变电站烟雾监测与报警器的设计毕业设计

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目录

引言 (1)

1 绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 烟雾报警器的概述 (2)

1.3 课题研究的目的及意义 (3)

1.4 现状及特点 (3)

1.5 发展趋势 (3)

1.6 系统的设计任务 (4)

2 变电站烟雾检测报警器的方案设计 (4)

2.1 设计要求 (4)

2.2 烟雾检测报警器设计思路 (4)

2.3 设计方案 (5)

2.3.1方案一 (5)

2.3.2方案二 (6)

2.3.3方案三 (7)

2.3.4方案的确定 (7)

2.4 烟雾传感器的选型 (7)

2.4.1烟雾传感器介绍 (7)

2.4.2烟雾传感器的选定 (10)

2.4.3 MQ-2型烟雾传感器的相关介绍 (11)

2.5 烟雾检测报警器具体设计方案 (13)

2.5.2烟雾检测报警器系统三大部分 (14)

2.5.3烟雾检测报警器的结构 (14)

2.5.4烟雾检测报警器的功能 (15)

3 烟雾检测报警器的硬件模块设计 (15)

3.1 烟雾检测报警器系统模块设计 (15)

3.1.1气体浓度检测模块 (15)

3.1.2主控模块 (16)

3.1.3外围报警模块 (20)

3.2 烟雾检测报警器硬件电路的设计与分析 (20)

3.2.1系统电源的设计 (21)

3.2.2信号采集放大电路的设计 (22)

3.2.3 AD转换电路的设计 (24)

3.2.4状态指示灯电路的设计 (29)

3.2.5液晶显示电路的设计 (29)

3.2.6蜂鸣器报警电路的设计 (31)

3.2.7串口通信电路的设计 (31)

4 变电站烟雾检测报警器的软件设计 (36)

4.1 AT89S51单片机调试及开发工具 (36)

4.2 烟雾检测报警器软件流程及设计 (36)

5 实验误差分析 (41)

6 实验调试 (39)

6.1 硬件调试 (39)

6.2 软件调试 (39)

6.3 调试结果 (40)

7 结论 (40)

谢辞 (44)

参考文献 (41)

附录 (46)

附录1 硬件电路图 (46)

附录2 PCB电路图 (47)

附录3仿真图 (48)

附录4 单片机程序设计清单 (49)

引言

当今，单片微型计算机技术迅猛发展，由单片机技术开发的智能化测控设备和产品广泛应用到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。而在变电站的火灾烟雾故障监测报警系统正是单片机应用系统中的一种。单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件是指单片机扩展的存储器、输入输出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件；软件是指单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序。只有系统硬件和软件紧密配合、协调一致，才可能组成高性能的单片机应用系统。在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率。单片机应用系统的开发过程一般包括系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试几个阶段。这几个系统开发阶段并不是相互独立、各自进行的，而应根据开发的实际需要，相互协调，交叉、有机的进行。

实现气体浓度检测离不开高性能的气体传感器。从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量、PH 值等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。此次设计中所利用到的气体传感器就是要测量烟雾浓度的动态信号，并且利用数模转换芯片将浓度值转换为数字值，实现整个系统的检测与报警功能，实现智能控制。

本文的变电站烟雾监测报警系统就是单片机应用系统的一种典型应用，要求能够检测烟雾浓度，并且在气体浓度超过给定值时能实时报警。由于火灾是变电站以及矿工企业常见事故，给人们生命财产安全带来了极大的危害。为了能减少事故的发生，提醒人们注意，迫切地需要烟雾监测报警系统。

随着电子技术与计算机技术的发展，面对各种检测对象和大量的测试点，需要利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时检测。而此时采用单片机来实现烟雾监测报警系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采集点的技术指标，从而大大提高系统的可利用性。此次三路检测系统正是把ADC0809与AT89S51单片机有机的结合起来，也符合了本设计的要求。

1 绪论

1.1 课题背景

随着国民经济的发展，电力应用更加普遍，变电站在国民经济发展中起着不可或缺的作用，因此变电站的火灾报警防范系统显得尤为重要，现代火灾报警系统向着更加智

能化的方向发展。烟雾检测报警装置就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的。我国的火灾自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发。对于变电站的火灾报警防御系统要求更高，在变电站必须利用具有可靠性高、实时性好的火灾自动报警与消防系统。

