烟雾报警器设计.docx

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1、 国 家 示 范 性 高 等 职 业 院 校 毕业设计 课题名称：基于C51单片机的烟雾报警系统系 部： 电子信息工程系 班 级： 2011级应用电子技术班 姓 名： 李静 学 号： 指导教师： 杨贤军 【摘要】目前，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活得四周到处潜伏着火灾隐患。为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。本设计是利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾报警系统。论文中主要针对烟雾报警系统中的各个组成

2、部件进行了介绍，对它的主控电路和外围设备电路之间的接口技术，还有软件方面进行了重点介绍。关键词：报警器、89C51、烟雾传感器 目 录1 绪论31.1烟雾报警器的发展及现状31.1.1 火灾探测技术31.1.2 火灾探测器的发展趋势31.2 论文研究的目的及意义41.3论文内容42基于C51单片机的烟雾报警的设计方案62.1 任务分析62.2设计方案62.2.1方案设计思想62.2.2 总体框图73.1主控电路设计83.1.1 12C5A60S2系列83.1.2 12C5A60S2的基本结构83.1.3 12C5A60S2单片机的的封装和引脚93.1.4 12C5A60S2单片机的时钟103.

3、2外围接口电路设计123.2.1 MQ-2烟雾传感器简介133.2.2声光报警电路173.3总电路设计184 软件实现214.1 编程KEIL环境介绍214.2 程序流程214.3 程序22结束语28谢 辞29参考文献301 绪论1.1烟雾报警器的发展及现状1.1.1 火灾探测技术 火灾作术为一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，对人类生命财产和社会安全构成了极大的威胁。由此引发的重大安全事故比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究。火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程，它除了自身的物理化学变化以外还会受到许多外界的千扰，火灾一旦产生便以接触式(物质流)和非接触式能量流)的形式向外释放

4、能量。接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等。非接触式如声音、辐射等。火灾探测技术就是利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另外一种易于处理的物理量。各种探测器对应的火灾物理参量及探测器如图1-1所示。图1-1 各种探测器对应的火灾物理参量及探测器1.1.2 火灾探测器的发展趋势探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术弱信号处理技术、低功耗MCU技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。火灾着极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能

5、化的方向发展迈出了更快的步伐。 近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到任何电子系统中去，同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。1.2 论文研究的目的及意义 目的：随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。家庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。消防部门的

6、统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火灾的30%左右。家庭起火的原因林林种种，可能在我们注意得到的地方，也可能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭眼间毁于一旦,有的导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当、报警迟缓,是造成人员伤亡的重要因素。所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾的发生。这就是我们研究烟雾报警器的目的。意义：在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。假如能根据您家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。烟

7、雾报警器对防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。一系列火灾造成的惨痛损失也使全国各界意识到了烟雾报警器的必要性。据调查，在最近发生火灾的大多数房屋都没有安装报警器。所以，烟雾报警器在预防火灾发生上有着非常重大的意义。1.3论文内容第一章 绪论 本章本主要介绍了烟雾报警器的发展史及发展趋势。对烟雾探测器进行了系统性的阐述。还有论文研究的目的和意义进行了简单的解释。第二章 基于C51单片机的烟雾报警的设计方案 本章是根据论文的要求分析了论文的主要任务。继而概括出整个设计的主要思想和确定出设计方案。第三章 系统硬件实现 本章针对的是系统硬件是设计。在对整个系统硬件设计时，我们主要从它的主控芯片12C

8、5A60S2和外围电路（声光报警电路）的设计来具体介绍。还有对在设计中用到的烟雾传感器进行了重点介绍。第四章 软件实现 本章是论文的软件部分。其中，我们熟悉了整个程序设计的运行环境keil。还有程序的编写过程，对程序做了相应的注释。最后附上结束语（我的感想）、谢辞和参考文献。2基于C51单片机的烟雾报警的设计方案2.1 任务分析单片机应用系统可以分为只能仪器表和工业测控系统两大类，无论哪仪类，都必须以市场需求为前提。所以，在系统设计前，首先要进行广泛的市场调查，了解该系统的时常应用概况，以分析系统当前存在的问题，研究系统的时市场前景，确定市场开发设计的目的和目标。简单地说，就是通过调研克服旧缺

