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1、 学号：12034470419毕业设计说明书基于单片机的烟雾报警器的设计Design of the smoke alarm based on single chip microcomputer学院 计算机与电子信息学院 专业 电气工程及其自动化 班级 电气12-4 学生 指导教师（职称） 设计时间 2016 年 03月 07日至 2016 年 06 月 07 日广东石油化工学院本科毕业设计诚信承诺保证书本人郑重承诺：基于单片机的烟雾报警器的设计毕业设计（论文）的内容真实、可靠，是本人在任红卫指导教师的指导下，独立进行研究所完成。毕业设计（论文）中引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均
2、已明确注明出处，如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。 学生签名： 年 月 日目录摘要.ABSTRACTII第一章 绪论11.1设计烟雾报警器的目的及意义11.2烟雾报警器的国内外现状21.3 设计任务分析31.4 本章小结4第二章 烟雾报警器的方案设计52.1烟雾报警器设计思路52.2 烟雾传感器的选型52.2.1 烟雾传感器的介绍62.3 MQ-2半导体气体烟雾传感器92.4 单片机选型102.4.1 单片机的引脚功能描述112.5 本章小结12第三章 系统的硬件电路133.1 单片机最小系统133.2 时钟电路与复位电路设计143.3 烟雾检测AD采集电路143.4 数
3、码管显示电路153.5 声光报警电路163.6 按键控制电路173.7 本章小结18第四章 系统软件的设计194.1 系统主程序设计及流程图194.2 按键输入设计子程序流程图214.3 报警子程序设计及流程图224.4 程序调试244.4.1 单片机软件开发工具介绍244.4.2 程序调试的过程244.4.3 程序调试过程出现的问题264.5烟雾报警器的仿真264.6 本章小结27第五章 系统硬件的调试295.1 本章小结31第六章 结束语33致谢35参考文献37附录一39附录二41摘 要随着社会的发展与生活的提高，防范火灾的工作越来越重要，但是目前的烟雾报警器比较侧重于大型场所，而根据每年
4、的火灾数据可以看出，发生火灾的多数是家庭私人住宅，所以，研究一种侧重于家庭用的烟雾报警器是非常有必要的。家庭用的烟雾报警器比较于工业用烟雾报警器，要求较为简单，但是要简单实用且经济实用。本文就围绕这些要求设计一个适合家庭用的烟雾报警器。本设计采用MQ-2作为烟雾传感器，选用STC89C51单片机作为设计的核心元件，配合其他器件实现烟雾浓度检测，超出预设值就发出声光警报并显示当前烟雾浓度的功能。本设计的烟雾报警器包含信号采集电路、A/D转换电路、声音报警电路、状态指示灯电路、按键电路、数码管显示电路，可以根据不同的环境让用户自行设定烟雾浓度的预设值，设计合理、操作简单、价格低廉，把单片机充分的应
5、用在烟雾报警器的控制中，具有一定的实用价值。论文主要对设计的烟雾报警器进行详细的介绍和说明，同时对系统软件设计进行了重点的分析和讲解。关键词：烟雾；报警器；89C51；MQ-2传感器ABSTRACTNowadays,with the improvement of the development of the society and life, to prevent the fire work more and more important, but the smoke alarm is more focused on large sites, and according to the annu
6、al fire data, you can see that there is a fire in the majority is family private houses, so the research with a focus on the family smoke alarm is necessary. Family smoke alarm is in industrial use smoke alarm, demand is relatively simple, but simple and practical and economical and practical. In th
