）软件调试。在硬件原理调试完成后，进行系统整体功能调试，即整机调试。 （4）实践操作。在硬件软件调试完后，进行实践操作 四．研究步骤 （1）烟雾报警控制系统原理分析:包括对烟雾报警系统整体思路的把握和烟雾报警的基本原理及组成模块的简单介绍。 （2）系统硬件方案选择：通过方案比较，选择确定各个模块，尽量选择性能优良、价格合适且可以满足系统功能的芯片，特别是温度采集部分，其测量精度必须达到系统要求。 （3）掌握电子线路设计软件Protel DXP的使用，完成系统总体电路的设计。 （4）系统软件设计：包括系统总体软件和部分软件的流程图以及程序的写作，熟练掌握单片机C语言的运用，做到对系统的流程有一个整体的把握。 （5）整机调试：在保证系统硬件和软件正确的条件下，进行系统整体功能调试。 五．参考书目 【1】 贾伯年、俞朴、宋爱国 著，传感器技术[M].南京：东南大学出版社，2007. 【2】 张毅坤 著，单片微型计算机原理及应用[M].西安电子科技大学出版社，1998. 【3】 刘光斌 著，单片机系统实用抗干扰技术[M].人民邮电出版社，2003.10 【4】 黄智伟 著，全国大学生电子设计竞赛系统设计[J].北京：北京航空航天大学出版社，2007. 【5】 李维諟、郭强 著，液晶显示器应用技术[M].北京：电子工业出版社，2003. 【6】 沙占友、孟志强、王彦朋 著，单片机外围电路设计[M].北京：电子工业出版社，2006 . 【7】 李东生、张勇、许四毛 著，Protel 99SE电路设计技术入门于应用[M].北京：电子工业出版社，2006. 【8】高国富、谢少荣、罗均 著，烟雾传感器及其应用[M].北京：化学工业出版社，2005. 【9】梅丽凤 著，单片机原理及接口技术[M].北京：清华大学出版社，2005. 【10】彭为、黄科 著，单片机典型系统设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006. 【11】Myke Predko 著，精通8051程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2006. 【12】李广弟、朱月秀、王秀山 著，单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

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,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。

本论文以MQ-2半导体传感器和单片机技术为核心设计的气体报警器可实现声光报警功能，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。

其中选用MQ-2传感器实现对气体的检测，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。经AT89C51单片机处理，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)，如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态，而且在此设计中我们通过ADS1286和AT89C51单片机进行连接，将烟雾信号转换成单片机可识别的数字信号，经过单片机处理并对其进行分析，最终将烟雾的浓度显示在LED的显示管中。

关键词 : 传感器 报警器 单片机 监控 烟雾

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.

This papers to the semiconductor smog sensors and single chip microcomputer as the core design can realize the smog alarm sound-light alarm functions, is a kind of simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive and intelligent gas alarm, has certain practical value.

Among them we choose MQ-2 of gas detection sensor, it has a high sensitivity, fast response, strong anti-jamming capability etc, and the price is low, service life long. by AT89C51 for processing the data and analysis, whether is equal to or greater than the a default value (that is, the alarm limit), if beyond the limit than it will automatically start alarm circuit warning voice, otherwise conversely for normal state. In this design, we connected smog sensor and the AT89C51 micr- ocontroller ,it turns the smog signals into the digital signal which the microcontroller can identify. Finally smog will be displayed on the LED display tube.

