基于MQ2的烟雾报警系统设计与实现
基于MQ2的烟雾报警系统设计与实现[20200406145536]
摘 要
本论文依据MQ-2烟雾传感器和STC89C51单片机的工作特性设计并制作了一种经济实用，结构简单，操作方便的烟雾报警器。首先进行了硬件部分设计，这一部分由STC89C51控制的电路驱动模块、ADC0809数模转换模块和烟雾传感电路组成。烟雾传感传感部分是由MQ-2传感器构成。其次，编写相应软件程序实现对信号判别模块和信号输出模块的控制。最后，进行系统硬件的焊接，对实物的功能进行试验检测，检测结果显示：
（1） MQ-2的工作范围宽；
（2） 该系统的最佳工作电压为5V；
（3） 能够通过简单的电路进行传感器故障的检测，确保安全性；
（4） 根据实际环境的不同按键设置，设置警戒阀值
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:烟雾传感器STC89C51单片机液晶显示
目 录
1. 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.2烟雾检测报警器设计思路 1
1.3烟雾传感器的选型 1
1.4课题主要内容 2
2. 系统硬件设计 4
2.1 烟雾检测报警器的核心器件介绍 4
2.1.1核心芯片选择 4
2.1.2烟雾传感器的功能介绍 5
2.2 烟雾检测报警器整体设计方案 7
2.2.1烟雾检测报警器工作原理 7
2.2.2烟雾检测报警器的结构 7
2.2.3烟雾检测报警器的功能 8
2.3烟雾报警器硬件部分设计 9
2.3.1数模转换电路 9
2.3.2声音报警电路 10
2.3.3液晶显示电路 11
2.3.4状态指示灯及控制键电路 12
2.3.5报警器故障自诊断电路 14
3.系统的软件设计 16
3.1主程序设计及流程图 16
3.2主程序初始化流程图 17
3.3中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图 18
3.4控制按键设计子程序及流程图 19
4 系统演示及误差分析 22
4.1 系统演示 22
4.2 误差分析 25
结束语 27
参考文献 28
致谢 29
附录 30
1. 引言
1.1 课题研究背景
在我国很多城市中，几乎每天都会发生多起家庭火灾，因此安全消防问题是我们必须时时关注的问题。火灾发生之时，往往会出现扑救不及时，没有足够的灭火器材，以及由于人们的荒乱无措，引起逃生不及时，影响消防救援等因素，从而导致无可挽回的生命财产的损失。据消防部门统计，在所有的火灾案情中，家庭火灾占据了近三分之一。家庭起火的原因有很多，可能在我们能注意到的地方，也可能在我们没办法注意到的地方。如果可以根据家中的实际情况采取简单的预先的防护措施，这些惨剧是可以完全避免的。
烟雾报警装置属于《工作计量器具目录》中的第46项，它属于物理化学计量器具。目前，我国很多城市都铺设了可燃气管道，用户达2亿，煤气发生基地和中转站也达几千家。近十年，国家大力推行农村沼池的建设。烟雾警报器的需求前景很广阔。
1.2烟雾检测报警器设计思路
烟雾检测报警器功能是：检测空气中被测烟雾的含量比，并且与报警阀值比较，进行工作。其由烟雾信号采集传感电路、模数转换电路、单片机控制电路组成。烟雾信号采集电路由气体传感器构成，在不同的气体环境下，输出的信号不同。模数转换电路接受传感器传输的模拟量信号，经过转换后输出相应的数字量信号，最后由单片机接收[1]。单片机对被输入的数字信号进行滤波处理，并将处理后的数据分析，与预设的阀值进行比较，当大于阀值时，就启动报警电路发出警示，否则为正常状态。在此同时，单片机将浓度信息传输到液晶显示中，这样方便技术人员与使用者直接观察到当前环境下待测气物质的浓度变化。方便调节报警阀值，可以加入按键，进行按键调节。为了使得设计功能更加全面，可以原有的基础上，加入灯光警示电路，通过预设阀值1，备足提前量，在浓度达到一定范围时，引起用户警示，弥补火情情势突变，环境慌乱，声音报警在此环境下的使用缺陷。烟雾报警器中最重要的两个器件分别是传感器及单片机。根据以上提出的功能需求，选择精确度高，价格低廉的传感器和单片机芯片是首要任务。
