1前言
火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；也可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、气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。区域报警器能将所在楼层之探测器发出的信号转换为声光报警，并在屏幕上显示出火灾的具体方位；同时还能监视若干位置的集中报警器输出信号或控制自动灭火系统。集中报警是将接收到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具体显示出着火的方位，自动启动消防设施并迅速发出指示和向消防队报警。
二十多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。可是中国企业抓住了机遇，顶住了挑战，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，这是典型的自力更生，走自己的路。当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚启动。
消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动,是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，象消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。
在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的消防报警市场。
本论文以烟雾传感器，气敏传感器，感光探测器和51单片机技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计出一种较好合理的火灾综合自动报警系统。选用的8051单片机，相对简单，成本较低。
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以51单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。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。
2总体方案设计
2.1方案设计一 2.1.1方案一工作原理
烟雾检测报警器以STC12C5410AD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STC12C5410AD单片机；然后，在STC12C5410AD单片机内A/D转换、浓度比较，对数据进行线性化处理， 将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气体浓度送入液晶，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。
2.1.2方案一系统结构
为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、故障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。系统结构图如图2.1.2-1所示。
传感器 放 大 电 路 A/D 转 换 单片机 串口通信 声音报警 状态指示灯 安全控制装置 浓度显示 图2.1.2-1 系统结构图
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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，发出声光报警信号。当然几种状态的报警信号是各不相同的。 2.2方案设计二 2.2.1方案二工作原理
现代火灾自动报警系统与传统火灾自动报警系统之间的区别主要在于探测器本身性能。由开关量探测器改为模拟量传感器的质的飞跃，将烟浓度、上升速率或其他感受参数以模拟值传给控制器，使系统确定火灾的数据处理能力和智能化程度大为增加，减少了误报警的概率。区别之二在于信号处理方法做了彻底改进，即把探测器中模拟信号不断送到控制器进行评估或判断，控制器用适当算法辨别虚假或真实火警，判断其发展程度和探测受污染的状态。这一较高质量的信号处理技术，意味着系统具有较高智能。随着微处理技术的快速发展，低价位、低功耗、高性能的小型单片机比比皆是。采用单片机后，许多以前需要硬件完成的功能，现在可以通过软件程序控制实现，使探测器测量与控制较普通的硬件实现更加容易，电路结构更加简单，增加电路的可靠性。随着火灾探测方面技术的出现于应用，我们可以在电路结构不做大调整的前提下，随时更新探测器软件，加入最新的火灾探测算法，对探测器进行升级，使之报警更加准确，性能更可靠。
2.2.2方案二总体框架结构
该系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入等功能。报警器采用巡检的工作方式，进行两级 报警值设定，并发出不同的光、声信号。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。
报警器系统结构框图如图2.2.2-1所示：
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感光感烟气敏传感输入 A/D 转换 按键输入 单片机 烟雾浓度显示 上位机通信 声光报警 继电器驱动 图2.2.2-1 报警器系统结构框图
2.3方案论证 2.3.1方案一论证 方案一能达到功能： (1)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。 (2)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。 (3)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。
2.3.2方案二论证 方案二能达到的功能：
系统数码管及时显示烟雾浓度变化数值，当浓度达到预设值时，单片机即根据数字烟雾传感器所采集来的浓度实现报警功能，步进电机转动，对被保护物品实行保护。达到准确发现楼宇火灾的目的，迅速发出报警信号。该系统的综合性及可靠性高，具有较好的实用价值：
(1)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
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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。
(2)烟雾浓度报警功能
当室内烟雾浓度达到预设报警限值之上，蜂鸣器开始报警。 (3)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。
(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)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。 2.4方案选择
