烟雾传感器的设计讲解

德州学院2011级电子信息工程技术专业1烟雾传感器的设计徐涛孙开营陈超(德州学院物理与电子信息学院，山东德州253023)摘要：本系统是基于STC89C52单片机的烟雾报警器，其主要模块由单片机模块、电源模块、烟雾传感器、液晶显示、光敏传感器、电磁阀控制、声音报警、发光报警、外部中断、时钟、复位电路等模块组成。通过单片机控制整个系统的正常工作，可有效地实现对火灾等危险情况的检测。其主要烟雾传感器为MQ-2/MQ-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-2/MQ-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关键字：STC89C52单片机；烟雾传感器；实时检测一、绪论1.1设计背景当今，火灾是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题。它给人类社会造成过不少生命、财产的严重损失。随着社会生产力的发展，社会财富日益增加，火灾损失上升及火灾危害范围扩大的总趋势是客观规律。近几年来，我国每年发生火灾约4万起，死2000多人，伤3000—4000人，每年火灾造成的直接财产损失10多亿元，尤其是造成几十人、几百人死亡的特大恶性火灾时有发生，给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。火灾的危害性具体体现在以下五个方面：（1）火灾会造成惨重的直接财产损失（2）火灾造成的间接财产损失更为严重。现代社会各行各业密切联系，牵一发而动全身。一旦发生重、特大火灾，造成的间接财产损失之大，往往是直接财产损失的数十倍。（3）火灾会造成大量的人员伤亡。（4）火灾会造成生态平衡的破坏，据资料统计，我国年均森林火灾毁林面积达100万公顷（我国森林覆盖率仅为13%，日本60%），森林大面积减少，造成洪水泛滥。（5）火灾会造成不良的社会政治影响。然而很多火灾都是由于发现不及时导致了严重的后果，及早发现隐患对于后德州学院2011级电子信息工程技术专业2期的救灾具有至关重要的作用。于是烟雾传感器就应运而生了，而烟雾传感器以其独特的优势，在火灾报警和有害气体检测起到了至关重要的作用。而基于烟雾传感器的火灾报警器也就顺应时代的要求产生了，他克服了很多的不确定性，大大减小了误报率，在实际生活中有很大的应用价值。1.2设计目的为了能切实保障人们的生命安全及财产安全不受火灾的影响，我们设计出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或人员安全时就能报警，并且自动打开喷水阀灭火的装置，就能极大地减少不良后果的发生。做到防患于未然，使人们及早得知火情，将火灾扑灭在萌芽状态。二、方案设计2.1传感器的选择方案一：MP135型半导体空气污染敏感元件，由加热器以及微型Al2O3陶瓷基片上形成的金属氧化物半导体材料构成，用电极引线引出，封装在金属管座、管帽内。当有被检测气体存在时，空气中该气体的浓度越高，传感器的电导率就越高。使用简单的电路即可将这种电导率的变化转换为与气体浓度对应的输出信号。优点：灵敏度高，对污染空气敏感。缺点：价格高，驱动电路复杂，对烟雾固体小颗粒灵敏度低。图2-1实物图图2-2典型应用电路方案二：MQ-2烟雾传感器，在可燃气体或烟雾中MQ-2烟雾传感器的电阻会有相应的变化。MQ-2气敏元件由微型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个用于信号取德州学院2011级电子信息工程技术专业3出，２个用于提供加热电流。优点：灵敏度高，性能稳定，对烟雾固体小颗粒灵敏度高，价格较低。而且驱动电路简单。缺点：管脚较多有6个，需要电流提前加热功能才更好。图2-3MQ-2实物图由于当有烟雾或有害气体产生时引起传感器变化的是电阻所以用图2-4所示的驱动电路就可以将非电信号转换成电压。H两端接到电源的两端起预热的作用。图2-4典型应用电路综上所述，我们选择方案二为最佳方案。2.2报警系统功能设计液晶显示器根据smog信号和see信号，显示白天与黑夜，安全与危险。当有火灾危险时，显示并同时声光报警，系统自动打开喷水阀喷水。当按键按下时，外部中断触发，跳出报警。当按下复位时，程序重新启动。2.3报警系统方案选择方案一：采用纯硬件电路实现报警功能，其硬件电路如图2-5所示。德州学院2011级电子信息工程技术专业4图2-5系统电路优点：电路简单，系统设计过程容易，成本较低。