Key words: sensor alarm SCM control smog

目 录

1 绪论...............................................1

1.1 论文研究来源、目的和意义 ............................. 1 1.1.1 论文研究来源 ....................................................................... 1 1.1.2 论文研究目的和意义 ............................................................ 1 1.2 烟雾报警器的国内外现状及发展趋势 ..................... 2 1.2.1 烟雾报警器的国内外现状 ..................................................... 2 1.2.2烟雾报警器的发展趋势 .......................................................... 3 1.3 本论文主要任务 ....................................... 4

2 烟雾检测报警器的方案设计 ........................... 4

2.1 烟雾报警器设计思路 ................................... 4 2.2烟雾传感器的选型...................................... 5 2.2.1 烟雾传感器介绍 ................................................................... 5 2.2.2烟雾传感器的选定 ................................................................. 9 2.2.3 MQ-2型烟雾传感器的工作原理 .......................................... 10 2.2.4 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标 ................................ 12 2.3烟雾检测报警器整体设计方案 ........................... 14 2.3.1烟雾检测报警器工作原理 .................................................... 14 2.3.2 烟雾报警器的工作结构和原理 ............................................ 14 2.3.3 烟雾检测报警器的功能 ....................................................... 16 2.4本章小结 ............................................ 17

3 烟雾检测报警器的硬件设计 .......................... 17

3.1单片机的选型 ........................................ 18 3.1.1单片机的选择 ...................................................................... 18 3.1.2 AT89C51单片机的介绍 ...................................................... 18 3.1.3 AT89C51单片机的时钟电路 ............................................... 22 3.1.4 AT89C51单片机的复位电路 ............................................... 23 3.2 烟雾检测报警器硬件电路设计 .......................... 24 3.2.1 信号采集及前置放大电路 ................................................... 24 3.2.2 ADS1286与单片机的连接电路 ........................................... 25 3.2.3 声音报警电路 ..................................................................... 25 3.2.4 数码管显示电路 ................................................................. 26 3.2.5 状态指示灯及控制键电路 ................................................... 27 3.2.6 MQ-2的连接方式 ................................................................ 28 3.3 本章小结 ............................................ 28

4 烟雾检测报警器的软件设计 .......................... 29

4.1 AT89C51系列单片机调试及开发工具 ..................... 29 4.2 烟雾检测报警器软件流程及设计 ........................ 30

结 论 .............................................. 31 参考文献 ............................................ 34 附 录 ............................................. 36 致 谢 .............................................. 41 外文资料 ............................................ 42

中文翻译 ............................................ 52

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1 绪论

1.1 论文研究来源、目的和意义 1.1.1 论文研究来源

随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。家庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。家庭火灾的主要原因是麻痹大意，没有及时采取预防措施。烟雾报警器是一种用于检测烟雾的感应传感器，一旦发生火灾危险，其内部的电子扬声器便会及时警醒人们。

在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。假如能根据每家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。

消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火灾的30%左右。家庭起火的原因林林种种，可能在我们注意得到的地方，也可能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。若在民用住宅中广泛使用烟雾报警器，便可有效减少火灾所造成的严重损失。

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。

1.1.2 论文研究目的和意义

众多数据表明，采用家用烟雾报警器的好处有：1.可以再着火是迅速发现火灾;2.减少人员伤亡率;3.减少火灾损失，火灾损失往往仅限于首先着火的物质。各项火灾统计还表明，着火与发现火灾之间的间隔时间越短，火灾死亡率就越低。事实上，受烟雾报警器保护的家庭火灾死亡率低于那些没有这种保护的家庭火灾死亡率。

综上情况可知，在民用住宅中使用烟雾报警器是必不可少的。现针对我国民

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用住宅缺乏使用烟感器意识的现象提出以下建议：

一、国家立法部门可制定相应法规，强制民用住宅区域安装烟感器;另外，政府参与调节烟感器的售价幅度，适当给予补贴政策，让普通家庭都能承受并愿意去购买。

二、针对居民对住宅防火如此无知，政府相关部门深入开展社会宣传工作，向居民广泛宣传住宅防火的重要性、必要性及具体措施。大力发动民宗安装住宅烟感器，直到国内城乡居民住户全部普及使用为止。

三、消防协会可协同法律和保险部门，由家庭财产保险部门出资，对每幢居民住宅强制性安装烟火报警器，以此减少住宅火灾危险。

四、对新建的居民住宅，相关部门应强调必须安装烟感器。还应组织检查城市旅馆、酒店、商场等公共场所是否合理安装烟感器。以确保火灾发生后能将危害降到最低。

1.2 烟雾报警器的国内外现状及发展趋势 1.2.1 烟雾报警器的国内外现状

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~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。

