【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是MQ2 半導(dǎo)體型可燃性 煙霧傳感器檢測(cè)可燃煙霧的基本原理 [8]。 圖 MQ2 型傳感器的外觀 圖 MQ2 型傳感器的結(jié)構(gòu)圖 MQ2 傳 感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo) MQ2 型傳感器的一般特點(diǎn)： 對(duì)天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對(duì)烷類煙霧更為敏感；具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，初始穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)間短，長(zhǎng)時(shí)間工作性能好；電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬， 24V 以下均可；加熱電壓 5177。 MQ2 型傳感器的初期穩(wěn)定特性：半導(dǎo)體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時(shí)間后，再通電時(shí)，器件并不能立即投入正常工作。這 是因?yàn)闊熿F傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會(huì)吸附空氣中的水蒸氣，當(dāng)再次通電時(shí)需要預(yù)熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。再通電工作時(shí)氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間，定義為初期穩(wěn)定時(shí)間。一般情況下，不通電時(shí)間越長(zhǎng)，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)，當(dāng)不通電存放時(shí)間達(dá)到 15 天左右時(shí)，初期穩(wěn)定時(shí)間一般需要五分鐘左右 [9]。 11 MQ2 半導(dǎo)體煙霧傳感器一般要在較高的溫度 (200~450176。C)下工作，所以需要對(duì)其加熱。由于傳感器一般工作在易燃易爆環(huán)境下，若加熱絲直接與電源相連，當(dāng)加熱絲局部短路造成器件過熱或者放電時(shí)，可能 引發(fā)事故。所以必須使用傳感器生產(chǎn)廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內(nèi) [10]。 氣體采集模塊 MQ2 傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，需要經(jīng)過前置電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。本系統(tǒng)采用的 MQ2 半導(dǎo)體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個(gè)參考電阻，再經(jīng)過一個(gè)放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。常見的運(yùn)算放大器中， LM324 價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)比較突出，所以本設(shè)計(jì)中的前置放大電路采用 LM324 作為電路的運(yùn)算放大器。 LM324 是單片高增益四運(yùn)算放大器，可在較寬電壓 范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無關(guān)，四個(gè)運(yùn)放一致性好；其輸入偏流電阻是溫度補(bǔ)償?shù)?，也不需外接頻率補(bǔ)償，可做到輸出電平與數(shù)字電路兼容。 信號(hào)經(jīng)由 LM324 運(yùn)算放大器放大后進(jìn)入 ADC0803 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊， ADC0804 可以將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后再將數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)處理。 圖 氣體采集電路圖 ADC0804 是用 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型摸數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率 8 位，轉(zhuǎn)換時(shí)間 100μs，輸入電壓范圍為 0~5V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為5V。該芯片內(nèi) 有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在 CPU 數(shù)據(jù)總線上，無須附加邏輯接口電路。 12 圖 ADC0804 引腳圖 PIN1(CS)： Chip Select，與 RD、 WR 接腳的輸入電壓高低一起判斷讀取或?qū)懭肱c否，當(dāng)其為低位準(zhǔn) (low) 時(shí)會(huì) active。 PIN2(RD)： Read。當(dāng) CS、 RD 皆為低位準(zhǔn) (low)時(shí)， ADC0804 會(huì)將轉(zhuǎn)后的數(shù)字訊號(hào)經(jīng)由 DB7~DB0 輸出至其它處理單元。 PIN3(WR)：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換的控制訊號(hào)。當(dāng) CS、 WR 皆為低位準(zhǔn) (low)時(shí) ADC0804 做清除 的動(dòng)作，系統(tǒng)重置。當(dāng) WR 由 0→1 且 CS＝ 0 時(shí)， ADC0804 會(huì)開始轉(zhuǎn)換信號(hào)，此時(shí) INTR 設(shè)定為高位準(zhǔn) (high)。 PIN PIN19(CLK IN、 CLKR)：頻率輸入 /輸出。頻率輸入可連接處理單元的訊號(hào)頻率范圍為 100kHz 至 800kHz。而頻率輸出頻率最大值無法大于 640KHz，一般可選用外部或內(nèi)部來提供頻率。若在 CLK R 及 CLK IN 加上電阻及電容，則可產(chǎn)生 ADC工作所需的時(shí)序。 PIN5 ( INTR )：中斷請(qǐng)求。