煙霧檢測報警系統(tǒng)電子電路設(shè)計.doc

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煙霧檢測報警系統(tǒng)電子電路設(shè)計 摘 要 隨著科技的進步，我們的日常生活中出現(xiàn)了許多容易燃燒的物品，為了提前發(fā)現(xiàn)并阻止火災(zāi)的發(fā)生，防止和減少火災(zāi)引起的事故。故設(shè)計出本系統(tǒng)根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時的特征即煙和熱，利用M-Q2煙霧傳感器檢測煙霧，當檢測到煙霧濃度較高時，通過單片機處理實現(xiàn)報警，并通過MAX485實現(xiàn)與上位機通信，實現(xiàn)上位機對下位機的分布式監(jiān)控。本系統(tǒng)下位機有信號采集模塊，報警模塊，串口通信模塊組成，上位機通過VB界面對下位機進行監(jiān)控。整個系統(tǒng)效果還是比較好的，反應(yīng)也較快，測量結(jié)果比較準確。 以STC89C51單片機和M-Q2煙霧傳感器為核心設(shè)計的煙霧報警器可實現(xiàn)聲光報警、故障自診斷、濃度顯示、報警限設(shè)置、延時報警及與上位機串口通信等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的煙霧報警器。具有一定的實用價值。 關(guān)鍵字：煙霧傳感器， STC89C51單片機，報警模塊，串口通信 目 錄 1 緒論 1 1.1 課題描述 1 1.2 設(shè)計任務(wù)與要求 1 1.3 基本工作原理及框圖 1 2 相關(guān)芯片及硬件電路設(shè)計 2 2.1電路元件清單 2 2.2電源電路的設(shè)計 3 2.3光電傳感器裝置的設(shè)計 4 2.4聲音報警電路 5 2.5 數(shù)碼管顯示電路 6 2.6煙霧檢測模塊電路 7 2.7單片機的最小系統(tǒng)的設(shè)計 8 3 整體電路 9 總 結(jié) 11 致 謝 12 參考文獻 13 附錄1 程序 14 1 緒論 1.1 課題描述 本課題利用光電檢測技術(shù)設(shè)計出一套煙霧檢測報警系統(tǒng)。光電傳感器中光發(fā)射管與光敏接收管成90排列，是電路中重要環(huán)節(jié)之一。當沒有煙霧時光發(fā)射管發(fā)出的光不會被光敏管接收到，當有煙霧時，光被漫反射，光發(fā)射管發(fā)出的光部分會被光敏管接收到。 在保持安全監(jiān)測時，可根據(jù)光被漫反射后，光敏管接收到的光的強弱，通過光電轉(zhuǎn)換電路及放大電路輸出，經(jīng)數(shù)字電路，51系列單片機判斷，指令寄存或驅(qū)動數(shù)碼管顯示，亦可報警。也可用接口電路，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。煙霧檢測報警裝置是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度并具 有報警功能的儀器。該報警裝置是石油化學(xué)工業(yè)、有氣體泄漏可能的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器[1]。 1.2 設(shè)計任務(wù)與要求 為了提前發(fā)現(xiàn)和阻止火災(zāi)發(fā)生，防止和減少火災(zāi)引起的燃燒、爆炸等事故，造成社會嚴重的經(jīng)濟損失，甚至危及人的生命安全。因此，研究煙霧的檢測方法與煙霧報警器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個重要課題。本設(shè)計中的煙霧報警電路是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度并具有聲光報警功能的電路。該報警電路是石油化學(xué)工業(yè)、有氣體泄漏可能的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器。因此研究新型、性能穩(wěn)定、準確監(jiān)測可燃性氣體，并符合國家相關(guān)規(guī)定的報警器具有極其重要得意義[2]。 設(shè)計任務(wù)： 1．設(shè)計一個光電傳感器裝置，當有煙霧時，光被漫反射，光發(fā)射管發(fā)出的光部分會被光敏管接收到，根據(jù)光電信號強弱，經(jīng)數(shù)字電路、單片機數(shù)字被送至顯示電路顯示，或被報警。 2．設(shè)計要求畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；元器件及參數(shù)選擇；電路仿真與調(diào)試。 3．制作要求自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。 4．編寫設(shè)計報告，寫出設(shè)計與制作過程，附上資料和圖紙，有心得體會。 