煙霧傳感器的設(shè)計(jì)教材

1、德州學(xué)院2011級電子信息工程技術(shù)專業(yè)煙霧傳感器的設(shè)計(jì)徐濤孫開營陳超 （德州學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，山東德州253023） 摘要：本系統(tǒng)是基于STC89C52單片機(jī)的煙霧報(bào)警器，其主要模塊由單片機(jī)模塊、電源模 塊、煙霧傳感器、液晶顯示、光敏傳感器、電磁閥控制、聲音報(bào)瞥、發(fā)光報(bào)警、外部中斷、 時(shí)鐘、復(fù)位電路等模塊組成。通過單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，可有效地實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)等 危險(xiǎn)情況的檢測。其主要煙霧傳感器為MQ-2/MQ-2S氣體傳感器，所使用的氣敏材料是在清 潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（Sn02） o當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電 導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增人。使用簡單

2、的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該 氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-2/MQ-2S氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高， 對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合 多種應(yīng)用的低成本傳感器 關(guān)鍵字：STC89C52單片機(jī)；煙霧傳感器；實(shí)時(shí)檢測一、緒論1. 1設(shè)計(jì)背景當(dāng)今，火災(zāi)是世界各國人民所面臨的一個(gè)共同的災(zāi)難性問題。它給人類社會 造成過不少生命、財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，社會財(cái)富日益增加， 火災(zāi)損失上升及火災(zāi)危害范圍擴(kuò)大的總趨勢是客觀規(guī)律。近幾年來，我國每年發(fā) 生火災(zāi)約4萬起，死2000多人，傷30004000人，每年火災(zāi)造成的直接財(cái)產(chǎn)損

3、 失10多億元，尤其是造成幾十人、幾百人死亡的特大惡性火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，給國 家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。火災(zāi)的危害性具體體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：（1）火災(zāi)會造成慘重的直接財(cái)產(chǎn)損失（2）火災(zāi)造成的間接財(cái)產(chǎn)損失更為嚴(yán)重?，F(xiàn)代社會各行各業(yè)密切聯(lián)系，牽一發(fā) 而動全身。一旦發(fā)生重、特大火災(zāi)，造成的間接財(cái)產(chǎn)損失之大，往往是直接財(cái)產(chǎn) 損失的數(shù)十倍。（3）火災(zāi)會造成大量的人員傷亡。（4）火災(zāi)會造成生態(tài)平衡的破壞，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國年均森林火災(zāi)毀林面積達(dá)100萬公頃（我國森林覆蓋率僅為13%,日本60%）,森林大面積減少，造成洪水 泛濫。（5）火災(zāi)會造成不良的社會政治影響。然而很多火災(zāi)都是由于發(fā)現(xiàn)不及時(shí)導(dǎo)致

4、了嚴(yán)重的后果，及早發(fā)現(xiàn)隱患對于后德州學(xué)院2011級電子信息工程技術(shù)專業(yè)期的救災(zāi)具有至關(guān)重要的作用。于是煙霧傳感器就應(yīng)運(yùn)而生了，而煙霧傳感器以 其獨(dú)特的優(yōu)勢，在火災(zāi)報(bào)警和有害氣體檢測起到了至關(guān)重要的作用。而基于煙霧 傳感器的火災(zāi)報(bào)警器也就順應(yīng)時(shí)代的要求產(chǎn)生了，他克服了很多的不確定性，大 大減小了誤報(bào)率，在實(shí)際生活中有很大的應(yīng)用價(jià)值。1.2設(shè)計(jì)目的為了能切實(shí)保障人們的生命安全及財(cái)產(chǎn)安全不受火災(zāi)的影響，我們設(shè)計(jì)出 一種能夠在火災(zāi)剛剛發(fā)生時(shí)或者有可燃?xì)怏w堆積引起的火災(zāi)隱患或人員安全時(shí) 就能報(bào)警，并且自動打開噴水閥滅火的裝置，就能極大地減少不良后果的發(fā)生。 做到防患于未然，使人們及早得知火情，將火災(zāi)撲滅

5、在萌芽狀態(tài)。二、方案設(shè)計(jì)2.1傳感器的選擇方案一：MP135型半導(dǎo)體空氣污染敏感元件，由加熱器以及微型A1203陶瓷 基片上形成的金屬氧化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成，用電極引線引出，封裝在金屬管座、 管帽內(nèi)。當(dāng)有被檢測氣體存在時(shí)，空氣中該氣體的濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率就 越高。使用簡單的電路即可將這種電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與氣體濃度對應(yīng)的輸出信 號。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，對污染空氣敏感。缺點(diǎn)：價(jià)格高，驅(qū)動電路復(fù)雜，對煙霧固體小顆粒靈敏度低。方案二：MQ-2煙霧傳感器，在可燃?xì)怏w或煙霧中MQ-2煙霧傳感器的電阻會 有相應(yīng)的變化。MQ-2氣敏元件由微型AL203陶瓷管、Sn02敏感層，測量電極和 加熱器構(gòu)成的敏感元件