轉(zhuǎn)換期間為高位準(zhǔn) (high)，等到轉(zhuǎn)換完畢時(shí) INTR 會(huì)變?yōu)榈臀粶?zhǔn) (low)告知其它的處理單元已轉(zhuǎn)換完成，可讀取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。 PIN PIN7 (VIN(+)、 VIN())：差動(dòng)模擬訊號(hào)的輸入端。輸入電壓 VIN＝ VIN(+)－ VIN()，通常使用單端輸入，而將 VIN()接地。 PIN8(A GND):模擬電壓的接地端。 PIN9(VREF∕2)︰模擬參考電壓輸入端。 VREF 為模擬輸入電壓 VIN 的上限值。若PIN9 空接，則 VIN 的上限值即為 VCC。 13 PIN10(D GND)︰數(shù)字電壓的接地端。 PIN11~PIN18(DB7~DB0)︰轉(zhuǎn)換后之?dāng)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出端。 PIN20(Vcc)︰驅(qū)動(dòng)電壓輸入端。 報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器和 LED 流水燈作為報(bào)警裝置。通過判斷所接收到的數(shù)據(jù)來確定是否報(bào)警，所接受到的數(shù)據(jù)主要來自溫度傳感器、氣體傳感器和按鍵 [5]。 蜂鳴器 當(dāng)單片機(jī)接收到超額溫度信號(hào)或氣體信號(hào)時(shí) ,輸出腳 BELL 輸出高電平 ,Q1 導(dǎo)通，致使蜂鳴器 BELL 得電工作，發(fā)出報(bào)警聲。 圖 蜂鳴器電路 流水燈 本設(shè)計(jì)使用了 8 個(gè) LED 燈，當(dāng)單片機(jī)接收到超額溫度信號(hào)或氣體信號(hào)時(shí)，向 P0端口發(fā)送信號(hào)， 8 個(gè) LED 燈輪流閃爍報(bào)警。 當(dāng)接收到易燃?xì)怏w濃度達(dá)到設(shè)定值信號(hào)的時(shí)候， LED 燈緩慢閃爍報(bào)警。 14 當(dāng)接收到易燃?xì)怏w濃度達(dá)到很高值信號(hào)的時(shí)候， LED 急速閃爍報(bào)警。 當(dāng)接收到溫度超額信號(hào)時(shí)候， LED 燈急速閃爍報(bào)警。 當(dāng)接收到按鍵報(bào)警信號(hào)時(shí)候， LED 燈急速閃爍報(bào)警。 圖 LED 燈電路 按鍵報(bào)警 當(dāng)有人提前發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱情時(shí)候，可以按動(dòng)報(bào)警按鍵發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以提醒其他人注意安全。單片機(jī)通過檢測(cè)報(bào)警按鍵所連接端口信號(hào)判斷按鍵是否按下。 圖 313 按鍵電路 S44 GND P 31 15 4 系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì) AT89S51 單片機(jī)調(diào)試及開發(fā)工具 本系統(tǒng)的軟件編 程使用的是美國 Keil Software 公司出品的 Keil C51，是 51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)。 AT89S51 單片機(jī)下載程序使用的是 ISP 下載編程軟件。 ISP 工具的功能主要是將由 PC 機(jī)串接來的 8 位并行數(shù)據(jù)與單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與AT89S51 的 RXD 及 TXD 口通訊。當(dāng)用戶將源程序 (匯編語言或 C 語言 )經(jīng)語法檢查無誤并生成代碼時(shí)，就可以將程序代碼下載到 Flash 芯片中，而用戶的系統(tǒng)可以是在線狀態(tài)。用戶可以通過 調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對(duì)話界面，檢查或修改 Flash 芯片內(nèi)的各種存儲(chǔ)器、寄存器的數(shù)據(jù)。并可以在程序中設(shè)置斷點(diǎn)，在 AT89S51 中，可以同時(shí)設(shè)置 3個(gè)硬件斷點(diǎn)，它是經(jīng)過串口的傳輸，由芯片中的幾組斷點(diǎn)條件寄存器實(shí)現(xiàn)的 [3]。 主程序流程 本論文中，軟件解決的主要問題是檢測(cè)溫度傳感器和氣體傳感器的溫度信號(hào)和氣體信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行顯示和判斷，在超出預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)候發(fā)出報(bào)警。 16 圖 41 主程序流程圖 主程序見附錄 2。 報(bào)警判斷 開始 初始化 第一次溫度與煙霧信號(hào)與判斷 第二次溫度與煙霧信號(hào)與判斷 正常 異常報(bào)警 火災(zāi)報(bào)警 復(fù)位 17 5 系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù)查閱的 MQ2 資料顯示其最佳工作時(shí)間為預(yù)熱時(shí)間不少于 24 小時(shí)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)該裝置預(yù)熱五至八分鐘即可使其工作在相對(duì)較穩(wěn)定的工作狀態(tài)下。實(shí)驗(yàn)中使用了一級(jí)運(yùn)放對(duì) MQ2 低電壓信號(hào)進(jìn)行放大，然后將放大值送給 A/D 進(jìn)行處理，將處理結(jié)果送給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)處理后將結(jié)果顯示在液晶上，其結(jié)果僅是一個(gè)相對(duì)量，并沒有任何可比性，但能反映和解決實(shí)際問題。 本設(shè)計(jì)僅對(duì)香煙和酒精進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)顯示，該系統(tǒng)對(duì)上述兩種物質(zhì)反應(yīng)靈敏，測(cè)試空間空氣質(zhì)量為顯示值 50 以下，當(dāng)有香煙是顯示值上升至 60 以上，并發(fā)出緩慢報(bào)警聲音，提示人們開始凈化 空氣，此時(shí)空氣不足以給人造成致命傷害。故可以連接在排氣扇上在此時(shí)予以排氣換氣。