一在总体上上述两种方案都能达到设计要求，但是在整体上方案二要优于方案二，表现在：自诊断故障报警功能；防止报警器误报功能；看门狗自检单片机状态功能；与上位机通讯功能；自动控制相关安全装置的扩展功能，最重要的是方案二使用了三种传感器，在火灾的判断上将更加及时准确，这是第一种方案所无法比拟的。
作为一种应用性设计，安全性与联机，决定了方案二具有更好的市场性。因此，选择方案二作为此次设计方案。
3单元模块设计
在报警仪的设计中，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，尤其是信号处理中，比较浓度值后送入显示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8051单片机。 3.1单片机的选型
单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度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，控制后续电路的相应工
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作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，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，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。
如今市面上比较普遍的单片机有8051系列与STC系列。 8051单片机应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，适合民用，商用。因此本次设计选用89C51单片机 3.2烟雾传感器的选型
烟雾检测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，仪器的最基本组成部分应包括：烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。
烟雾信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾检测电路送出的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滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。方便调节报警限，可以加入按键。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。
烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是至关重要的。烟雾传感器的选型在后续章节节详细介绍。
烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。
3.2.1烟雾传感器介绍 (1)烟雾传感器的分类
烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：
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(a)利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。
(b)利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。
(c)利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。 (2)烟雾传感器应满足的基本条件一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：
(a)能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低 响应； (b)对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾 浓度； (c)对检测信号响应速度快，重复性好； (d)长期工作稳定性好； (e)使用寿命长；
(f)制造成本低，使用与维护方便。 (3)常见烟雾传感器简介
下面对工业上常用的几种烟雾传感器作简单介绍。 (a)半导体烟雾传感器
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。自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。
(b)固体电解质烟雾传感器
固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广 泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中有优势。
(c)接触燃烧式传感器
当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、
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钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持300°C~400°C的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道烟雾的浓度。
(d)高分子烟雾传感器
利用高分子气敏材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。
(e)电化学传感器
电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性烟雾检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。
(f)热传导传感器
热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。
(g)红外传感器
红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。
不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃烟雾(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。
(4)常见烟雾传感器可检测烟雾种类
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由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。
3.2.2烟雾传感器的选定
烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。
使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。
因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。
