火灾报警系统设计报告.doc

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1、 摘要随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。 本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾

2、的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。选用的AT89S52单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具 有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产 品。以AT89S52单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现报警、故障自诊断、浓度级别显示、报警限设置、温度显示及与温度报警值设定等功能。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。关键词：烟雾，报警器，AT89S52 目录1绪论41.1论文研究来源、目的和意义41.1.1论文研究来源41.2烟雾报

3、警器的国内外现状51.3本论文主要任务52 烟雾检测报警器的方案设计52.1烟雾检测报警器设计思路62.2烟雾传感器的选型62.2.1烟雾传感器介绍62.2.2烟雾传感器的选定72.2.3 MQ-2型烟雾传感器的工作原理72.2.4 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标72.3烟雾检测报警器整体设计方案82.3.1烟雾检测报警器工作原理82.3.2烟雾检测报警器的结构92.3.3烟雾检测报警器的功能92.3.4烟雾检测报警器的主要技术指标92.4本章小结93系统设计103.1 系统功能103.2 系统框图113.3 单片机的介绍113.4 DS18B20的介绍113.4.1 DS18B20的介

4、绍123.4.2 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路123.4.3 DS18B20的控制方法133.5 LED数码管133.5.1 LED数码管的主要技术参数133.5.2 LED数码管的引脚说明133.5.3 LED数码管编码说明144硬件设计144.1单片机最小系统电路144.2 DS18B20测温电路144.3 报警电路154.4四位数码管显示电路154.5 报警温度设定按键电路164.6烟雾传感器转换电路165软件设计175.1主程序初始化流程图175.2中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图175.3插值法线性化处理子程序设计及流程图185.4烟雾子程序设计及流程图195

5、.5报警子程序设计及流程图215.6控制按键设计子程序及流程图225.7本章小结25结论26参考文献28附录29附录一程序源代码29附录二电路图391 绪论1.1论文研究来源 随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度， 及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和 家庭生活安全。因此，

6、研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警 器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。 1.2烟雾报警器的国内外现状 国外从20世纪30年代开始研究及开发烟雾传感器，且发展迅速，一 方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另 一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美 国1996年2002年烟雾传感器年均增长率为27%30%。随着传感器生产 工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测 仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。 燃气报警器可分为民用火灾烟雾报警器、工业用烟雾报警器、 有毒有害烟雾报警器

7、三大系列产品。1.3本论文主要任务 本篇论文是烟雾报警器的研制，主要基本部分和扩展部分：(1)基本部分(a)对系统进行整体规划和结构设计。(b)以AT89S52单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和 改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为温度电路、键盘电路、烟雾A/D转换电路、声音报警电路、显示电路五个部分。 (c)系统的软件编制。按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始 化子程序、键盘处理子程序、滤波子程序、线性化处理子程序、浓度显示 子程序、报警子程序、报警限值设置子程序。在程序的 编写过程中，加入了详细的文字注释，便于后期的改进与维护。 (d)硬件电路和软件的综合调试。 (2)扩

8、展部分 (a)再加入一路传感器信号采集电路，利用双通道数据实现采集的优化，主要是利用辅助的一路进行修正主传感器，以提高精度和可靠性。 2烟雾检测报警器的方案设计2.1烟雾检测报警器设计思路烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信 号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号 转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行 滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也 就是报警限)

9、，如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状 态。为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中 的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。方便调节报警限，可以加 入按键。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警， 变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上 是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。2.2烟雾传感器的选型 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

10、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。2.2.1烟雾传感器介绍 (1)烟雾传感器的分类 烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类： (a)利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃 烧烟雾传感器等。 (b)利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传 感器、红外传感器等。 (2)常见烟雾传感器可检测烟雾种类 由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH

11、等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。2.2.2烟雾传感器的选定烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾 种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：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

12、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。 2.2.3 MQ-2型烟雾传感器的工作原理 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。半导体气敏传感器的分类如表2.2所示。表2.2半导体气敏传感器的分类 所利用的特性工作温度表面电阻控制器300450C表2.2半导体气敏传感器的分类类型所利用的特性工作温度代表性被检测气体电阻型电阻表面电阻控制器300450C

13、可燃性气体体电阻控制器300450C700C以上乙醇、可燃性气体非电阻型二极管整流特性室温200CH2、CO、乙醇晶体管特性150CH2、H2S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200300C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。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

14、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。MQ-2型传感器的结构图如 图2.1所示，其外观如2.2所示。图2.1MQ-2型传感器的结构图图2.2 MQ-2型传感器的外观2.2.4 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标 (1)MQ-2型传感器的一般特点 (a)MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。 (b)MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定， 响应时间短

