基于单片机的烟雾报警系统(网上检索20%)(3)

德州学院 机电工程系2012届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 2.3.3烟雾检测报警器的功能

(1)自诊断故障报警功能

当传感器加热丝或者电缆线发生断线或者接触不良的情况时，报警器发出警报，并且黄色指示灯闪烁，提醒用户检查传感器或者电路线接触情况，及时排除故障，保证安全。

(2)烟雾浓度显示

通过液晶屏显示可燃烟雾的浓度值，并且可以切换到设置状态，通过键盘设置或者更改报警限值，以便于用户或检测人员随时观测烟雾浓度及更改报警限。

(3)烟雾报警功能

当烟雾浓度连续20秒取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。

(4)防止报警器误报功能

快速重复检测及延时报警可以区别出是管道中可燃烟雾的泄漏，还是由于打开阀门时的微量烟雾的散失。

(5)看门狗自检单片机状态功能

调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。

(6)与上位机通讯功能

可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。

(7)自动控制相关安全装置的扩展功能

留有继电器接口，可以带动排风扇或大功率蜂鸣器，也可以控制管道电子阀门，可在报警的同时自动启动相关安全装置。

3 烟雾检测报警器的硬件设计

3.1核心芯片选择

在报警器的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的烟雾浓度对应的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路进行相应动作；与此同时查询是否有键按下的请求。在单片机完成这些的工作中，尤其是将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，然后送LCD显示这一过程的软件实现比较复杂，要求单片机具备较快的运算速度，使检测人员能够较准确地观测到烟雾浓

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德州学院 机电工程系2012届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 度，并根据情况做进行相应处理。并且也要考虑选择低价实用的机型，并为研制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用宏晶科技生产的STC12系列单片机中集成Flash较大的STC12C5410AD。

STC12C5410AD单片机具有以下特点： （1） 增强型8051内核。 （2） 10KB Flash程序存储器。 （3） 2KB数据Flash（EEPROM）。 （4） 512B RAM。

（5） 两个16位定时/计数器。 （6） 最多27根I/O口线。

（7） 全双工异步串行口（UART）。 （8） 高速同步通信端口（SPI）。 （9） 8通道10位ADC。

（10）4通道PWM/可编程计数器阵列/捕获/比较单元（PWM/PCA/CCU）。 （11）MAX810专用复位电路和硬件看门狗[6]。

图2 STC12C5410AD单片机的引脚图

3.2烟雾检测报警器硬件电路设计

3.2.1信号采集及前置放大电路

传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串

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德州学院 机电工程系2012届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然会造成浪费。常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。

LM324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。

下面详细介绍运算放大电路：

如图3所示，从传感器的上端出来的信号Vi经过运算放大器的同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压Vo通过电阻R4接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻R3接到参考电压Vref。

同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。在图3中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，I- = I+ = 0，

所以V- = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (1) 而且V- = V+ = Vi

Vo = Vi*（R3 + R4）/R3 (2)

所以本放大电路的放大倍数A =1+ R4/R3 ，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1。同相比例运算电路有以下几个特点：

(1)同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。

(2)电压放大倍数A =1+ R4/R3 ，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。如果不接R3和R4，则此电路就成了“电压跟随器”，它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。

(3)由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。此放大电路还加了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用滑动变阻器产生一个参考电压Vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考端。所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。而电压跟随器的作用就如上面

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德州学院 机电工程系2012届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止R3和R4对滑动变阻器输出电压的影响。

图3 前置放大电路

3.2.2声音报警电路

声音报警电路图如图4所示。报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器[7]，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮，适用于家用煤气报警器的报警声音源。当单片机STC12C5410AD的17脚(P3.7)置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器报警。本报警器采用单片机STC12C5410AD的PWM功能，如果烟雾浓度达到报警限，单片机控制P3.7(PWM)口输出占空比一定 的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。

图4 声音报警电路图

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德州学院 机电工程系2012届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） 3.2.3数码管显示电路

报警器浓度显示采用共阳数码管。显示浓度级别，其主要技术参数如下： 模块工作电压： 2.7～5.5V 工作电流： 80mA,每段10mA

字高：11.4mm环境相对湿度：<85％ 视角：6:00 工作温度：-10～+50°C

显示方式：反射式正显示存储温度：-20～+60°C 接口方式：8线并行接口

图5 数码管结构图

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