7、is paper, the surrounding these requirements to design a suitable for family use smoke alarm.This design USES the MQ-2 as a smoke sensor, choose STC89C51 microcontroller as the core of the design elements, cooperate with other devices for detecting smoke concentration, beyond the default value is se
8、nd out sound and light alarm and display the function of the smoke concentration. The design of the smoke alarm includes signal sampling circuit, A/D conversion circuit, voice alarm circuit, status indicator light circuit, key circuit, digital tube display circuit, can according to the different env
9、ironment allows users to set up the smoke concentration of default, reasonable design, simple operation, low cost, make the best application of single-chip microcomputer in the smoke alarm control, has A certain practical value. Paper mainly discusses the design of the smoke alarm for detailed intro
10、duction and explanation, and focuses on the system software design in the analysis and interpretation. Keywords: smoke; Alarm; 89C51; MQ-2 sensors第一章 绪论1.1设计烟雾报警器的目的及意义火对于人类来说是一把双刃剑，人类因为火而脱离了饮血吃生肉的生活，从而走上了进化之路，但是用火所引发的火灾从古至今也带走了数之不尽的性命，每年的灾害所死亡的人数排名火灾都排在前列。那么为什么明知道火灾对于人类的财产安全和生命安全可以造成如此巨大的危害，每年还是有那么
11、多的火灾发生，造成许多无可弥补的后果。是人类对火灾不重视？还是人类对火灾扑灭的不及时？都不是，是因为人类对火灾的认识以及安全意识不足所导致的，人类对火灾的认识不足导致无法对火灾发生的初期所产生的现象进行判断，没有在火灾初期就采取有效的措施扑灭火灾，从而导致火灾越来越大，产生人员伤亡或者财产损失；人类的安全意识不足导致随便的把易燃易爆的物体与火种放在同一空间下，又或者没有对用火设备多加看管导致火灾的发生，这些惨痛的事例经常发生在我们的身边。 而随着人口的不断增多，与此同时土地的使用越来越紧缺，人类的生活空间越来越小，为了缓解这一情况，楼房起得越来越高，煤气、电力、暖气集中供应，这无疑是一个便于集
12、中控制与管理的方法。但是，这一措施却由于楼层多，人员密集，加大了火灾发生的机率以及加大了火灾所产生的危害1。由于火灾对我们的危害巨大，在过去的很长一段时间中，人们致力于对火灾的研究，到了现在已有一个较为成熟的理念，无论是对火灾的防范还是对火灾的扑灭措施均有较为成熟的概念和技术。通过这些年的研究，人们发现在火灾发生的初期往往会伴随着众多的物理现象或化学现象，例如会见有烟雾冒出，见到有火星或者闻到刺鼻的味道，在不同的火灾发生场合，这些信号往往是不同的，也是明显的。所以，通过研究这些信号的特点，以此来根据这些特点来研究传感器探测火灾，这就是早起的火灾探测技术2。而在二十一世纪的今天，人们的生活水平提