1.2 烟雾报警器的概述

火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温度火光。这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。区域报警器能将所在楼层之探测器发出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的房间号；同时还能监视若干楼层的集中报警器（如果监视整个大楼的则设于消防控制中心）输出信号或控制自动灭火系统。集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具体显示出着火的楼层和房间号，机上停走的时钟记录下首次报警时间性，利用本机专用电话，还可迅速发出指示和向消防队报警。此外，也可以控制有关的灭火系统或将火灾信号传输给消防控制室。

首先我们应对国家标准规定的烟雾报警器的种类有所了解。烟雾报警器可分为可燃气体检漏仪（简称“检漏仪”）,可燃气体报警控制器（简称“控制器”）、可燃气体探测器（简称“探测器”）、家用可燃气体报警器（简称“报警器”）四大系列产品。报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。

烟雾报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。当气体传感器遇到烟雾时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供烟雾报警器后级线路处理。经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当烟雾浓度达到报警设定值时，烟雾报警器发出声光报警信号并可显示烟雾浓度或启动外部联运设备（如排风扇、电磁阀）。

选择一款优质的烟雾报警器，首先要选择质量过关的传感器。质量不过关的传感器，一般16个月性能就下降，因而失去报警器的安全性，出现不报警或误报警现象，而一种好的传感器可连续使用十几年，特性也不会有什么变化。但是，报警器中的其它电子元件的寿命都是有限，先进国家也规定燃气报警器的有效期最多为五年。

报警器都存在着检测误差，只有误差降低在5%以内这个报警器才符合使用要求。这就要求了烟雾传感器性能必须符合这个条件，高精度的传感器是系统的灵魂。气体传感器受湿度、温度的影响较大，在条件需要的时候应该采用温度、湿度补偿来提高测量精度[１]。

1.3 课题研究的目的及意义

火灾对变电站的影响很大，因此设计出性能更加可靠，经济实惠的变电站烟雾监测报警系统已成为市场的需要。

目前，现有烟雾检测仪器主要是面对工矿企业或公共场所的检测，价格高昂，本次设计的优点在于：

（1）成本低廉并能对烟雾准确报警。

（2）该产品无需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用、方便简捷。

（3）能有效检测烟雾浓度，观察更加直观，控制更加方便。

（4）能有效防止误动作，可靠性强。

（5）声光报警，更能引起人们的注意，观察直观。

1.4 现状及特点

消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动。是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，象消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的消防报警市场。

1.5发展趋势

二十多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。国外的产品和品牌一统天下，占领中国的大部分市场。由于中国的建设正在飞速发展，市场大的惊人，难道这由中国发展带来的成果只能由外国企业来瓜分？可幸的是中国企业抓住了机遇，顶住了挑战，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之功，这是典型的自力更生，走自己的路。当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚启动。中国企业正虎视眈眈，准备进军海外市场[6]。

1.6系统的设计任务

本文利用单片机电路制作变电转火灾烟雾故障监测报警系统。设计过程中关键的两个部分：系统硬件的设计和控制软件的编写。这也是在设计过程中需要解决的关键的问题。

（1）硬件任务

单片机变电站火灾烟雾故障监测报警系统的硬件主要有3大部分，即浓度检测和显示模块、主控模块和报警模块。浓度检测模块主要由半导体气体传感器MQ-2和ADC0809组成，它们是整个系统中关键的元件；显示部分由LCD1602组成。主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机进行控制。报警模块主要由发光二极管和蜂鸣器等组成，这个模块是在浓度超过报警限的时候进行报警处理。硬件的设计需要单片机、模电及其数电的相关知识。在解决这一问题的过程中，需要查阅大量资料，结合所学知识，向老师获取帮助。

（2）软件任务

它的软件设计主要包括主程序和中断处理两大部分：主程序要完成IO口，定时器的初始化及对中断输入的设定，然后延时使传感器进入稳定工作状态，等待定时器的中断；中断处理程序根据具体情况需要有相应的子程序。要对程序进行多次调试，分块编程。对各个子程序块所解决的问题要相当明确。最后在制作完成硬件电路板后要调试出设计要求的功能。

2 变电站烟雾检测报警器的方案设计

系统设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。

硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。并且把这些元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。