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

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上也有很大进步。

燃气报警器可分为民用火灾烟雾报警器、工业用烟雾报警器、 有毒有害烟雾报警器三大系列产品。 (1) 民用火灾烟雾报警器

民用火灾烟雾报警器为居民家庭用的火灾报警器,一般安装在厨房，遇到火灾产生的烟雾时时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动 外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把烟雾排出室外 (2) 工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器

工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根 据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。

检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏 与巡检。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示烟雾浓 度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。 控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测烟雾的浓度。

探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏 蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。

1.2.2烟雾报警器的发展趋势

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

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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。

1.3 本论文主要任务

本篇论文是烟雾报警器的研制，主要基本部分和扩展部分： (1) 基本部分

(a)对系统进行整体规划和结构设计。

(b)以AT89C51 单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和 改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为前置放大电路、键盘电路、声音报警电路、状态指示灯电路、液晶显示电路六个部分。

(c)系统的软件编制。按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始 化子程序、键盘处理子程序、线性化处理子程序、浓度显示 子程序、报警子程序、报警限值设置子程序、串口通信子程序。在程序的 编写过程中，加入了详细的文字注释，便于后期的改进与维护。

(d)硬件电路和软件的综合调试。 (2)扩展部分

(a)再加入一路传感器信号采集电路，利用双通道数据实现采集的优化，主要是利用辅助的一路进行修正主传感器，以提高精度和可靠性。

2 烟雾检测报警器的方案设计

2.1 烟雾报警器设计思路

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[2]。

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

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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后送到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信号采集部分，是仪表核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。

烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄露的场所，根据报警器检测种类的要求，一般选用接触燃烧式传感器和半导体烟雾传感器。

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：

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(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。

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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，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°C~400°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。

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

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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。

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表2.1简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类。 传感器种类 C0 CO2 H2S HCN HCI COCI2 CI2 NH3 半导体气体传感器 ○ ○ ○ 固体电解质传感器 ○ ○ ○ ○ ○ NOX ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ SO2 O2 CH4 C3H2 H2 H2O 接触燃烧式传感器 ◎ ○ ○ ○ 电化学式传感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 高分子电解质气体传感器 ◎ ○ ○ ○ ○

注：○好 ◎不太好

2.2.2烟雾传感器的选定

烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾 种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。

使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。 阻缓

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是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将 使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环 境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。

因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。

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，它具有灵敏度高， 响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳 定性(使用寿命)。

经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。

2.2.3 MQ-2型烟雾传感器的工作原理

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。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。半导体气敏传感器的分类如表2.2所示。

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表2.2半导体气敏传感器的分类 所利用的特性工作温度表面电阻控制器300~450°C 类型 电阻型 所利用的特性 电阻 表面电阻控制器 体电阻控制器 工作温度 300～450°C 300～450°C 700°C以上 非电阻型 二极管整流特性 晶体管特性 室温～200°C 150°C H2、CO、乙醇 H2、H2S 代表性被检测气体 可燃性气体 乙醇、可燃性气体 本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少， 从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受 到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以 获得这种烟雾存在的信息。

遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自 动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。MQ-2型传感器的结构图如 图2.1所示，其外观如2.2所示。

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图2.1MQ-2型传感器的结构图

图2.2 MQ-2型传感器的外观

2.2.4 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标

(1) MQ-2型传感器的一般特点

(a)MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。

(b)MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定， 响应时间短，长时间工作性能好。

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?MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。

(d)电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。 (2) MQ-2型传感器的基本特性 (a) 灵敏度特性

烟雾传感器在最佳工作条件下，接触同一种烟雾，其电阻值RS随气 体浓度变化的特性称之为灵敏度特性，用K表示。 K=RS / R0 (2-1) 式中，R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电阻值。 虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性K的值也会各有差异，但是它们都遵循同一规律，

log RS = m logC + n (2-2)

