1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于单片机的火灾报警电路设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 随着科技的发展，各种电器设备步入了人们的生活，他们的存在使人们的生活得到了方便，但与此同时，在使用方法不正确的情况下时 ，有可能会引发火灾。因此，火灾报警器是必不可少的。火灾报警器是为了及早地发现并通报火灾，以减免不必要的财产损失。 火灾报警电路中最重要的部分为烟雾检测报警器，而烟雾检测报警器是由烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路三部分组成。根据设计的条件、成本等各方面因素， 采用 STC12C5410AD 单片机、
2、LM324 运算放大器、 MQ-2型烟雾传感器等器件进行电路的设计。软件方面，则是在 Keil C51 软件上使用 C语言进行编程，来实现 AD 转换、数字滤波、线性化处理、段式晶体浓度显示、按键功能设置等功能。 以 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。 是一种结构简单、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： 烟雾；报警器； STC12C5410；传感器 - 2 - Abstract With the develo
3、pment of technology,all kinds of electrical equipments come into peoples lives.It can make peoples lives convence,at the same time,with the wrong using method,there will cause a fire.Therefore,the fire alarm is necessary.Fire alarm is easy to find and notify the fire so that it can decrease the prop
4、erty damage. Fire alarm circuit is the most important part of the somke detection alarm.The smoke detection alarm is made of signal acquisition circuit,analog-digital conversion circuit,MCU control circuit.According to the design conditions,cost and other factors. The STC12C5410AD microcontroller,LM
5、324 opamp,MQ-2 smoke sensors and other devices will be used to design the fire alarm circuit.It can be used C language in the Keil C51 software platform.It will achieve the AD conversion,digital filtering, linearization,struts srytal concentration shows,key feature set and so on. The smoke alarm whi
6、ch made of the STC12C5410AD microcontroller and MQ-2 smoke sensors can achieve sound and light alarm,fault diagnosis,the concentration display,alarm limit settings,delay alarm and so on.The structure of smoke alarm is simple,and the performance is stable.It is also easy to use.and its inexpensive an
7、d intelligent.It has some practical value. Key words: smoke;alarm;STC12C5410;sensor - 3 - 目 录 1 引言 . 1 2 总体设计 . 2 2.1 烟雾传感器的介绍及选定 . 2 2.2 烟雾检测报警器的结构及功能 . 5 3 硬件设计 . 5 3.1 单片机的选择 . 5 3.2 烟雾检测报警电路设计 . 6 3.2.1 信号采集及前置放大电路 . 6 3.2.2 声音报警电路 . 8 3.2.3 数码管显示电路 . 9 3.2.4 状态指示灯电路及控制键电路 . 9 3.2.5 报警器故障自诊电路 .
8、10 4 软件设计 . 12 4.1 STC12 系列单片机调试及开发工具 . 12 4.2 烟雾检测报警器软件流程及设计 . 12 4.2.1 主程序设计及流程图 . 12 4.2.2 主程序初始化及流程图 . 12 4.2.3 报警子程序设计及流程图 . 14 4.2.4 控制按键设 计子程序及流程图 . 15 5 实验检定及误差分析 . 16 5.1 烟雾报警器检定 . 16 5.1.1 爆炸下限的概念 . 16 5.1.2 实验数据分析 . 16 5.2 实验误差分析 . 19 6 结论 . 20 7 致谢 .错误 !未定义书签。 8 参考文献 . 22 9 附录 . 23 - 1 -
9、 1 引言 随着科技技术的发展，人类的生活水平不断提高。消防工作的重要性也越来越突出。因此，火灾报警电路在消防工作的作用也尤为突出了。火灾报警装置经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，至今，它的智能化程度也越来越高。 火灾报警系统的应用范围很广泛，厂商主要偏重于大型仓库、商场、高级写字楼等大型火灾报 警系统的研发，采用集中区域报警控制方式，这种系统复杂而且成本高。而在居民区、办公室等小型防火单位，则需要一种单一或区域联网并廉价实用的火灾报警装置。所以，设置一种结构简单、价格低廉的语音数字火灾报警器是必要的。 本设计是采用以 STC12C5410AD 单片机和 MQ-2 型半导体电阻式烟雾传感
10、器为核心的烟雾报警器，它可以实现声光报警、浓度显示、报警限设置、延时报警等功能。这是一种结构简单、性能稳定、价格低廉、智能化的报警器。 - 2 - 2 总体设计 火灾报警电路中最主要的部分是烟雾检测报警器。而 烟雾检测报警器 可以 检测 到 环境中的烟雾浓度，并具有报警功能。它 是由 烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路三部分 组成 。 烟雾信号采集电路由烟雾传感器和模拟放大电路组成，它 能把 烟雾信号转化为模拟的电信号。模数转换电路 再 将 得到 的模拟 的电 信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机，接着单片机对收到的数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析， 和预设值
