目 录
1 报警器设计背景 1.1 概述
1.2 设计烟雾报警器的目的及意义 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 2.2烟雾传感器的选型 2.3 单片机的选型 3 系统的硬件电路 3.1 系统电源电路
3.2 AT89C51的时钟电路和复位电路 3.3信号采集及前置放大电路 3.4 A/D转换电路
3.5声音报警及消音键电路 3.6字符显示电路 3.7状态指示灯电路 3.8安全保护电路
3.9报警器故障自诊断电路 3.10烟雾报警器硬件总电路 4 系统的软件的设计 4.1系统主程序设计及流程图 4.2主程序初始化流程图 4.3报警子程序设计及流程图 4.4按键输入设计子程序流程图 5 装配与调试 6 元件清单 7 参考文献 8 结束语
自动烟雾报警器设计
1 报警器设计背景
1.1 概述
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。
AT89C51单片机兼容标准MCS-51指令系统，功能强大，可供许多高性价比的场合应用，能够灵活应用于各种控制领域。QM-N5半导体气体烟雾传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，寿命长，成本低，非常适用于家庭使用的气体泄漏报警器。由这两个核心器件设计而成的整个烟雾报警器系统可实现声光报警、报警状态字符显示、换气扇排烟和喷水灭火等烟雾报警器应有的功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器，具有一定的实用价值。
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。
1.2 设计烟雾报警器的目的及意义
火灾自动报警系统能够及时将火灾迹象通知用户及有关管理人员，以便他们准备疏散或组织灭火，延长了建筑物可供疏散的时间并通过联动系统启动其他消防设施。所以，设计一种能够在火灾刚刚发生时或者有可燃气体堆积引起的火灾隐患时就能报警的报警器就能使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少或消除因火灾造成的生命危害和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。
通过这次毕业设计，可以让我们更加了解到报警器的工作原理和消防安全，能够锻炼我们的动手和动脑能力，同时，也让我们了解到团队合作、交流的重要性。
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。
烟雾传感器 调节阀 机 蜂鸣器
图 2-1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。
放大电路 A/ D 转换 片 数码管字符显示 单 LED状态指示灯 换气扇 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。
图 2-2 烟雾传感器及其结构图
根据报警器检测烟雾种类的不同要求，很多场合都会选择使用半导体烟雾传感器。经过对比众多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。半导体烟雾传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低，因而得到广泛应用[17]。因此，本设计中的烟雾传感器选用QM-N5半导体气体烟雾传感器。
图2-3 QM-N5半导体气体烟雾传感器结构
QM-N5半导体气体烟雾传感器
QM-N5半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡(SnO2)为主体的N型半导体气敏元件。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。在设计报警器时只有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。该传感器具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、抗干扰能力强、输出信号大、寿命长和工作稳定等优点，在市面上应用十分广泛。
二氧化锡(SnO2)半导体气敏元件特点：
(a)SnO2材料的物理、化学稳定性较好，与其他类型气敏元件相比，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。
(b)SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱离时间短，可连续长时间使用。 (c)SnO2气敏元件结构简单，成本低，可靠行较高，机械性能良好。
QM-N5气敏元件的结构和外形如图2-3所示，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。
QM-N5半导体气体烟雾传感器适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，对可燃性气体的（CH4、C4H10、H2等）的检测很理想。这种传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中。是一款便携式气体检测器，非常适合多种应用的低成本传感器。其技术指标表2-1。
表2-1 QM-N5的技术指标
加热电压（Vh） 回路电压（Vc） 负载电阴（Rl） 清洁空气中电阻 （Ra） 灵敏度（S=Ra/Rdg） 响应时间(trec) 恢复时间(trec) 元件功耗 检测范围 使用寿命 AC或DC 5±0.2V 最大DC 24V 2KΩ ≤2000 KΩ ≥4(在1000ppmC4H10中) ≤10S ≤30S ≤0.7W 50—10000ppm 2年
由于物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常烟雾传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。所以QM-N5半导体气体烟雾传感器要想把采集到的烟雾浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过放大器进行放大处理，之后才能将模拟信号经过A/D转换器转化为可以识别的电信号给单片机。
设计时应注意，气敏元件开机通电时，其内阻很小，但经过一段时间后，才能恢复到原来的稳定状态。因此，QM-N5气体传感器需开机预热几分钟，才可投入使用，以免造成误报。
2.3单片机的选型