式中，m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于 烟雾，m值为1/2~1/3；C为检测烟雾的浓度。n为与检测烟雾，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。

(b) 初期稳定特性

半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电存放时间达到15天左右时，初期稳定时间一 般需要5分钟左右。

(c) 加热特性

半导体烟雾传感器一般要在较高的温度(200~450°C)下工作，所以需要对其加热。由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相接，当加热丝局部短路造成器件过热或放电时，可能引发事故。所以必须使用传感器生产厂家推荐的加热电压，使其工作在较安全的范围内。MQ-2型烟雾传感器加热电压为5±0.2V，加热电阻为31±3?。当加热丝断路时，由于热惰性缘故，烟雾传感器的气敏特性并不立即消失，此时检测必出现较大的误差。为避免出现这种情况，并及时发现气敏元件的故障， 需要设计加热丝故障诊断报警电路。

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(3) MQ-2型传感器的特性参数 (a)回路电压：(Vc) 5~24V (b)取样电阻：(RL) 0.1~20K (c)加热电压：(VH)5±0.2V (d)加热功率：(P)约750mW

(e)灵 敏 度：以甲烷为例R0(air)/RS (0.1%CH4)＞5 (f)响应时间：Tres＜10秒 (g)恢复时间：Trec＜30秒

2.3烟雾检测报警器整体设计方案 2.3.1烟雾检测报警器工作原理

本论文中的烟雾检测报警器以STC12 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ADS1286；然后，在ADS1286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。

2.3.2 烟雾报警器的工作结构和原理

烟雾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。该报警系统的最基本组成部分应包括：信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片

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机控制电路、字符显示电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成。 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的烟雾报警器具有显示报警状态、故障自检、换气排烟和自动灭火等功能。报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以AT89C51单片机为控制核心，选用MQ-2半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度信息，配合外围电路构成烟雾报警系统。报警器系统结构如图2-1。

图 2-3烟雾报警器系统结构框图

该系统的工作由烟雾信号采集及放大电路将采集到的烟雾浓度信息转化为放大的模拟电信号。模数转换电路再将该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处理，并对处理后的数据进行分析。当输入A/D转换器的放大信号不为零时，启动报警电路。反之则为正常工作状态。

设计中为了方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够间接知道环境中的烟雾浓度，所以用数码管显示字符来指示报警状态。系统采用蜂鸣器声音报警和

烟 雾 数 码 显 示 电 路 机 单 片 烟 雾 传 感 器 信 号 放大 电 路 A/D 转 换电 路 报 警 电 路 状 态 显 示 电 路 15

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LED闪烁状态作为警报信号。这种报警方法是在声音报警基础上，加入光闪报警。因为变化的光信号可以引起用户和家庭邻居的注意，弥补了在嘈杂环境中声音报警的局限，使得报警装置更加完善。在报警启动的同时，单片机控制器还可以控制调节阀喷水灭火和换气扇排烟动作。

系统留有继电器接口，使单片机能够控制换气风扇和调节阀的工作状态，让系统在报警的同时自动启动相关安全装置。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。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。

2.3.3 烟雾检测报警器的功能

（1）状态显示功能

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..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。

(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

当烟雾浓度连续一段时间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)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。

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2.4本章小结

本章主要阐述了烟雾报警仪的设计方案，即传感器的选型和报警器的设计。传感器从种类、选定、工作原理、基本特性四个方面分别叙述。

根据本设计要求及使用环境、成本等因素选用的MQ-2型半导体电阻式烟雾敏感器件。并且从结构、功能、技 术指标三方面对报警器进行了详细地论述，使其在较宽的温度范围工作，用于检测空气中烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度。

该报警器将空气中烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度显示在仪表盘上，当空气中的烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度达到一定浓度时， 则启动快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏， 还是由于短暂打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。若判断是 烟雾泄漏，则发出声、光报警信号，也可在报警的同时自动驱动相 关安全装置而且具有故障自诊断功能。此系统还可接计算机进行现场实时控制。