當(dāng)測(cè)試酒精且其濃度超過安全值時(shí)，屏幕上可以顯示器空氣質(zhì)量值馬上超越 100，并發(fā)出急促的聲音以提醒人們注意檢查可燃性氣體泄漏，注意開窗通風(fēng)換氣，且防止在此時(shí)出現(xiàn)明火。 此裝置可對(duì)液化氣，丙烷，丁烷，甲烷，氫氣和酒精等危險(xiǎn)氣體進(jìn)行檢查，并能自定義的設(shè)置器報(bào)警門限值（需進(jìn)行程序數(shù)據(jù)調(diào)整），反應(yīng)靈敏度較高，可在危險(xiǎn)到來前最大限度的提醒人們注意，以最大程度的避免危險(xiǎn)的發(fā)生。 18 總 結(jié) 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器，具有廣闊的市場(chǎng)空間與發(fā)展前景。 本論文設(shè)計(jì)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主要由溫度信號(hào)采集電路、氣體信號(hào)采集電路與單片機(jī)控制電路構(gòu)成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器、 MQ2 型半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器和 AT89S51 單片機(jī)。 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采用 DS18B20 可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適 用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。MQ2 型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣 電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量 (即濃度 )轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過 A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。 MQ2 型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等優(yōu)點(diǎn)。 AT89S51 單片機(jī)是低功耗的、具有 4KB 在線課編程 Flash 存儲(chǔ)器的單片機(jī)，應(yīng)用普遍 ，工具多，易上手，片源廣，價(jià)格低，編程靈活，控制簡(jiǎn)單，很適合我們所要制作的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。 在本論文研制的報(bào)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以再做適當(dāng)?shù)墓δ軘U(kuò)展，使火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等，例如增加消防聯(lián)動(dòng)裝置，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)可以直接對(duì)火災(zāi)進(jìn)行控制，降低火災(zāi)的損失。 19 致 謝 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我得到了指導(dǎo)老師張艷 老師的熱心指導(dǎo)。自始至終關(guān)心督促畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程和進(jìn)度。幫助解決畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到的許多問題。還不斷向我傳授分析問題和解決問題的辦法，并指出了正確的努力方向，使我在畢設(shè)過程中少走很多 彎路。同時(shí)，他還提供給我們專門的各種設(shè)備及場(chǎng)所，使我在調(diào)試過程中能夠有充足的時(shí)間。在這里非常感謝 張 老師的指導(dǎo)和幫助，并致以誠摯的謝意！ 同時(shí)，身邊的同學(xué)給了我許多的幫助。在此，我向身邊關(guān)心我的同學(xué)致以誠摯的謝意！另外，系里的領(lǐng)導(dǎo)和老師也給了我們必要的指導(dǎo)，我也向系和年級(jí)的領(lǐng)導(dǎo)們表示衷心的感謝！最后感謝學(xué)院對(duì)我這幾年的培養(yǎng)。 20 參考文獻(xiàn) 1 GB5011698 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范 [M].北京 :中國計(jì)劃出版社 . 2 李群芳 ,肖看 .單片機(jī)原理、接口及應(yīng)用 —— 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ) .北京 :清華大學(xué)出版社 ,2020. 3 譚浩強(qiáng)著 .C 語言程序設(shè)計(jì) .北京 :清華大學(xué)出版社 ,2020 4 張義和 ,王敏男 ,許宏昌，等 .例說 51 單片機(jī) .北京 :人民郵電出版社 ,2020. 5 周麗娜 .Protel99SE 電路設(shè)計(jì)技術(shù) .北京 :中國鐵道出版社 ,2020 6 郁有文 ,常健，程繼紅等 .傳感器原理及工程應(yīng)用（第三版） .西安 :西安電子科技大學(xué)出版社 ,2020. 7 謝望 .煙霧傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) .儀器儀表用戶 ,2020,13(5):12. 8 李永生 ,楊莉玲 .半導(dǎo)體氣敏元件的選擇性研究 .傳感器技術(shù) , 2002(3): 1~3. 9 Yoon D h, Yu J h, Choi Gm. CO Gas Sensing Properties of Zn0CuO Composite. Sensors and Actuators. 1998(46): 1523. 10 Wang Xihuai， Xiao Jianmei， Bao Minzhong. Multisensor Fire Detection Algorithm for Ship Fire Alarm System Using Neural Fuzzy Network. Signal Processing Proceedings. 2000(3):16021605. 21 附錄一 原理圖 附圖 1 設(shè)計(jì)電路圖 附錄二 程序 include include include include 22 unsigned char valu