13、高了不小，生活的环境也复杂了不小，与以前相比，现代的生活环境多了许多可燃气体以及有毒有害气体。另外，随着人们生活质量的提高，人们对房间的采光比较讲究，因此，在现在的建筑物中出现了大量的玻璃，玻璃受热容易爆炸，这些都为现在的火灾救援增加了多重困难，还有一些办公室、教学楼、商场等人员密集的地方，这些地方对火灾报警的要求更高3。在众多的火灾防范措施中，烟雾报警器可以说是最简单也是最具有效果的方法。根据生活中的实际数据可以看出，在人流密集，大型的商场等安装了烟雾报警器等消防设施的场所往往在火灾发生前就能清楚做出判断，及早发现事故隐患，采取有效的措施，从而避免事故发生，而目前我国火灾自动报警系统只被安装
14、在重要建筑上，很少家庭会安装，所以大多数的火灾都是发生于私人住宅中，这是因为一方面现在的家庭缺少火灾安全的意识，另一方面是对火灾的认识不足，认为火灾离自己很远，没有那么容易发生在自己身上，于是对于用火不注意，容易造成火灾，更有甚者，火灾后不知道应该采取哪些相应有用的救火措施，使得错过了最佳的救火时机，也错过了最佳的逃离现场向外求救的时机。并且，因为住房压力的增大，房屋一家紧挨着一家，要是一家发生火灾后没有采取合适有用的救火措施，使得火灾蔓延至左邻右舍，这不仅使得用户本身遭受重大的损失，还容易连累到别人，给周边家庭和场所造成无法估计的损失和严重的影响。所以，就有必要在火灾发生的初期就要想办法发现
15、它，而烟雾报警器就是一个很好的防范手段，烟雾报警器可以通过其精密的探测头对当前环境中的烟雾浓度进行探测，当检测到的烟雾浓度达到或者超过一定数值时，烟雾报警器就会发出声响报警，使用户意识到有火灾隐患，能及时发现，采取相应的安全措施，避免事故的发生，才能保障人身和财产的安全。烟雾报警器是一种能检测出当前环境中烟雾浓度，将烟雾浓度表示出来并能发出警报的探测仪器。1.2烟雾报警器的国内外现状 从20世纪30年代,国外就开始对烟雾传感器研究及开发，由于国外对其非常重视，所以烟雾报警器的发展迅速，一方面是因为当时的人们开始意识到烟雾报警器的重要性，另一方面是传感器的快速发展使得烟雾报警器的研究变得更为简单
16、。据有关统计，美国1996到2002年烟雾传感器年增长率为27%30%4，而随着传感器越来越小，集成度越来越高，烟雾报警器的体积也随之变小，同时越来越灵敏，可检测的可燃气体与有毒有害气体的种类更多，而体积变小后的烟雾报警器因为其便携性，使得其能安装的场所越来多，也更适用于不同的检测现场，而随着传感器的发展，烟雾报警器的生产成本随之而降低，更多的厂家愿意投入更多的生产力去生产更多各种不同的烟雾报警器7。相对于国外，我国对烟雾报警器的研究起步较晚，于70年代初期，我国才开始研制烟雾报警器。虽然起步较晚，但是结合外国的对烟雾报警器的研究成果以及发展迅速的传感器技术，在国外已研发的烟雾报警器的基础上继
17、续研究和开发，使得我国的烟雾报警器也发展迅速，型号不再像以前那么单一，应用范围更是扩展到了几乎适用于各种危险的工作场所，而不是像以前那样只应用于炼油系统那样单一。我国对烟雾报警器的研究不再只是扩展烟雾报警器的种类，更是注重于研究烟雾报警器的烟雾选择性与产品稳定性，使得生产的烟雾报警器的功能不再是只能单一地应用于炼油系统，而能应用于更多场合，加快烟雾报警器的发展。提高烟雾报警器的稳定性可以减少烟雾报警器的误报率，有利于烟雾报警器的推广5。烟雾报警器可分为三大系列，分别为：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。(1) 民用火灾烟雾报警器 民用火灾烟雾报警器是应用于居民家庭的火
18、灾报警器,一般安装在厨房顶部，因为厨房是火灾的多发地，所以厨房是防范火灾发生的重要场所，当民用火灾烟雾报警器在厨房里检测到产生的烟雾超出了用户所设定的设定值时，烟雾报警器就会发出声响报警，为了防止受到周围环境噪音的影响，还会有灯光闪亮，还能通过烟雾报警器的屏幕观察即时的烟雾浓度。与此同时，烟雾报警器会联动外部设备（通常是排风扇或者水阀），通过外部设备的工作使烟雾浓度低于设定值，大多数的报警器可自动开启排风扇，把烟雾排出室外 ，使室内的烟雾浓度低于设定值，从而使得烟雾报警器自动停止发出警报。(2) 工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器 工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器的设计原理和实际应用与民