15、，长时间工作性能好。 MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。 (d)电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压50.2V。 2.3烟雾检测报警器整体设计方案 2.3.1烟雾检测报警器工作原理 本论文中的烟雾检测报警器以AT89S52单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。 首先，烟雾传感器经过AD0832进行转换后，进入单片机，温度通过DS18B20进行采集，用数码管显示温度和烟雾浓度的级别，温度报警的上下限值可以通过三个按钮来设置，另外，还设置一个紧急呼叫按钮，可以通过按此按钮来紧急报警，也可以设置为无人状态

16、，用烟雾和温度自动报警。2.3.2烟雾检测报警器的结构 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、故障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。 报警器系统结构框图如图2.3所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。报警器采用巡检的工作方式，进行两级 报警值设定，并发出不同的光、声信号。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度

17、高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可 靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器 的成本。单片机时钟电路复位电路采集温度电路采集烟雾电路按键电路数码管显示图2.3 可燃性气体检测报警器结构框图2.4本章小结 本章主要阐述了烟雾报警仪的设计方案，即传感器的选型和报警器的设计。传感器从种类、选定、工作原理、基本特性四个方面分别叙述。 根据本设计要求及使用环境、成本等因素选用的MQ-2型半导体电阻式烟雾敏感器件。并且从结构、功能、技 术指标三方面对报警器进行了详细地论述，使其在较宽的温度范围工作，用于检测空气中烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度。该报警器将空气中烟雾或可燃性液体

18、蒸汽的浓度显示在仪表盘上，当空气中的烟雾或可燃性液体蒸汽的浓度达到一定浓度时， 则启动快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏， 还是由于短暂打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。若判断是 烟雾泄漏，则发出声、光报警信号，也可在报警的同时自动驱动相 关安全装置而且具有故障自诊断功能。此系统还可接计算机进行现场实时控制。 3.系统设计3.1系统功能本系统利用单片机采集温度，温度值精确到小数点一位，用4位数码管显示温度值，设置三个按键调整报警温度值，当温度超出所设定的上下限范围时，蜂鸣器开始报警。单片机复位电路报警电路时钟振荡温度传感器LED显示蜂鸣器报警图2 总体设计方框图3.3

19、单片机的介绍AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。其结构框图如图3.1所示。图3 AT89S52结构框图图4 AT89S52 此外，AT89S52设计和配置了震荡频率可为12MHZ并可通过软件

20、设置省电模式。空闲模式下，cpu暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性： 兼容mcs-51指令系统 4k可反复擦写(1000次）isp flash rom 32个双向i/o口 4.5-5.5v工作电压 2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33mhz 全双工uart串行中断口线 128x8bit内部ram 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（wdt）电路 软

21、件设置空闲和省电功能 灵活的isp字节和分页编程 双数据寄存器指针按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。3.4 DS18B20的介绍3.4.1 DS18B20的介绍DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现位的数字值读数方式。 TO92封装的DS18B20的引脚排列见图4，其引脚功能描述见表1。 图5 DS18B20 （底视图）序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引

22、脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。表3DS18B20详细引脚功能描述DS18B20的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.05.5；零待机功耗；温度以或位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作； DS18B20采用脚PR35封装或脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。C64 位

23、ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器Vdd I/O图6 DS18B20内部结构64位ROM的结构开始位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为字节的存储器，结构如图3所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，为配置

24、寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3所示。低位一直为，是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为，用户要去改动，R1和0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。温度 LSB温度 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC 图7 DS18B20字节定义由表2可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。

25、第字节读出前面所有字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第、字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。R1R0分辨率/位温度最大转换时间/ms00993.750110187.510113751112750表

26、4 DS18B20温度转换时间表3.4.2 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图3.4.3 DS18B20的控制方法DS18B20有六条控制命令，指令约定代码操作说明 CCH：跳过扫描温度传感芯片序列号44H： 启动DS18B20进行温度转换 BEH ：读度温度值DS18B20的复位时序 ：图8 DS18B20复位时序图（1） 先将数据线置高电平“1”。（2） 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）（3） 数据线拉到低电平“0”。

27、（4） 延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。（5） 数据线拉到高电平“1”。（6） 延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。（7） 若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。（8） 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。DS18B20的读时序：对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主

28、机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。图9 DS18B20读时序过程（1）将数据线拉高“1”。（2）延时2微秒。（3）将数据线拉低“0”。（4）延时15微秒。（5）将数据线拉高“1”。（6）延时15微秒。（7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。（8）延时30微秒。DS18B20的写时序：对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到

29、45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。图10 DS18B20写时序过程（1） 数据线先置低电平“0”。（2） 延时确定的时间为15微秒。（3） 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。（4） 延时时间为45微秒。（5） 将数据线拉到高电平。（6） 重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。（7） 最后将数据线拉高。3.5 LED数码管 3.5.1 LED数码管主要技术参数图11 数码管数码管使用条件：a、段及小数点上加限流电阻b、使用电压：段：根据发光颜色决定； 小数点：根据发光颜色决定c、使用电

