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基于单片机的烟雾报警装置的论文
完井设计（论文）
基于单片机的烟雾报警器系统的设计与实现
姓名
专业系 计算机科学系 通信工程系
导师的姓名和职务
完成时间 2015.5.7
目录
总结一
文摘二
1 简介 1
1.1 论文研究的来源、目的和意义1
1.2 国外烟雾报警器现状2
1.3 论文的主要任务2
2 烟检报告器方案设计 3
2.1 雾霾检测报告装置设计思路3
2.2 烟雾感应简介 3
2.3 雾霾检测报告装置总体设计方案 5
3 雾霾检测报告装置硬件设计 7
3.1 主电路设计与实现 7
3.2 雾霾检测报告装置硬件电路设计 12
4 雾霾检测报告装置的软件实现 16
4.1 软件开发工具介绍 16
4.2 程序流程 16
4.3 软件调试过程及问题解决 18
推论 20
参考文献 21
谢谢 22
附表 125
附表 225
附表 325
概括
本设计采用89S52单片机结合MQ-2传感技术开发设计了这款烟雾报警系统。
本文的烟雾报警器结构紧凑、重量轻，适合安装在富含爆燃二氧化碳环境的场所，也可用于石油、化工等行业有防爆要求的场所。 它可以安装在家里，也可以安装在露天和室外。 避免和减少火灾损失，保护人身和财产安全。
以89S52单片机和MQ-2烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器，可实现烟雾报警、溶解度显示、看门狗自检单片机状态功能、手动紧急报警等功能。
本次设计的烟雾报警器具有结构简单、性能稳定、使用方便、价格实惠等优点。
有一定的使用价值。
关键词：
抽烟; 警报; 89S52； MQ-2传感器
抽象的
本设计采用89S52单片机结合MQ-2传感器技术而开发设计的烟雾报警器系统。文中的烟雾报警器小巧便携，设计用于安装在含有易爆气体的场所，仍然可以使用在石油、化工等行业有防爆要求的场所，既可以安装在家中，也可以安装在露天、户外使用，起到预防和减少人身安全的危险。
以89S52单片机和MQ-2烟感器为核心设计的烟感报警器可以实现烟感报警、溶解度显示、手动紧急报警等功能。本设计的烟感报警器结构简单、性能稳定、使用方便、价格便宜等特点具有一定的实用价值。
关键词：
烟雾;报警器;89S52;传感器
1 简史
1.1 论文研究的来源、目的和意义
1.1.1 论文研究来源
随着社会的进步，人们的生活越来越好，但也伴随着越来越多的隐患，因为在现代都市家庭中，很多人因为缺乏家庭安全知识而引发火灾、车祸，而幸福的人们家庭在眨眼间被摧毁。 有一次，有的甚至造成家破人亡，一旦市民家中发生火灾，处置不当是造成人员伤亡的重要原因。
因此，人们应积极了解家庭火灾的主要原因，预防火灾的发生。
日本每年发生5万多起严重家庭火灾，其中大部分造成人员伤亡和家庭财产重大损失，有的还连累邻居，火灾损失越来越惨烈。
在调查起火原因时，大部分参与火灾的人都表示，他们一直认为火灾是别人的事，离自己很远。 他们从来没有想过，这一次会发生在他们身上。
在我国一些大中城市，家庭火灾几乎天天发生，因此防火是每个家庭都必须时刻关注的问题。
如果根据您家的实际情况提前采取简单的防火措施，有些悲剧是完全可以避免的。
家庭火灾的主要原因是粗心和没有及时采取预防措施。 消防部门统计显示，在所有火灾报警中，家庭火灾已占全省火灾的30%左右[1]。
家庭火灾的各种原因，可能在我们注意到的地方，也可能隐藏在人们根本没有注意到的地方。
为减少列车事故的发生，必须在现场对雾霾进行实时监测。 这就需要人类使用先进可靠的安全检测仪器，实时严密检测环境中雾霾的含量，并采取有效措施，杜绝不必要的交通事故的发生。 社会保障和家庭生活保障。
为此，烟雾报警器的研发成为传感器技术发展领域的重要课题。
1.1.2 论文研究的目的和意义
随着现代家庭使用便捷型家用电器的减少，家庭火灾发生的频率越来越高。
家庭一旦发生火灾，很容易出现灭火不及时、灭火器缺乏、在场人员恐慌、逃生缓慢等不良诱因，最终造成生命财产的重大损失。
为了保护生命财产安全，人们需要注意实时预防火灾的发生。 借助高科技产品，人们可以及早发现火灾的隐患，及时预防必要的灾难。
为及早发现火灾隐患，避免和减轻火灾危害，保护人身财产安全，避免因火灾引发燃烧、爆炸等车祸，造成严重的经济损失和生命安全-威胁安全。
随着烟雾报警器的使用持续下降，住宅火灾造成的死亡人数持续上升。
根据俄罗斯国家消防商会的报告，安装了推荐数量的烟雾报警器的房屋一旦发生火灾，屋内人员的逃生机会将比没有安装的房屋高出50% [2].