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。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。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功 耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用宏晶科技生产的AT89C51系列单片机。

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3.1单片机的选型 3.1.1单片机的选择

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机，各种警报器中的应用等。

一方面它要接收来自传感器的气体浓度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，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到并进行相应处理。

根据此次的实验要求设计我们采用的是51系列的单片机，根据多方面的比较我此次采用的是AT89C51的单片机。

3.1.2 AT89C51单片机的介绍

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM），这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。 功能特性

AT89C51提供以下的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数

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据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。

引脚描述

AT89C51单片机的引脚图如下图3.6：

图3-1 AT89C51引脚图

VCC：电源电压 GND：地 P0口：

P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。当“1”被写入P0口时，每个管脚都能够作为高阻抗输入端。P0口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。P0口在闪烁编程时，P0口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。

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P1口：

P1口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁编程时和程序校验时，P1口接收低8位地址。

P2口：

P2口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个运行期间不变。闪烁编程或校验时，P2口接收高位地址和其它控制信号。

P3口：

P3口是一组带有内部电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲故可驱动4个TTL电路。对P3口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时，被外部拉低的P3口将用电阻输出电流。

P3口除了作为一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3.7所示：

表3.7 AT89C51各部分引脚的作用 端口引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD

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表3.7 AT89C51各部分引脚的作用 端口引脚 第二功能 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD

P3口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。 RST：

复位输入。当震荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。

ALE/ ：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE以时钟震荡频率的1/16输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。这个位置后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

PSEN：

程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号不出现。

EA/VPP：

外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

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如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电压VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

XTAL1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。

振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.1.3 AT89C51单片机的时钟电路

AT89C51中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自然震荡器。 外接石英晶体及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30PF±10PF，而如果使用陶瓷振荡器建议选择40PF±10PF。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

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图3-2内部振荡电路

图3-3 外部振荡电路

时钟电路图如下图3.10：

图3-4时钟电路图

3.1.4 AT89C51单片机的复位电路

在整个燃气报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。

单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。我们在设计单片机复位时，选用上电复位。

上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典

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型的电容参数为：晶振为12MHZ，电容值为1uF。

图3-5复位电路

3.2 烟雾检测报警器硬件电路设计 3.2.1 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。常见的运算放大器中，AD644价格低廉、使用简单等优点 比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用AD644作为电路的运算放大器。

AD644由两个低噪声的高速电压反馈放大器组成。它的两个输入端产生的电压噪声只有2．5nV／√Hz。同时具有带宽宽，失真小等特性。当驱动电容负载时，AD644具有较高的输出电流和较好的稳定性。它的功耗较小，在5V到±12V的电源下工作时，每个放大器仅消耗4．0mA的静态电流。

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我校2014毕业论文 图3-6前置放大电路图

3.2.2 ADS1286与单片机的连接电路

放大后的信号经过地址选通．从IN口输入ADC1286芯片，初始化芯片后，给START端一个不少于100 nm的正

脉冲开始模数转换。当转换完成后，EOC端发出一个完成信号(高电平)，数据通过锁存器送给单片机P0口单片机接口电路如图所示。单片机的时钟频率为11．0592 MHz，则ALE引脚的时钟频率约为1．84 MHz，两次二分频得到的频率差不多为450 kHz，符合频率要求。

图3-7 ADS1286与单片机的连接电路

3.2.3 声音报警电路

声音报警电路图如图3.3所示。报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器[26]，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，适用于家用煤气报警 器的报警声音源。当单片机AT89C51的32脚(P0.7)置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器报警。本报警器采用单片机AT89C51的功 能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P0.7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。

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图3-8声音报警电路图

3.2.4 数码管显示电路

报警器浓度显示采用数码管。显示浓度级别，其主要技术参数如下： 模块工作电压： 2.7~5.5V 工作电流： 80ma,每段10ma

字高：11.4mm环境相对湿度：<85％ 视角：6:00 工作温度：-10~+50°C

显示方式：反射式正显示存储温度：-20～+60°C 接口方式：8线并行接口

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图3-9 数码管结构图

3.2.5 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3.5所示。单片机AT89C51 的34脚(P0.4)、35脚(P0.5)，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。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3-10 状态指示灯电路图

