智能家庭防火防盜檢測報警系統(tǒng)

1、 屆 別 2013屆 學 號 畢業(yè)設計 智能家庭防火防盜報警系統(tǒng) 姓 名 系 別、 專 業(yè) 導 師 姓 名、職 稱 完 成 時 間 26目錄摘要3Abstract41 緒論51.1 課題背景51.2 設計概述51.3 煙霧報警器的國內外現狀61.4 煙霧報警器的發(fā)展趨勢71.5 設計任務分析72 總體方案設計82.1 煙霧檢測傳感器選型82.2.1 煙霧傳感器的介紹92.2.2 MQ-2半導體氣體煙霧傳感器122.2 單片機選型132.2.1 STC89C52單片機簡介132.2.2 單片機的引腳功能描述142.1.3 溫度采集模塊152.3 紅外感應部分162.3.1 電源模塊162.3.2

2、 熱釋電傳感器162.3.3菲涅耳透鏡172.3.4 BISS0001芯片簡介172.3.5 信號采集處理模塊203 系統(tǒng)的硬件電路213.1 單片機最小系統(tǒng)213.2 單片機的時鐘電路與復位電路設計223.3 煙霧檢測AD采集電路233.4 顯示模塊243.5 聲音報警電路243.6 按鍵控制電路253.7 電源模塊263.8 溫度傳感器(DS18B20)電路263.8.1 DSl8B20簡介263.8.2 DSl8B20具體參數及工作方式293.8.3 18B20接口電路304 系統(tǒng)軟件的設計314.1 系統(tǒng)主程序設計及流程圖315 硬件調試及調試中遇到的問題326 電路的調試327 總結

3、評價32致謝33參考文獻34附件一：總體原理圖設計35附件二：部分程序源代碼36摘要 隨著社會和經濟的發(fā)展，防火工作越來越重要，但是目前國內的許多研發(fā)都側重于大型場所的火災報警。因此，我們就有必要研制一種結構簡單、經濟實用的家庭煙霧報警器以適應市場的需求。基于供家庭使用的煙霧報警器應該具備的基本要求和功能，文章設計了一種比較適合的煙霧報警器。本設計以傳感器和單片機作為煙霧報警器設計的核心器件，配合其它器件即可實現聲光報警、自動排煙換氣和消防滅火等功能。設計中單片機選用STC89C52作為控制器件，傳感器選用MQ-2型半導體可燃氣體敏感元件煙霧傳感器實現煙霧的檢測。煙霧報警器主要由煙霧信號采集及

4、前置放大電路、模數轉換電路、單片機控制電路、顯示電路、聲光報警電路和安全保護電路構成，設計合理、簡單易懂、價格低廉，使單片機在煙霧報警系統(tǒng)的控制中得到充分應用，具有一定的實用價值。論文主要針對煙霧報警系統(tǒng)中的各個組成部分及功能進行了詳細的介紹和說明，并對其主控電路和外圍設備電路之間的接口連接方式，以及系統(tǒng)軟件設計進行了重點的分析和講解。熱釋電紅外傳感器，它的制作簡單、成本低、安裝比較方便，而且防盜性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力強、靈敏度高、安全可靠。這種防盜器安裝隱蔽，不易被盜賊發(fā)現，便于多用戶統(tǒng)一管理。本設計包括硬件和軟件設計兩個部分。硬件部分包括單片機控制模塊、紅外探頭模塊、驅動執(zhí)行報警模塊、L

5、ED控制模塊等部分組成。處理器采用51系列單片機STC89C52，程序使用C語言編寫。關鍵字：煙霧報警器；單片機；傳感器;紅外Abstract With the development of society and economy, the fire work is more and more important, but many of the current domestic research are focused on the large space fire alarm.Therefore, it is necessary to design a simple structure,

6、economical and practical family smoke alarm to adapt to the needs of the market.The basic requirements of the smoke alarm for household use based on should have and function, this paper designs a smoke alarm is suitable for the. The design of the sensor and single-chip microcomputer as the core devi

7、ce smoke alarm design, with other devices can achieve sound and light alarm, automatic exhaust ventilation and fire extinguishing function.Design of single chip STC89C52 is selected as the control device, the selection of sensor for detection of MQ-2 type semiconductor gas sensitive element smoke se

8、nsor smoke.The smoke alarm is mainly composed of smoke signal acquisition and the preamplifier circuit, analog-digital conversion circuit, single-chip microcomputer control circuit, display circuit, alarm circuit and protection circuit, reasonable design, simple, low price, make full use of MCU alar

9、m system in the control of the smoke, and has a certain practical value.The main thesis of the smoke alarm system for the various components and functions are introduced and explained, and the connection mode of the main control circuit and peripheral equipment circuit interface, and the software de