19、用火灾烟雾报警器也很相近，只是两者的烟雾探测头所选用的材料不同而导致可以检测的烟雾种类有所不同。而根据检测环境的不同，工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器又可以分为检漏仪、控制器和探测器8。检漏仪主要应用于检查燃气的泄露与巡检，因其体积较小，方便巡检人员携带。当检漏仪检测到有燃气泄漏时，会发出声光报警，同时会显示浓度，方便巡检人员能及时发现泄露处并及时作出适当的安全处理，避免爆炸等灾害事件发生。控制器和探测器通常是两者一起使用，通过探测器对现场进行监测，通过控制器对现场的灭火设备进行控制，使得即使没人在现场也能扑灭火灾。控制器和探测器的结合使用使得对火灾的检测和扑灭变得更加安全，安装在现场的探
20、测器在对现场的烟雾浓度进行探测后，通过一条屏蔽电缆将检测到数据传输到安装在值班室等有人值班场所的控制器中，从而通知值班人员及时到达现场采取相应的安全措施。与此同时，烟雾报警器会向与其连接的外联器件（换气扇或者水阀）发送信号，使其工作，从而减少现场的烟雾浓度或扑灭火灾。1.3 设计任务分析本设计是基于单片机的烟雾报警器的设计：（1） 先确认要设计的烟雾报警器需要检测的气体类型，从而确定传感器的类型和型号。（2） 对要设计的烟雾报警器有一个初步的架构，要清楚本设计需要什么模块，以及本设计想要的功能。（3） 以STC89C51单片机作为设计的核心，相应地对烟雾报警器的设计进行改变和调试，让其功能更加
21、完善，更加适合家庭私人住宅所使用。（4） 在确保设计的烟雾报警器的高经济实用性外，还要保证设计的烟雾报警器的选择性和稳定性。（5） 对设计的烟雾报警器的程序进行编译，调试。（6） 对设计的硬件和软件进行调试1.4 本章小结通过对火灾有所了解后，清楚的认识到火灾的危害性以及烟雾报警器的重要性，在了解到许多家庭私人住宅因为没有安装烟雾报警器，发生火灾后不能及时扑灭，导致火灾变得不可控制，损失惨重。因此设计一个体积小，灵敏，能稳定工作的烟雾报警器是非常有必要的。第二章 烟雾报警器的方案设计2.1烟雾报警器设计思路烟雾报警器将在现场检测到的烟雾浓度放大后通过A/D转换模块，使得烟雾浓度这一模拟信号转换
22、成数字信号，转换完成后，A/D转换模块会将转换后的数字信号送到单片机内，由单片机对所得到的数字信号进行处理和判断，若单片机对数字信号处理完后，与原本设定在单片机内的烟雾浓度等级作对比，若检测到的烟雾浓度等级大于或等于烟雾浓度等级预设值，单片机就会向声光报警电路发送一个信号，以此来启动声光报警电路，声光报警模块会发出声响和有灯光闪亮，以此达到报警的功能；若得到的数字信号小于预设值，则视为正常，单片机不会向声光报警电路发出信号，声光报警电路不工作。由此可看出，一个最简单的烟雾报警器需要包括有数据采集电路、A/D转换电路、声光报警电路。为了方便对烟雾浓度的直接监测，为此加入数码管显示电路，可以通过数
23、码显示屏直接监测到即时的烟雾浓度。同时为了方便适应不同的场合，能随时改变烟雾报警器的预设值，加入按键电路，通过按键电路，可以根据不同的场合需要对烟雾报警器的烟雾浓度预设值进行改变。设计的烟雾报警器结构框图如下图2-1。 烟雾传感器A/D转换单片机声光报警模块数码管字符显示按键模块图2-1 烟雾报警器结构框图2.2 烟雾传感器的选型烟雾传感器可以说是烟雾报警器的眼睛，烟雾报警器包含的模块中，烟雾传感器是第一个开始工作的，只有烟雾传感器能正常工作，烟雾报警器才能继续工作下去，所以烟雾传感器对于烟雾报警器是非常重要的。烟雾传感器不止能影响烟雾报警器能否继续工作下去，烟雾传感器能检测的烟雾种类更影响着