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，它具有灵敏度高， 响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。
经过对比上述两种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：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、寿命长等优点。 3.3气敏传感器的选型
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用最多的是半导体气敏传感器。由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可
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能用一种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传感器的种类非常多。目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。
3.3.1气敏传感器的介绍
气敏电阻的工作原理：气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成，金属氧化物半导体分N型半导体，如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等，P型半导体，如氧化钴、 氧化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时还渗入了催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。通常器件工作在空气中，空气中的氧和NO2这样的电子兼容性大的气体，接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷，结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少，使表面电导减小，从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃），目的是为了加速上述的氧化还原反应。
例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下吸附某种气体后，其电导率变化不大,若保持这种气体浓度不变，该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加，尤其是在100~300℃范围内电导率变化很大。显然，半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。气敏元件的基本测量电路如图3.3.1-1（a）所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图3.3.1-1（b）所示。
图3.3.1-1气敏元件的基本测量电路及气敏元件输出电压与温度关系
图中EH为加热电源，EC为测量电源，电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的
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变化，输出电压（信号电压）由电阻Ro上取出。
气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。因此，气敏元件结构上，有电阻丝加热，结构如图3.3.1-2所示，1和2是加热电极，3和4是气敏电阻的一对电极。
图3.3.1-2 气敏元件结构
气敏传感器的种类
气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。
烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中，经加热
成型后低温烧结而成。目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件，它的加热温度较低，一般在200~300℃，SnO2气敏半导体对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。
薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法，在石英或陶瓷基片上制成金属氧化
物薄膜（厚度0.1μm以下），构成薄膜型气敏元件。 氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片上的锌氧化。氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体，当添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体有较高的灵敏度，而对H2、CO2等气体灵敏度很低。若用钯作催化剂时，对H2、CO有较高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此，这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500℃的较高温度。
厚膜型气敏元件将气敏材料（如SnO2、ZnO）与一定比例的硅凝胶混制成能印
刷的厚膜胶。把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝（Al2O3）基片上，在400~800℃的温度下烧结1~2小时便制成厚膜型气敏元件。用厚膜工
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艺制成的器件一致性较好，机械强度高，适于批量生产。
以上三种气敏器件都附有加热器，在实际应用时，加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应，从而提高器件的灵敏度和响应速度。
3.3.2气敏传感器的选定
火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。TGS202气体传感器能探测CO2，CO，甲烷、煤气等多种气体，他灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测，本电路选择TGS202传感器，如图3.3.2-1所示。当TGS202探测到CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度(如CO浓度达到0．06％)时，VA端获得适当的电压(设为3 V)。
TGS202 V1 V2 VA R
图3.3.2-1 气敏传感器TGS202
3.4光敏传感器的选型
光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、
光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、