10、sign of the system is analyzed and the explanation of the key. Key words:The smoke alarm; MCU; sensor1 緒論1.1 課題背景隨著科技的發(fā)展，越來越多的巨大的隱患由于工業(yè)生產和人們的日常生活而產生。為了早期發(fā)現和通報火災，防止和減少火災危害，保護人身和財產安全。保衛(wèi)社會主義現代化建設，防止火災引起燃燒、爆炸,防盜等事故，造成嚴重的經濟損失，甚至危及生命安全。為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對煙霧進行現場實時檢測，采用先進可靠的安全檢測儀表，嚴密監(jiān)測環(huán)境中煙霧的濃度， 及早發(fā)現事故隱患，采取有效措施

11、，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和 家庭生活安全。因此，研究煙霧的檢測方法與研制煙霧報警 器就成為傳感器技術發(fā)展領域的一個重要課題。 1.2 設計概述單片機及煙霧傳感器是煙霧報警器系統(tǒng)的兩大核心。單片機好比一個橋梁，聯系著傳感器和報警電路設備。近幾年來，單片機已逐步深入應用到工農業(yè)生產各部門及人們生活的各個方面。各種類型的單片機也根據社會的需求而開發(fā)出來。單片機是器件級計算機系統(tǒng)，實際上它是一個微控制器或微處理器。由于它功能齊全，體積小，成本低，因此它可以應用到所有電子系統(tǒng)中。同樣，它也可以廣泛應用于報警技術領域，使各類報警裝置的功能更加完善，可靠性大大提高，以滿足社會發(fā)展的需要。而傳感器作為

12、信息技術系統(tǒng)的“感官”器件，如果沒有“感官”感受信息，或者“感官”遲鈍，都難以形成高精度、高速度的控制系統(tǒng)。美國曾把二十世紀八十年代稱為傳感技術時代，日本更是把傳感技術列為十大技術之首。所以，根據報警器功能的需要，選擇合適、精確、經濟的煙霧傳感器和單片機芯片是至關重要的。在本論文中的最主要的設計是選STC89C52單片機和MQ-2半導體氣體煙霧傳感器為核心器件。 目前，現代建筑都會有選擇地安裝不同功能的煙霧自動報警系統(tǒng)。因為煙霧自動報警系統(tǒng)是建筑物的神經系統(tǒng)，它能夠感受、接收著發(fā)生火災的早期信號并及時報警，發(fā)出警報同時告知用戶和周邊居民。它就像是一個個稱職的更夫，給居住、忙碌或是休息在家庭中的

13、人們以極大的安全感。在火災的早期階段，準確的探測到火情并迅速報警，對于及時組織有序快速疏散、積極有效地控制火災的蔓延、快速滅火和減少火災對居住人群的損失都具有重要的意義。1.3 煙霧報警器的國內外現狀 國外從20世紀30年代開始研究及開發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一 方面是因為人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另 一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。據有關統(tǒng)計，美 國1996年2002年煙霧傳感器年均增長率為27%30%。隨著傳感器生產 工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧檢測 儀器的體積也逐漸變小，提高了煙霧檢測儀器的便攜性，更加利于生產

14、、運輸及市場推廣。 1963年5月，日本開發(fā)完成第一臺接觸燃燒式家用燃氣泄漏報警器，次年12月其改良產品問世，改良的報警器可以檢測燃氣、一氧化碳等氣 體，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。 我國在70年代初期開始研制煙霧報警器，生產型號多樣、品種較齊全，應用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境的各種類型報警器，產品數量也在不斷增加。但主要是在引進國外先進的傳感器技術和先進的生產工藝基礎上，進行研究與開發(fā)形成自己的特色。近年來，在煙霧選擇性和產品穩(wěn)定性上也有很大進步。燃氣報警器可分為民用火災煙霧報警器、工業(yè)用煙霧報警器、 有毒有害煙霧報警器三大系列產品。(1)民用火災煙霧報警器 民用火

15、災煙霧報警器為居民家庭用的火災報警器,一般安裝在廚房，遇到火災產生的煙霧時時，報警器可發(fā)出聲光報警，或同時伴有數字顯示，同時聯動 外部設備。有的報警器可自動開啟排風扇，把煙霧排出室外 (2) 工業(yè)用煙霧報警器及有毒有害煙霧報警器 工業(yè)用煙霧報警器及有毒有害煙霧報警器只是檢測探頭有差異，而在原理和應用中都很相近。工業(yè)用燃氣報警器及有毒煙霧報警器根 據檢測環(huán)境的不同，也可分為檢漏儀、控制器和探測器。 檢漏儀的體積較小，可隨身攜帶或手持，主要應用于燃氣管理的查漏 與巡檢。若有燃氣泄漏，檢漏儀便會發(fā)出聲光報警，同時數字顯示煙霧濃 度，以便及時采取安全措施，防止爆炸等惡性事故的發(fā)生。 控制器與探測器結合