1.3 基本工作原理及框圖 煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號，通過A/D轉(zhuǎn)換電路 將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機，進而由單片機完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測報警器的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見，傳感器的選型是非常重要的[3]。 半導(dǎo)體煙霧傳感器的突出優(yōu)點：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低等。因此，本設(shè)計采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計選用MQ-2型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度 高、響應(yīng)快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點[4]。 煙霧檢測報警系統(tǒng)電子電路框圖如圖1所示。 傳感器 放大電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 單片機 串行口 安全控制裝置 狀態(tài)指示燈 聲音報警器 濃度顯示 四個按鍵 圖1 煙霧檢測報警系統(tǒng)電子電路框圖 2 相關(guān)芯片及硬件電路設(shè)計 2.1電路元件清單 煙霧檢測報警系統(tǒng)元件清單如表1所示。 表1 元件清單 序號 元器件類型 元器件規(guī)格 數(shù)量 備注 1 電源 12V蓄電池 1 2 變壓器 單相變壓器100KVA 1 3 定值電阻 金屬膜電阻 13 4 可變電阻 滑動變阻器 2 5 極性電容 電解電容 5 6 二極管 二極管IN148 6 7 固定電容 瓷片電容 2 8 穩(wěn)壓器 可調(diào)式三端穩(wěn)壓器CW317 1 9 開關(guān) 閘刀開關(guān) 1 10 晶振 石英晶體諧振器 2 11 報警器 蜂鳴器 1 12 煙霧傳感器 M-Q2型傳感器 1 13 多諧振蕩器 555定時器 1 14 單片機 STC89C51 1 15 運算放大器 LM324高增益四運算放大器 2 16 數(shù)碼管 SMS0403四位段式液晶 1 17 開關(guān) 按鍵開關(guān) 4 18 發(fā)光二極管 磷砷化鎵發(fā)光二極管 3 2.2電源電路的設(shè)計 本系統(tǒng)使用外部220V交流供電，經(jīng)過變壓器變壓，橋式整流和電容濾波以及可調(diào)試三端穩(wěn)壓器CW317調(diào)節(jié)后，可以輸出連續(xù)可調(diào)的直流電壓，可輸出9V。 可調(diào)式三端穩(wěn)壓器CW317，其特征參數(shù)Vo =1.2V～3.7V， Iomax=1.5V，最小輸入、輸出壓差（Vi-Vo）min=3V，最大輸入、輸出壓差（Vi-Vo）max= 40V。R1與RP1組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路[5]。 電源電路圖如圖2所示： 圖2 電源電路圖 2.3光電傳感器裝置的設(shè)計 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)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(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。按敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導(dǎo)體氣敏元件也有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨煙霧濃度的增大而減?。籔型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。 本設(shè)計中采用的MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。當處于200~300C溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受到該煙霧的調(diào)制而變化，就會引起表而電導(dǎo)率的變化。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息[6]。 遇到可燃煙霧（如CH4等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導(dǎo)體又會自動恢復(fù)氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是MQ-2型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。 氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為RA。一般其固有電阻值在(103～105)Ω范圍。氣敏元件一般工作在200℃以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用RH。 直熱式的加熱電阻值一般小于5Ω；旁熱式的加熱電阻大于20Ω。氣敏半導(dǎo)體時在接觸不同氣體時，工作于不同溫度下產(chǎn)生的器件阻發(fā)生值變化。 氣敏元件的靈敏度是表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標。它表示氣體敏感元件的電參量與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種： （a）電阻比靈敏度K： 式中:Ra—氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值； Rg—氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中的電阻值。 （b）氣體分離度： 式中:Rc1—氣敏元件在濃度為Cc的被測氣體中的阻值： Rc2—氣敏元件在濃度為C2的被測氣體中的阻值。通常，C1＞C2。 （c）輸出電壓比靈敏度Kv: 式中:Va—氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的電壓輸出； Vg—氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻的電壓輸出. 2.4聲音報警電路 聲音報警電路圖如圖所示。報警裝置采用無源壓電式KM3712x型蜂鳴器，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于報警器的報警聲音源。當單片機AT89S52的P1.0腳置1時，三極管Q1導(dǎo)通，蜂鳴器報警。本報警器采用單片機P3.0功能，如果煙霧濃度達到報警限，單片機控制P1.0(PWM)口輸出占空比一定 的脈沖，報警時蜂鳴器會發(fā)報警的聲音[7]。 聲音報警電路如圖3所示： 圖3 聲音報警電路 2.5 數(shù)碼管顯示電路 報警器濃度顯示采用共陽數(shù)碼管。顯示濃度級別和2位溫度.數(shù)碼管實際上由7發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的.如圖其接口電路是把所有顯示器的8個筆畫段a-h同名端連在一起，而每個顯示器的公共極是各自獨立的受I/O線控制?？刂贫私釉赑2.7，字段則分別接在P0.0-P0.7口。其主要技術(shù)參數(shù)如下： 模塊工作電壓： 2.7~5.5V 工作電流： 80ma,每段10ma 字高：11.4mm環(huán)境相對濕度：<85％ 視角：6:00 工作溫度：-10~+50C 顯示方式：反射式正顯示存儲溫度：-20～+60C 接口方式：8線并行接口 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)如圖8所示： 圖4 數(shù)碼管結(jié)構(gòu) 2.6煙霧檢測模塊電路 QM-N5的連接方式如圖4.4所示，因為煙霧傳感器內(nèi)部1腳和三腳相連，4腳和6腳相連，所以電路連接只需一對就可以工作了。20K的可調(diào)電阻是為其報警功能而添加的。當傳感器檢測到煙霧的時間，第3和第6腳之間的電阻會變的很低，可調(diào)電阻在適合的阻值時，單片機的P1.2口就會被至為低電平，此時我們就可以通過查詢或中斷方式檢測該信號變化，檢測到后設(shè)置P1.3口也為低電平，加上個三極管，這樣就可以驅(qū)動蜂鳴器，達到報警的目的[8]。 煙霧檢測模塊電路如圖5所示： 圖5 煙霧檢測模塊電路 2.7單片機的最小系統(tǒng)的設(shè)計 單片機最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng).對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機、晶振電路、復(fù)位電路。STC89C51單片機最小系統(tǒng)見圖6所示： 圖6 單片機的最小系統(tǒng) 晶振電路： 晶振電路為單片機的正常工作提供時鐘信號，可以說是單片機的心臟部分，它一般有晶振和電容兩部分組成。晶振的選擇根據(jù)系統(tǒng)的其他設(shè)計要求不同而有所不同，常用的有11.0592M和12M兩種，11.0592一般用于串口通信，因為它可以提供準確的波特率，本系統(tǒng)因為要和上位機進行通信，故選用該種晶振。12M晶振是最常用的晶振，因為它可以產(chǎn)生精確的μS級的機器周期,方便定時操作[9]。 