色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。
3.4.1光敏传感器的介绍 （1）光敏电阻
光敏电阻是一种电阻器件，光敏电阻中光电导作用的强弱是用其电导的相对变化来标志的。禁带宽度较大的半导体材料，在室温下热激发产生的电子－空穴对较少，无光照时的电阻(暗电阻)较大。因此光照引起的附加电导就十分明显，表现出很高的灵敏度。
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为了减小潮湿对灵敏度的影响，光敏电阻必须带有严密的外壳封装。光敏电阻灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜，因此在自动化技术中应用广泛。
（2）光敏二极管
PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特效应工作。处于反向偏置的PN结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子－空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成光电光敏电阻梳状电极流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此光照时的反向电流基本上与光强成正比。
（3）光敏三极管
它可以看成是一个b c结为光敏二极管的三极管。在光照作用下，光敏二极管将光
信号转换成电流信号，该电流信号被晶体三极管放大。显然，在晶体管增益为β时，光
敏三极管的光电流要比相应的光敏二极管大β倍。
光敏二级管和三极管均用硅或锗制成。由于硅器件暗电流小、温度系数小，又便于用平面工艺大量生产，尺寸易于精确控制，因此硅光敏器件比锗光敏器件更为普通。 光敏二极管和三极管使用时应注意保持光源与光敏管的合适位置。因为只有在光敏晶体管管壳轴线与入射光方向接近的某一方位(取决于透镜的对称性和管芯偏离中心的程度)，入射光恰好聚焦在管芯所在的区域，光敏管的灵敏度才最大。为避免灵敏度变化，使用中必需保持光源与光敏管的相对位置不变。
（4）光电池
与外电路的连接方式有两种：一种是把PN结的两端通过外导线短接，形成流过外电路的电流，这电流称为光电池的输出短路电流(IL)，其大小与光强成正比；另一种是开路电压输出，开路电压与光照度之间呈非线性关系；光照度大于1000lx时呈现饱和特性。因此使用时应根据需要选用工作状态。
硅光电池是用单晶硅制成的。在一块N型硅片上用扩散方法渗入一些P型杂质，从而形成一个大面积PN结，P层极薄能使光线穿透到PN结上。硅光电池也称硅太阳能电池，为有源器件。它轻便、简单，不会产生气体污染或热污染，硅光电池转换效率较低，适宜在可见光波段
3.4.2光敏传感器的选定
光敏电阻的光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线3.4.3-4表示。从这种曲线中可以直接看出灵敏范围，峰值波长位置和各波长灵敏度的相对关系。
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图3.4.2-1 光敏电阻的光谱特性
由图可见，硫化镉单晶，硫化镉与硫化镉混合多晶，硫化镉多晶，硒化镉多晶等几种光敏电阻的光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515到600nm之间。因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机，光度计等。本文正是利用此特性来设计火灾报警器的。
本文选用光敏电阻PGM5539，利用光敏电阻的光电特性即光敏电阻受到光照后阻值变化的特性来检测火灾。
3.5烟雾检测报警器硬件电路设计 3.5.1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。
LM32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3.5.1-1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V0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。
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图3.5.1-1 前置放大电路图
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3.5.1-1中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，I I 0，
所以V V0R3/R3 R4 Vref*R4/R3 R4 (3.5.1-1) 而且V V Vi
V0 Vi*（R3 R4）/R3 (3.5.1-2) 由以上两式可求出V0VrefR4/R3 (3.5.1-3)
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。
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(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。
3.5.2声音报警电路
声音报警电路图如图3.5.2-1所示。
报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器[26]，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气敏设置时，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，
S3S4 感光量增减感烟量增减气敏量设置
S 5IC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 3的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。 S6 VCCQ1R151KVCCC2030pF10KR191234567813INT012T1T0VCCX1X2RST15143119189P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7INT1/P3.3INT0/P3.2T1/P3.5T0/P3.4EA/VPPPPPPPPPR2510K9012LS1SPK1R2010KT0T1PPPPPPPP
CY2C1930pF X1X2RESETRD/P3.7WR/P3.6图3.5.2-1 声音报警电路图 3.5.3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： 工作电流： 80ma,每段10ma。数码管显示电路如图3.5.3-1所示。
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321321 RD_1716RXD/PTXD/PALPS89C5111.0592MHZ
图3.5.3-1 数码管结构图