6、固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，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6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號取德州學(xué)院2011級 電子信息工程技術(shù)專業(yè)出，2個(gè)用于提供加熱電流。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，性能穩(wěn)定，對煙霧固體小顆粒靈敏度高，價(jià)格較低。而且驅(qū)動電路簡單。缺點(diǎn)：管腳較多有6個(gè)，需要電流提前加熱功能才更好。圖2-3 MQ-2實(shí)物圖由于當(dāng)有煙霧或有害氣體產(chǎn)生時(shí)引起傳感器變化的是電阻所以用圖2-4所 示的驅(qū)動電路就可以將非電信號轉(zhuǎn)換成電壓。H兩端接到電源的兩端起預(yù)熱的作 用。圖2-4典型應(yīng)用電路綜上所述，我們選擇方案二為最佳方案。2. 2報(bào)警系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)液晶顯示器根據(jù)smog信號和see

7、信號，顯示白天與黑夜，安全與危險(xiǎn)。當(dāng) 有火災(zāi)危險(xiǎn)時(shí)，顯示并同時(shí)聲光報(bào)警，系統(tǒng)自動打開噴水閥噴水。當(dāng)按鍵按下時(shí), 外部中斷觸發(fā)，跳出報(bào)警。當(dāng)按下復(fù)位時(shí)，程序重新啟動。2. 3報(bào)警系統(tǒng)方案選擇方案一：采用純硬件電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，其硬件電路如圖2-5所示。德州學(xué)院2011級電子信息工程技術(shù)專業(yè)優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程容易，成本較低。缺點(diǎn):系統(tǒng)不穩(wěn)定，無法實(shí)現(xiàn)液晶實(shí)時(shí)顯示和噴水自動滅火的功能。方案二：釆用硬件和軟件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警。包括熱釋電紅外傳感 探頭電路、報(bào)警電路、單片機(jī)控制電路及相關(guān)的控制管理軟件組成。圖2-6報(bào)瞥器設(shè)計(jì)框圖優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)穩(wěn)定，功能齊全，能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警、自動噴水、液晶顯示

8、等功能。缺點(diǎn)：電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜，成本較高。根據(jù)我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，我們選擇方案二作為最佳方案。三、各部分電路設(shè)計(jì) 3.1單片機(jī)模塊我們釆用STC公司的STC89C52單片機(jī)，89C52機(jī)是高性能單片機(jī)，因?yàn)槭?引腳數(shù)目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。德州學(xué)院2011級電子信息工程技術(shù)專業(yè)VCC：供電電壓。GND：接地。P0 口： P0 口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O 口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲 器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FLASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸 入口，當(dāng)FLASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原

9、碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向O 口，P1 口緩沖器能接 收輸出4TTL門電流。P1 口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可接收， 輸出4個(gè)TTL |1電流，當(dāng)P2 口被寫1時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為 輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi) 部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)

10、據(jù)存儲器進(jìn)行存 取時(shí)，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址1時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對 外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。P3 口： P3 口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向LO 口，可接收輸出4個(gè)TTL 門電流。當(dāng)P3 口寫入1后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入, 由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流。P3 口也可作為AT89C52 -些特殊功能口，如下所示：P3 口管腳備選功能P3.0 RXD （串行輸入口）P3.1 TXD （串行輸出口）P3.2 INTO （外部中斷0）P

11、3.3 INT1 （外部中斷1）P3.4 TO （記時(shí)器0外部輸入）P3.5T1 （記時(shí)器1外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）5德州學(xué)院2011級電子信息工程技術(shù)專業(yè)P3.7 RD (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電 平時(shí)間。gPROG :當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許端的輸出電平用于鎖存 地址的地址字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6o因此它可用 作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然

12、而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲 器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。 此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX, MOVC指令是ALE才起作用。PSEN：外部程序存儲器的選通信號端。在由外部程序存儲器取指期間，每 個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的/PSEN 信號將不出現(xiàn)。場/VP：當(dāng)石保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲器(0000H-FFFFH), 不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時(shí)，麗將內(nèi)部鎖定為RESET：當(dāng) 麗端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用 于施加12V編程電源。XTAL1