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3.2.6 MQ-2的连接方式

MQ一2烟雾传感器有6个引脚，其中中间的2个为电阻丝，剩下的4个引脚分别为2个输入引脚和两个输出引脚。其中中问的两个弓l脚为信号输出端，其输出为模拟电压量，范围为0一l V。其连接方式如图所示。该传感器需要施加2个电压。

图3-11 MQ-2的连接方式

3.3 本章小结

本章阐述了烟雾报警器的硬件设计。首先介绍了AT89C51系列单片机系统的结构特点、技术性能特点。从设计要求及对AT89C51系列单片机性能指标、价格及节省仪表空间考虑，选用AT89C51单片机作为该报警系统的核心控制器。然后，详细地阐述了烟雾报警器电 路设计，分为信号采集及前置放大电路、AT89C51单片机接口电路、声音报警电路、显示电路、状态指示灯电路。

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4 烟雾检测报警器的软件设计

4.1 AT89C51系列单片机调试及开发工具

本系统的软件编程使用的是美国Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，Keil C51生成的目标代码效率非常之 高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能 体现高级语言的优势。

C51工具包的整体结构中，μVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经C51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对 目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

AT89C51系列单片机下载程序使用的是宏晶科技自行开发的AT89C51单片 机ISP下载编程软件。本论文程序调试过程中，使用的是AT89C51-ISP-v3.1版。ISP工具的功能主要是将由PC机串接来的8位并行数据与单片机的 串行数据进行相互转换，以实现PC机与AT89C51的RXD及TXD口通讯。 当用户将源程序(汇编语言或C语言)经语法检查无误并生成代码时， 就可以将程序代码下载到Flash芯片中[31]，而用户的系统可以是在线状态。

用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，在程序中设置断点，在AT89C51 中，可以同时设置3个硬件断点，它是经过串口的传输，由芯片中的几组断点条件寄存器实现的。

用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，检查或修改Flash芯片 内的

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各种存储器、寄存器的数据。

4.2 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AD转换，数字滤波，线性化处理，段式液晶浓度 显示，按键功能设置，以及报警器声光警报。 主程序设计及流程图

主程序流程图如图4.1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。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。 AT89C51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，给用户带来便利

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开 始

初 始 化 传感器预热 烟雾信号采集放大

图4-1主程序流程图 是否超限 是 声 光 报 警 电 路 A/D转换 平均值滤波 否 烟雾浓度显示电路 31

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结 论

烟雾检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。

本论文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案。并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。

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。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器。该传感器是对以烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。

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AT89C51 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。

烟雾报警器能在较宽的温度范围工作，可将烟雾浓度显示用LCD显示。当烟雾的浓度达到设定的浓度时，发出声光报警。还具有故障自诊断功能快速重复检测和延时报警功能。报警器还可以与上位机(PC)进行通信，实时传输烟雾浓度检测数据，由上位机记录保存，也可以利用上位机完成实现远程实时检测和控制等功能。

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。为了能够进一步提高安全性，可以在自动声光报警的基础上，实现带动烟雾 管道关断等功能。 应用程序以C语言编写，充分利用芯片资源，提高了测量精度和代码执行效率，

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减小了代码容量，采用中位值平均数字滤波算法对经A/D转换后的数字信号进行滤波处理。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰，不但最大限度地排除现场噪声干扰，降低烟雾报警器误报概率，而且易于在单片机中实现。 通过现场标定及测试，分析烟雾浓度信号的实验数据，计算本报警器显示烟雾浓度与实际浓度之间的误差为2.55%LEL，在所规定误差范围±5%LEL之内，满足检测要求，达到了预期的设计效果的结论。

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参考文献

[1]童诗白，华成英，模拟电子技术基础[M].北京高等教育出版社，2010. [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): 27~28