2.1设计要求

设计的监测报警系统应实现如下功能：系统能检测三个不同位置的烟雾浓度，把检测到的信号送单片机处理，处理过的数据送显示器显示，在烟雾浓度达到设置值时系统启动声光报警，实现串口通信功能。

2.2 烟雾检测报警器设计思路

本设计拟按以下思路展开研究：

（1）根据该设计要实现的基本功能，设计大致应该分为信号采集放大，信号处理

控制，系统报警三个部分。

①信号采集部分即通过气体传感器检测气体浓度，将这种变化量转化成电压模拟量的变化，然后通过运放进行必要的放大。

②信号处理部分是将采集到的模拟信号转换成数字信号，送入控制器进行处理，并将处理过的信号送显示器显示。

③系统报警部分是通过预定控制方式并利用蜂鸣器和发光二极管报警实现系统的准确操作。

（2）依据上面所说的思路，得到如下一些基本的结论：

①信号采集部分为了能准确采集到气体浓度的变化应选用半导体气体传感器，为使其有效的检测烟雾浓度，采用电阻型半导体气体传感器；而放大部分使用运放进行放大。

②信号处理部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。将模拟信号送AD模块进行模数转换，然后送到单片机，经过处理后送显示器显示。

③系统设置报警部分可以考虑采用蜂鸣器和发光二极管报警

根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图2-1所示：

图2-1 思想框图

将上述设计思想结合设计要求总结为：单片机电路制作变电站火灾烟雾故障监测报警系统对三个不同位置的烟雾浓度进行监测；烟雾信号采集电路一般由电阻型半导体气体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。采集到的信号送入AD模块，将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比较，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，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，使仪器测试人员能够直观地观察到环境中的烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光报警，光信号可以引起工作人员注意，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。

烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是至关重要的。

2.3设计方案

2.3.1方案一

采用单个普通传感器检测烟雾浓度，将检测的到浓度信号送入AD芯片中进行模数转换，利用AT89S51单片机控制蜂鸣器进行声音报警以及将气体传感器检测到的浓度

值在液晶显示器上显示出来。

分析：此设计虽然简单，但是存在着严重的问题。采用单个传感器检测烟雾浓度是不合适的。气体传感器所测量的值经常会发生变化。在一段短时间内可能很稳定，而在一段较长时间内则可能有缓慢起伏，或呈周期性的脉动变化，甚至出现突变的尖峰。气体传感器主要通过两个基本特性--静态特性和动态特性来反映传感器的这种变动性。静态特性通常反映在灵敏度上。所谓的灵敏度，是指在静态工作条件下，其单位输入所产生的输出，用S 表示。如式（1）：

（1）

动态特性是烟雾传感器的特有问题，反映烟雾传感器对随时间变化的输入响应特性。动态特性好的烟雾传感器，其输出特性曲线随时间变化很小。动态特性的输入与输出关系不是一个常数，而是时间的函数，随时间的变化而变化，因此常用"传递函数"表征。如式（2）：

x b dt

dx b dt x d b dt x d b y a dt dy a dt y d a dt y d a m m m m m m n n n n n n 0111101111......++++=++++------ （2） 此可见，烟雾传感器的输入和输出关系并非简单的线性或曲线关系，要对烟雾传感器建立一个准确的温度修正数学模型是很困难的。通常应用时，都忽略烟雾传感器的动态特性，根据其静态温度响应灵敏度，采取一定的措施对其进行补偿。如通过温度传感器测出环境的温度，对烟雾传感器的输出特性曲线进行修正；或者直接对传感器进行硬件补偿。烟雾传感器特性总是会受到环境温度、湿度的影响而变化，烟雾报警器要能够有效实现对环境气氛的监控，有效避免误报、漏报，提高测量的准确性，必须对烟雾传感器进行有效的温、湿度补偿和修正。本设计主要考虑如何有效实现传感器的温度补偿。传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。所谓硬件补偿是指直接使用温度传感器在电路中对气体传感器进行补偿，这种方式虽然简单，但只有在温度传感器和气体传感器的温度特性一致时，才能很好地补偿；很难实现宽范围的气体传感器和温度传感器的特性匹配。软件补偿方式通过传感器的温度特性曲线拟合进行算法补偿，这种方式是以一定的特性曲线作为基础，对不同的工作环境和不同传感器的温度特性，用算法处理和查表修正以得到不同的补偿效果。该方式较为复杂，对特性离散的传感器，拟合效果差。为了解决这个问题，提出采用双传感器补偿方式，具体来说就是选用两个特性一致（实际上只能做到非常接近）的气体传感器来实现补偿，把其中一个气体传感器A 密封代替温度传感器，对另一气体传感器B 进行补偿。这样的补偿方式，不仅能较好地拟合气体传感器的静态温度特性，而且对传感器的动态温度响应也能同步实现补偿。