字高：11.4mm环境相对湿度：<85％ 视角：6:00 模块工作电压： 2.7~5.5V 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 3.5.4状态指示灯及控制键电路
状态指示灯及控制键电路图如图3.5.4-1所示。单片机STC12C5410AD的18脚(P1.0)、12脚(P2.4)、13脚(P2.5)，控制输出的状态指示灯。
RD 感光传感器S1S2 S3 S4 S5 S6 VCC12345678IC3P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7INT1/P3.3INT0/P3.2T1/P3.5P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3393837363534333221222324251CON1感光设置感烟设置气敏设置感光量增减感烟量增减气敏量设置R15图3.5.4-1 状态指示灯电路图 9012LS1SPK11KQ1 10KR19R2510K17 VCCR2010K13INT012T1T01514绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低。黄灯闪亮表示传感器加热 丝或者电缆发生断线或者接触不良。红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超 过报警限值，提醒用户尽快作相应安全措施。
当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下按键停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。
3.5.5电源电路
89C51的工作电压为5V，本电路通过插头直接将5V电压接入电路，设置总开关及发光二极管作为工作指示灯，简单实用，如图3.5.5-1所示。
S1VCC开关1kR10J212CON2IN4007D1D2LED1
图3.5.5-1 电源电路
3.5.6 继电器电路
当确定火灾后，P0.7口输出高电平，三极管通电，常开继电器闭合，电机通电，开始排烟，相关电路如图3.5.6-1示。
VCC 常开继电器D3 D2DIODE发光二极管 NPNp0.7
图3.5.6-1 继电器电路
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3.5.7 与上位机串口通信电路
为了便于实时监视，本电路设计了实时通信电路，以便于远距离监视以及片区联防。该电路主要将TTL电平转换为RS232电平。注意：单片机的晶振选11.0592MHz，主要是让其串口通信的初试化波特率时可更接近9600。电路如图3.5.7-1所示。
RXDTXDALEPSENC7C5C3104C2+C2 -T1outTTLR1outT2inTTLR2outRS232R2inRS232R1inT2out45141378DB9C2104162738495J110UF2161015GNDC1104VCCC1+C1 -31112T1inTXDRXD109MAX232V+VCCV-16 图3.5.7-1 上位机串口通讯电路
4软件设计
4.1 STC12系列单片机调试及开发工具
本系统的软件编程使用的是美国Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。
Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，Keil C51生成的目标代码效率非常之 高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能 体现高级语言的优势。
C51工具包的整体结构中，μVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经C51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对 目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
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STC12系列单片机下载程序使用的是宏晶科技自行开发的STC单片 机ISP下载编程软件。本论文程序调试过程中，使用的是STC-ISP-v3.1版。ISP工具的功能主要是将由PC机串接来的8位并行数据与单片机的 串行数据进行相互转换，以实现PC机与STC12C5410AD的RXD及TXD口通讯。 当用户将源程序(汇编语言或C语言)经语法检查无误并生成代码时， 就可以将程序代码下载到Flash芯片中[31]，而用户的系统可以是在线状态。
用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，在程序中设置断点，在STC12C5410AD中，可以同时设置3个硬件断点，它是经过串口的传输，由芯片中的几组断点条件寄存器实现的。
用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，检查或修改Flash芯片 内的各种存储器、寄存器的数据。
4.2烟雾检测报警器软件流程及设计
本论文中，软件解决的主要问题是检测烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行AD转换，数字滤波，线性化处理，段式液晶浓度显示，按键功能设置，以及报警器声光警报。
4.2.1主程序设计及流程图
主程序流程图如图4.2.1-1先要给传感器预热三分钟，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。
本论文的主程序设计先对传感器预热三分钟， 预热同时，对传感器加热丝故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或 电缆线是否断线或者接触不良。
51单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D转换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。同时送入段式液晶显示烟雾浓度值。主程序还包括状态指示灯及按键功能设置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。
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开始 程序初始化 传感器预热并故障检测 键盘扫描及键值处理 是否按键 Y N 烟雾采集子程序 进入报警设限 烟雾处理子程序 气体采集子程序 气体处理子程序 感光采集子程序 感光处理子程序 是否火灾 N 烟雾浓度显示 Y 进入报警处理子程序 图4.2.1-1流程图
4.2.2主程序初始化流程图
主程序初始化流程图如图4.2.2-1传感器预热后，程序开始执行 初始化子程序，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等。首先设定定时初值50ms，利用IAP写入EEPROM，作为取值间隔。然后设置定时器0，选择方式1。方式1状态下定时器的工作寄存器TH1、TL1是全16位参与操作。接下来定