24、烟雾报警器的工作范围。所以烟雾传感器的选型对于设计烟雾报警器来说是非常重要的。2.2.1 烟雾传感器的介绍烟雾传感器检测到的是模拟信号，其工作原理是当烟雾传感器的探头碰到烟雾或者特定气体时，会使得探测头的阻值发生改变，烟雾传感器就可以通过探测头阻值的改变来表示烟雾浓度，使得可以将烟雾浓度这一变量转换成模拟信号，达到检测烟雾浓度的功能。（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： 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。 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。 利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾
25、传感器、电势型气体传感器等。 (2)烟雾传感器应满足的基本条件 烟雾传感器的种类有很多，由于传感器的探头不同，所能探测到的烟雾和气体就有所不同，有的探测头的功能比较单一，就只能探测一种气体，但相对的，灵敏度会较高；有的探测头的功能比较多，可以探测的气体种类比较多；有的可能只有一个传感器，有的会含有多个不同的传感器。但是，无论是哪一种烟雾传感器，都应该满足一下的基本条件9：能检测一种或多种烟雾、气体类型，但在检测某一种烟雾、气体时不会受到环境中与该种烟雾、气体共存的其他气体影响。做到有选择地对一种烟雾、气体进行检测。具有较好的稳定性能长时间工作，有较长的使用寿命有较高的灵敏度能快速反映检测到的烟
26、雾浓度（3）常见的烟雾探测器种类及工作原理 在我们生活的环境中充满了各种各样的气体，烟雾报警器的功能就是在这充满各种气体的环境中确保我们的人身安全。所以，为确保家庭安全，对可燃气体和有毒有害气体的检测尤为重要。但是，一种烟雾探测器能探测到的气体类型毕竟有限，以目前烟雾探测器的技术来说，不可能一种烟雾探测器就能探测到全部气体，所以，在日常生活中，我们应该对烟雾探测器有所选择，以便于探测在我们身边的可燃气体和有毒有害气体。现在我们使用的烟雾探测器功能比较单一，普遍只能探测到一种或两种特定性质的烟雾，例如氧化物半导体烟雾探测器主要用于检测如CO、H2、C2H5OH、CH3OH、等各种还原性烟雾。固体
27、电解质烟雾探测器主要用于检测如、等无机烟雾。由此可见，选择烟雾传感器的类型主要要根据安装的环境的气体类型，不同的气体环境使用不同的烟雾探测器，从而选用合适的烟雾传感器。工作原理：在探测器的电离室内放一放射源Am241，放射源Am241不断放射出粒子，使粒子以高速撞击空气中的氮、氧等分子，在粒子的撞击下引起电离，从而产生大量的带正负电荷的离子，使得原来不导电的空气具有导电性，从而形成电离电流。当烟雾粒子进入电离室后，由于气熔胶吸附大量的正负离子，使其中和。烟雾越浓离子复合机率就越快，使得空气中电离电流迅速下降，电离室阻抗增加，因此可以通过探测器R值的变化感受到烟雾浓度的变化，从而达到检测烟雾浓度
28、的功能。常见的烟雾传感器如下：（1）半导体烟雾传感器半导体烟雾传感器是以氧化物半导体陶瓷材料或单晶半导体器件为敏感体的烟雾传感器，当半导体的表面接触到烟雾或者有毒有害气体时，半导体的表面会发生氧化还原反应，半导体的阻值会随着氧化还原反应的发生而发生改变，通过检测阻值的变化程度，就可以知道烟雾浓度，以此来达到检测烟雾、气体浓度的功能。按照敏感机理分类，可以把半导体烟雾传感器分为电阻式半导体烟雾传感器和非电阻式半导体烟雾传感器。电阻式半导体烟雾传感器的半导体碰到气体时，半导体的阻值将会随气体状态的不同而发生变化，通过对传感器输出端阻值的变化来达到检测气体的功能6；当非电阻式半导体烟雾传感器的场效应
29、管接触到气体时，周围气体状态、浓度的不同会使场效应管的电压发生变化，检测场效应管的电压变化程度，从而可以知道烟雾浓度的变化，达到检测气体的功能。半导体烟雾传感器的半导体气敏元件可以分为P型半导体气敏元件和N型半导体气敏元件。当半导体气敏元件与烟雾接触后，P型半导体气敏元件的阻值会随烟雾浓度的增大而减小；N型半导体气敏元件的随烟雾浓度的增大而增大。半导体烟雾传感器自1962年问世以来，由于其具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、体积小、维修方便、价格便宜等诸多优点，得到大多数人的喜爱，同时得到了广泛的应用。但是其最大的缺点就是选择性较差。现今，半导体传感器己成为世界上产量最大、使
