基于51单片机的烟雾探测器报告

1 前言

烟雾浓度测试仪，也以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温和火光。这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。

1.1烟雾探测器工作原理

1.1.1 烟雾探测器种类

目前常用的有三种步进电动机：

(1)离子感烟式探测。它是在电离室内含有少量放射性物质，可使电离室内空气成为导体，允许一定电流在两个电极之间的空气中通过，射线使局部空气成电离状态，经电压作用形成离子流，这就给电离室一个有效的导电性。

(2)光电感烟探测器。它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。

(3)红外光束感烟探测器。它是对警戒范围内某一线状窄条周围烟气参数响应的火灾探测器。

1.1.2 工作原理

烟雾探测器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟雾探测器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。

它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。

2 总体方案

2.1 方案比较

方案一：

采用通用的低成本单片机作为下位机的主控制器，外加ADC0832采集烟雾传感器的模拟信号，经过单片机的运算处理过后，把数据通过外加的USB模块传到PC机，PC机上用VC++软件上位机对烟雾信号实时监控，若达到阈值，则报警。

图2.1 方案一

图2.2 方案二

2.2 方案论证和选择

方案论证：方案一使用价格低廉的8位单片机，另外增加了ADC芯片和USB 模块芯片，电路相对比较复杂，上位机软件选用微软公司的VC++，它具有十分优秀的灵活性，便于开发人员的灵活设计，但程序设计相对复杂。方案二使用高性能的单片机Kinetis60，它片内外设丰富，方便设计，但是价格相对较高，上位机软件选用NI公司的图形化编程软件LabVIEW,它编程方便，开发十分方便，但灵活性相对VC++差一些.

方案选择：根据设计的设计难易程度和可操作性，由于本设计更多偏向于设计的便捷性和较强开放性，经过和指导老师商量，采用飞思卡尔公司具有低功耗的内核设计为ARM COTEX M4的32bit高性能单片机Kinetis60作为下位机的主控制器, 它片内外设丰富能省去很多处部电路，PC机上用LabVIEW软件上位机对烟雾信号实时监控，编程方便和开发十分方便，所以我最终选择方案二来进行课程设计。

3 单元模块设计

本论文中的烟雾浓度测试仪以K60单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。

首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成较大的电压信号送入片内A/D转换、然后送入单片机进行浓度比较，并判断浓度值是否超出报警限，当浓度处于正常状态绿灯长亮，当烟雾浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。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。

3.1 各单元模块功能介绍及电路设计

3.1.1 单片机引脚图

图3.1 单片机引脚图

上图为单片机的引脚图，该单片机共有28个引脚，其片内外设相当丰富，主频最高可达100M。单片机要求用3.3V电压供电，我选用LM1117为其供电，

输出通过LRC滤波网络滤除纹波；单片机需要晶振才能正常工作，考虑其性能，我选用50MHZ的有源晶振作为时钟输入；其调试接口采用方便的JTAG协议，方便设计和在线调试，是快速高效地完成课题设计的有力保证。

3.1.2 感烟传感器电路

本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200~300°C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，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。

图3. 2 烟雾传感器电路

烟雾传感器在最佳工作条件下，接触同一种烟雾，其电阻值RS随气体浓度变化的特性称之为灵敏度特性，用K表示。K=RS / R0 ，式中，R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电

阻值。虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性K的值也会各有差异，但是它们都遵循同一规律，

log RS = m logC + n

式中，m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于烟雾，m值为1/2～1/3；C为检测烟雾的浓度。n为与检测烟雾，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。

3.1.3 LED电路

本设计安装有四个LED灯，当检测的烟雾浓度很低时，绿灯亮；当检测到烟雾的浓度到达一定的值时，黄灯这，作提示作用；当检测的浓度达到危险值时，两个红灯则交替地闪烁。

图3. 3LED电路

3.1.4 报警电路

图3. 4报警电路

当烟雾浓度达到临界值时，则需要报警，在电路上连接一个蜂鸣器电路，当浓度过高时，PTE0脚输出高电平，驱动蜂鸣器鸣叫，达到报警的目的。该电路稳定、可靠。

3.2电路参数的计算及元器件的选择

3.2.1 MQ-2型烟雾传感器

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。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。半导体气敏传感器的分类如表3.1所示。

表3.1 半导体气敏传感器分类