因此，家庭安装烟雾报警器可以增加灾害，防止不必要的灾难。
1.2 国内外烟雾报警器现状
探测器向新型探测技术的发展，进一步拓展了火灾探测的应用领域，为传统探测器无法胜任的一些环境提供了有效手段。
傅立叶近红外光谱技术、弱信号处理技术、低帧率MCU技术等相关技术的发展进一步推动了传统检测技术的改进，使传统检测器在技术和性能上有了显着提升。
火灾早期探测、多传感器复合探测、大型化、智能化探测器发展步伐加快。
美国在1930年代开始研发烟雾传感器，并发展迅速。 一方面是由于人们安全意识的提高，对环境安全和居住舒适度要求的提高； 推进安全监管。
据相关统计，1996年至2002年印度烟感年均下降率为27%至30%[3]。
随着传感器生产工艺的稳步改进，传感器体积越来越大，集成度越来越低，导致烟感测量仪的体积逐渐缩小，从而增强了烟感测量仪的便携性，是更有利于生产、运输和市场。 推动。
我国在20世纪70年代初开始研制烟雾报警器。 生产机型多样，品种比较齐全。 应用范围也从单一的炼油系统扩展到危险操作环境下的几乎所有类型的报警。 产品数量也在减少。
但它主要是在引进美国先进传感器技术和先进生产技术的基础上，进行研发，生产出自己的特色。
近年来，在烟气选择性和产品稳定性方面也取得了长足的进步。
近年来，单片机逐渐深入应用到工农业生产的各个部门和人们生活的方方面面。
也根据社会的需要开发了各种型号的单片机。
微控制器是一种组件级计算机系统，实际上是微控制器或微处理器。
由于其功能齐全、体积小、成本低，可适用于任何电子系统。 同样，它也可以广泛应用于报表技术领域，使各种报表设备的功能更加完善，可靠性大大提高。 适应社会发展的需要。
1.3 论文的主要任务
本文论述了烟雾报警器的研发，主要包括四个部分：
首先介绍了基于单片机的烟雾报警器的总体设计方案。
然后详细介绍了系统的硬件设计。
在设计整个系统的硬件时，主要从其主控电路89S52（单片机的复位电路和时钟电路）和外围电路（烟雾报警电路、A/D转换电路、状态指示灯）的设计电路，液晶显示电路）设计阐明。
然后介绍了系统的软件实现。
其中着重描述了整个程序设计的运行环境keil，以及程序的编译过程，并对程序做了相应的注释。
最后是硬件电路和软件的综合调试。
重视软件调试，对运行环境调试的步骤和运行过程中出现的问题给出解决方案。
2 雾霾检测报告装置原理图设计
2.1烟检报告装置设计思路
本设计基于单片机原理及其应用。
包含了学院四年所学的相关知识，利用所学的传感技术和单片机技术，设计了一个基于单片机的烟雾报警系统。
烟雾报警器的最基本组件包括：
烟雾传感器电路、模数转换电路、单片机控制电路。
单片机与传感及报告电路设备紧密相连，为烟雾报警器设定一个值。 当外界环境达到预设值时，烟雾传感器将测量到的数学量作为输入参数，并将其转换为功率输出。
为了简化整个系统的设计，本设计中没有使用后置放大器，而是选择满足A/D转换器输入电平的值。
模数转换电路将感烟传感器电路送来的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号，再送入单片机。
这里选择单片机的P1.0作为输入方式，接收到信号的单片机通过程序的设置将P2.0作为单片机的输出电路，单片机将数字信号混合并分析处理后的数据，是否小于或等于某个预设值，小于则启动报警电路发出报警声，否则为正常状态。
烟感和单片机是可燃性烟感巡检报警器的两大核心。 根据报警功能的需要，选择合适、准确、经济的烟雾传感器和单片机芯片非常重要。
2.2 烟雾感应简介
2.2.1 烟感分类
烟雾传感器是将空气中的烟雾含量变量转换成具有一定对应关系的输出信号的装置。 烟雾传感器是一种技术先进、稳定可靠的传感器，广泛应用于各种火灾报警系统中。
1.离子烟雾传感器
烟雾报警器内部采用离子型烟雾传感器。 离子型感烟传感器是一种技术先进、工作稳定可靠的传感器。 广泛应用于各种火灾报警系统，其性能远优于气敏内阻火灾报警器。 记者。
它的内外电离室各有一个放射源镅241，电离形成的正负离子在电场作用下分别与正负电极相连[4]。
