1、青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）I摘 要当今世界已进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。随着这些系统能力的增强，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用法与用途，本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。
2、本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。其中选用 MQ-2 型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，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。选用的 STC12C5410AD 单片机，其整合了A/D 转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。STC12C5410AD 单片机和 MQ-2 型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。该烟雾报警器是一
3、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。关键词: 传感器；烟雾报警器； STC12C5410AD 单片机青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）IIAbstractThe world has entered the information age, in the course of the use of information, we must first resolve is to obtain accurate and reliable information, and sensor is to obtain information in the fi
4、eld of natural and production of the main ways and means. In modern industrial production, especially in automated production processes, use a variety of sensors to monitor and control the various parameters of the manufacturing process, so that equipment or the best work in the normal state, and to
5、 reach the best quality products. With the enhanced capacity of these systems, sensors have become increasingly important. Sensors have become automated systems and robotics in a key component, as the system composed of a structure, its importance has become increasingly apparent. In order to improv
6、e awareness and understanding of the sensor, especially for smoke sensor in-depth research, and its use and purpose, this paper microcomputer with the sensor technology development and design of this smoke control system. In this thesis, smoke sensors and resistive technology as the core MCU and oth
7、er electronic technology with the combination of skills to design a better smoke alarm. Which use MQ-2 combustible gas sensor type semiconductor Smoke Sensors detect smoke, have high sensitivity, fast response, the advantages of anti-interference ability, and low-cost, long life. Selected STC12C5410
8、AD microcontroller, which integrates A / D conversion, hardware multiplier, the hardware resources such as pulse width modulator with a high speed, low power consumption, the advantages of superior anti-jamming, is similar in cost-effective high technology products. To STC12C5410AD microcontroller a
9、nd MQ-2-type semiconductor resistance type smoke sensor as the core design of the smoke alarm can achieve sound and light alarm, fault diagnosis, concentration display, alarm limit settings, delay alarm and serial communication with PC functions. The smoke alarm is a simple structure, stable perform
10、ance, easy to use, inexpensive, intelligent smoke detectors, has some practical value. Key words：sensors ; smoke alarm ; STC12C5410AD SCM 青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）目 录摘 要 .IAbstract.II1 绪论 .- 1 -1.1 研究智能烟雾报警器的背景与意义 .- 1 -1.2 智能烟雾报警研究现况 .- 1 -1.3 本设计的主要特点 .- 2 -2 烟雾报警系统的方案选择与论证 .- 3 -2.1 系统总体功能概述 .- 3 -2.2 单
