煙霧濃度檢測報警系統(tǒng)設計

1、東北石油大學課 程 設 計 2015 年 7 月 8 日課 程 傳感器課程設計 題 目 煙霧濃度檢測報警系統(tǒng)設計 院 系 電氣信息工程學院 專業(yè)班級 測控技術(shù)與儀器 學生姓名 學生學號 指導教師 任務書課程課程 傳感器課程設計傳感器課程設計題目題目 煙霧濃度檢測報警系統(tǒng)設計煙霧濃度檢測報警系統(tǒng)設計專業(yè) 姓名 學號 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：本課題針對現(xiàn)在火災頻繁發(fā)生，設計出一種簡單可靠的煙霧檢測報警電路。是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器，煙霧報警器就是通過監(jiān)測煙霧的濃度來實現(xiàn)火災防范的，煙感器內(nèi)部采用半導體煙霧傳感器，半導體煙霧傳感器是一種技術(shù)先進，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運用到

2、各種消防工作中，性能遠優(yōu)于氣敏電阻類的火災報警器?；疽螅夯疽螅?分析煙霧濃度檢測報警系統(tǒng)設計方案的優(yōu)缺點，說明本設計方案選用原則；2分析設計中各個電路的工作原理；3說明選用傳感器的基本工作原理、畫出應用電路電路圖、注明元器件參數(shù)。主要參考資料：主要參考資料：1金發(fā)慶，傳感器技術(shù)與應用M.北京：機械工業(yè)出版社，20042趙勇，胡濤.傳感器與檢測技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2010-09-013楊志忠.數(shù)字電子技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2008-8.4 李永生，楊莉玲.半導體氣敏元件選擇性研究J.傳感器技術(shù).2002(6):12-20.完成期限 2015.7.42015.7.8 指導

3、教師 專業(yè)負責人 2015 年 7 月 1 日傳感器課程設計摘 要家本文以電阻式煙霧傳感器和單片機技術(shù)為核心并與其他電子技術(shù)相結(jié)合，設計出一種技術(shù)水平較好的煙霧報警器。其中選用 MQ-2 型半導體可燃氣體敏感元件煙霧傳感器實現(xiàn)煙霧的檢測，具有靈敏度高、響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且價格低廉，使用壽命長。選用的 STC12C5410AD 單片機，其整合了 A/D 轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器等資源，具有高速、低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點，是目前同類技術(shù)中性價比較高的產(chǎn)品。以 STC12C5410AD 單片機和 MQ-2 型半導體電阻式煙霧傳感器為核心設計的煙霧報警器可實現(xiàn)聲光報警、故障自診斷、

4、濃度顯示、報警限設置、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。關鍵詞：煙霧；報警器；STC12C5410；傳感器傳感器課程設計目 錄一 、設計要求 .11、功能與用途 .12、課題研究的意義 .13、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .1二、設計方案及其特點 .21、方案說明 .22、方案論證 .2三、傳感器工作原理 .3四、電路的工作原理 .4五、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇 .51、單元電路設計 .52、參數(shù)計算 .73、器件選擇 .8六、總結(jié) .9參考文獻 .10傳感器課程設計0煙霧濃度檢測報警系統(tǒng)設計一 、設計要求1、功

5、能與用途功能：煙霧檢測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，儀器的最基本組成部分應包括：以電阻式煙霧傳感器和單片機技術(shù)為核心并與其他電子技術(shù)相結(jié)合，設計出一種技術(shù)水平較好的煙霧報警器。以 STC12C5410AD 單片機和 MQ-2 型半導體電阻式煙霧傳感器為核心設計的煙霧報警器可實現(xiàn)聲光報警、故障自診斷、濃度顯示、報警限設置、延時報警及與上位機串口通信等功能。用途：在現(xiàn)代城市家庭里，許多人因不懂家庭安全常識引起火災事故，使好端端的幸福家庭眼間毀于一旦，有的導致家破人亡，而且一旦發(fā)生居民家庭火災,處置不當、報警遲緩,是造成人員傷亡的重要因素。所以說,人們應該積極了解家庭火災的