16、使用，可在防爆現場長期監(jiān)測煙霧的濃度。探測器安裝在防爆現場，控制器壁掛在值班室等有人值守的地方，二者采用屏 蔽電纜線連接。當在現場的探測器探測到燃氣泄漏之后，通過屏蔽電纜線將信號傳到控制器，控制器發(fā)出聲光報警，同時啟動排風裝置或關閉電磁閥切斷氣源，以確保安全。此種儀器廣泛應用于液化氣站、汽車加油站、鍋爐房等工業(yè)場所。 1.4 煙霧報警器的發(fā)展趨勢面對人類社會經濟與技術急速發(fā)展的時代，伴隨這電子、計算機、通訊和現代控制技術的迅速發(fā)展，現代火災自動報警應用技術發(fā)展趨勢正在向著全總線制、軟件編程、網絡化、智能化、多樣化、小型化、社區(qū)化、藍牙技術無線化、高靈敏化、綜合化等方面發(fā)展。針對當前煙霧自動報警

17、系統(tǒng)存在的通訊協(xié)議不一致，系統(tǒng)誤報、漏報頻繁，智能化程度低，網絡化程度低、特殊惡劣環(huán)境的煙霧探測報警抗干擾等問題較為突出的現象，提出在符合國家消防規(guī)范的基礎下采用統(tǒng)一、標準、開放的通訊協(xié)議。通過對新技術、新工藝、新材料和新設備的應用研究，對系統(tǒng)方案、設備選型的優(yōu)化組合，改進煙霧自動報警系統(tǒng)的工作性能、減少維護費用和維護要求，向著高可靠性、高靈敏性、低誤報率、系統(tǒng)網絡化、技術智能化方向發(fā)展，為更好的預防和遏制建筑火災提供了強有力的保障，從而更好的保護國家和人民的生命、財產安全。1.5 設計任務分析本篇論文是煙霧報警器的研制：(1)對系統(tǒng)進行整體規(guī)劃和結構設計。(2)以STC89C52單片機為中央

18、處理器，對硬件電路進行設計和改進，使其功能更加完善。系統(tǒng)硬件電路主要分為數據收集、聲音報警電路、狀態(tài)指示燈電路、LCD1602液晶顯示電路部分。 (3)系統(tǒng)的軟件編制。按照軟件實現的功能，主要分為主程序、初始化子程序、濃度顯示子程序、報警子程序、報警限值設置子程序。在程序的編寫過程中，加入了詳細的文字注釋，便于后期的改進與維護。 (4)硬件電路和軟件的綜合調試。 2 總體方案設計 煙霧報警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器。該報警系統(tǒng)的最基本組成部分應包括：信號采集模數轉換電路、單片機控制電路、字符顯示電路、聲光報警電路和安全保護電路等部分組成。 為適應家庭和工業(yè)等場所對可燃性

19、易爆煙霧安全性要求，設計的煙霧報警器具有顯示報警狀態(tài)。報警器采用延時的工作方式，煙霧檢測報警器以STC89C52單片機為控制核心，選用MQ-2半導體氣體煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，配合外圍電路構成煙霧報警系統(tǒng)。本設計包括硬件和軟件設計兩個部分。從設計的要求來分析該設計須包含如下結構：煙霧檢測部分、STC89C52單片機主控部分、報警部分，AD采集四大部分。電路總題框圖如圖1所示： 電源開關 電源 AT89C51 單片機AD采集電路顯示電路報警電路按鍵控制 圖1 總體設計框圖處理器采用51系列單片機STC89C52。整個系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。設置在監(jiān)測點上的煙霧檢測探頭將檢測到的煙霧變換

20、成電信號，送出模擬信號，給AD采集電路采集。在單片機內，經軟件查詢、識別判決等環(huán)節(jié)實時發(fā)出煙霧報警狀態(tài)控制信號。驅動蜂鳴器及報警指示燈報警。2.1 煙霧檢測傳感器選型煙霧傳感器是測量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。而煙霧報警器的信號采集由煙霧傳感器負責。煙霧傳感器能夠將氣體的種類及其濃度有關的信息轉換為電信號，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在的情況有關的信息，從而達到檢測、監(jiān)控、報警的功能。可以說，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。煙霧傳感器作為報警器中不可缺少的核心器件，它決定了所采集的煙霧濃度信號的準確性和可靠性。煙霧傳感器內部結構如圖2所示。