30、用最广的烟雾传感器之一。（2）接触燃烧式传感器 接触燃烧式传感器一般采用铂金属丝作为检测元件，当易燃烟雾接触到接触燃烧式传感器表面时就会发生氧化反应而燃烧，但是接触燃烧式传感器在使用时必须对铂金属丝通电流，使铂金属丝保持300400，此时如果有可燃气体接触到铂金属丝，可燃气体就会在铂金属丝上燃烧起来，铂金属丝的温度因此会升高，而铂金属丝的电阻会随着温度的升高而上升，因此，当有可燃气体在铂金属丝上燃烧后，铂金属丝的电阻会增大，电阻增大的程度与可燃气体的浓度程度成正比。因此，可以通过检测铂金属的电阻变化程度来检测可燃气体的浓度。但是，因为接触燃烧式传感器的这种工作原理，使得其探头很容易发生阻缓或者
31、烧坏的现象，需要对接触燃烧式传感器的探头进行更换。所以在实际中，接触燃烧式传感器在连续使用两个月后就需要对其探头进行检测或更换，这无疑加大了巡检工作人员的工作量，而且加大了烟雾传感器的成本。 （3）电化学传感器 电化学传感器主要适用于对有毒烟雾进行检测，目前国际上对有毒烟雾的检测大多数是采用电化学传感器。电化学传感器的工作原理是利用电解质与有毒烟雾发生氧化还原反应从而产生电流，或者由于离子作用于离子电极而产生的电动势，通过检测产生的电流或电动势大小，从而达到检测烟雾浓度的功能5。由于产生的电流或者电动势都是在一瞬间产生并被检测到，因此电化学传感器有反应速度快、准确、稳定的优点，但是寿命一般较短
32、，只有两年左右的使用寿命。（4）高分子烟雾传感器 高分子烟雾传感器的探头是用高分子气敏元件做成的，其工作原理利用的是高分子气敏元件的特性，当高分子气敏元件接触到烟雾或者特定的有害气体时，高分子气敏元件的阻值、介电常数、材料表面声波传播速率以及频率、物理性能等都会发生变化，可以通过这些变化的程度来体现烟雾或有害气体的浓度。而由于在近几年中，高分子的发展迅速，因此高分子烟雾传感器也得到了重视，同时也因为高分子烟雾传感器容易操作，价格低廉，稳定性高，其可以在常温环境下运行弥补了其他烟雾传感器的不足等优点越来越受到人们的青睐。（5）红外吸收型传感器 红外吸收型传感器利用两束红外光对被测环境中的烟雾浓度
33、进行检测，一束是主光束，一束是参考光束，主光束是用来检测测量元件内的被测烟雾的，参考光束则是用来测量比较元件内的参考烟雾，因为无论是测量元件内的被测烟雾还是比较元件内的参考烟雾都会有选择地对红外光束进行吸收，烟雾的浓度越高，被吸收的红外光就越多，剩下没被吸收的红外光束就会被传感器里面的光电探测器所接收，发出的红光与被光电探测器所吸收的红外光束就形成了一个差分信号，差分信号越大，烟雾浓度就越大，以此来达到检测烟雾浓度的功能。由于不同类型的烟雾物理性质不一样，所以不同类型的烟雾对于不同波长的红外光束吸收的量是不一样的，利用这个特性，可以用来探测某一种特定的烟雾，而且灵敏度非常高。典型的应用是用来检
34、测CO、CO2和某些易燃气体，因为红外光的能量不能被如H2非碳氢化合物易燃烟雾所吸收，因此红外吸收型传感器能对碳氢化合物进行精确的探测，而且在探测谈氢化合物时，不会受到非碳氢化合物的影响，能稳定、精确地探测碳氢化合物烟雾浓度。（6）离子感烟传感器在离子感烟传感器的内外电离室里面放有放射源镅241，镅241不断地放射射线，两极间的空气电离成正负离子，正负离子吸附在两极板间，使得两极板间的空气由不导电变得具有导电性能。当检测的环境中烟雾浓度很低或者没有烟雾，离子感烟传感器两极板间的电流和电压都是稳定的，但是当环境中的烟雾浓度变高，烟雾就会进入离子感烟传感器的电离室中，正离子和负离子都会被吸附在烟雾
35、粒子上，这大大增加了正负离子互相中和的概率，因此两极板间的电流和电压都会发生变化，离子感烟传感器就是利用检测电流、电压的变化程度来表现烟雾浓度的程度。（7）光电式感烟传感器 光电式感烟传感器是利用光散射的原理对火灾初期所产生的烟雾进行检测，其由三部分组成，分别是光源、光敏元件和电子开关。其工作原理是透镜将由光源发出的光折射到光敏元件上，若光敏元件能完全接收到光源发出的光，则将此时的电路视为正常情况，当有烟雾粒子在其中阻挡了光源发出的光折射到光敏元件时，光敏元件接收到的光明显减少，电路不能维持正常。因此，光电式感烟传感器的光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过电的变化程度来表现烟雾浓度的变化，