13、：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：反向振蕩器的輸出，如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動器件，應(yīng)不接。德州學(xué)院2011級 電子信息工程技術(shù)專業(yè)119Ts97U0P1.0(ADO)PO.O=P1.1(ADl)PO.l彳 P1.2(AD2)P0.2彳 P1.3(AD3)PD3H P1.4(AD4)P0.44 P13(AD5)P0.5彳 Pl.6(AD5)P0.6p Pl.7(AD7)P0.7 P3.3(1NT1)(AS)P2.0 P3.2(INT0)(A9)P2.1(A10)P2 2P3.5(T1)(A1DP2.3P3.4(T0)(A12)P2.4(A13)P2.5刀 E4VPPYTAI

14、 1(A14)P26 (A15)P2.7 XTAL2vccV1NL7川RST(RXD)P3.0(TXD)P3.1P3.7(RD)ALE.PROGM P3.6(WR)PSEN31STC89C5243圖 3-1 單片機(jī) STC89C52RC3.2系統(tǒng)初始化電路復(fù)位方法一般有上電自動復(fù)位和外部按鍵手動復(fù)位，單片機(jī)在時(shí)鐘電路工 作以后，在RESET端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)就可以完成復(fù)位操作。例 如使用晶振頻率為12MHz時(shí)，則復(fù)位信號持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于2us。本報(bào)警器是外 部手動按鍵復(fù)位電路。GNDSW-PB圖3-2單片機(jī)復(fù)位電路3. 3時(shí)鐘電路XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出

15、。該反向放大器可以配置為 片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如釆用外部時(shí)鐘源驅(qū)動器件，XTAL2 應(yīng)不接。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為2個(gè)振蕩周期, 所以一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為 12MHZ,個(gè)振蕩周期為l/12us,故而一個(gè)機(jī)器周期為luso德州學(xué)院2011級 電子信息工程技術(shù)專業(yè)GND|30pFIIY1T 12MHZ圖3-3時(shí)鐘電路3.4聲音報(bào)警電路用一個(gè)蜂鳴器、三極管和電阻接到單片機(jī)P2.1引腳上，當(dāng)單片機(jī)的P2.1引 腳被置低電平后蜂鳴器響，當(dāng)單片機(jī)的P2.1引腳被置高電平后，蜂鳴器不響。 系統(tǒng)檢測到信號時(shí)，蜂鳴器發(fā)

16、出“滴答滴答”的聲音，這樣就實(shí)現(xiàn)了聲音報(bào)警的 功能。圖34 聲音報(bào)警電路3. 5發(fā)光報(bào)警電路由2個(gè)發(fā)光二極管接上電阻后連上單片的P1引腳，外接VCC,當(dāng)單片機(jī)的P2.0引腳被置低電平后，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，P2.0引腳被置高電平后，發(fā)光二 極管被熄滅，這樣起到報(bào)警作用。德州學(xué)院2011級 電子信息工程技術(shù)專業(yè)VCCPack4vS LEDOIK圖35發(fā)光報(bào)警電路3.6外部中斷電路按下手動復(fù)位鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入中斷程序，程序使系統(tǒng)停止報(bào)警。VCCTS1SW-PB矗 LKR2寧脇2 10KC3GNDC毎 Poll lQuF圖3-6 外部中斷電路3.7供電電通過電腦USB供電，按下開關(guān)D9亮，則通電VCC竺

17、圖3-7電源電路在實(shí)物產(chǎn)品中由于有電磁閥作為噴水閥，我們用家用電220V交流電提供總電源，通過穩(wěn)壓模塊降壓到5V為系統(tǒng)電路提供電源。德州學(xué)院2011級 電子信息工程技術(shù)專業(yè)VKlVCU圖3-8穩(wěn)壓電路3.8液晶顯示電路我們選用的是價(jià)格便宜的1602液晶作為顯示器，D0-D7輸送數(shù)據(jù)，單片機(jī) 通過控制RSWR LCDEN的高低電平，控制液晶的顯示3.9光敏傳感器電GOT圖3-81602液晶電路GOT光敏傳感器感光，則電阻變小，當(dāng)可調(diào)電阻適當(dāng)時(shí)，電平由高轉(zhuǎn)低，為單片 機(jī)所感知。10德州學(xué)院2011級 電子信息工程技術(shù)專業(yè)Photo Swi圖3-9光敏電路R5R*s T 10K3. 10煙霧傳感器電