30、流：静态：总电流 80mA（每段 10mA）；动态：平均电流 4-5mA 峰值电流 100mA3.5.2 LED数码管的引脚说明这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），如下图所示。图中的8个LED分别与上面那个图中的ADP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。图12 共阳数码管内部结构图13 共阴数码管内部结构对于单个数码管来说，从它的正面看进去，左下角

31、那个脚为1脚，以逆时针方向依次为110脚，左上角那个脚便是10脚了，上面两个图中的数字分别与这10个管脚4.硬件设计4.1单片机最小系统电路图15 单片机最小系统（1） 单片机9脚接复位电路，可按复位按钮S1给单片机复位。（2） 晶振采用12MHZ。（3） 由于单片机只访问片内Flash ROM并执行内部程序存储器中的指令，因此单片机的31脚接高电平VCC。4.2 DS18B20测温电路。图16 DS18B20电路DS18B20的1脚接地，2脚数据端接单片机的P3.4，3脚接VCC，为了确保DS18B20工作可靠，2脚要接10K的上拉电阻。4.3报警电路图17 蜂鸣器电路本系统中采用蜂鸣器报警

32、，由于单片机输出电流较小，所以用三极管9013驱动蜂鸣器发出声音。4.4 四位数码管显示电路图18 数码管显示电路4位数码管为共阳管，由于单片机输出电流比较小，故用4个PNP型的三极管9015来驱动数码管。单片机输出低电平时三极管导通，使数码管的4各公共端1、4、5和12脚为高电平，此时数码管的数据端输入低电平后数码管被点亮，120欧电阻R12到R19为三极管的限流电阻。4.5报警温度设定按键电路图19 按键电路 报警温度用按键S2，S3，S4来设置，S2为调整键，按一次可调整报警上限温度值，按两次可调整报警下限温度值，按三次数码管恢复到正常温度显示。S5是紧急呼叫按键。4.6 烟雾传感器转换

33、电路图20 下载电路 烟雾传感器MQ-2经过AD0832转换后接单片机口。 5 软件设计5.1主程序设计及流程图 主程序流程图如图4.1所示。首先要给传感器预热三分钟，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟， 预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或 电缆线是否断线或者接触不良。 AT89S52单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转 换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。

34、同时送入段式液晶显示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯及按键功能设置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。5.2主程序初始化流程图主程序初始化流程图如图4.2所示。给传感器预热后，程序开始执行 初始化子程序，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、 寄存器初始化、中断使能等。首先设定定时初值50ms，利用IAP写入EEPROM，作为取值间隔。然后设置定时器0，选择方式1。方式1状态下定时器的工作寄存器TH1、TL1是全16位参与操作。接下来定时器0中断允许位置1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初 值。图4.2主程序初始化流程图5.3中位值平均滤波法数

35、字滤波子程序设计及流程图 在烟雾传感器对烟雾浓度采样时，可能会遇到尖脉冲干扰的现象。干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。 如果采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的烟雾浓度采样值的偏差。 为此，可采取中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)，先对N个采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N2个数据的算术平均值。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机 干扰。保证报警器检测烟雾浓度的准确性，减小误报、错报的可能。 在实际应用中，N可取任何值，但为了加快测量计算速度，本论文数字滤波的设计中N

36、取10。即调用A/D连续进行10次采样，去掉其中的最大值和最小值，计算其余8个值的平均值，将这个平均值送入寄存器。 中位值平均滤波法的程序流程图如图4.3所示。图4.3中位值平均滤波法程序流程图5.4插值法线性化处理子程序设计及流程图 在单片机测控系统中，使用之前必须进行静态标定，以得到输出信号与被测信号的关系输出曲线，用来作为使用过程中的计量依据。但是标定时输出曲线往往不是一条理想的直线，所以要对标定曲线进行线性化处理，用一条拟合直线近似代替输出曲线，线性化是智能仪表的典型功能之一。该报警器主要针对甲烷烟雾检测，在软件线性化处理时，以传感器对甲烷的响应曲线为依据。 本论文报警器使用的MQ-2

37、型传感器的电阻是随着烟雾浓的升高而降低的，因此输入单片机的电压也是随之降低的。图4.4为单片机采集电压值与烟雾浓度百分比的对应曲线，可以看出，电压值与烟雾浓度 之间是非线性的关系，为了实时显示烟雾浓度.需要对其进行线性化处理。 在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线分 成若干小段，对每小段分别线性化。图4.4单片机采集电压值与烟雾浓度百分比线性化曲线根据分段线性插值法求输入单片机的某一电压值对应的烟雾浓度的 公式如下：f(x) = f(xi) + (x-xi)*（f(xi+1)-f(xi)）/（Xi+1-Xi）i=1,2,3N式中，N为所分区间个数， f (x)为实际烟

