烟雾检测报警系统电子电路设计

课程设计说明书第I页烟雾检测报警系统电子电路设计摘要随着科技的进步，我们的日常生活中出现了许多容易燃烧的物品，为了提前发现并阻止火灾的发生，防止和减少火灾引起的事故。故设计出本系统根据火灾发生时的特征即烟和热，利用M-Q2烟雾传感器检测烟雾，当检测到烟雾浓度较高时，通过单片机处理实现报警，并通过MAX485实现与上位机通信，实现上位机对下位机的分布式监控。本系统下位机有信号采集模块，报警模块，串口通信模块组成，上位机通过VB界面对下位机进行监控。整个系统效果还是比较好的，反应也较快，测量结果比较准确。以STC89C51单片机和M-Q2烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器。具有一定的实用价值。关键字：烟雾传感器，STC89C51单片机，报警模块，串口通信课程设计说明书第II页目录1绪论........................................................................................................................................11.1课题描述..........................................................................................................................11.2设计任务与要求..............................................................................................................11.3基本工作原理及框图......................................................................................................12相关芯片及硬件电路设计....................................................................................................22.1电路元件清单...................................................................................................................22.2电源电路的设计...............................................................................................................32.3光电传感器装置的设计...................................................................................................42.4声音报警电路...................................................................................................................52.5数码管显示电路..............................................................................................................62.6烟雾检测模块电路...........................................................................................................72.7单片机的最小系统的设计...............................................................................................83整体电路..............................................................................................................................9总结....................................................................................................................................11致谢....................................................................................................................................12参考文献..................................................................................................................................13附录1程序...........................................................................................................................14课程设计说明书第1页1绪论1.1课题描述本课题利用光电检测技术设计出一套烟雾检测报警系统。光电传感器中光发射管与光敏接收管成90°排列，是电路中重要环节之一。当没有烟雾时光发射管发出的光不会被光敏管接收到，当有烟雾时，光被漫反射，光发射管发出的光部分会被光敏管接收到。在保持安全监测时，可根据光被漫反射后，光敏管接收到的光的强弱，通过光电转换电路及放大电路输出，经数字电路，51系列单片机判断，指令寄存或驱动数码管显示，亦可报警。也可用接口电路，将数据传输到上位机。烟雾检测报警装置是能够检测环境中的烟雾浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器[1]。1.2设计任务与要求为了提前发现和阻止火灾发生，防止和减少火灾引起的燃烧、爆炸等事故，造成社会严重的经济损失，甚至危及人的生命安全。因此，研究烟雾的检测方法与烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。本设计中的烟雾报警电路是能够检测环境中的烟雾浓度并具有声光报警功能的电路。该报警电路是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。因此研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并符合国家相关规定的报警器具有极其重要得意义[2]。设计任务：1．设计一个光电传感器装置，当有烟雾时，光被漫反射，光发射管发出的光部分会被光敏管接收到，根据光电信号强弱，经数字电路、单片机数字被送至显示电路显示，或被报警。2．设计要求画出电路原理图（或仿真电路图）；元器件及参数选择；电路仿真与调试。3．制作要求自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。4．编写设计报告，写出设计与制作过程，附上资料和图纸，有心得体会。1.3基本工作原理及框图烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即课程设计说明书第2页浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的[3]。半导体烟雾传感器的突出优点：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点[4]。烟雾检测报警系统电子电路框图如图1所示。图1烟雾检测报警系统电子电路框图2相关芯片及硬件电路设计2.1电路元件清单烟雾检测报警系统元件清单如表1所示。表1元件清单序号元器件类型元器件规格数量备注1电源12V蓄电池12变压器单相变压器100KVA13定值电阻金属膜电阻134可变电阻滑动变阻器2传感器放大电路A/D转换电路单片机串行口安全控制装置状态指示灯声音报警器浓度显示四个按键课程设计说明书第3页5极性电容电解电容56二极管二极管IN14867固定电容瓷片电容28稳压器可调式三端稳压器CW31719开关闸刀开关110晶振石英晶体谐振器211报警器蜂鸣器112烟雾传感器M-Q2型传感器113多谐振荡器555定时器114单片机STC89C51115运算放大器LM324高增益四运算放大器216数码管SMS0403四位段式液晶117开关按键开关418发光二极管磷砷化镓发光二极管32.2电源电路的设计本系统使用外部220V交流供电，经过变压器变压，桥式整流和电容滤波以及可调试三端稳压器CW317调节后，可以输出连续可调的直流电压，可输出9V。可调式三端稳压器CW317，其特征参数Vo=1.2V～3.7V，Iomax=1.5V，最小输入、输出压差（Vi-Vo）min=3V，最大输入、输出压差（Vi-Vo）max=40V。R1与RP1组成电压输出调节电路[5]。电源电路图如图2所示：课程设计说明书第4页图2电源电路图2.3光电传感器装置的设计半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息[6]。遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为RA。一般其固有电阻值在(103～105)Ω范围。气敏元件一般工作在200℃以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH。直热式的加热电阻值一般小于5Ω；旁热式的加热电阻大于20Ω。气敏半导体时在课程设计说明书第5页接触不同气体时，工作于不同温度下产生的器件阻发生值变化。气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种：（a）电阻比灵敏度K：gaRRK/式中:Ra—气敏元件在洁净空气中的电