由于方案一传感器测量精度不高，所以不予采纳。

2.3.2方案二

采用普通双传感器，采用相互补偿的方法检测房间气体浓度，将检测的到浓度信号送入AD 芯片中进行模数转换，利用AT89S51单片机控制声音报警以及将气体传感器

检测到的浓度值在显示器显示出来。

分析：此设计方法虽然解决了传感器检测气体浓度时温度和湿度对测量值的影响，但是，在实际制作的过程中，需要利用的核心控制芯片必须最少具有4路8位AD口，气体和温度敏感信号直接由AD口采集后，进行一定的算法修正和软件补偿。由于本课题要求采用四路巡回检测，如果采用本方案那么就需要8个特性相同的半导体气体传感器（4个密封检测气体浓度，另外4个做补偿），为了达到更好的温度修正效果，往往需要传感器厂家的配合，在生产时对传感器进行成对生产，以保证传感器特性的一致性。并且主控制芯片采用常规的ADC0809和单片机并不支持，且制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高。单单采用此种方法并不能更好的提高测量性能，还需要加以软件补偿。

由于采用此方案制作硬件极其复杂，系统整体设计体积过大、功耗高、成本太高，所以不予采纳。

2.3.3方案三

采用高性能半导体气体传感器，采用三路传感器检测不同地方的烟雾浓度，将检测的到浓度信号送入AD芯片中进行模--数转换，利用AT89S51单片机控制声光报警，并且将气体传感器检测到的浓度值在LCD显示器上显示出来，并且实现串口通信。

分析：选用此方法设计电路不仅解决了温度、湿度的影响，并且简化了设计电路，降低了成本，采用此种方法设计主体电路。具体电路设计将在下文中给出。

在下节将具体介绍烟雾传感器的选型问题

2.3.4方案的确定

现今半导体气体传感器技术的不断提高，使得在应用此类传感器时不必采用温度、湿度补偿，极大的简化了电路和降低了成本。鉴于对以上三个方案的对比分析，方案三最符合设计要求，所以我选择使用方案三来设计本次毕业设计的主体电路。

2.4 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AD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。

2.4.1烟雾传感器介绍

(1)烟雾传感器的分类[２]：

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。

(c)利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。

(2)烟雾传感器应满足的基本条件：

一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：

(a)能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；

(b)对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；

(c)对检测信号响应速度快，重复性好；

(d)长期工作稳定性好；

(e)使用寿命长；

(f)制造成本低，使用与维护方便。

(3)常见烟雾传感器简介：

下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。

(a) 半导体烟雾传感器

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。自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。

(b)固体电解质烟雾传感器

固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中有优势。

(c)接触燃烧式传感器

当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持300°C~400°C的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道烟雾的浓度。

(d)高分子烟雾传感器

利用高分子气敏材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。

(e)电化学传感器

电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性烟雾检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

(f)热传导传感器

热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。

(g)红外传感器

红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。

不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃烟雾(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。

(4)常见烟雾传感器可检测烟雾种类[３]：

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。

下表简要列举出已经研究、开发的各类烟雾传感器及其可检测的气体种类[5]。

表2.1各种烟雾传感器可检测的烟雾种类

传感器种类C0 CO2

H2S

NH3 HCN HCI COCI2 CI2

NOX

SO2 O2 CH4 C3H2 H2 H2O

半导体气体传感器○

○

○

○

○

○○○○○

固体电解质

传感器

○○○○○

接触燃烧式

传感器

◎○○○

电化学式传感器○

○

○○○○○○

高分子电解质气体传感器◎○

○

○○

注：○好◎不太好

2.4.2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、变电站、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。

使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。

因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。

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，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)[4]。