11、片机的选择 .- 3 -2.3 烟雾传感器的选择 .- 4 -2.4 温度传感器选择 .- 5 -2.5 无线发射接收模块的选择 .- 7 -3 烟雾报警系统硬件设计 .- 8 -3.1 无线模块电压调节电路 .- 8 -3.2 无线接受模块电路 .- 8 -3.3 无线发射模块电路 .- 10 -3.4 LCD1602 液晶显示模块 .- 12 -3.5 声光报警电路 .- 13 -3.6 烟雾检测电路 .- 14 -3.7 温度检测电路 .- 14 -4 烟雾报警系统软件设计 .- 16 -4.1 主程序设计 .- 16 -4.2 声光报警程序设计 .- 17 -4.3 按键模块程序设计
12、.- 18 -5 实际测试 .- 19 -5.1 测试设备 .- 19 -5.2 测试结果 .- 19 -结 论 .- 20 -致 谢 .- 21 -青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）参考文献 .- 22 -附 录 .- 23 -青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 1 -1 绪论1.1 研究智能烟雾报警器的背景与意义世界上无时无刻不在发生各种各样的灾难。其中，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就是火灾。火灾是发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有发生。据各种相关的资料和数据显示，全球每年大约发生火灾六千万至七千万次，每年全球死于火灾的人数约为七千人 1。其中，由于欧美类的
13、发达国家的生活水平及消防措施和技术比较发达先进，虽然欧美地区发生的火灾较多，但是死亡人数却比较少；相比而言，由于亚洲地区的发展中国家经济发展程度不高和消防设施不完善，虽然火灾发生频率较低，但人员伤亡较多。据统计，七十年代，我国因火灾导致的年平均损失不超过 2.5 亿元；八十年代，火灾年平均损失将近 3.2 亿元。进入九十年代，尤其从 1993 年开始，火灾造成的年均死亡人数是两千多，由此导致的直接年均财产损失升至十几亿元， 。随着城市建设和经济的快速发展，城市各式各样的建筑日益增多，这很大程度地增加了火灾隐患，火灾发生的频率及其造成的损失呈逐年上升趋势。一旦出现火灾，这会严重威胁到人们的生命和
14、财产。随着社会的进步和经济的发展，火灾给人们造成的危害范围不断扩大。人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，火灾自动报警系统应运而生，并且其自身的技术水平也在随着人们需求的不断地提高。火灾发生的早期，会使得燃烧物质分解，析出大量的有毒气体 CO，人们可能在毫无察觉火情的情况下就发生了 CO 中毒，从而无力逃生，火灾自动报警系统可监测到 CO 浓度的变化，为人们提供 CO 浓度超标报警信息，通知人们及时疏散。迅速监测火情是火灾自动报警系统的重要功能，能最大限度地降低火灾带来的生命财产损失。火灾自动报警系统能对火灾进行实时监测和准确报警，有着防止和减少火灾危害、保护人身安全和财产安全的重要意义，
15、有着很大的经济效益和社会效益。1.2 智能烟雾报警研究现况近年来，世界各国都逐渐开始重视起采用无线通信方式的火灾自动报警系统。这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制 2。起初，这青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 2 -种无线模式因价格昂贵，只会用在一些比较难布线的场所。随着科技不断的发展，元器件的价格不断降低，无线火灾报警器的成本也随之减低，而且其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，因此，现在起广泛地用于各类建筑和场所，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院
16、等。无线火灾报警系统主要分为以下几种方式：分散式、集中式和分布式。分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断;集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向。1.3 本设计的主要特点本设计旨在开发一个能够对监测点进行实时监控、报警的智能烟雾报警系统。智能烟雾报警系统是一个集信号检测、传输、处理、报警于一体的系统，另外本设计主要特点是采用无线信号传输的方式将烟雾报警信号传输的终端报警装置上面，该智能烟雾报警系统是以 STC
17、89C52RC 和 STC11F02E 两块单片机作为控制中心，接收、处理火灾探测器输出的烟雾浓度信号，并进行声光报警。本设计主要完成以下工作：(1)基于 STC89C52RC 的烟雾报警检测设计方案。(2)数字温度传感器 DS18B20、烟雾传感器 MQ-2、NRF24L01 无线收发器的选择以及与单片机的接口电路设计。(3)LCD1602 液晶显示器与单片机的硬件连接。(4)设计主要软件程序模块，完成软件设计。青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 3 -2 烟雾报警系统的方案选择与论证2.1 系统总体功能概述烟雾报警系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、无线发送接收模块、声光报警模块组
18、成。它由烟雾传感器模块和温度传感器模块检测周围环境，时时把测得的数据传送给控制系统，控制系统判断是否有火情。2.2 单片机的选择方案一： PIC 系列单片机。PIC 系列单片机的 CPU 采用 RISC 结构，分别有 33、35、58 条指令(视单片机的级别而定)，属精简指令集。 3而 51 系列有111 条指令，AVR 单片机有 118 条指令，都比前者复杂。采用 Haryard 双总线结构，运行速度快(指令周期约 160200nS)，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每
19、条指令只需一个周期(个别除外)，这也是高效率运行的原因之一。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。但是此单片机只有 5 个专用寄存器在编程过程中带来了不少麻烦。方案二： AVR 系列单片机。此种单片机内资源丰富，接口也很强大，具有 AD 转换等电路，保密性也不错，在很多场合可以替代 51 系列单片机，但是对位进行操作时，AVR 系列单片机并不能直接对 RAM 中的某位进行位操作，必须通过状态寄存器 SREG 的 T 进行中转。显然，AVR 对位的操作复杂一些。方案三：MCS-51 系列单片机。51 系列的单片机优点之一在于，它从内部硬件到软件有着一套完整的按位操作系统，即位处理器