1.3烟雾传感器的选型
烟雾传感器介绍:
烟雾传感器属于气敏传感器[2]。它的电阻率随待测气体的浓度的变化而变化，随着弄得不同输出相应的电压值，经由A/D转换电路把模拟量转换为数字量，再送到单片机，完成程序调用处理输入信号，并跟据返回值的不同，调用相应的电路模块。传感器作为本设计中的信号采集部分，是系统中最核心组成部分之一。所以，选择一个既满足功能需求又满足市场要求的传感器是首要职责
烟雾传感器的分类
根据烟雾警报器检测的烟雾种类不同：一般分为接触燃烧式烟雾传感器和半导体式烟雾传感器[1]。
在使用接触燃烧式的烟雾传感器时，有一些问题是无法避免的，即探头由于外界原因会发生阻缓和中毒。当空气中含有大量的硫物质时，可能会在催化原件表面发生无焰燃烧，导致燃烧后存在一些固态的物质粘滞在催化元件的表面，使得微孔被堵塞。要想使得探头恢复，则需将探头置于纯净空气中，会得到一些程度的恢复，若是在这种情况下长期使用，灵敏度仍会因为阻缓而下降，最终无法使用。中毒是因为空气可能存在硅烷物质，使得传感器发生不可逆转的中毒，导致灵敏度丧失。定期对传感器进行量程的标定，是避免这种问题的必要手段。
因此，对传感器进行高频率的标定，是保证准确性的必要手段[3]。通常，每隔两个月就会需要对传感器的进行一次校准，检测其量程的范围是否正常。高频率的校准，使得技术人员的工作量被提高，而且高频的维护，使得成本也大大的提高了。
烟雾传感器应当具备的基础性能：单个功能或多功能；单一实体或多功能的组合阵列。任何一个功能完善的烟雾传感器都应当实现这样的工作性能[4]：
(a)高灵敏度，在工作区段内，准确高效的检测浓度；
(b)响应速度快，重复性好；
(c)工作稳定性好；
(d)可使用寿命长；
(e)低成本，高维护性。
经过比较，发现半导体烟雾传感器优点更加突出：灵敏度高、响应速度快、抗干扰性好、使用方便、经济实惠，且不会因为探头阻缓及中毒，使得维护成本过高。因此，本设计中用来采集浓度信息的是半导体式烟雾传感器。在众多气体传感器中，MQ-2不但包含常规半导体烟雾传感器所具备的优点，并且只需要简单的驱动电路。
1.4课题主要内容
本论文设计了一个由STC89C51进行控制[5]，由MQ-2进行数据采集的对火灾烟雾浓度进行监测的报警系统。首先传感器采集样本，将待测气体的浓度转化为电信号，由ADC0809对MQ-2传感器输出的模拟量进行处理，转换成数字量，再传输到单片机中，最后由单片机将转化后的浓度值显示到液晶屏上，并驱动相应的电路。用户可以根据实际的需求通过按键进行阀值的设置，设置好提前量，及时准确的就行检测工作。火灾发生时，烟雾警报器发出报警，通知用户采取措施抑制火情，杜绝灾难的发生。
在本文中，烟雾报警器有以下特点：
1.经济成本低廉。
本设计中的烟雾警报器在设计过程中，充分考虑到了成本问题。因此在设计上，尽量简化功能，减少元器件的使用，充分发挥选用器件的潜力。并且，通过市场调研发现，所需的元器件及芯片，应用广泛，采购容易，价格相对来说，就会比较低廉。在各大电子市场均能方便快捷的买到。
2.结构简易。
在本设计中采用的烟雾传感器MQ-2，它的输出模拟量范围为：0-5V，在此基础上，不需要再加前端放大电路。仅需要经过数模转换芯片0809，然后将信号输入到单片机中，驱动后续电路。此次，采用的是液晶显示，在软件编程中，不需要再写数码管的驱动程序，极大的节省了精力时间。
2. 系统硬件设计
2.1 烟雾检测报警器的核心器件介绍