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，还有足够的耐高温，耐高湿的特性。下面介绍MQ-2型烟雾传感器的技术资料。

2.4.3 MQ-2型烟雾传感器的相关介绍

MQ-2MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2MQ-2S气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

1、灵敏性

图2-2是传感器典型的灵敏度特性曲线。图中纵坐标为传感器的电阻比（RsRo），横坐标为气体浓度。Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值，Ro 表示传感器在1000ppm 氢气中的电阻值，图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。

2、温湿度的影响

图2-3是传感器典型的温度、湿度特性曲线。图中纵坐标是传感器的电阻比（RsRo）。Rs表示在含1000ppm 丙烷、不同温湿度下传感器的电阻值，Ro表示在含1000ppm 丙烷、20℃65%RH环境条件下传感器的电阻值。

3、结构外形

MQ-2MQ-2S气敏元件的结构和外形如图4所示(结构 A 或B), 由微型Al203陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。

图2-2 MQ-2MQ-2S气体传感器的灵敏度特性

图2-3 MQ-2MQ-2S气体传感器的温度湿度特性曲线

图2-4 MQ-2MQ-2S气敏元件的结构和外形4、MQ-2MQ-2S气敏元件的规格

MQ-2MQ-2S气敏元件的规格如表2-1所示：

表2-2 MQ-2MQ-2S气敏元件的规格

2.5 烟雾检测报警器具体设计方案

本设计属于单片机应用系统。它是单片机在系统检测方面的应用，是典型的嵌入式系统。通常将满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统；而把面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。嵌入式系统一般分为四种:工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。嵌入式系统具有以下特点：

(1)面对控制对象。如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。

(2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。

(3)能在工业现场环境中可靠运行的品质。

(4)突出控制功能。如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统(IO控制、位操作和转移指令等)。

单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。

2.5.1烟雾检测报警器工作原理

本论文中的烟雾检测报警器以8051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，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入ADC0809进行模数转换，将电压信号转换成数字信号，然后再送入单片机；在8051单片机内进行浓度比较，对数据进行线性化处理，最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯亮。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。与此同时通过max232与上位机通信。

2.5.2烟雾检测报警器系统三大部分

图2-3 单片机应用系统三个层次的关系

单片机应用系统的结构分三个层次。

(1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。

(2)单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统,如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。

(3)单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显小器、打印机等)和串行通信口(RS232)以及应用程序等。

单片机应用系统三个层次的关系如图2-3所示。

以此理解，单片机烟雾故障监测报警系统同样具有单片机应用系统的三个层次。其中以AT89S51单片机为核心构成单片机系统。在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理，控制外围电路。为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。整个监测报警系统由三个部分组成，分为三大模块：浓度检测模块、主控模块和外围报警模块。在本次设计中，使用的核心器件是AT89S51单片机和MQ-2型气体传感器。为了保证整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：以单片机为中心，其他各大模块一一展开。其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将烟雾浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且将浓度值显示出来；主控模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；外围报警模块是此系统的外围电路，它的功能实现形式最人性化，体现了智能控制，在检测到烟雾浓度超过设定值时会启动蜂鸣器报警。

2.5.3烟雾检测报警器的结构

为适应变电站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、延时报警功能及可接计算机进行现场远测等功能。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。

图2.4 可燃性气体检测报警器结构框图

报警器系统结构框图如图2.4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、状态显示、声音报警等功能。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、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。

2.5.4烟雾检测报警器的功能

(1)烟雾浓度显示

通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，便于检测人员随时观测烟雾浓度。

(2)烟雾报警功能

当烟雾浓度处于报警限值之上，蜂鸣器开始报警，并且伴随红灯亮。因为人对声光信号更为敏感，所以声光变化更容易引起工作人员的注意。

(3)与上位机通讯功能

可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据。

3 烟雾检测报警器的硬件模块设计

根据第二章的介绍系统的硬件部分可以分成三个模块来做，现在就先进行模块设计部分，然后再具体介绍各部分硬件电路的设计。

3 .1烟雾检测报警器系统模块设计

整个监测报警系统由三个部分组成，分为三大模块：气体浓度检测模块、主控模块和报警模块，下面依次介绍。

3.1.1气体浓度检测模块

火灾烟雾故障监测报警系统采用三路不同地点烟雾检测的方法，检测器件采用MQ-2型气体传感器检测气体浓度，检测结果送入模数芯片ADC0809中进行模数转换。

前面在第二章第四节方案的设计中已经介绍了MQ-2型烟雾传感器的具体资料，由于条件原因没有买到MQ-2型烟雾传感器，所以根据其技术资料和规格，用变阻器来代

替模拟MQ-2烟雾传感器，可以假设其在理想条件下不考虑温度和湿度的影响，在MQ-2中测得的烟雾浓度随输出电压的变化而变化，根据图浓度与电压之间的变化关系，用变阻器来模拟MQ-2烟雾传感器。