6、主要起因，還有預防火災的發(fā)生。這就是我們研究煙霧報警器的目的。2、課題研究的意義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。目前我國已有許多城市鋪設了煤氣管道，使用人口約達二億人，煤氣 發(fā)生基地及中轉(zhuǎn)站也達幾千家。如果這些家用燃氣和煤氣基地及中轉(zhuǎn)站的 報警率按10% 計算，煙霧檢測報警器的需求量就達 2000 萬臺以 上。隨著全社會對防火防爆及人身安全的重視程度的提高，這個數(shù)字會繼 續(xù)增長。 近十年來，農(nóng)村的沼氣使用也得到了極大的發(fā)展。到 2008 年底，全國沼氣池數(shù)量已達近 1300 萬座，這就

7、為檢測沼氣（主要成分是甲烷）濃度的儀器提供了市場。可見，煙霧報警器具有十分廣闊的市場前景。3、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)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 一方面是傳感器課程設計1因為傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。據(jù)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(chǎn) 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(chǎn)、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

8、式家用燃氣泄漏報警器，次年12 月其改良產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但主要是在引進國外先進的傳感器技術(shù)和先進的生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品。二、設計方案及其特點1、方案說明2、方案論證煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可

9、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。由此圖 1 火災煙霧報警器系統(tǒng)設計方案框圖傳感器放大電路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傳感器課程設計2可見，傳感器的選型是非常重要的。半導體煙霧傳感器的突出優(yōu)點：靈敏度高、響應快、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，本設計采用半導體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。

10、而在眾多半導體氣體傳感器中，本設計選用 MQ-2 型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度 高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。 三、傳感器工作原理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。按敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導體氣敏元件也有 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??；P 型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。本設計中采用的 MQ-2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式 N 型半導體。當處于 200300C 溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的

11、負離子吸附，使半導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，就會引起表而電導率的變化。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息。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體導帶電子密度增加，電阻值下降。而當空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，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

12、值，表示為 RA。一般其固有電阻值在(103105) 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 5；旁熱式的加熱電阻大于 20。氣敏半導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系。表示方法有三種：傳感器課程設計3（a）電阻比靈敏度 K： （1）gaRRK/ 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

13、體分離度： （2）21/ccRR 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，C1C2。 （c）輸出電壓比靈敏度 Kv: （3）gaVVK/v 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.四、電路的工作原理1煙霧檢測報警器工作原理 本論文中的煙霧檢測報警器以 STC12C5410AD 單片機為控制核心，采用 MQ-2型電阻式半導體傳感器采集煙霧信息。 圖 2 火災煙霧報警器電路圖傳感器課程設計4首先，傳感器送來的煙霧濃度對應的微小的電壓信號經(jīng)過放大

14、，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入 STC12C5410AD 單片機；然后，在 STC12C5410AD 單片機內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換、濃度比較，對數(shù)據(jù)進行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應的十進制濃度值；最后，將實際可燃性氣 體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報警限，當濃度處于正常狀態(tài)綠 燈長亮，當煙霧濃度超出設定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈閃亮。另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應越快，響應時間和恢復時間就越快。為提高響應時間，保證傳感器準確地、穩(wěn)定地工作，報警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個 5V 的電壓。為了保 證其可靠性，在輸出 5V 的電壓的同時，進行故障監(jiān)測。當傳

15、感器加熱絲或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時，進行故障報警，發(fā)出聲光報警信號。 當然幾種狀態(tài)的報警信號是各不相同的。 2煙霧檢測報警器的結(jié)構(gòu) 為適應家庭和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設計的可燃性煙霧報警儀應不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應具有顯示可燃煙霧濃度、故障自檢、延時報警功能及可接計算機進行現(xiàn)場遠測和實時控制等功能。其目標是在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。 報警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.3 所示，系統(tǒng)以單片機為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、時間顯示、狀態(tài)顯示、聲音及閃爍報警、按鍵輸入、故障自檢等功能。報警器采用巡檢的工作方式，進行兩