摘 要
本论文依据MQ-2烟雾传感器和STC89C51单片机的工作特性设计并制作了一种经济实用，结构简单，操作方便的烟雾报警器。首先进行了硬件部分设计，这一部分由STC89C51控制的电路驱动模块、ADC0809数模转换模块和烟雾传感电路组成。烟雾传感传感部分是由MQ-2传感器构成。其次，编写相应软件程序实现对信号判别模块和信号输出模块的控制。最后，进行系统硬件的焊接，对实物的功能进行试验检测，检测结果显示：
（1） MQ-2的工作范围宽；
（2） 该系统的最佳工作电压为5V；
（3） 能够通过简单的电路进行传感器故障的检测，确保安全性；
（4） 根据实际环境的不同按键设置，设置警戒阀值
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:烟雾传感器STC89C51单片机液晶显示
目 录
1. 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.2烟雾检测报警器设计思路 1
1.3烟雾传感器的选型 1
1.4课题主要内容 2
2. 系统硬件设计 4
2.1 烟雾检测报警器的核心器件介绍 4
2.1.1核心芯片选择 4
2.1.2烟雾传感器的功能介绍 5
2.2 烟雾检测报警器整体设计方案 7
2.2.1烟雾检测报警器工作原理 7
2.2.2烟雾检测报警器的结构 7
2.2.3烟雾检测报警器的功能 8
2.3烟雾报警器硬件部分设计 9
2.3.1数模转换电路 9
2.3.2声音报警电路 10
2.3.3液晶显示电路 11
2.3.4状态指示灯及控制键电路 12
2.3.5报警器故障自诊断电路 14
3.系统的软件设计 16
3.1主程序设计及流程图 16
3.2主程序初始化流程图 17
3.3中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图 18
3.4控制按键设计子程序及流程图 19
4 系统演示及误差分析 22
4.1 系统演示 22
4.2 误差分析 25
结束语 27
参考文献 28
致谢 29
附录 30
1. 引言
1.1 课题研究背景
在我国很多城市中，几乎每天都会发生多起家庭火灾，因此安全消防问题是我们必须时时关注的问题。火灾发生之时，往往会出现扑救不及时，没有足够的灭火器材，以及由于人们的荒乱无措，引起逃生不及时，影响消防救援等因素，从而导致无可挽回的生命财产的损失。据消防部门统计，在所有的火灾案情中，家庭火灾占据了近三分之一。家庭起火的原因有很多，可能在我们能注意到的地方，也可能在我们没办法注意到的地方。如果可以根据家中的实际情况采取简单的预先的防护措施，这些惨剧是可以完全避免的。
烟雾报警装置属于《工作计量器具目录》中的第46项，它属于物理化学计量器具。目前，我国很多城市都铺设了可燃气管道，用户达2亿，煤气发生基地和中转站也达几千家。近十年，国家大力推行农村沼池的建设。烟雾警报器的需求前景很广阔。
1.2烟雾检测报警器设计思路
烟雾检测报警器功能是：检测空气中被测烟雾的含量比，并且与报警阀值比较，进行工作。其由烟雾信号采集传感电路、模数转换电路、单片机控制电路组成。烟雾信号采集电路由气体传感器构成，在不同的气体环境下，输出的信号不同。模数转换电路接受传感器传输的模拟量信号，经过转换后输出相应的数字量信号，最后由单片机接收[1]。单片机对被输入的数字信号进行滤波处理，并将处理后的数据分析，与预设的阀值进行比较，当大于阀值时，就启动报警电路发出警示，否则为正常状态。在此同时，单片机将浓度信息传输到液晶显示中，这样方便技术人员与使用者直接观察到当前环境下待测气物质的浓度变化。方便调节报警阀值，可以加入按键，进行按键调节。为了使得设计功能更加全面，可以原有的基础上，加入灯光警示电路，通过预设阀值1，备足提前量，在浓度达到一定范围时，引起用户警示，弥补火情情势突变，环境慌乱，声音报警在此环境下的使用缺陷。烟雾报警器中最重要的两个器件分别是传感器及单片机。根据以上提出的功能需求，选择精确度高，价格低廉的传感器和单片机芯片是首要任务。