根据图3-1，MQ-2型气体传感器单片机采集电压值与烟雾浓度百分比线性化曲线，当烟雾浓度在0%到100%之间变化时电压在0V到3.75V之间变化，所以让变阻器的输出电压在0v到1.8v之间变化，经过运放将电压放大两倍得到0V到3.75V之间变化的电压送到ADC0809进行模数转换，将电压信号转换成数字信号最终由单片机处理显示出浓度值。如图3-2所示。

图3-1 MQ-2型气体传感器单片机采集电压值与烟雾浓度百分比线性化曲线

图3-2 用变阻器模拟的MQ-2型半导体烟雾传感器

3.1.2主控模块

系统选用单片机控制，采用AT89S51单片机。它的主要功能即接收ADC0809芯片送来的数字信号，又可以通过对数字信号的处理来控制外围电路以及显示电路。采集信号经过ADC0809处理后送单片机进行数据处理，处理后的信息将通过单片机控制，在LCD 显示器上显示出来。

下面来详细介绍一下AT89S51单片机

1、AT89S51单片机简介

AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压,高性能CMOS8位微处理

器,俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器。AT89S 系列单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。所以本设计我们选择AT89S51单片机作为控制器的核心芯片[9]。

2、AT89S51单片机的引脚定义及功能

AT89S51引脚图如图3-3所示，下面分别介绍其引脚。

（1）主电源引脚Vss，Vcc

Vss(20脚):接地。Vcc(40脚):主电源+5V。

（2）外接晶振引脚XTAL1（19脚），XTAL2(18脚)

XTAL1：在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应接地。

XTAL2：在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。

（3）输入输出引脚P0，P1，P2，P3

P0.0～P0.7(39～32脚):P0是一个8位漏极开路型双向IO端口。在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位双向数据，故这些IO线有地址线数据线之称，简写为AD0～AD7。在EPROM编程时，从P0输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节(验证时，要外接上拉电阻)。

图3-3 AT89S51引脚功能图

表3-1 P3口的引脚功能

引脚信号控制信号说明

P3.0 RXD 串行数据输入

P3.1 TXD 串行数据输出

P3.2 INT0 外部中断0

P3.3 INT1 外部中断1

P3.4 T0 定时器0输入

P3.5 T1 定时器1输入

P3.6 WR 写存储器信号

P3.7 RD 读存储器信号

Pl.0～P1.7(1～8脚):Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向IO端口。在EPROM编程和验证程序时，它输入低8位地址。

P2.0～P2.7(21～28脚):P2是一个带内部上拉电阻的8位双向IO端口。在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8～A15。在对EPROM编程和验证程序时，它输入高8位地址。

P3.0～P3.7(10～17脚):P3是一个带内部上拉电阻的8位双向IO端口。在整个系统中，这8个引脚还具有专门的第二功能，在此，对P3口相应引脚用于控制信号时的情况如表3-1所示。

（4）控制线（4条）

RST：AT89S51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。

ALEPROG：ALE是英文"ADDRESS LATCH ENABLE"的缩写，表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器(如74LS373)，将端口P0的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的116，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间，将以112振荡频率输出。

EAVPP：该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码(存于外部EPROM中)来执行程序。因此在8031中，EA引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用AT89S51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内0FFFH)时，将自动转向外部程序存储器继续运行。

PSEN：此为"Program Store Enable"的缩写。访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号[12]。

3、单片机的工作方式

单片机的工作方式包括：复位方式，程序执行方式，单步执行方式，掉电、节电方式以及EEPROM编程和校验方式。

（1）复位方式RST引脚时复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，高电平的持续时间应该在24个时钟周期以上，若时钟频率为6MHz,则复位信号至少应持续4us