[3]彭军. 传感器与检测技术. 西安电子科技大学出版社, 2003: 263~315 [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): 1~3 [5]Yoon D h, Yu J h, Choi Gm. CO Gas Sensing Properties of Zn0-CuO Composite. Sensors and Actuators. 1998(46): 15~23

[6]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): 1~2 [7]蔡文斋. 专业级串口调试器设计. 现代电子技术, 2006(23): 69~72

[8]Wang Xi huai，Xiao Jian mei，Bao Minzhong. Multi-sensor Fire Detection Algorithm for Ship Fire Alarm System Using Neural Fuzzy Network. Signal Processing Proceedings. 2000(3):1602~1605

[9]张鹏翼, 罗卫兵, 楼超英. 基于AT89C51单片机的无人飞机控系统设计. 设计参考, 2006, 18: 23~25

[10]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. [11]何衍庆. 控制系统分析设计和应用. 化学工业出版社, 2003.

[12]宏晶科技(深圳). AT89C51 系列单片机器件手册. http://www.mcu2memory.com. [13]郑郁正. 单片机原理及应用. 四川大学出版社, 2003: 25~56

[14]成伟, 郝跃, 马晓华, 刘红侠. EEPROM单元的电荷保持特性. 电子学报, 2006, 27(7): 1290~1293

[15]N kansah F D. Technology and reliability of submicron 1 T2 flash EEPROM. UMI Number :9995534. Bell &Howell Information and Learning Company, 2001: 2 [16]De Salvo B, Ghibaudo G. Pananakak is Getal. Experimental and theoretical investigation of nonvolatile memory data-retention. IEEE Trans Electron Devices, 1999, 46 (7): 1518

[17]黄再银. 带看门狗和电源监控功能的复位芯MAX813L. 电子世界, 2003(3):

34

我校2014毕业论文

39~40

[18]黄新友, 高春华. 烧结温度对大功率超薄型压电蜂鸣器用压电陶瓷结构和性能 的影响. 中国陶瓷工业. 2003,10(2): 22~24

[19]于冶会. 对调整仪表用蜂鸣器振动规范的探讨. 传感器世界, 2000(1): 35~38 [20]邵子扬, 黄保明, 刘海涛. Keil软件仿真的串口调试技巧. 单片机与嵌入式系统 应用, 2006(7): 76~78

[21]Keil Software. Cx51 Complier User?s Guide. Keil Software, 2001

[22]Keil Software. Macro Assembler and Utilities User‘s Guide. Keil Software, 2001 [23]陈晓莉, 张俊涛. KEIL C51单片机仿真器的设计.微计算机信息(嵌入式与SOC), 2006,2(2): 19~20

[24]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): 78~79

[25]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): 44~45 [26]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

[27]许贵桥, 李同胜. 分段线性插值收敛速度的一种估计.大学数学,2002,22(5): 64~66

[28]曹乐南, 霍大勇. 单片机与PC机串行通信的实现. 中国科技信息, 2006(11): 192, 203

[29]江峰, 刘高嵩. 串口通讯中系统资源分配问题的研究. 计算机技术与发展, 2006, 16(11): 64~66

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附 录

#include

#define u8 unsigned char #define u16 unsigned int

sbit AD1286_CLK = P1^0; //时钟输出 sbit AD1286_DATA = P1^1; //数据输入 sbit AD1286_CS = P1^2; //使能输出

sbit LED0 = P0^4; sbit LED1 = P0^5; sbit LED2 = P0^6; sbit Beep = P0^7;

#define NumOut P0 //数码管输出 用P0口低四位

#define LEVEL0 10 //报警等级 #define LEVEL1 100 #define LEVEL2 1000

void ADS1286_Init(void); u16 AverageAD1286(void); void Num_Display(u16 value); void Sound_Light(u16 value);

void main() {

u16 ADCValue;

ADS1286_Init(); //ADC初始化 LED0 = 0; //声光报警初始化 LED1 = 0; LED2 = 0; Beep = 0;

while(1) { ADCValue = AverageAD1286(); //ADC 采样

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