正常情况下，内外电离室的电压和电压是稳定的。
一旦电离室外有烟雾逸出。
干扰带电粒子的正常运动，使电压和电流发生变化，破坏内外电离室的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远程接收主机发送报警信息。
2、光电式烟雾传感器
光电烟雾报警器中有一个光学迷宫，里面装有红外线管。 当没有烟雾时，红外接收管接收不到红外发射管发出的红外光。 当灰尘进入光学迷宫时，接收管接收到红外光，智能报告电路判断是否超过阈值[5]，如果超过则发出警报。
3.气敏烟雾传感器
气体传感是一种测量特定二氧化碳的传感器[6]。
主要包括半导体气体传感、接触式燃烧气体传感和电物理气体传感，其中半导体气体传感应用最多。
其应用主要包括：
一氧化碳和二氧化碳的测量，气体二氧化碳的测量，气体的测量，氟利昂（R11，R12）的测量，呼出气中乙酸的测量，人体口腔耳鸣的测量等。
它将二氧化碳的种类及其含量的相关信息转化为联通号码，根据联通号码的强弱，可以得到环境中是否存在待测二氧化碳的相关信息，从而进行检测、监控、报警； 也可通过插座电路与计算机组成人工巡检、控制、报告系统。
气敏烟雾传感器的典型型号是MQ-2二氧化碳传感器。
这种传感器常用于家庭和鞋厂的二氧化碳泄漏装置，适用于液化石油气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的检测。
MQ-2烟雾传感器用于该烟雾报警器的设计。
2.2.2 MQ-2烟雾传感器工作原理
半导体烟雾传感器包括以氧化物半导体陶瓷材料为敏感体制成的烟雾传感器和以单晶硅半导体元件制成的烟雾传感器。
按敏感机理可分为内阻型和非内阻型。
半导体气体传感器也分为N型和P型。
N型的阻值随着测量时烟气含量的降低而降低； P型电阻随着烟气含量的减少而降低。
本设计采用的MQ-2烟雾传感器为二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子N型半导体[7]。
当体温为200~300℃时，二氧化锡吸收空气中的氧气，产生负离子吸附氧气消防应急救援装备，使半导体中的电子密度降低，从而降低其电阻值。
当与烟雾接触时，如果碳化物界面处的势垒被烟雾调制，会导致表面雾度发生变化。
借助于此，可以获得有关这些烟雾存在的信息。
当遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧气解吸，可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面； 氧脱附释放出电子，烟雾在正离子态吸附电子时也释放出电子，从而降低了二氧化锡半导体导带中的电子密度，增加了内阻[8]。
而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体会手动恢复氧气的负离子吸附，使内阻值下降到初始状态。
这就是MQ-2可燃烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。
2.2.3 MQ-2传感器特点
一、MQ-2传感器的主要特点
MQ-2传感器具有三个主要特点：
(1)对天然气、液化石油气等烟气高度敏感，尤其是对烷烃。
(2)具有良好的重复性和全年稳定性。
初期稳定，响应时间短，长时间使用性能好。
(3)具有良好的抗干扰能力，绝对可以消除酒精、烟雾等具有刺激性的非易燃烟雾的干扰信息。
二、MQ-2传感器的基本特性
MQ-2传感器的基本特性包括灵敏度特性、初始稳定性特性和发热特性。
(1)灵敏度特性：
感烟传感器在最佳工作条件下暴露于同种烟雾中时，其内阻值RS随二氧化碳含量变化的特性称为灵敏度特性，用K表示。
K=RS/R0 (2-1) 式中，R0为洁净空气条件下烟雾传感器的内阻值[9]，RS为烟雾传感器在一定量的被测烟雾中的内阻值.
(2) 早期稳定特征：
半导体烟雾传感器在不通电状态下存放一段时间后烟雾报警器电离室，再次通电时，并不能立即使元器件进入正常工作状态。