21、圖 2 煙霧傳感器及其結構圖2.2.1 煙霧傳感器的介紹煙霧傳感器是模擬傳感器。它能將空氣中的煙霧濃度變量轉換成有一定對應關系的輸出信號的裝置。煙霧傳感器就是通過監(jiān)測環(huán)境中煙霧的濃度來實現火災防范的。當煙霧探頭碰到煙霧或某些特定的氣體，煙霧探頭內部阻值發(fā)生變化，產生一個模擬值，從而對其進行控制。煙霧傳感器利用煙霧敏感元件的電阻受煙霧（主要是可燃顆粒）濃度影響阻值變化的原理向單片機發(fā)送煙霧濃度相應的模擬信號。在智能建筑中對火災探測器的應用主要以感煙火災探測器選用為主。隨著傳感器生產工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧探測器的體積也逐漸變小，提高了煙霧探測器的便攜性，更加利

22、于生產、運輸和市場推廣。目前，煙霧傳感器廣泛應用在城市安防、小區(qū)、工廠、公司、學校、家庭、別墅、倉庫、資源、石油、化工、燃氣輸配等眾多領域。在國內的產品中，無論哪家生產的煙霧探測器，都可以探測到火災的發(fā)生，都具有比較高的靈敏度，而且在安裝中都比較簡單。但是，由于各生產的設備不可通用，獨立為正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通訊。使得用戶面對眾多廠家生產的煙霧探測器感到不知所措。而這也正是國內產品市場的一個重大缺陷。（1）煙霧傳感器的分類從構成氣體傳感器材料的形態(tài)上通常將它們分為干式和濕式氣體傳感器。由于對不同氣體的檢測方法不盡相同，目前主要的方法有：利用半導體氣體器件檢測的電氣法；使用電極

23、和電解液對氣體進行檢測的電化學法；利用氣體對光的折射率或光吸收等特性來檢測氣體的光學法。 （2）煙霧傳感器應滿足的基本條件 一個煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應或低響應； (b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內的煙霧濃度；(c)對檢測信號響應速度快，重復性好；(d)長期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長； (f)制造成本低，使用與維護方便。（3）常見的煙霧探測器種類及工作原理 為了確保家庭環(huán)境的安全，

24、需要對各種可燃性氣體、有毒性氣體進行檢測。但是，由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測某一種或兩種特定性質的煙霧。例如氧化物半導體煙霧傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固體電解質煙霧傳感器主要用于檢測無機煙霧，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。因此目前使用的煙霧傳感器有很多種，各自的檢測原理也各不相同，下面就對一些常用的煙霧傳感器進行介紹。(a)半導體煙霧傳感器（半導體氣敏傳感器）半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器，以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器。半導體煙霧傳感器是利用氣體在

25、半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。按照敏感機理分類，半導體煙霧傳感器可分為電阻式和非電阻式。當半導體接觸到氣體時，半導體的電阻值將發(fā)生變化，利用傳感器輸出端阻值的變化來測定或控制氣體的有關參數，這種類型的傳感器稱為電阻式半導體氣敏傳感器；當場效應管在接觸到氣體時，場效應管的電壓將隨周圍氣體狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，利用這種原理制成的傳感器被稱為非電阻式半導體氣敏傳感器。 自1962年半導體金屬氧化物煙霧傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應快、輸出信號強、耐久性強、結構簡單、體積小、維修方便、價格便宜等諸多優(yōu)點，得到了廣泛的應用。但是其最大的缺點就是選擇性較差。該傳感器己成為

26、世界上產量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。(b)接觸燃燒式傳感器 當易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會發(fā)生氧化反應而燃燒。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時對鉑絲通以電流，保持300400的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。使用接觸燃燒式傳感器，其最大的缺點是探頭很容易發(fā)生阻緩和中毒現象。一般在連續(xù)使用兩個月后應對該傳感器進行維護。這無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。(c)電化

27、學傳感器 電化學傳感器由膜電極和電解液封裝而成。電化學氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機凝膠等）電解質，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產生的電流，也可以是離子作用于離子電極產生的電動勢。即煙霧濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點是：反映速度快、準確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性煙霧檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 (d)高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏元件制作的煙霧傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏元件在遇到特定煙霧時，其電阻、介電常數、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。高分子氣敏

28、元件由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結構傳感器和聲表面波器件相結合，在毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結構簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它煙霧傳感器的不足。 （e）紅外吸收型傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進行煙霧測量，主光束通過測量元件內的目標煙霧，參考光束通過比較元件內的參考煙霧。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產生一個正比于目標煙霧濃度的差分信號。非擴散式紅外探測器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收