9、点，开发新功能。 根据论文的设计要求：（1)、熟悉Keil编程环境；（2）、熟悉有关探测器的理论知识；（3）、给出设计方案；此次的设计先从硬件设计上着手。先要整理出烟雾报警系统的整体思路。确定出方案设计中需要的硬件设备。我们在确定了大的方向基础上，就应该对系统实现进行规划。包括应该采集的信号种种类、数量、范围，输出信号的匹配和转换，传感器的选择，技术指标的确定等。2.2设计方案2.2.1方案设计思想此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学三年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的烟雾报警系统。12C5A60S2单片机好比一个桥梁

10、，联系着传感器和报警电路设备。当周围的环境（温度、湿度、烟雾浓度）达到我们设定的数值时，烟雾传感器把被测的物理量（温度、湿度、烟雾浓度）作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。而我们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合A/D转换器的输入等级，这样就可以简化整个系统的设置。传感器将物理信号经过A/D转换器转化为可以利用识别的电信号给单片

11、机，这里我们选择单片机的P1.0为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定（当温度、湿度、烟雾浓度达到设定数值时）会由P2.0作为单片机的输出直接启动报警电路。此时，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时二极管发光，这就达到了声光报警的效果。2.2.2 总体框图根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了烟雾报警系统的总体框图如图2-1所示下：图2-1烟雾报警系统的总体框图使用12C5A60S2单片机，选用烟雾传感器作为敏感元件，利用扬声器和LED等为声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位火灾报警的烟雾报警器。整个设计由3大部分构成：烟雾传感器、12C5A60S2单片机、声光报警电路。其中，传

12、烟雾感器是将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号；声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。综合考虑各因素，本文选择MQ-2烟雾传感器用作采集系统的敏感元件。MQ-2烟雾传感器能探测液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。3 系统硬件实现3.1主控电路设计硬件设计中最核心的器件是单片机12C5A60S2，它自带AD转换，转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比较。整个系统的软件编程就是通

13、过C语言对单片机12C5A60S2实现其控制功能。3.1.1 12C5A60S2系列STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代单片机，指令代码完全兼容传统，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz（25万次/秒）。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型IO口，用户可以

14、通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不须作为A/D使用的口可继续作为IO口使用。单片机ADC由多路开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器以及ADC_CONTER构成。该单片机的ADC是逐次比较型ADC。主次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。需作为AD使用的口先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为1，将相应的口设置为模拟功能。3.1.2 12C5A602

15、S的基本结构12C5A602S的基本结构如图所示图3-1 12C5A60S2的基本结构3.1.3 12C5A60S2单片机的的封装和引脚12C5A60S2系列单片机采用双列直插式（DIP）.QFP44（Quad Flat Pack）和LCC（Leaded Chip Caiier）形式封装。这里仅介绍常用的总线型DIP40封装。如图3-2所示。图3-2 12C5A60S2单片机的的封装和引脚3.1.4 12C5A60S2单片机的时钟(1)振荡器和时钟电路12C5A60S2内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。12C5A60S2的时钟产生方法有以下两种。a

16、内部时钟方式利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTALl和XTAL2两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，Cl和C2的值通常选择为30pF左右；Cl、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl和XTAL2靠近。图3-3 12C5A60S2时钟电路接线方法3.2外围接口电路设计3.2.1 MQ-2烟雾传感器简介MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化(SnO2)。当传感

17、器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。图1MQ-2 气敏元件的结构和外形如图1 所示由微型AL2O3 陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。MQ-2半导体烟雾传感器在不通电状态存放一

18、段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电存放时间达到15天左右时，初期稳定时间一 般需要5分钟左右。此图是传感器典型的灵敏度特性曲线。图1H2:氢气LPG: 液化气CH4:甲烷CO:一氧化碳alcohol:乙醇propane:丙烷air:空气3.2.2声光报警电路声光报警电路由单片机P3.7口控制，输出报警信号，驱动声光报警电路，直至按

19、开关键。声光报警电路由扬声器和普通发光二极管组成，电路图如图3-10所示。图3-10 声光报警电路3.3总电路设计本论文中的烟雾检测报警器以12C5A60S2单片机为控制核心，MQ-2型 阻式半导体传感器采集烟雾信息。首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入12C5A60S2单片机；然后，在12C5A60S2单片机内A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气体浓度送入数码管，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态报警灯不亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并且红灯亮。另外