这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在未通电时会吸收空气中的水蒸气。 再次接通电源时，需预热几分钟，使水汽蒸发，气敏传感器内阻才能正常工作。
将再通钳工作时气敏元件内阻稳定所需的时间定义为早期稳定时间。
通常，断电时间越长消防应急物资，提前稳定时间越长。 当断电存放时间达到15天左右时，早期稳定时间通常需要5分钟左右。
(3) 加热特点：
半导体烟雾传感器通常在高湿度（200~450°C）下工作，因此需要加热。
由于传感器通常工作在易燃易爆的环境中，如果将电热丝直接接入电源，当电热丝局部漏电导致元件过热或放电时，就有可能引发车祸。
因此，必须使用传感器制造商推荐的加热电流，使其工作在更安全的范围内。
MQ-2烟雾传感器的发热电流为5±0.2V。
当电热丝断开时，由于热惯性，烟感器的气敏特性不会立即消失，此时检测会出现较大的偏差。
为了防止这种情况的发生，及时发现气敏元件的故障，需要设计电热丝故障诊断及报告电路。
三、MQ-2传感器的特性参数
(1)回路电流：
(电压) 5~24V
(2)采样内阻：
(RL) 0.1~20K
(3) 加热电流：
(VH) 5±0.2V
(4)加热功率：
(P) 约 750mW
(5) 灵敏度：
以丁烷为例，R0（空气）/RS（0.1%CH4）>5
(6)响应时间：
Tres<10秒
(7) 恢复时间：
Trec<30 秒
2.3 雾霾检测报告装置总体设计方案
2.3.1 雾霾检测报警器工作原理
本论文中的烟雾报警器以89S52单片机为控制核心，采用MQ-2型内阻半导体传感器采集烟雾信息。
其工作原理是首先由烟雾传感器采集烟雾信息，将烟雾信号转换成电能送至模数转换器； 然后模数转换电路将烟雾传感器电路送来的模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，送入89S52单片机； 最后，将实际可燃二氧化碳含量送入液晶，判断含量值是否超过报警阈值。 ，红灯亮，并发出报案声音。
2.3.2 烟雾报警器结构
为满足家庭和工业场所对易燃易爆烟雾的安全要求，设计的易燃烟雾报警器不仅要在较宽的温度范围内工作，还应具备显示可燃烟雾含量的能力。 采用89S52单片机，MQ -2烟雾传感器是一种灵敏器件，借助ADC0832转换器和烟雾报警电路，研制出一种可用于家庭或大型单位火灾报警的烟雾报警装置。
整个设计包括4个主要部分：
烟雾感应、模数转换电路、89S52单片机、烟雾报警电路。
其中，烟雾传感器是将现场烟雾含量等非通信号码转换为联通号码； 转换电路是将烟雾传感器输出的模拟信号转换成数字信号。
烟雾报警模块由单片机和报警电路组成，通过单片机控制实现不同的声光报警功能。
本系统采用高性能单片机，工作稳定，测量精度高，通用性强，功耗低，保证了报告装置的准确性和可靠性，最好体积小，低功耗。在成本上，有利于减小报告装置的体积。 增加报告设备的成本。
烟雾报警系统结构如图2.1所示。
图2.1 烟检报告装置结构框图
2.3.3 烟雾报警器的功能
1.烟雾报警功能
当烟雾含量连续20秒超过报告限值时，蜂鸣器开始报告，声音越来越粗，红灯闪烁。
因为人对变化的信号比较敏感，变化的声音和灯光更容易引起用户的注意。
2.烟雾含量显示
液晶屏显示可燃烟气含量值，并可切换至设定状态，可通过鼠标设置或修改报告限值，方便用户或检测人员轻松观察烟气含量并修改随时报告限额。
3.看门狗自检MCU状态功能
调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机的工作状态。 一旦发现单片机处于死循环状态，立即复位，保证报警器正常工作。
4.手动紧急保持功能
烟气人工报告系统应具有手动和自动触发装置。
各类火灾探测器为手动触发装置，设置在防火分区疏散通道、楼梯间等处的火灾自动报告按钮为自动触发装置，应具有紧急情况下手动和自动报告火灾的功能。
3 烟检报告器硬件设计
3.1 主电路设计与实现