29、光全部以最小的擴散和損耗被記錄下來。 由于不同的煙霧吸收不同波長的IR，所以傳感器根據目標煙霧而調整，典型應用包括測量CO和CO2、冷凍劑煙霧和一些易燃氣。由于非碳氫化合物易燃煙霧(如氫)不吸收電磁譜中IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測量碳氫化合物，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標煙霧的影響。 （f） 離子感煙傳感器離子感煙傳感器對于火災初起和陰燃階段的煙霧氣溶膠檢測非常有效，可測煙霧粒徑范圍為0.03um-10um。它在內外電離室里面有放射源镅241。由于它能使兩極板間空氣分子電離為正、負離子，使電極之間原來不導電的空氣具有導電性。在正常的情況下，內外電離

30、室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。當火災發(fā)生時，煙霧粒子進入電離室后，電力部分（區(qū)域）的正離子和負離子被吸附到煙霧粒子上，使正、負離子相互中和的概率增加，從而將煙霧粒子濃度大小以電流變化量大小表示出來，實現對火災參數的檢測。 （g）光電式感煙傳感器 光電式感煙傳感器由光源、光敏元件和電子開關組成。平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達光敏元件上的光就顯著減弱，于是光敏元件就把光強的變化變成電的變化，利用光散射原理對火災初期產生的煙霧進行探測，并及時發(fā)出報警信號。按照光源不同，可分為一般光電式、激光光電式、紫外光光電式和紅外光光電式等4種。光電式感煙探測器發(fā)展很

31、快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實現早期火災報警，除應用于大型建筑物內部外，還特別適用于電氣火災危險性較大的場所，如計算機房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。根據報警器檢測煙霧種類的不同要求，很多場合都會選擇使用半導體煙霧傳感器。經過對比眾多煙霧傳感器的應用特性，發(fā)現半導體煙霧傳感器的優(yōu)點更加突出。半導體煙霧傳感器具有靈敏度高、響應快、體積小、結構簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現象，維護成本較低，因而得到廣泛應用。因此，本設計中的煙霧傳感器選用MQ-2半導體氣體煙霧傳感器。2.2.2 MQ-2半導體氣體煙霧傳感器MQ-2半導體傳感器是以清潔空氣中電導率較低的金屬氧化

32、物二氧化錫(SnO2)為主體的N型半導體氣敏元件。當傳感器所處環(huán)境中存在煙霧氣體時，傳感器的電導率隨空氣中煙霧氣體濃度的增加而增大。在設計報警器時只有使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。該傳感器具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度高、電導率變化大、響應和恢復時間短、抗干擾能力強、輸出信號大、壽命長和工作穩(wěn)定等優(yōu)點，在市面上應用十分廣泛。二氧化錫(SnO2)半導體氣敏元件特點：(a)SnO2材料的物理、化學穩(wěn)定性較好，與其他類型氣敏元件相比，SnO2氣敏元件壽命長、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強。(b)SnO2氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫離時間短，可連續(xù)長時間使用。(

33、c)SnO2氣敏元件結構簡單，成本低，可靠行較高，機械性能良好。MQ-2氣敏元件的結構如圖2所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感層,測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有只針狀管腳，其中個用于信號取出，個用于提供加熱電流。 MQ-2半導體氣體煙霧傳感器適用于煙霧、天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣等的檢測，對可燃性氣體的（CH4、C4H10、H2等）的檢測很理想。這種傳感器在較寬的濃度范圍內對煙霧氣體有良好的靈敏度，能夠檢測多種可燃性氣體，十分適合應用在家庭的氣體泄漏報警器中。是一款便攜式

34、氣體檢測器，非常適合多種應用的低成本傳感器。其技術指標表1。表1 MQ-2的技術指標加熱電壓（Vh） AC或DC 5±0.2V 回路電壓（Vc）負載電陰（Rl）清潔空氣中電阻 （Ra） 靈敏度（S=Ra/Rdg）響應時間(trec)恢復時間(trec)元件功耗檢測范圍使用壽命最大DC 24V2K2000 K4(在1000ppmC4H10中)10S30S0.7W5010000ppm2年 由于物理量和測量范圍的不同，傳感器的工作機理和結構就不同。通常煙霧傳感器輸出的電信號是模擬信號（已有許多新型傳感器采用數字量輸出）。當信號的數值符合A/D轉換器的輸入等級時，可以不用放大器放大；當信號的