20、由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、 稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。综上所述，得出总电路图如图3-11所示： 图3-11 烟雾报警系统总电路图4 软件实现4.1 编程KEIL环境介绍Keil公司是一家业界领先的微控制器（MCU）软件开发工具的独立供应商。Keil公司由两家私人公司联合运营，分别是德国慕尼黑的Keil Elektronik GmbH和美国德克萨斯的Keil Software Inc。Keil公司制造和销售种类广泛的开发

21、工具，包括ANSI C编译器、宏汇编程序、调试器、连接器、库管理器、固件和实时操作系统核心（real-time kernel）。有超过10万名微控制器开发人员在使用这种得到业界认可的解决方案。其Keil C51编译器自1988年引入市场以来成为事实上的行业标准，并支持超过500种变种。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。C51编译器的功能不断增强，更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51工具包的整体结构， uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调

22、试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。4.2 程序流程图4-1 流程图4.3 程序#include/*头文件*/#include /*AD寄存器定义*/sfr ADC_CONTR=0xBC;sfr ADC_DA

23、TA=0xBD;sfr ADC_LOW2=0xBE;sfr P1_ADC_EN=0x9D;sfr P4=0xC0;/*宏定义*/#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define ADC_POWER 0x80#define ADC_FLAG 0x10#define ADC_START 0x08#define ADC_SPEEDHH 0x00#define ADC_SPEEDH 0x20#define ADC_SPEEDL 0x40#define ADC_SPEEDLL 0x60#define uint unsigned int

24、#define uchar unsigned char uint ad_value,NH4_value;float AN_value;/*位操作端口定义*/sbit set_key=P14; /“设置”键 K1sbit add_key=P15; /“加”键 K2sbit cut_key=P17; / “减”键 K3sbit speak=P37; / 蜂鸣器sbit LED1=P36; / 红sbit LED2=P35; / 绿sbit qian_wei=P10;sbit bai_wei=P11;sbit shi_wei=P12;sbit ge_wei=P13;uchar y_data4; /储

25、存烟雾的数据int set_data=200; /报警初始值的设定 uchar temp4=0,0,0,0;uchar bianma=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;uchar flog4;void delay_1ms(uchar i) uint x,y;for(x=i;x0;x-)for(y=124;y0;y-);void display()qian_wei=0;bai_wei=1;shi_wei=1;ge_wei=1;P2=bianmay_data0;delay_1ms(5);qian_wei=1;bai_wei=0;sh

26、i_wei=1;ge_wei=1;P2=bianmay_data1;delay_1ms(5);P2=0xff;qian_wei=1;bai_wei=1;shi_wei=0;ge_wei=1;P2=bianmay_data2;delay_1ms(5);P2=0xff;qian_wei=1;bai_wei=1;shi_wei=1;ge_wei=0;P2=bianmay_data3;delay_1ms(5);P2=0xff;void display2()temp0=set_data/1000; temp1=(set_data%1000)/100;temp2=(set_data%100)/10;tem

27、p3=set_data%10;qian_wei=0;bai_wei=1;shi_wei=1;ge_wei=1;P2=bianmatemp0;delay_1ms(5);P2=0xff;qian_wei=1;bai_wei=0;shi_wei=1;ge_wei=1;P2=bianmatemp1;delay_1ms(5);P2=0xff;qian_wei=1;bai_wei=1 ;shi_wei=0;ge_wei=1;P2=bianmatemp2;delay_1ms(5);P2=0xff;qian_wei=1;bai_wei=1;shi_wei=1;ge_wei=0;P2=bianmatemp3;d

28、elay_1ms(5);P2=0xff;/* 模数转换初始换函数*/void init_ADC()P1_ADC_EN=0x40;ADC_DATA=0;ADC_LOW2=0;ADC_CONTR=ADC_SPEEDLL|ADC_POWER;delay_1ms(20);/* 模数转换函数*/uint ADC(uchar num) /参数num用于指定是哪个模拟量转换 ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|num|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);ADC_CONTR&=A

29、DC_FLAG;ad_value=ADC_DATA*4+ADC_LOW2; /转换的结果是十位的 高八位放在ADC_DATA中 低两位放在ADC_LOW2return ad_value; /将转换后的数字量返回/* 模数转换后数据处理函数*/void pos_AD()AN_value=ADC(6); / 装换氨气的浓度 把转换后的数字量结果赋给AN_valuedelay_1ms(5);/*对转换后的数字量进行矫正*/if(AN_value810)AN_value=810;NH4_value=(810-AN_value)*0.;y_data0=NH4_value/1000; /将气体浓度值的个位