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时器0中断允许位置1，打开定时器0，关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。
开始 设定初始值 设定时器0， 选择方式1 打开定时器0中断允许 关闭蜂鸣器 保存报警初值 设定初值 N Y 返回 图4.2.2-1 始化流程图
4.2.3中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图
在烟雾传感器对烟雾浓度采样时，可能会遇到尖脉冲干扰的现象。干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。
如果采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的烟雾浓度采样值的偏差。为此，可采取中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)，先对N个采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N–2个数据的算术平均值。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机 干扰。保证报警器检测烟雾浓度的准确性，减小误报、错报的可能。
在实际应用中，N可取任何值，但为了加快测量计算速度，本论文数字滤波的设计中N取10。即调用A/D连续进行10次采样，去掉其中的最大值和最小值，计算其余8个值的平均值，将这个平均值送入寄存器。中位值平均滤波法的程序流程图如图4.2.3-1所示。
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开始 设置采样次数 N=10 N 调用A/D 采样 已采样10次 Y 将采样值排序 求第二个到第九个 采样值累加和SUM SUM除以8求平均送入寄存器
图4.2.3-1 均滤波法程序流程图
4.2.4插值法线性化处理子程序设计及流程图
在单片机测控系统中，使用之前必须进行静态标定，以得到输出信号与被测信号的关系输出曲线，用来作为使用过程中的计量依据。但是标定时输出曲线往往不是一条理想的直线，所以要对标定曲线进行线性化处理，用一条拟合直线近似代替输出曲线，线性化是智能仪表的典型功能之一。该报警器主要针对甲烷烟雾检测，在软件线性化处理时，以传感器对甲烷的响应曲线为依据。
本论文报警器使用的MQ-2型传感器的电阻是随着烟雾浓的升高而降低的，因此输入单片机的电压也是随之降低的。图4.2.4-1采集电压值与烟雾浓度百分比的对应曲线，可以看出，电压值与烟雾浓度 之间是非线性的关系，为了实时显示烟雾浓度.需要对其进行线性化处理。 在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线分 成若干小段，对每小段分别线性化。
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图4.2.4-1 集电压值与烟雾浓度百分比线性化曲线
根据分段线性插值法求输入单片机的某一电压值对应的烟雾浓度的 公式如下： f(x) = f(xi) + (x-xi)*（f(xi+1)-f(xi)）/（Xi+1-Xi）i=1,2,3„N
式中，N为所分区间个数， f (x)为实际烟雾检测浓度，x为实际气体检测浓度对应的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi是区间的上限浓度对应电压值， f (xi)为区间下限烟雾浓度值， f (xi )为区间上限烟雾浓度值。
4.2.5报警子程序设计及流程图
当烟雾浓度超过报警设定值时，报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应通道的红灯闪亮，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全，避免火灾和爆炸事故的发生。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微 量散失，防止误报。报警子程序流程图如图4.2.5-1。
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烟探值 气探值 光探值 “与”控制 “或控制” 报警 预报警 上位机通信报警 人工确认 无 有 继电器动作 复位 延时控制 灭火联动 人工确认 小 大 现场启动 切断
图4.2.5-1 流程图
4.2.6控制按键设计子程序及流程图
本报警器设计附加一个按键，功能分别为：确定(消音)。按键处理子程序流程图如图4.2.6-1键盘处理子程序。
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开始 扫描键值 是否有按键 Y延时10MS N 是否有按键 N Y 提取键值 调用键盘处理子程序 结束
图4.2.6-1 键盘处理子程序
5系统调试、系统功能、指标参数
5.1烟雾检测报警器检定 5.1.1爆炸下限(LEL)概念介绍
本论文设计的烟雾检测报警器选用“%LEL”作为烟雾的测量单位及衡量标准，下面介绍关于LEL的相关概念。
“LEL”是指爆炸下限。 可燃烟雾在空气中遇明火种爆炸的最低浓度，称为爆炸下限(Lower Explosion Limited)，简称LEL。可燃烟雾在空气中遇明火种爆炸的最高浓度，称为爆炸上限(Upper Explosion Limited), 简称UEL。
烟雾的浓度过低或过高时是没有危险的，只有与空气混合形成 混合气或更确切地说遇到氧气形成一定比例的混合气才会发生燃烧或爆炸。燃烧是伴有发光发热的激烈氧
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化反应，它必须具备三个要素：可燃物（燃气）；助燃物（氧气）；点火源（温度）。可燃气的燃烧可以分为两类， 一类是扩散燃烧，即挥发的或从设备中喷出、泄漏的可燃气，遇到点火源混合燃烧。另一类燃烧，是可燃气与空气混合着火燃烧，这种燃烧反应激 烈而速度快，一般会产生巨大的压力和声响，又称之为爆炸。燃烧与爆炸 没有严格的区分。
有关权威部门和专家已经对目前发现的可燃气作了燃烧爆炸分析，制 定出了烟雾的爆炸极限，它分为爆炸上限和爆炸下限。低于爆炸下限，混合气中的可燃气的含量不足，不能引起燃烧或爆炸，高于上限混合气中的氧气的含量不足，也不能引起燃烧或爆炸。另外，可燃气的燃烧与爆炸还与烟雾的压力、温度、点火能量等因素有关。爆炸极限一般用体积百分比浓度表示。
爆炸极限是爆炸下限、爆炸上限的总称，可燃烟雾在空气中的浓度只有在爆炸下限、爆炸上限之间才会发生爆炸。低于爆炸下限或高于爆炸上限都不会发生爆炸。因此，在进行爆炸测量时，报警浓度一般设定在爆炸下限的25%LEL以下。一般可燃烟雾检测仪的测量范围为0~100%LEL。 甲烷在空气浓度为9%-11%时遇明火爆炸,高于11%或低于9%都不爆 炸。假定甲烷的爆炸下限为5%体积比，那也就是说，把这个5%体积比，一百等分，让5%体积比对应100%LEL，也就是说，当检测仪数值到达10%LEL报警点时，相当于此时甲烷的含量为0.5%体积比。当检测仪数 值到达20%LEL报警点时，相当于此时甲烷的含量为1%体积比。