35、數值不符合A/D轉換器的輸入等級時，就需要放大器放大。所以MQ-2半導體氣體煙霧傳感器要想把采集到的煙霧濃度模擬信號傳送給單片機控制器就必須經過將模擬信號經過A/D轉換器轉化為可以識別的電信號給單片機。 設計時應注意，氣敏元件開機通電時，其內阻很小，但經過一段時間后，才能恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，QM-2氣體傳感器需開機預熱幾分鐘，才可投入使用，以免造成誤報。2.2 單片機選型單片機是煙霧自動報警系統(tǒng)的心臟，用來接收火災信號并啟動報警裝置顯示和執(zhí)行相應的報警。在單片機實現的控制功能中，需要單片機有較快的運算速度，使檢測人員和用戶在報警器系統(tǒng)正常工作時能夠及時地觀測到實時的煙霧濃度等級，并進行

36、相應處理。同時，在能夠滿足報警器系統(tǒng)設計的計算速度及接口功能要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，能夠不提高成本，縮小體積。由于單片機技術在各個領域正得到越來越廣泛的應用，世界上許多集成電路生產廠家相繼推出了各種類型的單片機，在單片機家族的眾多成員中，MCS系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術及高可靠性和高性能價格比，迅速占領了工業(yè)測控和自動化工程應用的主要市場，成為國內單片機應用領域中的主流。其中，51系列單片機的優(yōu)點是價錢便宜,I/O口多,程序空間大。因此，測控系統(tǒng)中，使用51系列單片機是最理想的選擇，因此設計采用STC

37、89C52。2.2.1 STC89C52單片機簡介 STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在線可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片

38、內晶振及時鐘電路。另外，STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。這一模塊以單片機為中心把程序代碼燒進去然后外圍接上復位電路、振蕩電路、鍵盤控制、LCD1602液晶顯示電路、報警電路等子模塊。2.2.2 單片機的引腳功能描述 下面對STC89C52各引腳的功能進行較為詳細的介紹：1)電源引腳Vcc和Vss Vcc(40腳)：電源端為+5V Vss(20腳)：接地端。 2)時鐘電路引腳XTAL

39、1和XTAL2 XTAL2(18腳)：接外部晶體和微調電容的一端。在單片機內部它是振蕩電路反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時針電路時，該引腳輸入外時鐘脈沖。要檢查STC89C52的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號輸出。 XTAL1(19腳)：接外部晶體和微調電容的另一端。在片內，它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該引腳必須接地。 3)控制信號腳 RST ALE PSEN 和EA。 RST(9腳)：RST是復位信號輸入端，高電平有效。在此輸入端保持兩個機器周期(24個時鐘振蕩周期)的高電平時，就可以完成復位操作。 AL

40、E/PROG（30引腳）：地址鎖存允許信號端。當STC89C52上電正常工作后，ALE引腳不斷向外輸出正脈沖信號。此頻率為振蕩器頻率fosc的1/6，當CPU訪問片外存儲器時，ALE輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號。在CPU訪問片外數據存儲時，每取值一次（一個機器周期）會丟失一個脈沖。平時不訪問片外存儲時，ALE端也以1/6的振蕩頻率固定輸出正脈沖，因而ALE信號可以用作對外輸出時鐘或定時信號。如果你想看一下STC89C52芯片的好壞，可用示波器查看ALE端是否有脈沖信號輸出，如有脈沖信號輸出，則STC89C52基本上是好的。ALE的負載驅動能力為8個LS型TTL（低功耗高速TTL）。 P

41、SEN（29腳）；程序存儲允許輸出信號引腳，在訪問片外程序存儲器時，此端定時輸出負脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。此引腳接ERROM的OE端。PSEN端有效，即允許讀出ERROM/ROM中的指令碼。CPU在從外部ERROM/ROM取指令期間，每個周期PSEN兩次有效。不過，在訪問片外RAM時，要少產生兩次PSEN負脈沖信號。要檢查一個AT89C52小系統(tǒng)上電后CPU能否正常到ERROM/ROM中讀取指令碼，也可用于示波器看PSEN端有無脈沖輸出。如有，說明基本上工作正常。 EA/VPP（31腳）：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當EA引腳接高電平時，CPU只訪問片內ERROM

42、/ROM并執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。但在PC（程序計數器）的值超過OFFFH（對8751/8051為4k）時，將自動轉向執(zhí)行片外存儲器的程序。當出入信號EA引腳接低電平（接地）時，CPU只訪問外部ERROM/ROM并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令，而不管是否有片內程序存儲器。對于無芯片內的ROM的8031或8032，須外擴ERROM，此時必須將EA引腳接地。如果使用有片內ROM的STC89C52，外擴ERROM也是可以的，但也要使EA接地。4)I/O（輸入/輸出端口，P0，P1，P2，P3）P0口：P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O端口。P1口：8位準雙向I/O端口。P2口：即可以做地址總線