16、級 報警值設定，并發(fā)出不同的光、聲信號。系統(tǒng)應采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強、功耗低，保證報警器的精確性及可 靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器 的成本。五、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電路設計（一）單片機的選型 1單片機的選擇 單片機是煙霧檢測報警器的核心部件，一方面它要接收來自傳感器的煙霧濃度的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機實現(xiàn)的功能中，將傳感器課程設計5模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號做數(shù)字濾波，再進行線性化處理，然后送 LCD 顯示，這一過程的軟件

17、實現(xiàn)，需要單片機有較快的運算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到實時的煙霧濃度，并進行相應處理。同時，在能夠滿足報警器設計的計算速度及接口數(shù)的要求的 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。 如今市面上比較普遍的單片機有 8051 系列與 STC 系列。 8051 單片機雖然應用普遍，工具多，易上手，片源廣，價格低，但是速度慢，功耗大，適合民用，商用，不適合工業(yè)用途。STC 單片機是 MICROCHIP 公司的產(chǎn)品，其突出的特點是功耗低，精簡指令集，抗干擾性好，可靠性高，但是存在溢出隱患問題。8051 系列采用

18、的是堆棧指針，STC 采用硬件堆棧 8 級。當堆棧指針設定合理，局部變量少的情況下，8051 系列用 10 層的程序嵌套不會出現(xiàn)問題。而 STC 單片機程序嵌套包括中斷最多不能超過 8 層。所以如果用 C 語言進行 STC 編程設計容易堆棧溢出。 為適用于本論文設計的煙霧檢測報警器，應選擇一種比 8051 系列速度快，功耗低，抗干擾性好，而又避免 C 語言編程溢出問題的單片機。宏晶科技新推出的 STC12 系列單片機具有高速、低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點，是的新一代 8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，速度卻比 8051 單片機快 812 倍。而且STC12 系列下屬的 STC12C5

19、4xxAD 系 列單片機是低功耗 Flash 單片機，它的高效尋址方式、大容量 Flash、EEPROM、A/D 轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器(PWM)等功能特點，較好的實現(xiàn)了強大的功能與超低功耗的結(jié)合。而且在功能同樣的情況下， 管腳較少封裝體積小，價格比其他型號便宜，因此有很好的性價比和應用適應性。 2STC12C5410AD 單片機的特點 STC12C5410AD 單片機較以往的單片機提高了工作效率，使系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力得到了顯著改善，而且進一步小型化和便攜化。其內(nèi)部集成的 Flash 幾乎擁有現(xiàn)代追求個性化的用戶所需要的掉電后數(shù)據(jù)不丟失、快速的數(shù)據(jù)存取時間、電可擦除、容量大、在

20、線可編程、足夠多的 擦寫次數(shù)、價格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點。STC12C5410AD 單片機的管 腳結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。傳感器課程設計6（二）煙霧檢測報警器硬件電路設計 1信號采集及前置放大電路 傳感器輸出信號一般比較微弱，需要經(jīng)過前置電路對其進行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機對輸入信號的要求。本系統(tǒng)采用的半導體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個參考電阻，再經(jīng)過一個放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。由于系統(tǒng)采用的是單極性供電，所以采用同相比例放大電路，可以減少硬件開銷；反之，如果采用反相放大，則一般需要利用雙極性供電，這就需要系統(tǒng)額外的利用變壓芯片產(chǎn)生一個負壓，這顯然 會造成浪費。常見的

21、運算放大器中，LM324 價格低廉、使用簡單等優(yōu)點比較突出，所以本設計中的前置放大電路采用 LM324 作為電路的運算放大器。 LM324 是單片高增益四運算放大器，可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無關，四個運放一致性好；其輸入偏流電阻是溫度補償?shù)模膊恍柰饨宇l率補償，可做到輸出電平與 數(shù)字電路兼容。 下面詳細介紹運算放大電路： 如圖 4 所示，從傳感器的上端出來的信號 Vi 經(jīng)過運算放大器的同相 輸入端，但是為保證引入的是負反饋，輸出電壓 Vo 通過電阻 R4 接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過電阻 R3 接到參考電壓 Vref。 同相比例運算電路中反饋

