基于单片机的烟雾检测报警系统毕业设计Word格式.doc
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2.2烟雾传感器的选型 3
2.3单片机的选型 8
2.4DS18B20温度传感器的介绍 12
2.5本章小结 16
第3章系统的硬件电路 17
3.1AT89S52单片机最小系统电路 17
3.2烟雾信号采集及A/D转换电路 18
3.3温度采集电路 20
3.4LCD显示电路 20
3.5蜂鸣器报警电路 22
3.6继电器控制电路 23
3.7按键电路 23
3.8本章小结 24
第4章软件设计 25
4.2主程序初始化流程图 25
4.3按键控制子程序流程图 25
4.4报警子程序流程图 26
4.5主程序设计及流程图 27
4.6本章小结 28
结论 29
参考文献 30
致谢 31
附录 32
附录1:
程序:
32
附录2:
电路图 44
II
大学本科生毕业设计(论文)
第1章概述
1.1论文选题背景、目的和意义
1.1.1论文选题背景
随着人类文明的进步和科技的发展,人们的生活越来越好。
但在现代城市家庭里,许多人因不懂家庭安全常识而引起火灾事故,使幸福家庭转眼间毁于一旦,有的甚至导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当,是造成人员伤亡的重要因素。
所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因,还要预防火灾的发生。
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。
假如能根据家庭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。
家庭起火的种种原因,很多都隐藏在人们根本就注意不到的地方。
为了早期发现和通报火灾,防止和减少火灾危害,保护人身和财产安全,减少这类事故的发生,就必须对烟雾进行现场实时检测,采用先进可靠的安全检测仪表,严密监测环境中烟雾的浓度和周围温度,及早发现事故隐患,防患于未然,采取有效措施,避免事故发生,才能确保工业安全和家庭生活安全。
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论文选题目的和意义
为了保护生命安全与财产安全,人们需要实时注意避免火灾的发生,利用高科技产品有利于人们及早发现火灾的隐含,及时的避免不必要的灾难发生。
烟雾检测报警装置是能够检测环境中的烟雾浓度并具有报警功能的仪器。
该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。
烟雾报警器属于《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录》中第46项,它归类于物理化学计量器具。
《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:
“散发可燃烟雾、可燃蒸汽的甲类厂房和场所,应设置烟雾浓度检测报警装置”。
2003年12月,国家执行新的烟雾探测器标准(GB15322-2003)《可燃烟雾探测器》,2004年10月国家颁布《可燃烟雾检测报警器规程JJG693-2004》,研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体,并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要的意义。
烟感报警器的使用者不断增加,住宅失火造成的死亡人数也不断下降。
据美国国家消防协会报告表明,安装了推荐数目的烟感报警器的住宅一旦发生火灾,住宅内人员的逃生机会将比未安装的住宅多出50%。
所以家庭装有烟雾报警器灾难能够降低,避免不必要的灾难。
目前我国已有许多城市铺设了煤气管道,使用人口约达二亿人,煤气发生基地及中转站也达几千家。
如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算,烟雾检测报警器的需求量就达2000万台以上。
随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高,这个数字会继续增长。
可见,烟雾报警器具有十分广阔的市场前景。
1.2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,这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。
据有关统计,美国1996年至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上也有很大进步。
1.3本论文研究的主要内容
本设计针对经常发生的家庭火灾事故,主要采用MQ-2烟雾传感器、DS18B20温度传感器以及AT89S52单片机,设计一个具有烟雾浓度检测及声光报警功能的烟雾自动检测报警系统。
报警系统由硬件和软件两个部分组成。
本设计在硬件设计方面主要对单片机芯片、烟雾传感器和温度传感器的功能和使用方法进行研究并掌握,并且选择合适的型号应用在本设计中。
以AT89S52单片机作为中央处理器,对硬件电路进行设计和驱动。
软件部分主要是报警系统控制程序,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、报警子程序。
第2章系统总体设计方案
2.1烟雾检测报警器设计思路
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、温度信号采集电路、单片机控制电路、显示电路、按键电路以及声光报警电路。
烟雾报警系统结构框图如图2-1所示。
烟雾传感器
A/D转换
单片机
LED指示灯
蜂鸣器报警
LCD显示
按键
温度传感器
继电器
图2-1烟雾检测报警系统结构框图
为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求,设计的可燃性烟雾报警器应不仅能在较宽的温度范围工作,而且应具有显示、故障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。
其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上,尽量提高准确性,降低成本,缩小体积。
2.2烟雾传感器的选型
烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。
而烟雾报警器的信号采集由烟雾传感器负责。
烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号,根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息,从而达到检测、监控、报警的功能。
可以说,没有精确可靠的传感器,就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。
烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件,它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。
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,烟雾传感器的选型是非常重要的。
2.2.1烟雾传感器的分类及简介
烟雾传感器种类繁多,从检测原理上可以分为三大类:
(1)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。
(2)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。
(3)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。
下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。
(1)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。
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。
(2)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),使用时铂丝通电,保持300℃~400℃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。
(3)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。
(4)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。
2.2.2烟雾传感器的选定
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:
(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MQ-2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。
2.2.3MQ-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。
本设计中采用的MQ-2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2-2所示。
MQ-2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2-2MQ-2型烟雾传感器结构图
2.2.4MQ-2型烟雾传感器特性及主要技术指标
下面介绍MQ-2型传感器的一般特点:
(1)MQ-2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)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。
(3)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。
(4)电路设计电压范围宽,24V以下均可;
加热电压5±
0.2V。
MQ-2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(2-1)
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(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。
(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。
MQ-2型烟雾传感器加热电压为(5±
0.2)V,加热电阻为(31±
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MQ-2型传感器的特性参数:
(1)回路电压:
(Vc)5~24V
(2)取样电阻:
(RL)0.1~20K
(3)加热电压:
(VH)5±
0.2V
(4)加热功率:
(P)约750mW
(5)灵敏度:
以甲烷为例RO(air)/RS(0.1%CH4)>5
(6)响应时间:
Tres<10秒
(7)恢复时间:
Trec<30秒
2.3单片机的选型
2.3.1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(MicrocontrollerUnit),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。
2.3.2AT89S52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4kbytesflash片内程序存储器,128bytes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MCS-51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:
0Hz-33MHz;
(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
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- 基于 单片机 烟雾 检测 报警 系统 毕业设计