测控技术与仪器专业

东北林业大学毕业设计 测控技术与仪器专业测控技术与仪器专业 专业课程设计报告专业课程设计报告 姓名刘强飞 班级192202 学号123228 教师王斌 基于单片机的烟雾报警器设计基于单片机的烟雾报警器设计 一.设计要求 1.可以检测火灾发生； 2.火灾发生时可报警。 二.方案设计 1.单片机及烟雾传感器是烟雾报警器系统的两大核心。 单片机好比一个桥梁， 联系着 传感器和报警电路设备。 近几年来， 单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生 活的各个方面。 各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。 单片机是器件级计算机 系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它 可以应用到所有电子系统中。同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置 的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。而传感器作为信息技术系统 的“感官”器件，如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、 高速度的控制系统。 美国曾把二十世纪八十年代称为传感技术时代， 日本更是把传感技术 列为十大技术之首。所以，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器 和单片机芯片是至关重要的。在本论文中的最主要的设计是选 AT89C51 单片机和 QM-N5 半导体气体烟雾传感器为核心器件。 目前， 现代建筑都会有选择地安装不同功能的火灾自动报警系统。 因为火灾自动报 警系统是建筑物的神经系统，它能够感受、接收着发生火灾的早期信号并及时报警，发出 警报同时告知用户和周边居民。它就像是一个个称职的更夫，给居住、忙碌或是休息在家 庭中的人们以极大的安全感。在火灾的早期阶段，准确的探测到火情并迅速报警，对于及 时组织有序快速疏散、 积极有效地控制火灾的蔓延、 快速灭火和减少火灾对居住人群的损 失都具有重要的意义。 2. 系统的总体方案设计 2.1 烟雾报警器的工作结构和原理 烟雾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。 该报警系统的最 基本组成部分应包括信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、 字符 显示电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成。 为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求， 设计的烟雾报警器具有显示 报警状态、故障自检、 换气排烟和自动灭火等功能。报警器采用延时的工作方式， 烟雾检 测报警器以 AT89C51 单片机为控制核心， 选用 QM-N5 半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度 信息，配合外围电路构成烟雾报警系统。报警器系统结构如图 2-1。 2 烟 雾 传 感 器 放 大 电 路 A/ D 转 换 单 片 LED 状态指示灯 数码管字符显示 调节阀 机 蜂鸣器 换气扇 图图 2-1 2-1 可燃烟雾报警器系统结构框图可燃烟雾报警器系统结构框图 该系统的工作由烟雾信号采集及放大电路将采集到的烟雾浓度信息转化为放大的模 拟电信号。模数转换电路再将该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处理， 并对处理后的数据进行分析。 当输入 A/D 转换器的放大信 号不为零时，启动报警电路。反之则为正常工作状态。 设计中为了方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够间接知道环境中的烟雾浓 度， 所以用数码管显示字符来指示报警状态。 系统采用蜂鸣器声音报警和 LED 闪烁状态作 为警报信号。这种报警方法是在声音报警基础上，加入光闪报警。因为变化的光信号可以 引起用户和家庭邻居的注意， 弥补了在嘈杂环境中声音报警的局限， 使得报警装置更加完 善。在报警启动的同时，单片机控制器还可以控制调节阀喷水灭火和换气扇排烟动作。 系统留有继电器接口， 使单片机能够控制换气风扇和调节阀的工作状态， 让系统在报 警的同时自动启动相关安全装置。 另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作， 温度越高， 反应越快，响应时间和恢复时间就越快。 为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工 作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个 5V 的电压。为了保证其可靠性，在输出 5V 的电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝或电缆线和传感器断线或接触不良时，进 行故障报警。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。 三. 设计的具体实现 1.系统的硬件电路 1.1 系统电源电路 任何电子设备都需要稳定的直流电源供电， 直流稳压电源是将交流电压转换成稳定的 直流电压的设备。一般直流稳压电源是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四 部分组成。其组成方框图如图 1-1 所示。 交流变 交流电源整流电路滤波电路稳压电路负载 压器 3 图图 1-11-1 直流稳压电源组成方框图直流稳压电源组成方框图 电源变压器的作用是， 改变电网的交流电压的大小， 将 220V、 50Hz 的市电进行降压， 使变压器的副边输出的交流电压符合设计要求。 然后利用二极管的单向导通性， 将交流电 压变换为单方向的脉冲直流电压， 再利用电容储能元件组成的滤波电路， 将脉动大的直流 电压处理成平滑的脉动小的直流电压， 即将整流电路输出的脉动直流电压中的交流成分滤 掉，只留下比较平滑的直流电压，最后利用集成稳压器 W7805，让电源电路的输出电压 稳定为 5V，以此作为系统各个部分电路的电源。以下是本设计所采用的电源电路图。 1 2 V IC6 240 R15 V OUT IN GND W7805 3 2５ Ｖ J1 2 1 CON2 ～ 220 V1 8～9V BRIDGE T 4 3 C4 1000uF Dz C5 0.33uF C6 0.1uF 图图 1-21-2 系统电源电路图系统电源电路图 1.2 AT89C51 的时钟电路和复位电路 （1）时钟电路 AT89C51 单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1 和 XTAL2 分别 为振荡电路的输入端和输出端， 时钟可由内部或外部生成， 在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接 晶体振荡器 Y，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容 组成的并联谐振回路。晶振频率选择 12MHZ，C1、C2 的电容值取 30pF，电容的大小起频 率微调的作用。时钟电路如图 1-3。 4 X1 30p F C2 C1 X2 30p F S1 5V Y 12MHz 手动复位 R13 470 Ω C3 22u F RESET R14 1KΩ 图图1-31-3时钟电路和复位电路图时钟电路和复位电路图 （2）复位电路 单片机有多种复位电路，本系统采用自动复位（上电复位）与手动复位方式， 电路如 图 1-3。当上电时，C3 充电，电源经过电容器 C3加到 RESET 引脚，使单片机复位； 在 正常工作时，按下复位键时单片机复位。 1.3 信号采集及前置放大电路 在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静 电和电磁耦合等共模干扰， 对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及 高增益、 低噪声和高输入阻抗。 只有传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、 滤波、电平调整，才能满足单片机对输入信号的要求。 图图1-