3 整體電路 煙霧報警電路主要由煙霧傳感器和單片機電路及分立元件組成，電路將檢測到的煙霧信號轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過5單片機電路電路進行電位分析，判斷電位是否大于或等于某個預(yù)設(shè)值(也就是臨界報警值)。為方便調(diào)節(jié)臨界報警值，在煙霧傳感器檢測電路部分安裝了電位器。以下是電路的工作方式與過程： 當電源開關(guān)閉合后，交流電經(jīng)過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個過程后，產(chǎn)生12V和5V的直流電壓，給單元電路和整機供電。電路經(jīng)預(yù)熱3分鐘后，整機進入工作狀態(tài)。 當電路處于無煙霧的情況下，煙感元件MQ-2的極片A-B間的阻值較大，該電阻與R3的分壓減小，相應(yīng)使單片機電路腳處于低電平， LED指示燈和蜂鳴器不工作。 當煙感元件接觸到可燃性氣體或煙霧時，其煙感元件MQ-2極片A-B間的電阻值降低，從而使該電阻與R3的分壓上升，相應(yīng)單片機電路腳電位上升，相應(yīng)5的輸出端③腳的輸出信號驅(qū)動報警電路發(fā)出報警，直到煙霧消失后電路才能恢復(fù)正常[10]。 煙霧報警整機電路如圖7所示： 圖7 煙霧報警整機電路 總 結(jié) 隨著現(xiàn)代家庭用火、用電量的增加，家庭火災(zāi)發(fā)生的頻率越來越高。煙霧報警器也隨之被廣泛應(yīng)用于各種場合。該設(shè)計的家用可燃性氣體泄露報警，采取了單獨利用硬件的開發(fā)方式，充分利用了氣敏傳感器及其他元件的特性，使其相輔相成，從而該設(shè)計的燃氣報警裝置有較高的性價比。該智能可燃性氣體報警器具有較好的性能，并且價格低廉，適應(yīng)市場上可燃性氣體報警器發(fā)展的方向所以其應(yīng)用前景廣闊。 通過這次課程設(shè)計我也發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足之處，雖然感覺理論上已經(jīng)掌握，但在運用到實踐的過程中仍有意想不到的困惑，經(jīng)過一番努力才得以解決。這也激發(fā)了我今后努力學(xué)習(xí)的興趣，我想這將對我以后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極的影響。通過這次設(shè)計，我懂得了學(xué)習(xí)的重要性，了解到理論知識與實踐相結(jié)合的重要意義，學(xué)會了堅持、耐心和努力，這將為自己今后的學(xué)習(xí)和工作做出了最好的榜樣。 致 謝 時光如梭，光陰似箭，畢設(shè)轉(zhuǎn)眼之間就來到了終點，我一直都認為能夠在大學(xué)的終點自己親手完成自己的畢業(yè)設(shè)計，自己盡情的發(fā)揮自己在這四年所學(xué)到的東西，把自己不能理解的理論知識用于實踐是一件非?？鞓返氖?，所以我一直非常期待它的到來。事實也是這樣，在整個畢業(yè)設(shè)計的過程中我學(xué)會了很多東西，畢業(yè)設(shè)計讓我學(xué)會了發(fā)現(xiàn)問題，提出問題,分析問題,解決問題的能力。這些將對我以后的工作和人生產(chǎn)生深遠的影 響。 本次畢業(yè)設(shè)計我首先要感謝指導(dǎo)老師林科老師，特別是畢業(yè)設(shè)計的開始，當我對自己的課題毫無頭緒的時候，是林老師仔細的給講解我的課題的思路，以及如何才能更好的實現(xiàn)，在后續(xù)的設(shè)計和調(diào)試過程中林老師也都給予了細心的指導(dǎo)，他那嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，認真負責(zé)的工作作風(fēng)，樸實無華的生活態(tài)度都給我留下了深刻的印象，這些也將成為我今后學(xué)習(xí)生活中永遠學(xué)習(xí)的楷模。 在設(shè)計制作的過程中，也得到了其他老師的熱心指導(dǎo)和周圍同學(xué)的真誠幫助，感謝他們提供了良好的環(huán)境，使我在設(shè)計中避免了許多麻煩，少走了不少彎路。在此向他們表示衷心的感謝。同時感謝參考資料的各位作者。 參考文獻 [1] 賈秀美.數(shù)字電路實踐技術(shù)（第一版）.中國科學(xué)技術(shù)出版社，2000. [2] 王毓銀.脈沖與數(shù)字電路（第三版）.高等教育出版社，1999. [3] 路勇.電子電路實踐及仿真（第一版）.清華大學(xué)出版社，2004. [4] 岳怡.數(shù)字電路與數(shù)字電子技術(shù)（第一版）.西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001. [5] 劉常澍.數(shù)字邏輯電路（第一版）.國防工業(yè)出版社，2002. [6] 蕭寶瑾.protel 99 SE操作指導(dǎo)與電路設(shè)計實例（第一版）.太原理工大學(xué)，2004. [7] 趙學(xué)良，張國華.電源電路[M].北京:電子工業(yè)出版社,1995. [8] 張義申，陸坤等.