缺点:系统不稳定，无法实现液晶实时显示和喷水自动灭火的功能。方案二：采用硬件和软件相结合的方法实现火灾报警。包括热释电红外传感探头电路、报警电路、单片机控制电路及相关的控制管理软件组成。图2-6报警器设计框图优点：系统稳定，功能齐全，能够实现报警、自动喷水、液晶显示等功能。缺点:电路设计较复杂，成本较高。根据我们的系统设计需要，我们选择方案二作为最佳方案。三、各部分电路设计3.1单片机模块我们采用STC公司的STC89C52单片机，89C52机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。单片机复位电路传感器探头信号处理报警器指示灯驱动声、光报警执行电路德州学院2011级电子信息工程技术专业5VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流。P3口也可作为AT89C52一些特殊功能口，如下所示：P3口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）德州学院2011级电子信息工程技术专业6P3.7RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。PSEN：外部程序存储器的选通信号端。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。德州学院2011级电子信息工程技术专业7图3-1单片机STC89C52RC3.2系统初始化电路复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后,在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us。本报警器是外部手动按键复位电路。图3-2单片机复位电路3.3时钟电路XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。德州学院2011级电子信息工程技术专业8图3-3时钟电路3.4声音报警电路用一个蜂鸣器、三极管和电阻接到单片机P2.1引脚上，当单片机的P2.1引脚被置低电平后蜂鸣器响，当单片机的P2.1引脚被置高电平后，蜂鸣器不响。系统检测到信号时，蜂鸣器发出“滴答滴答”的声音，这样就实现了声音报警的功能。图3-4声音报警电路3.5发光报警电路由2个发光二极管接上电阻后连上单片的P1引脚，外接VCC，当单片机的P2.0引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，P2.0引脚被置高电平后，发光二极管被熄灭，这样起到报警作用。德州学院2011级电子信息工程技术专业9图3-5发光报警电路3.6外部中断电路按下手动复位键后，系统进入中断程序，程序使系统停止报警。图3-6外部中断电路3.7供电电路通过电脑USB供电，按下开关D9亮，则通电图3-7电源电路在实物产品中由于有电磁阀作为喷水阀，我们用家用电220V交流电提供总电源，通过稳压模块降压到5V为系统电路提供电源。德州学院2011级电子信息工程技术专业10图3-8稳压电路3.8液晶显示电路我们选用的是价格便宜的1602液晶作为显示器，D0--D7输送数据，单片机通过控制RSWRLCDEN的高低电平，控制液晶的显示图3-81602液晶电路3.9光敏传感器电路光敏传感器感光，则电阻变小，当可调电阻适当时，电平由高转低，为单片机所感知。德州学院2011级电子信息工程技术专业11图3-9光敏电路3.10烟雾传感器电路当有烟雾时，smog变为高电平图3-9烟雾电路3.11电磁阀控制电路我们采用工作稳定的可控硅模块，来控制电磁阀的工作。Q897A6R11270R4Optoisolator1+5D5B反转R13470RQ6NPNR947RIO112J8交流220V10mHL?Inductor12P3Q3P60NF06GNDPWM0.5R7100uFC6ADC6LED灯VCCVCCVCCIO1VCCGND图3-10可控硅模块德州学院2011级电子信息工程技术专业12四、整体原理图打开AltiumDesigner软件，进行原理图绘制，在绘制过程中要注意元件的封装。德州学院2011级电子信息工程技术专业13五、心得体会在本次制作传感器的过程中，感觉自己收获颇多。首先，通过自己查找资料认识了一种用途非常广泛的传感器，即热释电红外传感器，对其原理、应用领域都有了一定的了解。其次，在亲手制作时不仅学到了跟多东西，而且也暴露