22、的組態(tài)為電壓串聯(lián)負反饋，同樣可以利用理 想運放工作在線性區(qū)時的兩個特點來分析其電壓放大倍數(shù)。 在圖 4 中，根據(jù)運放的“虛短”和“虛斷”的特點可知 I-=I+=0。所以 4344433/*/*RRRVrefRVrefRRRVVo圖 3 STC12C5410AD 單片機管腳圖傳感器課程設計7（4）而且 V-=V+=Vi （5）343/ )(*RRRVVio由以上兩式可求出 34/ RRVrefVo（6） 所以本放大電路的放大倍數(shù) A =1+ R4/R3 ，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數(shù)總是大于或等于 1。同相比例運算電路有以下幾個特點： (1)同相比例運算放大電路是一個深度的電壓串聯(lián)

23、負反饋電路。因為不存在“虛地”現(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。(2)電壓放大倍數(shù) A =1+ R4/R3 ，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同，所以此電路實現(xiàn)了同相比例放大。如果不接 R3 和 R4，則此電 路就成了“電壓跟隨器”，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。 (3)由于引入了深度電壓串聯(lián)負反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。高輸入阻抗就可以減少放大電路對前端電路的影響，同時低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性，這顯然有利于電路中其他模塊的設計。此放大電路還加了參考電壓，引入了零點調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便 的調(diào)整由于不同傳感器導致的零點變化問題。它利用滑動變

24、阻器產(chǎn)生一個參考電壓 Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考端。所以調(diào)節(jié)滑動變阻器，就可以直接改變放大電路的參考電壓。而電壓 跟隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來匹配阻抗用的，防止 R3 和 R4 對 滑動變阻器輸出電壓的影響。傳感器課程設計8 2聲音報警電路 聲音報警電路圖如圖 5 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，適用于家用煤氣報警 器的報警聲音源。當單片機 STC12C5410AD 的 17 腳(P3.7)置 1 時，三極管 Q1 導通，蜂鳴器報警。本報警器采用單片機 STC12C5410AD 的 PWM 功能

25、，如果煙霧濃度達到報警限，單片機控制 P3.7(PWM)口輸出占空比一定的脈沖，報警時蜂鳴器會發(fā)出如警車警笛的聲音。圖 4 前置放大電路圖傳感器課程設計9 3段式液晶顯示電路 報警器濃度顯示采用太陽人公司生產(chǎn)的 SMS0403 四位段式液晶。其主要技術(shù)參數(shù)如下： 顯示容量：4 位帶小數(shù)點數(shù)字 模塊工作電壓： 2.75.5V 工作電流： 20uA(3.0V)，300uA(5.0V) 字高：11.4mm 環(huán)境相對濕度：Iomax=0.8A，取I2 =1A，則變壓器副邊輸出功率 P2I2V2=11W，查表之后可以知道變壓器的效率 =0.7，則原邊輸入功率 P1P2/=15.7W。為留有余地，選功率為

26、 20W 的電源變壓器。整流二極管 D1， D2， D3 與 D4 選 IN4001，濾波電容 C1，C2 可以取2200F/25V 的電解電容。應在變壓器的副邊接入保險絲 FU，以防電路短路損壞變壓器或其他器件。3、器件選擇電源采用蓄電池 12v 供電。如采用交流電供電，可選輸出功率大于 5w，二次電壓為 9v 的電源變壓器。氣敏元件可選用 QM-N5 氣敏傳感器或 PS810 型光電式感煙器等通用性較強傳感器課程設計14的氣敏元件，適應于天然氣、煤氣、液化石油氣、一氧化碳及醚類、苯類等揮發(fā)性氣體及木材、紙張、棉布、塑料制品的燃燒煙霧進行報警。系統(tǒng)需要的元器件清單表 1 元器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12變壓器單相變壓器 100KVA13定值電阻金屬膜電阻134可變電阻滑動變阻器25極性電容電解電容56二極管二極管 IN14867固定電容瓷片電容28穩(wěn)壓器可調(diào)式三端穩(wěn)壓器CW31719開關閘刀開關110晶振石英晶體諧振器211報警器蜂鳴器112煙霧傳感器M-Q2 型傳感器113多諧振蕩器555 定時器114單片機STC12C5410AD115運算放大器LM32