基于单片机的烟雾检测报警系统毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的烟雾检测报警系统毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件： （ 1） 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； （ 2） 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； （ 4） 对检测信号响应速度快，重复性好； （ 5） 长期工作稳定性好； （ 6） 使用寿命长； （ 7） 制造成本低，使用与维护方便。 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。 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。 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。 本设计选用 MQ2 型烟雾传感器，这种 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。 大学本科生毕业设计（论文） 6 MQ2 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。 本设计中采用的 MQ2 型烟雾传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的 二氧化锡 ，属于表面离子式 N型半导体。 当处于 200～ 300℃ 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，就会引起表面电导率的变化。 利用这一点就可 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 MQ2 型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。 MQ2 型传感器的结构图如图 22所示。 MQ2型传感器是由微型 Al2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感层 ,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。 封装好的气敏元件有 6 只针状管脚，其中 4 个用于信号取出， 2 个用于提供加热电流。 图 22 MQ2型烟雾传感器结构图 MQ2 型烟雾传感器特性及主要技术指标 下面介绍 MQ2型传感器的一般 特点： （ 1） MQ2型传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃 大学本科生毕业设计（论文） 7 蒸汽的检测也很理想。 这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 （ 2） MQ2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。 （ 3） MQ2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。 （ 4）电路设计电压范围宽， 24V以下均可；加热电压 5177。 MQ2型传感器的基本特性 ： （ 1） 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/RO (21) 式中， RS 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。 logRS=mlogC+n (22) 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。 （ 2） 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。 （ 3） 加热特性 ： 半导体烟雾传感器一般要在较高的温度 (200～ 450℃ )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。 MQ2型烟雾传感器加热电压为 （ 5177。 ） V，加热电阻为 （ 31177。 3）Ω。 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。 以下是 MQ2 型传感器的特性参数： （ 1） 回路电压： (Vc) 5～ 24V （ 2） 取样电阻： (RL) ～ 20K 大学本科生毕业设计（论文） 8 （ 3） 加热电压： (VH) 5177。 （ 4） 加热功率： (P) 约 750mW （ 5） 灵 敏 度：以甲烷为例 RO(air)/RS(%CH4)＞ 5 （ 6） 响应时间： Tres＜ 10秒 （ 7）恢复时间： Trec＜ 30秒 单片机的 选型 单片机简介 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式 微控制器 （ Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，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。 单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比， 单片机 缺少了外围设备等。 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。 它最早是被用在工业控制领域。 单片机是烟雾自动检测报警系统的心脏，用来接收火 灾信号并启动报警装置显示和执行相应的保护和消防动作。 在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。 同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。 单片机作为最典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。 由于其微小的体积和极低的成本，开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开 发工具和编程语言也大大简化，因此被广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。 由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中， Atmel 公司单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。 根据多方面的比较，本设计采用 AT89S52 单片机。 大学本科生毕业设计（论文） 9 AT89S52 单片机介绍 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具 有 8K 在系统可编程Flash 存储器。 使用 Atmel 公司高密度非 易失性存储器 技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许 程序存储器 在系统可编程，亦适于常规编程器。 AT89S52 单片机具有 40 个引脚， 包含 4k bytes flash 片内程序存储器， 128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）口， 5 个中断优先级 ， 2级中断优先权 ， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个 全双工串行通信口，看门狗（ wdt）电 路，片内时钟振荡器。 AT89S52 单片机具有以下功能特性： （ 1） 与 MCS51单片机 产品兼容； （ 2） 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 ； （ 3） 1000 次擦写周期； （ 4） 全静态操作： 0Hz33MHz； （ 5） 三级加密 程序存储器 ； （ 6） 32 个可编程 I/O口线； （ 7） 三个 16 位 定时器 /计数器 ； （ 8） 8个 中断源 ； （ 9） 全双工 UART 串行通道； （ 10） 低功耗空闲和掉电模式； （ 11） 掉电后中断可唤醒； （ 12） 看 门狗定时器 ； （ 13） 灵活的 ISP 字节和分页编程、双数据寄存器指针 ； （ 14） 掉电 标识符。 按照功能， AT89S52 的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O 口、控制和复位等。 AT89S52 单片机的管脚排列图如图 24所示。 大学本科生毕业设计（论文） 10 图 25 AT89S52单片机的管脚排列图 AT89S52 各个引脚的说明： 52 单片机有四个八位双向并行的 I/O 端口：P0,P1,P2,P3。 端口映射于特 殊功能寄存器中，每个端口都有字节地址，可以输入、输出字节数据， 每个端口也有位地址，其各条 I/O线也是单独的使用；对相应地址但愿执行读写指令，就实现了从相应端口的输入 /输出操作。 四个并行的端口P0,P1,P2,P3 还具有各自不同的结构特点和功能。 （ 1） P0 端口，该口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。 在作为输出口时，每根引脚可以带动 8个 TTL 输入负载。 当把 “1” 写入 P0 时，则它的引脚可用作高阻抗输入。 当对外部程序或数据存储器进行存取时， P0 可用作多路复用的低字节地址 /数据总线，在该模式， P0 口拥有内部上拉电阻。 在对 Flash 存储器进行编程时， P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。 （ 2） P1 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O 端口， P1 口的输出缓冲器可驱动 4个 TTL 输入。 对端口写 “1” 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。 P1 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 对 Flash 编程和程序校验时， P1 口接收低 8 位地址。 与 可以配置成定时 /计数器 2 的外部计数输入端（ ）与定 时 /计数器 2的触发输入端（ ），如表 21所示。 表 21 P1口管脚复用功能 端口引脚 复用功能 T2（定时器 /计算器 2的外部输入端） 大学本科生毕业设计（论文） 11 T2EX(定时器 /计算器 2的外部触发端和双向控制 ) MOSI（用于在线编程） MOSO（用于在线编程） SCK（用于在线编程） （ 3） P2 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O 端口， P2 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式） 4个 TTL 输入。 对端口写 “1” 时，通过内部的上拉电阻把端口拉 到高电位，此时可用作输入口。 P2 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 在访问外部程序存储器或 16 位的外部数据存储器时， P2 口送出高 8位地址，在访问 8 位地址的外部数据存储器时， P2 口引脚上的内容在整个访问期间不会改。