20、，也称布尔处理器，它的处理对象不是字或字节，而是位，这就意味着它不仅能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，例如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，这一点使其他种类单片机很难实现的。此外，51 系列单片机还在片内RAM 区间特别开辟了一个双重功能的地址区间，单元地址为 20H2FH 的十六个字节，它既可作字节处理，也可作位处理，使用起来灵活方便，使得使用者在操作时更加得心应手。51 系列单片机代表型号有 AT89C51，AT89C52，STC89C51，STC89C52。青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 4 -而 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制
21、器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。因此优先选择 STC89C52 单片机作为本系统的控制器。STC89C52 的引脚图如图 2-3 所示。 P1.023567RST9XGNDEALVCUstc图 2-3 STC89C52 的引脚图2.3 烟雾传感器的选择烟雾传感器的功能：当火灾发生时，它能把火灾产生的各种非电量参数(如烟雾，温
22、度)变成电量参数传送给控制器；其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数的变化而变化，火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类 4。方案一:感温探测器感温火灾探测器是对火灾现场温度参数响应的火灾探测器。按照它对环境温度或温度变化的响应，可分为：定温、差温、差定温三种形式。单一的感温探测器灵敏度低、探测范围小，对阴燃情况不响应，因此不适用于火灾早期的探测6.方案二：感烟探测器感烟探测器主要响应燃烧或热解产生的固体液体微粒即烟雾粒子的探测器，主要用来探测可见或不可见的燃烧产物及起火速度缓慢的初期火灾。感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在不
23、太好的环境条件场所也会有比较好的青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 5 -探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中。感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量的烟和少量的热。方案三：气体探测器气体检测仪器是一种检测气体浓度的仪器，该仪器适用于存在可燃或有毒气体的危险场所，能长期连续检测空气中被测气体爆炸下限以内的含量。可广泛应用于燃气，石油化工，冶金，钢铁，炼焦，电力等存在可燃或有毒气体的各个行业，是保证财产和人身安全的理想监测仪器。 方案四：图像探测器图像火灾探测器是针对室外、隧道和室内高大空间的特殊需求而开发的工业等级的火灾探测器。该产品实现了“眼睛和大脑”的完美统一，能在各
24、种复杂环境下对火情做出准确的判断，同时提供视频、网络、开关量三种报警方式，可灵活接入各类火灾报警体系。方案五：红、紫外火焰探测器探测器可探测碳氢化合物燃烧火焰，如氢气、羟基化合物以及金属和无机物燃烧火焰火警。探测器对紫外和红外传感器接收信号的频率、亮度和持续时间进行分析，任何一个传感器在接收到火焰发射频谱后都能够引发报警。探测器能够在高/低温，高湿，震动等最苛刻的环境下工作。烟雾浓度是早期火灾发生的重要特性参数之一，在较大范围的监视场所，烟雾探测一直被广泛使用的火灾探测方法。烟雾报警器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟感器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定
25、可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器 5。 为了将人们的生命财产安全损失降至最低，为此本设计主要采用了能比较早检测到火情的烟雾传感器 MQ-2 进行设计。2.4 温度传感器选择本系统中的温度传感器采用的是 DS18B20 芯片，其特点是采用独特的单总线接口方式，只需要一条总线接口就可以实现多点通信，简化了分布式温度传感应用。该器件无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为 3.0V 至5.5V，无需备用电源，测量温度范围为-55至+125 。精度为0.5。DS18B20 的方框图如图 2-4 所示。DS18B20 有三个主要数字部件： 1）64 位激青
26、岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）- 6 -光 ROM，2）温度传感器，3）非易失性温度报警触发器 TH 和 TL。器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS18B20 也可用外部 5V 电源供电。图 2-4 DS18B20 的方框图DS18B20 是用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55的一个值。如果计数器在门周期结束前到达 0，则温度寄存器（同样被预置到-55
27、 ）的值增加，表明所测温度大于 -55。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。然后计数器又开始计数直到 0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程 6。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨力。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。DS18B20 内部对此计算的结果可提供 0.5的分辨力。温度以 16bit 带符号位扩展的二进制补码形式读出。数据通过单线接口以串行方式传输。DS18B20测温范围-55 +125，以 0.5递增。如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表。DS18B20 内温度表示值为 1/2LSB，如图 2-5 所示 9bit 格式：