本设计中设定甲烷的爆炸下限为10%体积比，对应的报警限设在20%LEL，也就是甲烷含量为2%体积比时报警器报警。
5.1.2实验数据分析
因为家用煤气中主要成分为甲烷，所以本实验在烟雾标定时，选用甲 烷烟雾。实际甲烷烟雾与进入到单片机输入端的电压值对应数据如表5.1.2-1所示：
表5.1.2-1烟雾与送入单片机的电压值对应数据
浓度（%） 0 10 20 30 40 27
电压（V） 3.70 3.65 3.60 3.48 3.30 50 60 70 80 90 100
2.98 2.61 2.22 1.80 1.02 0 从该曲线可以看出，电压值与烟雾浓度之间是非线性关系，为了实时显示气 体浓度，需要对其进行线性化处理，使显示的烟雾浓度与实际误差 在±5%范围内。对曲线作线性化处理时，根据曲线的走势，将烟雾浓度分成7段。
直线方程
i =1,2,3L,7 fx f xi x - xi f xi f xi （/x- xi）其中，f (x)为实际烟雾检测LEL浓度，x为实际烟雾检测浓度对应 的电压值，xi是区间的下限浓度对应电压值，xi是区间的上限浓度对应 电压值，f (xi)为区间下限点烟雾LEL浓度值，f (xi )为区间上限点烟雾LEL浓度值，根据公式5-1计算出7个直线方程式，如下：
(1) 0%~10%LEL f (x) = ?0.50x + 3.70 (2) 10%~20%LEL f (x) = ?0.50x + 3.61 (3) 20%~40%LEL f (x) = ?1.50x + 3.90 (4) 40%~50%LEL f (x) = ?3.2x + 4.58 (5) 50%~60%LEL f (x) = ?3.7x + 4.83 (6) 60%~80%LEL f (x) = ?4.05x + 5.04 (7) 80%~100%LEL f (x) = ?9.00x + 9.00
经实验的标定，实际烟雾浓度与显示浓度误差对比如表5.1.2-2所示。
表5.1.2-2 分段线性化误差数据
浓度（%LEL） 0 5 10 浓度误差 0 3 -1 浓度（%LEL） 50 55 60 28
浓度误差 5 3 0 15 20 25 30 35 40 45
4 3 -1 5 3 2 5 65 70 75 80 85 90 95 2 3 5 -2 4 3 5 根据误差计算公式X = i ，在本实验中N为20，计算本报警器显示烟雾浓度与实际浓度之间的误差为2.55%，在所规定误差范围±5%之内。因此，本论文中的可燃性报警器满足检测要求。
5.2实验误差分析
在测量仪器的实际使用中，造成误差的来源很多，通常是多种误差源 综合作用的结果。就本仪器而言，误差来源主要有软件和硬件两个方面。
软件误差主要来自以下两个方面：
A/D转换量化误差STC12C5410AD单片机的内部A/D转换器为12 bit，输入单片
机模拟 电压信号0~3.7V，参考电压2.5V，A/D转换器对输入模拟信号的最大分辨率为2.5 212 ?1 = 0.00061V，因此可求得A/D转换误差为0.00061 =0.00016=0.016%。
数字滤波过程中的有限字长效应 在中位值平均滤波法数字滤波过程中，用到了
乘法和除法运算，因此 在运算过程中，由于字长有限而不能保留原有数据的有效位数会出现舍入误差，由于累计计算会造成计算误差。本仪器使用数据的计算全部是由STC12C5410AD完成的，可以直接执行16×16 bit定点乘法和32÷16 bit定点除法运算，所以有限字长造成的误差对于本系统而言，可以忽略不计。
硬件误差主要来自以下四个方面： (1)传感器非线性误差
本系统选用MQ-2型半导体陶瓷式烟雾传感器，烟雾浓度与输出电压存在一定的非线性，使用折线插值方法进行线性化处理。
(2)电子元器件参数的离散性、温度不稳定性造成的误差
传感器输出信号一般比较微弱，需要过数据采集前置电路对其进行放 大、滤波、电平
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调整，满足单片机对输入信号的要求。运放误差是造成前置放大误差的主要原因，运放的输入失调电压，输入失调电流是影响电路精度的重要因素。 本设计选用高输入阻抗、低噪声的放大器，可以满足要求。另外所选的阻容器件都是经过精确测量后再焊接上去的，并经过仔细调试以获得最佳性能。
(3)电源造成的误差
虽然系统采用直流电源供电，但电源不可避免地残留一定的交流成分而形成噪声信号.它们对测控系统的正常运行危害很大。本系统选用ACDC电源模块，将220V市电转化为5V直流电压，分别给模拟电路和数字电路供电。为了尽量减小噪声，数字地和模拟地要一点接地，每个芯片的电源就近接退耦电容。
(4)环境、外部噪声引起的误差
环境因素包括环境温度、湿度、空气中的尘埃等。对本系统来说，空气中的成分对系统的探头和单片机及其外围电路影响很小，在进行测量时不用进行补偿。但环境温度、湿度对传感器有一定的影响。但是温湿度的影响相对于系统5%LEL的精度要求，可以忽略不计。另外，系统还受到各种外部电磁噪声的干扰，设计上，把探测器与控制器之间的信号线用屏蔽电缆连接。在电路板布线时，注意抗干扰设计。
6结论
本设计的烟雾报警器由烟雾信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器。该传感器是对以烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。
在系统单片机控制电路的设计上，采用了高性能、高整合度的单片机作为核心芯片，充分利用了其高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现了仪器的小型化和智能化。使仪器具有结构简单、性能稳定、体积小、成本低等优点。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。为提高响应时伺，保证传感器准确地、稳定地工作，需要向烟雾传感器持续供给5V的加热电压。为了保证传感器加热工作的可靠性，当传感器加热丝断线或传感器接触不良时，能够进行故障报警。
烟雾报警器能在较宽的温度范围工作，可将烟雾浓度显示用LCD显示。当烟雾的浓度达到设定的浓度时，发出声光报警。还具有故障自诊断功能快速重复检测和延时报警
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功能。报警器还可以与上位机(PC)进行通信，实时传输烟雾浓度检测数据，由上位机记录保存，也可以利用上位机完成实现远程实时检测和控制等功能。
在研制的报警器的基础上，可以再做适当的功能扩展，使可燃性烟雾报警器的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。为了能够进一步提高安全性，可以在自动声光报警的基础上，实现带动烟雾 管道关断等功能。
应用程序以汇编语言编写，充分利用芯片资源，提高了测量精度和代码执行效率，减小了代码容量，采用中位值平均数字滤波算法对经A/D转换后的数字信号进行滤波处理。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰，不但最大限度地排除现场噪声干扰，降低烟雾报警器误报概率，而且易于在单片机中实现。