11、进行比较 ，如果大于，则启动报警电路发出警声，反之则为正常状态。还有为 了 方便检测与监控， 让 人能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中 显示 出来 。 另外 加入按键功能 来调节报警限 。为了使报警装置更加完善， 可以 加入 不同颜色的闪烁灯来 报警， 以便能更容易 引起人的注意 。 2.1 烟雾传感器的介绍及选定 烟雾传感器有很多种类，从其检测原来上来分可分为三大类： （ 1）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。 （ 2）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。 （ 3）利用电化学性质的烟雾
12、传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。 烟雾传感器应满足的基本条件如下： （ 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）对与被检测的烟雾具有很高的灵敏度，而且能有效地检测允许范围内的烟雾浓度。 （ 3）对检测的信号响应速度要快，重复性好。 - 3 - （ 4）稳定性要好，使用寿命长，制造成本尽量低并且维护简单。 烟雾检测报警器主要应用于一些化工、石油、喷漆等容易发生燃气泄露的场所， 针对这些可燃烟雾， 一般选用接触式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。 接触式烟雾传感器，它的探头存在着阻缓。 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，
13、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，因而引起响应反应速度和灵敏度。相比而言，半导体烟雾传感器具有：灵敏度高、响应块、体积小、结构简单、使用方便等特点。因此，本设计选用 MQ-2 型电阻式半导体气体传感器。 2.2 烟雾检测报警器的结构及功能 报警器的系统结构框图如图 2-1 所示。系统以单片机为核心，结合传感器、放大电路、 A/D 转换来完成信号的采集及放大、浓度显示、状态显示、声音报警、按键输入、故障自检等功能。 图 2-1 系统框 图 (1)自诊断故障报警功能 当传感器加热时产生断线或者接触不良，则发出警报声，并伴随着黄色指示灯 的闪烁，提醒用户检查
14、传感器的连接情况。 (2)烟雾浓度显示 液晶屏可以显示可燃烟雾的浓度值，用户可以切换模式到设置状态，使用键- 4 - 盘来调整报警限值。 (3)烟雾报警功能 当烟雾浓度连续 20 秒取值都超过报警限值，蜂鸣器发出尖锐的警报声，同时红灯闪烁。 (4)防止报警器误报功能 快速重复检测及延时报警可以区分出是可燃烟雾的泄漏，还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。 (5)看门狗自检单片机状态功能 调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机的工作状态，一旦出现死循环状态，立即复位，确保报警器正常工作。 - 5 - 3 硬件设计 本系统硬件主要包括单片机的选型和烟雾检测报警硬件的设计。 3.1 单片机的选 择
15、单片机是烟雾检测报警器的核心部分，它要接受来自传感器的烟雾浓度的模拟信号和故障检测信号，还要对两种信号分别处理，并控制后续电路的相应工作。另外单片机还得将模数转换后的信号进行数字滤波 、 线性化处理，然后送入 液晶屏 显示，使检测人员能够观察到烟雾的实时浓度，从而进行相应的处理 。 这一过程的软件实现，需要单片机有很快的运算速度。根据成本、精确性、可靠性及抗干扰性方面的因素， 本设计 选择 STC12 系列单片机。 因为 STC12C54xxAD 系列单片机是低功耗 Flash 单片机，它的高效寻址方式、大容量 Flash、 EEPROM、A/D 转换、硬件乘法器等功能特点，比较完善的实现了强
16、大的功能与低功耗的结合。最后再根据价格相同的情况下，尽量选择 Flash 较大的芯片，因此选择STC12C5410AD 单片机作为本论文设计的烟雾报警器的单片机。 下面来介绍一下 STC12C5410 系列单片机： STC12C5410 系列单片机是单时钟 /机器周期（ 1T） 的兼容 8051 内核单片机，是高速 /低功耗的新一代 8051 单片机。其主要特点如下： 1增强型 1T 流水线 /精装指令集结构 8051CPU 2工作电压： 5.5V-3.4V（ 5V 单片机） /3.8V-2.0V（ 3V 单片机） 3工作频率范围： 0-35MHZ，相当于普通 8051 的 0-420MHZ
17、4用户应用程序空间 12K/10K/8K/6K/4K/2K 字节 5片上集成 512 字节 RAM 6通用 I/O 口（ 27/23 个），复位后：准双向口 /弱上拉（普通 8051 传统 I/O口）可设置成四种模式：准双向口 /弱上拉，推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开漏 7 ISP（在 系统可编程） /IAP（在应用可编程），无需专用编程器， 可通过串口（ P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 8 EEPROM 功能 - 6 - 9看门狗 10内部集成 MAX810 专用复位电路（外部晶体 20M 以下，可省外部复位电路） 11时钟源：外部高精度晶体 /时钟，内部 R/
18、C 振荡器，用户在下载程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体 /时钟，常温下内部 R/C 振荡器频率为： 5.65MHZ-5.95MHZ，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有温漂，应认为是 5MHZ-6.5MHZ 12共 2 个 16 位定时器 /计数器 13 PWM（ 4 路） /PCA（可 编程计数器列阵），也可用来实现 4 个定时器 14 ADC， 10 位精度 ADC，共 8 路 15通用异步串行口（ UART） 16 SPI 同步通信口，主模式 /从模式 17工作温度范围： 0-75C /-40C -85C 18封装： PDIP-28， SOP-28， PDIP
19、-20， SOP-20， TSSOP-20 3.2 烟雾检测报警电路设计 3.2.1 信号采集及前置放大电路 传感器输出的信号一般比较微弱，因此需要经过前置电路的放大、滤波、电平调整之后再送入单片机。本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需 串联一个参考电阻，再经过一个放大电路就可以发送给 ADC（模数转换器）采集。由于这里采用的是单极性供电，所以使用同相比例放大电路。常见的运算放大器中， LM324 价格低廉、使用简单，所以本设计将使用 LM324 作为电路的运算放大器。 LM324 是单片高增益四运算放大器，可以 在 较宽的电压范围内的单电源或双电源下工作，它的电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好，其输入偏流电阻式温度补偿的， 无 需要外接频率补偿，可以 做 到输出电平与数字电路兼容。 下面详细介绍运算放大电路：