30、 十位 百位 千位 分开 用于显示y_data1=(NH4_value%1000)/100;y_data2=(NH4_value%100)/10;y_data3=NH4_value%10;/* 报警处理函数*/void baojing() if(set_data5000)set_data=5000; if(cut_key=0) delay_1ms(5); if(cut_key=0) set_data=set_data-1;while(cut_key=0);if(set_data=0)set_data=0; display2(); else pos_AD();display();baojing(

31、); 结束语忙碌了一段时间，终于要交稿了。毕业设计是我作为学生时期的最后一次作业，所以，当这一刻来临时居然有些不舍。相当初拿到题目时束手无策的样子，真的是很不懂事。因为，题目上出现的专业术语令我望而却步了。直到快要毕业时，才发现自己学到的东西太少了，而要学习的东西太多太多。曾经想多放弃，但放弃意味着什么？指导老师的一席话让我如梦初醒：虽然快毕业了，但毕业以后，你们要学习的东西还很多。人生就是不断的学习，不断的进步，不断的接受新事物才能学到很多有用的知识。倘若放弃，那么以后的人生就是被别人放弃。倘若没有这次毕业设计，那么我将失去人生中最重要的教育：那就是，不能轻言放弃。在这两个月中，找资料的过程

32、让我学到很多。对单片机的了解也随之加深，它在烟雾报警系统中的应用，很多附件的应用，很多芯片的结构都有了一定的了解。在画图过程中，对Protel 2004软件能够操作自如。也对KEIL编程环境有了一些了解。临近毕业，回想甚多。在学校里学到的东西大多偏于理论，实践的太少。想想我们以后走向工作岗位，应该是实践与理论相结合。所以，我们应该把握现在，好好学习。毕业设计，不单单只是设计，还是一次敢于接受新事物的挑战，锻炼你的意志，磨练你的性格。这是一次再育的机会，所以我们必须珍惜。设计已接近尾声，我希望大家遇到困难时请不要轻言放弃，要相信自己，努力学习，困难就会迎韧而解的。谢 辞毕业设计能够如期完成，我的

33、指导老师杨贤军老师给我了极大的帮助与支持。李老师学识渊博，学风严谨，待人宽厚。在我遇到困难时能耐心解答直至我明白。尤其在我刚拿到一个带有陌生专业术语的题目想退缩时，李老师的一翻教导令我受益匪浅。让我明白，没有付出，就没有回报的真谛。还有，人要不断的接受新知识，学习新知识，这样才能在以后的人生道路上坚强的走下去。李老师要指导很多同学的论文，加上本来就有教学任务，工作量之大可想而知，而我对于单片机来说，是个初学者。所以，在设计的过程中，遇到很小的问题，都要劳烦老师讲解。在不断的接触中，李老师的朴实无华，平易近人的性格对我影响颇深。在李老师的指导和鼓励下，我才有信心去完成毕业设计，很荣幸成且幸运成为

34、李老师的学生。除李老师之外，还要感谢我的同学们。他们给了我很多的建议和帮助。尤其在程序的编写方面，给了我很大的帮助。特此感谢！通过本次设计，让我明白了很多。最重要的是一个人如果无法独立完成一件事情，那么，同学和朋友就是你的依靠。再次感谢在设计中给我帮助的老师和同学！参考文献1李全利，单片机原理及应用技术。北京：高等教育出版社，20042金发庆，传感器技术与应用。 北京：机械工业出版社，20043王曙霞，单片机实验与实训指导。西安：西安电子科技大学出版社，20074及力，Protel 99 SE原理图与PCB设计教程。北京：电子工业出版社，20075张玉莲，电子CAD（Protel99SE）实训

35、指导书。西安：西安电子科技大学出版社，20076何利民，单片机高级教程。北京：航空航天大学出版社，20007李朝青，单片机原理与接口技术。北京：航空航天大学出版社，19998张毅刚，MCS-51单片机应用设计。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，19979潘新民，微型计算机控制技术。北京：人民邮电出版社，199910李华，MCS-51系列单片机实用接口技术。北京：航空航天出版社，200011Intel,MCS-51 Family of Single Chip Microcomputer Users Manual,199012陈光东，单片微型计算机原理接口技术。武汉：华中理工大学出版社，199913王福瑞，单片机测控系统大全，北京：航空航天大学出版社，1998