1.3烟雾传感器的选型
烟雾传感器介绍:
烟雾传感器属于气敏传感器[2]。它的电阻率随待测气体的浓度的变化而变化，随着弄得不同输出相应的电压值，经由A/D转换电路把模拟量转换为数字量，再送到单片机，完成程序调用处理输入信号，并跟据返回值的不同，调用相应的电路模块。传感器作为本设计中的信号采集部分，是系统中最核心组成部分之一。所以，选择一个既满足功能需求又满足市场要求的传感器是首要职责
烟雾传感器的分类
根据烟雾警报器检测的烟雾种类不同：一般分为接触燃烧式烟雾传感器和半导体式烟雾传感器[1]。
在使用接触燃烧式的烟雾传感器时，有一些问题是无法避免的，即探头由于外界原因会发生阻缓和中毒。当空气中含有大量的硫物质时，可能会在催化原件表面发生无焰燃烧，导致燃烧后存在一些固态的物质粘滞在催化元件的表面，使得微孔被堵塞。要想使得探头恢复，则需将探头置于纯净空气中，会得到一些程度的恢复，若是在这种情况下长期使用，灵敏度仍会因为阻缓而下降，最终无法使用。中毒是因为空气可能存在硅烷物质，使得传感器发生不可逆转的中毒，导致灵敏度丧失。定期对传感器进行量程的标定，是避免这种问题的必要手段。
因此，对传感器进行高频率的标定，是保证准确性的必要手段[3]。通常，每隔两个月就会需要对传感器的进行一次校准，检测其量程的范围是否正常。高频率的校准，使得技术人员的工作量被提高，而且高频的维护，使得成本也大大的提高了。
烟雾传感器应当具备的基础性能：单个功能或多功能；单一实体或多功能的组合阵列。任何一个功能完善的烟雾传感器都应当实现这样的工作性能[4]：
(a)高灵敏度，在工作区段内，准确高效的检测浓度；
(b)响应速度快，重复性好；
(c)工作稳定性好；
(d)可使用寿命长；
(e)低成本，高维护性。
经过比较，发现半导体烟雾传感器优点更加突出：灵敏度高、响应速度快、抗干扰性好、使用方便、经济实惠，且不会因为探头阻缓及中毒，使得维护成本过高。因此，本设计中用来采集浓度信息的是半导体式烟雾传感器。在众多气体传感器中，MQ-2不但包含常规半导体烟雾传感器所具备的优点，并且只需要简单的驱动电路。
1.4课题主要内容
本论文设计了一个由STC89C51进行控制[5]，由MQ-2进行数据采集的对火灾烟雾浓度进行监测的报警系统。首先传感器采集样本，将待测气体的浓度转化为电信号，由ADC0809对MQ-2传感器输出的模拟量进行处理，转换成数字量，再传输到单片机中，最后由单片机将转化后的浓度值显示到液晶屏上，并驱动相应的电路。用户可以根据实际的需求通过按键进行阀值的设置，设置好提前量，及时准确的就行检测工作。火灾发生时，烟雾警报器发出报警，通知用户采取措施抑制火情，杜绝灾难的发生。
在本文中，烟雾报警器有以下特点：
1.经济成本低廉。
本设计中的烟雾警报器在设计过程中，充分考虑到了成本问题。因此在设计上，尽量简化功能，减少元器件的使用，充分发挥选用器件的潜力。并且，通过市场调研发现，所需的元器件及芯片，应用广泛，采购容易，价格相对来说，就会比较低廉。在各大电子市场均能方便快捷的买到。
2.结构简易。
在本设计中采用的烟雾传感器MQ-2，它的输出模拟量范围为：0-5V，在此基础上，不需要再加前端放大电路。仅需要经过数模转换芯片0809，然后将信号输入到单片机中，驱动后续电路。此次，采用的是液晶显示，在软件编程中，不需要再写数码管的驱动程序，极大的节省了精力时间。
2. 系统硬件设计
2.1 烟雾检测报警器的核心器件介绍
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