18、路當(dāng)有煙霧時(shí)，smog變?yōu)楦唠娖?23456Header 3X2smogR5010K Giro圖3-9煙霧電路3. 11電磁閥控制電路我們采用工作穩(wěn)定的可控硅模塊，來控制電磁閥的工作。圖3-10可控硅模塊11U!德州學(xué)院2011級 電子信息工程技術(shù)專業(yè)、整體原理圖打開AltiumDesigns軟件，進(jìn)行原理圖繪制，在繪制過程中要注意元件的封裝。jr7?fifjn.1l11-4a廠4rnar5八3aoob：o3.lr：啟邑 嘗V) R&S H堡 H懇片&【d SSr-MCl*i八 y 3嚴(yán)Xrsar、r、r ps ri2/ :2ju*-*co.邕80mix囪d8rt9 總皆& yII12德州學(xué)院

19、2011級電子信息工程技術(shù)專業(yè)五、心得體會在本次制作傳感器的過程中，感覺自己收獲頗多。首先，通過自己查找資 料認(rèn)識了一種用途非常廣泛的傳感器，即熱釋電紅外傳感器，對其原理、應(yīng)用領(lǐng) 域都有了一定的了解。其次，在親手制作時(shí)不僅學(xué)到了跟多東西，而且也暴露了 自己的一些問題。在確定方案是首先想到的就是用到單片機(jī)，第一，用單片機(jī)能 簡化電路，電路可靠性高。第二，本學(xué)期正好在學(xué)習(xí)單片機(jī)這門課程，可以借此 機(jī)會鞏固這方面的知識，這樣可以做到學(xué)以致用。在繪制原理圖過程中進(jìn)一步熟悉了 Altium Designer這個(gè)軟件。在編寫程 序的過程中遇到了很多的問題，一開始程序往往沒有達(dá)到預(yù)期的效果，然后再不 斷的修

20、改，最后完全符合要求。令我印象比較深刻的是實(shí)際制作電路板的過程， 包括洗板子、鉆孔、焊接原件?？傊?，通過制作傳感器，更加了解了傳感器在生 活中的應(yīng)用，鞏固了自己的專業(yè)知識，增強(qiáng)了自己的動手能力。六、附錄6. 1實(shí)物照片圖5-1 電路板照片13德州學(xué)院2011級電子信息工程技術(shù)專業(yè)圖5-2作品實(shí)物照片6.2電路元器件明細(xì)表序號名稱型號規(guī)格位兮數(shù)量1I CN E 5 5 512光敏電阻MG 4 5R L13電阻2 kR 114電阻10 0kR 215電阻4 7 0R 316滑動變阻器6.8 kR P17電容0 . 0 2 2 yC 118電容0 . 0 1 uC 219電容1 0 yC 311 0

21、揚(yáng)聲器8 Q 0 . 25 WB L11 1發(fā)光二極管紅V L11 2直流電源6 VG1& 3參考文獻(xiàn)11徐愛鈞單片機(jī)高級語C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)M.北京電子工業(yè)出版社2童詩白華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四版.北京高等教育出版社德州學(xué)院2011級電子信息工程技術(shù)專業(yè)3宏晶科技STC12C5616AD系列單片機(jī)器件手冊2005:10-06【4】.常用電子元件及典型應(yīng)用(電子工業(yè)出版社)周惠潮 編著【5】.電子技術(shù)基礎(chǔ)M(第五版高等教育出版社)康華光編著6 .傳感器原理及應(yīng)用西安電子科技大學(xué)出版社 主編：劉振廷7 .模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程(第四版)主編：童詩白 華成英& 4源程序# iiicluded

22、efine uchai unsigned chardefine umt unsigned mtsbit beep=P2A0;sbit see=P2A2;sbit smog=P2A3;sbit lcden=P3z 5;sbit lcdis=P3z 4;sbit lcdwr=P2A4;uchai code tableO=H S I F Euchai code table if-1 SOS!;uchai code table2=M DAY”；uchai code table3=M NIGHT ”；uchai num;uchai ijjniLflag=l;void dsp();void action0

23、();void action 1();void delay(uint z)uiiit x,y;fbi(x=z;x0;x)fbi(y=110;y0;y-);void write_com(uchai- com)lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=l;delay(5);lcden=0;15 void write data(uchai- date)德州學(xué)院2011級 電子信息工程技術(shù)專業(yè)lcdrs=l;P0=date;delay(5);lcden=l;delay(5);lcden=0;void init()lcdwr=0;lcden=0;write_com(0x3 8); write_com(0x0e); write_com(0x06); write_com(0x01);wiite_com(0x80+0x 10);void dsp()nutQ；if(mu=l)for(num=0 ;n