38、雾检测浓度，x为实际气体检测浓度对应的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi是区间的上限浓度对应电压值， f (xi)为区间下限烟雾浓度值， f (xi )为区间上限烟雾浓度值。根据公式4-1设计分段插值法线性化程序流程图如图4.5所示。图4.5 分段插值法线形化程序流程图 5.5烟雾浓度显示子程序设计及流程图 本设计采用数码管显示，线性化处理完毕后需将 其送入数码管显示。void xianshi(void)/显示程序P2=xsdataxscout;图4.6 数码管驱动子程序5.6报警子程序设计及流程图 当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应通道的红灯闪亮，以提

39、示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全，避免火灾和爆炸事故的发生。为防止误 报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出 是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微 量散失，防止误报。报警子程序流程图如图4.7所示。图4.7报警子程序流程图5.7控制按键设计子程序及流程图本报警器设计附加一个按键，功能分别为：确定(消音)。按键处理子程序流程图如图4.8所示。图4.8 键盘处理子程序5.8本章小结 本章阐述了烟雾报警器的软件设计。首先介绍了软件编程的开 发环境和工具的选择，这里选择的STC12系列单片机，应用KEIL C51编程器和ST

40、C单片机专用ISP下载软件开发完成。 然后按照软件实现的功能，详细地设计并叙述了几个主要部分软件流 程，包括：主程序设计，主程序初始化设计，中位值平均滤波法数字滤波 子程序设计，插值法线性化处理子程序设计，烟雾浓度显示子程序设计，报警子程序设计，按键处理子程序及串口通讯子程序设计，共八个部分。结 论烟雾检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。 本论文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案。并对仪 器的整体设计和各个组成部分进行了详

41、细的分析和设计。 本论文设计的烟雾报警器由烟雾信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成。 根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器。该传感器是对以烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。 在系统单片机控制电路的设计上，采用了高性能、高整合度的at89s52单片机作为核心芯片，充分利用了其高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现了仪器的小型化和智能化。使仪器具有结构简单、性能稳定、体积小、成本低等优点。由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反

42、应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时伺，保证传感器准确地、稳定地工作，需要向烟雾传感器持续供给5V的加热电压。为了保证传感器加热工作的可靠性，当传感器加热丝断线或传感器接触不良时，能够进行故障报 警。 烟雾报警器能在较宽的温度范围工作，可将烟雾浓度显示用LCD显示。当烟雾的浓度达到设定的浓度时，发出声光报警。还具有故障自诊断功能快速重复检测和延时报警功能。在本论文研制的报警器的基础上，可以再做适当的功能扩展，使可燃性烟雾报警器的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。为了能够进一步提高安全性，可以在自动声光报警的基础上，实现带动烟雾 管道关断等功能。 应用程序以C语言编写，充分利用

43、芯片资源，提高了测量精度和代码执行效率，减小了代码容量，采用中位值平均数字滤波算法对经A/D转换后的数字信号进行滤波处理。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰，不但最大限度地排除现场噪声干扰，降低烟雾报警器误报概率，而且易于在单片机中实现。 通过现场标定及测试，分析烟雾浓度信号的实验数据，计算本报警器显示烟雾浓度与实际浓度之间的误差为2.55%LEL，在所规定误差范围5%LEL之内，满足检测要求，达到了预期的设计效果的结论。参考文献 1 李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，19982 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，19943 阎

44、石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，19894 石东海等.单片机数据通信技术从入门到精通.西安:西安电子科技大学出版社, 2002.148150. 5 王忠飞，胥芳MCS一51单片机原理及嵌入式系统应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2007P268-2736蔡朝洋,单片机控制实习与专题制作M.北京:北京航空航天大学出版社，20067张毅刚,彭喜源，谭晓昀等.MSC-51单片机应用设计M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,19998周坚.单片机C语言轻松入门M.北京:北京航空航天大学出版社,20069李全利，迟荣强.单片机原理及接口技术M.北京：高等教育出版社，200410梅丽凤，王艳秋.单片机原理及接口技术(修订本)M.北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社，200611阎石.数字电子技术基础 M.北京:高等教育出版社,199812 廖常初.现场总线概述J.电工技术，1999.13王宜怀，刘晓升.嵌入式应用技术基础教程.北京:清华大学出版社,2005.7.评语：成绩：签名：日期：附录附录一 程序源代码：#include #include #include DS18B20.h #define uint unsigned int#define uchar unsigned char /宏定义