43、輸出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此時為準雙向口）。P3口：雙功能口，即可以做普通I/O口用（此時為準向口，也可以按每位定義實現第二功能操作）。見表2。表2 P3口的第二功能表引腳第二功能P3.0RXD （串行輸入口）P3.1TXD （串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時器0外部中斷）P3.5T1（定時器1外部中斷）P3.6WR（外部存儲器寫選通）P3.7RD（外部存儲器讀寫通）2.1.3 溫度采集模塊方案1： 采用PT100作為測溫電路的溫度傳感器。PT100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數關系的特性來進行測溫

44、的，具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點。但使用起來比較復雜。方案2： 采用DS18B20作為測溫電路的溫度傳感器。DS18B20的數字溫度輸出通過 “ 一線 ” 總線（ 1-Wire是一種獨特的數字信號總線協(xié)議，它將獨特的電源線和信號線復合在一起，僅使用一條口線；每個芯片唯一編碼，支持聯網尋址、零功耗等待等，是所需硬件連線最少的一種總線）這種獨特的方式，可以使多個 DS18B20方便地組建成傳感器網絡，為整個測量系統(tǒng)的建立和組合提供了更大可能性。它在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面比其他溫度傳感器有了很大的進步，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。 通過比較，DS1

45、8B20直接輸出數字溫度值，不需要校正，因此選擇方案2。2.3 紅外感應部分2.3.1 電源模塊本系統(tǒng)電壓為4.5v左右，直接接3個1.5V的直流干電池提供電源，然后用導線連接電源接口模塊。2.3.2 熱釋電傳感器 熱釋電紅外傳感器(簡稱PIR)是80年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅動各種控制電路，如作電源開關控制、防盜防火報警、自動覽測等，人體輻射的紅外線中心波長為910-um，而探測元件的波長靈敏度在0.220-um范圍內幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設了一個裝有濾光鏡片的窗口，

46、這個濾光片可通過光的波長范圍為710-um，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器，本傳感器是整個系統(tǒng)的關鍵，只有本傳感器才能感應到人體紅外線。如圖3-2所示。 圖3-2熱釋感應傳感器2.3.3菲涅耳透鏡 菲涅耳透鏡片相當于熱釋感應傳感器的“眼鏡”，它和人的眼睛一樣的作用，配用得當與否直接影響到使用的功效，配用不當產生錯誤的動作，致使用戶或者開發(fā)者對其失去信心。它的作用是有效的將探測到空間的紅外線集中到傳感器上，菲涅耳透鏡根據性能要求不同，具有不同的焦距（感應距離），從而產生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴密。如

47、圖3-3所示為菲涅耳透鏡模型圖。圖3-3 菲涅耳透鏡2.3.4 BISS0001芯片簡介BISS0001是一款傳感信號處理集成電路，只要熱釋感應器把紅外線接收到信號傳輸到BISS0001里進行信號處理，它本身靜態(tài)電流極小，工作電壓在3V5V之間，當工作電壓為5V時輸出的驅動電流為10MA。配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構成被動式熱釋電紅外傳感器，廣泛用于安防，自控等一些領域，它是有16個管腳組成的一種集成塊。如圖3-4所示為BISS000集成芯片的內部框圖，管腳功能說明如表1所示。 圖3-4 BISS0001內部框圖引腳名稱I/O功能說明1AI可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)選擇端。當A為“

48、1”時，允許重復觸發(fā)；反之，不可重復觸發(fā)2VOO控制信號輸出端。由VS的上跳前沿觸發(fā)，使Vo輸出從低電平跳變到高電平時視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時間Tx之外和無VS的上跳變時，Vo保持低電平狀態(tài)。3RR1-輸出延遲時間Tx的調節(jié)端4RC1-輸出延遲時間Tx的調節(jié)端5RC2-觸發(fā)封鎖時間Ti的調節(jié)端6RR2-觸發(fā)封鎖時間Ti的調節(jié)端7VSS-工作電源負端，一般接0V8VRFI參考電壓及復位輸入端。通常接VCC，當接“0”時可使定時器復位9VCI觸發(fā)禁止端。當VcVR時允許觸發(fā)(VR0.2VDD)10IB-運算放大器偏置電流設置端，經RB接VSS端，RB取值為1M左右。11VCC-工作電源正端，范圍

