基于单片机火灾报警器的设计学士学位论文(编辑修改稿)

基于单片机火灾报警器的设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

各种烟雾传感器可检测的烟雾种类 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 MQ2 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。 陈元龙：基于单片机火灾报警器的设计 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。 半导体气敏传感器的分类如表 所示。 表 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～ 450176。 C 类型 所利用的特性 工作温度 代表性被检测气体 电阻型 电阻 表面电阻控制器 300～ 450176。 C 可燃性气体 体电阻控制器 300～ 450176。 C 700176。 C 以上 乙醇、可燃性气体 非电阻型 二极管整流特性 室温～ 200176。 C H CO、乙醇 晶体管特性 150176。 C H H2S 表 半导体气敏传感器的分类 本设计中采用的 MQ2 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 200~300176。 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 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 所示，其外观如 所示。 20xx 级电子信息科学与技术专业毕业论文（设计） 7 图 型传感器的结构图 图 MQ2 型传感器的外观 MQ2 型传感器的特性及主要技术指标 （ 1） MQ2型传感器的一般 特点 （ a） MQ2 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） 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。 （ c） 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。 陈元龙：基于单片机火灾报警器的设计 8 （ d）电路设计电压范围宽， 24V 以下均可；加热电压 5177。 （ 2） MQ2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 (21) 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 (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。 （ 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～ 450176。 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。 MQ2 型烟雾传感器加热电压为 5177。 ，加热电阻为 31177。 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。 （ 3） MQ2型传感器的特性参数 （ a）回路电压： (Vc) 5～ 24V （ b）取样电阻： (RL) ～ 20K （ c）加热电压： (VH)5177。 （ d）加热功率： (P)约 750mW （ e）灵 敏 度：以甲烷为例 R0(air)/RS (%CH4)＞ 5 （ f）响应时间： Tres＜ 10秒 （ g）恢复时间： Trec＜ 30秒 20xx 级电子信息科学与技术专业毕业论文（设计） 9 3． 烟雾检测报警器整体设计方案 烟雾检测报警器原理图 本论文中的烟雾检测报警器以 STC89C52RC 单片机为控制核心，采用 MQ2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 ADC0832；然后，在 ADC0832内 A/D 转换、然后送入单片机进行浓度比较，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。 报警器系统结构框图如图 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、状态显示、报警、按键输入等功能。 烟 雾 传感 器A / D 转换单片机状 态 指示 灯声 音 报警紧 急 按键 图 烟雾传感器检测报警器结构框图 单片机的选型 STC89C52RC 单片机的结构 STC89C52RC 单片机是一款低功耗、低电压、高性能 CMOS8 位单片机，片内含 8KB（可经受 1000 次擦写周期）的 FLASH 可编程可反复擦写的只读程序存储器（ EPROM），器件陈元龙：基于单片机火灾报警器的设计 10 采用 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度，非易失性存储器（ NURAM）技术制造，其输出引脚和指令系统都与 MCS51 兼容，片内的 FLASH 存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储编程器来编程。 因此， STC89C52RC 是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用在各个控制领域 [1]。 STC89C52RC 具有以下主要性能： 可改编程序 FLASH 存储器； ： 0～ 24HZ； 字节内部 RAM； 个外部双向输入，输出（ I、 O）口； 图 22 STC89C52RC 引脚说明 22 引脚说明如图 引脚功能说明如下： VCC：电源电压。 GND：地。 P0 口： P0 口是一组 8位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址 /数据线复用口。 作为输出口 时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“ 1”可作为高阻抗输入端。 20xx 级电子信息科学与技术专业毕业论文（设计） 11 在访问外部数据储存器或程序储存器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 FLASH 编程时， P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1 口： P1 是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（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 对端口写“ 1”， 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。 作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 FLASH 编程和程序校验期间， P1 接收低 8位地址。 P2 口： P2 是一个带内部上拉电阻的 8位双向 I/O 口， P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。 作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 在访问外部程序储存器或 16 位地址的外部数据储存器（例如执行 MOVX@DPTR 指令）时， P2口送出高 8位地址数据。 在访问 8位地址的外部数据储存器（例如执行 MOVX@RI 指令）时， P2。