大学本科生毕业设计（论文）
烟感报警器的使用者不断增加，住宅失火造成的死亡人数也不断下降。据美国国家消防协会报告表明，安装了推荐数目的烟感报警器的住宅一旦发生火灾，住宅内人员的逃生机会将比未安装的住宅多出50%。所以家庭装有烟雾报警器灾难能够降低，避免不必要的灾难。
目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10% 计算，烟雾检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。可见，烟雾报警器具有十分广阔的市场前景。
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，这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。据有关统计，美国1996年至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。
1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。
1.3 本论文研究的主要内容
本设计针对经常发生的家庭火灾事故，主要采用MQ-2烟雾传感器、DS18B20温度传感器以及AT89S52单片机，设计一个具有烟雾浓度检测及声光报警功能的烟雾自动检测报警系统。
报警系统由硬件和软件两个部分组成。本设计在硬件设计方面主要对单片机芯片、烟雾传感器和温度传感器的功能和使用方法进行研究并掌握，并且选择合适的型号应用在本设计中。以AT89S52单片机作为中央处理器，对硬件电路进行设计和驱动。软件部分主要是报警系统控制程序，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、报警子程序。
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第2章 系统总体设计方案
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、温度信号采集电路、单片机控制电路、显示电路、按键电路以及声光报警电路。烟雾报警系统结构框图如图2-1所示。
烟雾传感器 A/D转换 单片机 LCD显示 LED指示灯 蜂鸣器报警 温度传感器 LED指示灯 继电器 按键 图2-1 烟雾检测报警系统结构框图
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器应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示、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。
2.2 烟雾传感器的选型
烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。而烟雾报警器的信号采集由烟雾传感器负责。烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。
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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，烟雾传感器的选型是非常重要的。
2.2.1 烟雾传感器的分类及简介
烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：
（1）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。
（2）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。
（3）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。
下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。 （1） 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。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。
（2） 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)，使用时铂丝通电，保持300℃～400℃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。
（3） 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。 （4） 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
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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。
2.2.2 烟雾传感器的选定
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：
（1）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； （2）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； （4）对检测信号响应速度快，重复性好； （5）长期工作稳定性好； （6）使用寿命长；
（7）制造成本低，使用与维护方便。
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。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。
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)。
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。本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种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。
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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。
本设计中采用的MQ-2型烟雾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，属于表面离子式N型半导体。当处于200～300℃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，就会引起表面电导率的变化。利用这一点就可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2-2所示。
MQ-2型传感器是由微型Al2O3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-2型烟雾传感器结构图
2.2.4 MQ-2型烟雾传感器特性及主要技术指标
下面介绍MQ-2型传感器的一般特点：
（1）MQ-2型传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃
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