49、為35V122OUTO第二級運算放大器的輸出端132IN-I第二級運算放大器的反相輸入端141IN+I第一級運算放大器的同相輸入端151IN-I第一級運算放大器的反相輸入端161OUTO第一級運算放大器的輸出端 表1：管腳說明圖由圖可見BISS0001 由運算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延遲時間定時器、封鎖時間定時器即參考電壓等構成的數?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。可廣泛應用于多種傳感器和延時控制器。首先，根據實際需要，利用運算放大器OP1組成傳感信號預處理電路，將信號放大。然后耦合給運算放大器OP2，再進行第二級放大，同時將直流電位抬高為VM(0.5VDD)后，將輸出信號V2送到由比較器COP1和

50、COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號Vs。由于VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以，當VDD=5V時，可有效抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 COP3是一個條件比較器。當輸入電壓VcVR時，COP3輸出為高電平，進入延時周期。 當A端接“0”電平時，在Tx時間內任何V2的變化都被忽略，直至Tx時間結束，即所謂不可重復觸發(fā)工作方式。當Tx時間結束時，Vo下跳回低電平，同時啟動封鎖時間定時器而進入封鎖周期Ti。在Ti時間內，任何V2的變化都不能使Vo跳變?yōu)橛行顟B(tài)（高電平）,可有效抑制負載切換過程中產生的各種干擾。而可重復觸發(fā)工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期

51、間，信號Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Vc=“1”、A=“1”時，Vs可重復觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)，并可促使Vo在Tx周期內一直保持有效狀態(tài)。在Tx時間內，只要Vs發(fā)生上跳變，則Vo將從Vs上跳變時刻起繼續(xù)延長一個Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結束后Vo恢復為無效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時間Ti時間內，任何Vs的變化都不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。2.3.5 信號采集處理模塊 圖3-5信號處理模塊圖3-6實物圖 本電路是將人體輻射的紅外線轉變?yōu)殡娦盘?。熱釋紅外感應2腳輸入到前置放大器OP1進行放大，然后由C4耦合給運算放大器OP2進行第二級放

52、大。再經過電壓比較器COP1和COP2構成雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號去啟動延時時間定時器輸出信號在經過R3進入單片機部分進行處理。延時周期可通過R12來調節(jié)輸出，在延時時間內只要Vs發(fā)生上跳變，Vo就會從Vs上跳變時刻起繼續(xù)延長一個周期，而電路中的電容為了能夠更好的控制了芯片內的定時器，若Vs一直保持為高電平，這樣就可以通過P10傳輸到單片機內進行下一步處理。而根據不同的距離要求來調節(jié)R13，最大可以調節(jié)到7米左右。圖中BISS0001中1腳用跳線連連接住一個接高電平后，在延時時間段內如果有人體在其感應范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才將高電平變?yōu)榈碗娖?，本電路設計就是可

53、觸發(fā)方式。3 系統(tǒng)的硬件電路 3.1 單片機最小系統(tǒng) 要使單片機工作起來最基本的電路構成為單片機最小系統(tǒng)如圖3示。 圖3 信號處理模塊 單片機最小系統(tǒng)包括單片機、復位電路、時鐘電路構成。STC89C52 單片機的工作電壓范圍：4V-5.5V,所以通常給單片機外界5V直流電源。連接方式為單片機中的40腳VCC接正極5V，而20腳VSS接電源地端。復位電路就是確定單片機的工作起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。單片機接通電源時產生復位信號，完成單片機啟動確定單片機起始工作狀態(tài)。當單片機系統(tǒng)在運行中，受到外界環(huán)境干擾出現程序跑飛的時候，按下復位按鈕內部的程序自動從頭開始執(zhí)行。一般有上電自動復位和外部按鍵

54、手動復位，單片機在時鐘電路工作以后，在RESET端持續(xù)給出2個機器周期的高電平時就可以完成復位操作。本設計采用的是外部手動按鍵復位電路，需要接上上拉電阻來提高輸出高電平的值。 時鐘電路好比單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。時鐘電路就是振蕩電路，是向單片機提供一個正弦波信號作為基準，決定單片機的執(zhí)行速度。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內振蕩器。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us。 3.2 單片機的時鐘電路與復位電路設計 本系統(tǒng)采用STC系統(tǒng)列單片機，相比其他系列單片機具有很多優(yōu)點。一般STC單片機資源比其他單片機要多，而且執(zhí)行速度快；STC系列單片機使用串口對單片機進行燒寫,下載程序較為方便；STC89C52單片機內部集成了看門狗電路；且具有很強抗干擾能力。本系統(tǒng)采用內部方式的時鐘電路和加電自復位的復位電路，如下圖4圖5所示：圖4 時鐘電路圖5 復位電路由于單片機P0口內部不含上拉電阻，為高阻態(tài)，不能正常地輸出高/低電平，因而該組I/O口在使用時必須外接上拉電