89S52单片机是报警仪表设计中的核心部件。 一方面，它控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换。 另一方面，它对采集到的数字电流值进行处理，得到对应的二次补码，与设定值进行比较。
整个系统的软件编程是通过C语言实现对单片机89S52的控制功能。
3.1.1 AT89S52单片机介绍
AT89S52 是 ATMEL 公司生产的低帧率、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flsah 存储器[10]。
AT89S52实物图和结构如图3-1和3-2所示。
单片机可反复擦写FLASH只读程序存储器1000次。 这些组件采用 ATMEL 的新密度和非易失性存储技术制造。 它与标准的 MCS-51 命令系统和 80C51 引脚结构兼容。 片上闪存允许程序存储器可在系统内编程，也很容易与传统编程器一起使用。
从图3-2可以看出，89S52单片机主要由以下几部分组成：
处理器系统：
8位CPU； 包括布尔处理器； 时钟电路； 总线控制逻辑。
存储系统：
8KB程序存储（ROM/EPROM/Flash，可扩展至64KB）； 128KB数据存储（RAM，可扩展至64KB）； 特殊功能寄存器 SFR。
图3-189S52单片机实物图
图3-289S52的基本结构
I/O口及其他单元：
32条可编程I/O线； 3个16位定时器/计数器； 中断系统（5个中断源，2个优先级）； 2个全双工串行通信端口； 看门狗（WDT）电路； 芯片内部时钟振荡器。
3.1.289S52单片机封装及管脚
89S52系列微控制器采用双列直插（DIP）、QFP44（QuadFlatPack）和LCC（LeadedChipCaiier）方式封装[11]。
这里只介绍常用的总线型DIP40封装。
MCU 封装和引脚如图 3-3 所示。
这40个管脚按照管脚功能大致可以分为4类：
电源、时钟、控制和 I/O 引脚。
1）电源：
VCC, VSS
电压控制中心：
电源正端输入接+5V。
VSS：
电源接地。
2.时钟：
XTAL1, XTAL2
XTAL1:
单片系统时钟的反相放大器输入。
XTAL2：
系统时钟反相放大器的输出在设计中可以通过在XTAL1和XTAL2上接一个石英晶振系统来工作烟雾报警器电离室，在两个引脚和地之间可以加一个20PF的小电容。 可以使系统更稳定，防止因噪音干扰而关机。
3、控制线：
有4条控制线
啤酒/程序：
当访问外部存储器时，地址锁存输出电平用于锁存地址的状态字节。
FLASH 编程时，该引脚用于输入编程脉冲。
正常情况下，ALE端输出一个频率周期恒定的正脉冲信号，为振荡器频率的1/6。
因此它是可用的
图 3-389S52 MCU 封装及管脚
作为外部输出的脉冲或用于计时目的。
但要注意：
每当用作外部数据存储时，都会跳过 ALE 脉冲。
如果要严格禁止ALE的输出，可以在SFR8EH地址上置0。
此时ALE只有在执行MOVX时才起作用，MOVC指令为ALE。
此外，该引脚略微拉高。
如果微处理器处于外部执行状态 ALE 被禁止，则设置该位无效。
ALE函数：
用于锁存P0口发送的低8位地址
编程功能：
片上带有EPROM的芯片，在EPROM编程时，该引脚输入编程脉冲。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在从外部程序存储器取指令期间，PSEN 在每个机器周期激活两次。
但是在访问外部数据存储器时，这两个有效的PSEN信号是不会出现的。
重复测试/VPD：
复位/备用电源。
RST（复位）功能：
复位输入。
当振荡器复位组件时，将 RST 引脚保持高电平两个机器周期。
VPD功能：
在Vcc掉电的情况下，连接备用电源。
EA/Vpp：
内部和外部 ROM 选择/片上 EPROM 编程电源。
EA 功能：
内外ROM选择端。
Vpp函数：
片上EPROM芯片，在EPROM编程时，施加编程电源Vpp。
4.输入输出线
89S52 有四个 8 位并行 I/O 端口：
P0、P1、P2、P3端口，共32个引脚。