36、达到检测烟雾浓度的功能13。将以上所描述的七种烟雾传感器相互作对比，对比后发现，半导体烟雾传感器的优点较为突出，其不仅反应速度快，价格低廉，工作稳定，体积小和灵敏度高的特点，非常适合作为本设计的烟雾报警器的传感器。而在这么多的半导体烟雾传感器中选取型号，发现MQ-2型号的半导体烟雾传感器最为适合本设计。 2.3 MQ-2半导体气体烟雾传感器 MQ-2半导体气体烟雾传感器是经过与多种其他类型的传感器对比后，最适合本设计的传感器，其寿命长，稳定性高，成本低的优点都非常适合本设计中经济效益高，稳定性、灵敏性高的要求。而MQ-2半导体气体烟雾传感器可以探测的气体类型有天然气、液化石油气等烷类烟雾，这类
37、型的烟雾正是在家庭中最常出现的烟雾和有毒有害气体，MQ-2传感器的检测范围正适合用于家庭中。所以在众多传感器中，选择了该传感器作为本设计的烟雾报警器的数据采集模块。本设计所选用的MQ-2半导体气体烟雾传感器的气敏元件属于N型气敏元件，采用二氧化锡作为气敏元件，当处于200300时，二氧化锡发热吸附空气中的氧，使得空气中的氧发生负离子吸附，空气中的离子浓度减少，半导体中的电子密度也随之而减少，但电阻值则与之相反，随着空气中的离子浓度减少而增大。而当气敏元件二氧化锡半导体接触到的是烟雾时，晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制发生变化，因此引起了电导率的变化。就是利用二氧化锡半导体这一气敏元件的特点，可
38、以检测到被测环境的烟雾浓度。而当二氧化锡半导体检测到的烟雾是可燃烟雾时，二氧化锡与可燃烟雾在200300的环境下发生氧化还原反应，当原本被吸附在二氧化锡半导体上的氧因此而脱附后，可燃烟雾会以正离子的状态依附在二氧化锡半导体上，因为氧脱附时会放出电子，可燃烟雾吸附在二氧化锡半导体上也会放出电子，所以二氧化锡半导体的电子密度增加，使得电阻值下降。当空气中没有烟雾时，由于晶粒间界处的势垒没有收到外界的烟雾影响，电导率恢复正常，二氧化锡半导体又会自动吸附空气中的氧负离子，使得空气中的离子浓度恢复到原来的状态，半导体电阻值也会随之而恢复到原来阻值。通过这样的工作原理，MQ-2半导体气体烟雾传感器可以检测
39、烟雾浓度12。MQ-2结构图如下图 MQ-2结构图2.4 单片机选型作为烟雾报警器的心脏，单片机的选型可谓是重中之重。当接收到经过A/D装换后的烟雾浓度电信号时，必须要马上与预设值作出对比，判断是否应该向声光报警电路发出信号，使其发出声光警报，同时要将检测到的烟雾浓度在数码管上显示出来，由此可见，单片机需要处理的数据非常多，因此要求单片机要有较快的运算速度，只有单片机拥有较快的运行速度才能将MQ-2传感器检测到的烟雾浓度等级立刻显示在数码管显示屏上。在考虑单片机的运算速度的同时，由于本设计有轻巧、体积小的优点，所以在选则单片机的时候也尽量选则体积较小的芯片，使得设计的烟雾报警器在拥有灵敏度高、
40、稳定性好、体积轻巧的优点外，还能满足价格低廉、高经济效益的要求，增大实用性。随着单片机技术在各行各业的应用越来越广泛，许多集成电路生产厂家发现单片机的商机，趁此机会研发生产了许多不同类型的单片，而在众多类型的单机片中，MCS系列单片机可以说是脱颖而出，凭借的就是其优越的性能、较高的可靠性和抗干扰性、以及高性价比，因此迅速的占领了单片机的主要市场，成为国内单片机应用领域的主流。其中，在MCS系列单片机中应用最广泛、最为被人所认识的就是51单片机，51单片机较之其他同系列的单片机有许多突出的优点，其中价格低廉，I/O端口多，程序空间大的优点最为突出，也是这么多人在测控系统中采用51单片机的原因。因
41、为51单片机的这些优点，再加上在学习的过程中对51单片机有一定的了解，因此，对于本设计来说，51单片机是一个非常合适的选择，本设计选用的是STC89C51单片机。2.4.1 单片机的引脚功能描述下面对STC89C51各引脚的功能进行较为详细的介绍0：1)电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端 接+5V Vss(20脚)：接电源接地端。 2)时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1(19脚)：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内震荡器。 XTAL2(18脚)：接外部石英晶体的另一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输出端。3)控制