通过现场标定及测试，分析烟雾浓度信号的实验数据，计算本报警器显示烟雾浓度与实际浓度之间的误差为2.55%LEL，在所规定误差范围±5%LEL之内，满足检测要求，达到了预期的设计效果的结论。
7总结与体会
本次完成了二氧化碳浓度监测系统设计的制作、调试。系统可实现对烟雾浓度，气体浓度，紫外光线的监测，并将采集到的信烟雾浓度用数码管显示出来，采集到的气体浓度、烟雾浓度、光线值超过用户设的上限值时, 报警电路发出报警信号。能同时通RS232通信接口，将所监测得的数据，传到计算机的串口调试助手软件中进行显示； 在本次软件设计过程中，采用的是汇编语言。
通过本次设计使自己进一步深入地了解本专业的生产技术、生产过程和管理知识，进一步加深对所学专业理论知识的理解，进一步熟悉实际电子产品研发的方法与过程，培养了分析问题、解决问题的能力以及工程实际能力，为实际工作打下一定基础。
在这次设计中我也学会了很多新的东西，例如Protel 99 SE软件使用、以及一些常用的文本处理方法。当然最重要的是学到了基于单片机设计的一些基本方法，同时也加深了对一些常用的电子元件的理解及其基本用法的掌握。
资料的查找，信息的整合，自学的能力也是很重要的，这次设计最大的一个难点就是三个传感器，资料要自己找，原理自己学，还有WORD的编辑都是很大的收获。
除了这些具体的东西，我觉得在这次设计的过程中学到的另外的更重要东西是一种精神，一种敢于拼搏，不放弃不服输的精神，一种同学与同学之间的团队与合作精神，很多时候一个人的力量是有限的，一个人不可能什么都会，我觉得人与人之间的相互帮助很有必要，这样不仅能帮助大家很快的解决问题，还能提高我们每个人的实际水平，
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也培养了我们的团队合作精神，这些能力对于我们今后的学习和工作都很有帮助。
总之，理论的知识太少，平时的实践太少，依赖的心理不能有，大学学的是方法，更多的自己的兴趣与发展要靠自己，被动的学习永远都在跟着别人走，没有激情，没有收获，甘于吃苦，甘于寂寞，才能有所建树。
8谢辞（致谢）
在本次毕业设计中，我得到了指导老师康万新老师的热心指导。自始至终关心督促毕业设计进程和进度。帮助解决毕业设计中遇到的许多问题。还不断向我传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，使我在毕设过程中少走很多弯路。同时，他还提供给我们专门的各种设备及场所，使我在调试过程中能够有充足的时间。在这里非常感谢康老师的指导和帮助，并致以诚挚的谢意！
同时，身边的同学给了我许多的帮助。在此，我向身边关心我的同学致以诚挚的谢意！另外，系里的领导和老师也给了我们必要的指导，我也向院和年级的领导们表示衷心的感谢！最后感谢学院对我这几年的培养。
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9参考文献
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气敏传感器接口感烟传感器接口1RD 1CON1S2 S3 S4 S5 S6 VCC12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7INT1/P3.3INT0/P3.2T1T0VCCC1930pFX1X2RSTCY232132111.0592MHZWR1kR10VCCC164.7uF10KR21D2LED1 S2TXDVCCRXD10915143119189RD_1716T1/P3.5T0/P3.4EA/VPX1X2RESETRD/P3.7WR/P3.689C51C1104VCC111213C1+C1 -T1inTTLR1outT2inTTLR2outRXD/P3.0TXD/P3.1ALE/PPSEN10113029RXDTXDALEPSEN13INT012IC3P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7VCCC2030pFT0T1R2010K3938P0137P0236P03 35 34 33 32 21222324252627281K4KCON11CON1感光传感器接口S1VCC感光设置感烟设置气敏设置感光量增减感烟量增减VCCJ1412CON2C18104VCCR15R1910K9012LS1SPK1Q1气敏量设置T19012T29012T39012T490121298G1G2G3R2410KIC61234A0A1A2GND24LC08VCCWPSDASCL8765R2510KLED14LED-SM-1C7C510UFC31610151042GNDVCCV-V+S1VCC6C2+4J1开关C2 -5C2104附录1：总体硬件图
T1out14J212CON2IN4007D1RS232R1in13T2out7RS232162738495R2in8常开继电器D1DB9 MAX232D2DIODE光敏二极管NPN p0.7
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P2010K x 8P21P22.P23P24P25P26P271174211053abcdefgdpG46附录2：部分程序
ORG 0000H
START: MOV DPTR, # 0FFF8H ；送端口地址入DPTR MOVX @DPTR, A ；启动AD574A SET P1.0 ；置P1.0为输入方式 LOOP: JB P1.0, LOOP ；检测P1.0口 INC DPTR ；使R/C为1
MOVX A, @DPTR ；读取高8位数据 MOV 41H, A ；高8位内容存入41H单元 INC DPTR ；使R/C、A0均为1 INC DPTR
MOVX A, @DPTR ；读取低4位
MOV 40H, A ；将低4位内容存入40H单元 MOV 17H, #10001111B ；将比较的数值存入单元中 MOV 18H, #0110B MOV 19H, #10011011B MOV 20H, #1010B
MOV AL, 40H ；将40H的内容存入AL单元中 MOV AH, 41H ；将41H的内容存入AH单元中
01: CMP AH, 17H ；比较最小数值的高八位 JA LP1 JBE LP2 LP1: JMP 03 LP2: JMP 01
02: CMP AL,18H ；比较最小值的低四位 JA LP3 JBE LP4 LP3: JMP 01 LP4: JMP 04
03: CMP AH,19H ；比较最大值的高八位 JA LP5
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JBE LP6 LP6: JMP 03 LP5: JMP 01
04 : CMP AH ,20H ；比较最大值的低四位 JA LP7 JBE LP8 LP8: JMP 01 LP7: JMP 04
05: SET P2.0 ；报警 DEL: MOV R7,#200 ；延时50ms
DEL1: MOV R6,#123 NOP
DEL2: DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1
RET ；返回 END ；结束
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