端口 P3 还有第二个功能，如表 3-1 所示。
用于特殊信号输入输出和控制信号（属于控制总线）。
表3-189S52单片机P3口第二功能表
端口引脚
次要功能
P3.0
RXD（串行输入端口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INTO（外部中断 0）
P3.3
INT1（外部中断 1）
P3.4
TO（定时器/计数器 0）
P3.5
T1（定时器/计数器 1）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
3.1.389S52单片机时钟
89S52内部有一个高增益反相放大器，用来构成振荡器，但要产生时钟脉冲，需要在外部增加一个电路。
89S52的时钟构成如下两种方式[12]。
1、内部时钟方式
借助芯片内部的振荡器，晶振（简称晶振）跨接在XTAL1和XTAL2引脚之间，构成稳定的推挽振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路.
When an external crystal oscillator is connected, the values of Cl and C2 are generally selected to be about 30pF; Cl and C2 have a fine-tuning effect on the frequency, and the frequency range of the crystal oscillator or ceramic resonator can be selected between 1.2MHz and 12MHz.
In order to reduce the parasitic capacitance and better ensure the stable and reliable operation of the oscillator, the oscillator and capacitor should be installed as close as possible to the pins XTAL1 and XTAL2 of the microcontroller.
The internal clock circuit diagram of 89S52 microcontroller is shown in Figure 3-4.
2. External clock method
This method is to access XTAL1 or XTAL2 with the help of an external oscillation pulse.
HMOS and CHMOS single-chip external clock signal access methods are different.
89S52 external clock access method is shown in Table 3-2.
Figure 3-489S52 clock circuit wiring
Table 3-289S52 microcontroller external clock access method
chip type
接线
XTAL1
XTAL2
高金属氧化物半导体
接地
Connect the external clock pulse input terminal (the pin needs to be connected to the pull-up internal resistance)
CHMOS
Connect the off-chip clock pulse input terminal
悬垂的
3.1.48
真金不怕火炼，质量过硬的消防器材，消防应急救援物资，会有更大的市场需求，应急物资制造商尽心为你服务。
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