電子設(shè)計技術(shù)[M].西安: 西安電子科技大學(xué)出版.1996. [9]劉君華，智能傳感器系統(tǒng).西安：西安電子科技大學(xué)出版.2000. [10]紀樹賡，自動顯示技術(shù)與儀表.3板.北京：機械工業(yè)出版社，1996. 附錄1 程序 1.BIN_BCD: MOV DPTR,#TEMP_TAB MOV A,TEMPER_NUM MOVC A,@A+DPTR MOV TEMPER_NUM,A RET TEMP_TAB: DB 00H,01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H DB 08H,09H,10H,11H,12H,13H,14H,15H DB 16H,17H,18H,19H,20H,21H,22H,23H DB 24H,25H,26H,27H,28H,29H,30H,31H DB 32H,33H,34H,35H,36H,37H,38H,39H DB 40H,41H,42H,43H,44H,45H,46H,47H DB 48H,49H,50H,51H,52H,53H,54H,55H DB 56H,57H,58H,59H,60H,61H,62H,63H DB 64H,65H,66H,67H,68H,69H,70H,71H DB 72H,73H,74H,75H,76H,77H,78H,79H DB 80H,81H,82H,83H,84H,85H,86H,87H DB 88H,89H,90H,91H,92H,93H,94H,95H DB 96H,97H,98H,99H TSR1: DJNZ R0,TSR1 ; 延時512微秒 SETB DQ MOV R0,#25H ;延時60微秒，判斷18B20返回信號 TSR2: JNB DQ,TSR3 DJNZ R0,TSR2 LJMP TSR4 ; 延時 TSR3: SETB FLAG1 ; 置標志位,表示DS18B20存在 LJMP TSR5 TSR4: CLR FLAG1 ; 清標志位,表示DS18B20不存在 LJMP TSR7 TSR5: MOV R0,#0FFH ;512US TSR6: DJNZ R0,TSR6 ; 延時 TSR7: SETB DQ RET DELAY: MOV R7,#00H MIN: DJNZ R7,YS500 RET YS500: LCALL YS500US LJMP MIN YS500US:MOV R6,#00H DJNZ R6,$ RET DELAY1: MOV R7,#20H DJNZ R7,$ RET END 2.VB程序： Public d As String Private Sub Command1_Click() End End Sub Private Sub Command2_Click() MSComm1.Output = "1" Text2.Text = "下位機1信息" End Sub Private Sub Command3_Click() MSComm1.Output = "2" Text2.Text = "下位機2信息" End Sub Private Sub Command4_Click() Timer1.Interval = 1000 Timer1.Enabled = True End Sub Private Sub Command5_Click() Timer1.Enabled = False End Sub Private Sub Form_Load() d = "1" MSComm1.CommPort = 1 MSComm1.InputLen = 0 MSComm1.Settings = "9600,n,8,1" MSComm1.InBufferSize = 512 MSComm1.InBufferCount = 0 MSComm1.OutBufferSize = 512 MSComm1.OutBufferCount = 0 MSComm1.RThreshold = 1 MSComm1.SThreshold = 1 MSComm1.PortOpen = True End Sub Private Sub MSComm1_OnComm() Dim Buf$ Select Case MSComm1.CommEvent Case comEvReceive Buf = MSComm1.Input a = Mid(Buf, 1, 1) b = Asc(a) Text1.Text = Hex(b) c = Mid(Buf, 2, 1) If c = "1" Then Shape1.FillColor = vbRed Else Shape1.FillColor = vbGreen End If Case Else End Select End Sub Private Sub Timer1_Timer() MSComm1.Output = d If d = "1" Then Text2.Text = "下位機1信息" e = d + 1 d = e Else Text2.Text = "下位機2信息" d = "1" End If End Sub