42、信号脚 RST ALE 和。 RST(9脚)：复位输入端。该引脚为51单片机的上电复位端。但单片机震荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机恢复到初始状态。上电时，考虑到震荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。ALE/（30引脚）：地址锁存有效信号输出端/编程脉冲输入端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外存储器期间，下降沿用于锁存P0口输出的低8位地址。对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，该引脚用做编程脉冲的输入端，低电平有效。（29脚）；片外程序存储器读选通信号，低电平有效。在从外部程序存储器读取指令或
43、常数期间有效，在每个机器周期，该信号两次有效，以便通过数据总线P0口读取指令或常数。/VPP（31脚）：为片外程序存储器选用端。该引脚低电平时有效，即=0时，单片机读取片外程序存储器；当=1时，单片机读取片内程序存储器，当片内程序存储器空间不够用时，自动转向片外程序存储器。4)I/O（输入/输出端口，P0，P1，P2，P3） P0口（3239）：P0口包括P0.0P0.7。在不接片外存储器与不扩展I/O端口时，可作为准双向I/O口。在接有片外存储器或扩展I/O端口时，P0口分时复用（不同时刻，用途不同）为低8位地址总线和双向数据总线。 P1口（18）：P1口包括P1.0P1.7,可作为准双向I
44、/O端口使用。 P2口（2128）：P2口包括P2.0P2.7,在不接片外存储器、不扩展I/O端口时，可作为准双向I/O端口使用。在接有片外存储器或扩展I/O端口时，P2口用作高8位地址总线。P3口（1017）：P3口包括P3.0P3.7。除作为准双向I/O口使用外，还有第二功能。2.5 本章小结 在本章中，首先确定了设计思路，先确定了设计的烟雾报警器的功能，后确定了要实现这些功能所需要的电路模块。然后在介绍的众多种烟雾传感器中，根据要检测的烟雾种类最后选择了MQ-2烟雾传感器，而单片机则选择了最为常用的89C51单片机。第三章 系统的硬件电路3.1 单片机最小系统要使单片机运行起来，就必须要
45、组建一个电路，使单片机与电路构成一个系统。而单片机的最小系统由单片机、复位电路和时钟电路三部分所构成。单片机的最小系统如下图3-1所示 图3-1 信号处理模块 根据STC89C51芯片的说明书，STC89C51的工作电压为4.5V5.5V，在本设计中，STC89C51单片机的40脚接5V电源正极，20脚则接电源地端，使得STC89C51单片机能得到5V的工作电压。复位电路可以把电路恢复到起始状态。当电路受到外界环境影响而工作出错时，需要将电路恢复到起始状态，以便电路能在排除外界环境影响后重新运行，此时复位电路就能起到作用。复位电路的启动方法有三种：一是在给电路通电时马上进行复位操作，；二是在必
46、要时可以由手动操作；三是根据程序或者电路运行的需要自动地进行。本设计采用的第二种方法，在必要时由手动操作。时钟电路对于单片机的重要性就如单片机对于本设计的重要性，都是相当于心脏位置，几乎所有的数字系统在处理信号都是按照节拍一步一步地进行的，系统各部分也是按照节拍进行的，要使电路的各部分统一节拍就要有一个时钟信号，时钟电路就是产生这个信号的电路。XTAL1是反向放大器的输入，XTAL2是反向放大器的输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。如果采用的是外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接15。3.2 时钟电路与复位电路设计本设计为烟雾报警器，当烟雾报警器误报时需要对其进行复位，使烟雾报警器能恢复正常的检测报警功能，因此复位电路选用外部手动启动，当按下按钮后，烟雾报警器的预设值会恢复到初始设定的值。本设计
