单片机烟雾传感器课设

燕山大学

课程设计说明书题目：烟雾传感器

学院（系）：电气工程学院

年级专业： 13级仪表二班

学号：

学生姓名：

指导教师：张淑清

教师职称：教授

燕山大学课程设计（论文）任务书

院（系）：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表

说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

2015年12月29日

燕山大学课程设计评审意见表

摘要

随着社会和经济的发展，防火工作越来越重要，但是目前国内的许多研发都侧重于大型场所的火灾报警。因此，我们就有必要研制一种结构简单、经济实用的家庭烟雾报警器以适应市场的需求。基于供家庭使用的烟雾报警器应该具备的基本要求和功能，文章设计了一种比较适合的烟雾报警器。本设计以传感器和单片机作为烟雾报警器设计的核心器件，配合其它器件即可实现声光报警等功能。设计中单片机选用STM32作为控制器件，传感器选用MQ-2型气体传感器实现对烟雾的检测。烟雾报警器主要由烟雾信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、显示电路、声光报警电路，设计合理、简单易懂、价格低廉，使单片机在烟雾报警系统的控制中得到充分应用，具有一定的实用价值。论文主要针对烟雾报警系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，并对其主控电路和外围设备电路之间的接口连接方式，以及系统软件设计进行了重点的分析和讲解。

关键词：烟雾报警器单片机传感器

目录

摘要

1 绪论 ......................................................................... (3)

概述.......................................................................... .. (3)

设计烟雾报警器的目的及意义.......................................................................... .. 4

2 系统的方案设计......................................................................... . (5)

传感器的选型 ......................................................................... (5)

系统的主要功能 ......................................................................... . (6)

系统的结构与工作流程.......................................................................... (6)

3 系统硬件模块设计.......................................................................... . (7)

单片机选

型.......................................................................... . (7)

模数转换电路设计.......................................................................... . (9)

语音合成模块 ......................................................................... (10)

蓝牙串口模块 ......................................................................... .. (10)

4 系统软件程序设计 ......................................................................... .. (11)

系统主程序设计.......................................................................... (12)

系统流程图 ......................................................................... (12)

结

论 ......................................................................... . (13)

参考文献 ......................................................................... .. (14)

基于单片机的烟雾报警器设计

一、绪论

概述

单片机及烟雾传感器是烟雾报警器系统的两大核心。单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到所有电子系统中。同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。而传感器作为信息技术系统的“感官”器件，如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、高速度的控制系统。美国曾把二十世纪八十年代称为传感技术时代，日本更是把传感技术列为十大技术之首。所以，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器和单片机芯片是至关重要的。在本论文中的最主要的设计是选STM32单片机和MQ-2半导体气体烟雾传感器为核心器件。

STM32单片机，功能强大，可供许多高性价比的场合应用，能够灵活应用于各种控制领域。MQ-2半导体气体烟雾传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，寿命长，成本低，非常适用于家庭使用的气体泄漏报警器。由这两个核心器件设计而成的整个烟雾报警器系统可实现声光报警、报警状态字符显示、换气扇排烟和喷水灭火等烟雾报警器应有的功能，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。

目前，现代建筑都会有选择地安装不同功能的火灾自动报警系统。因为火灾自动报警

系统是建筑物的神经系统，它能够感受、接收着发生火灾的早期信号并及时报警，发出警报同时告知用户和周边居民。它就像是一个个称职的更夫，给居住、忙碌或是休息在家庭中的人们以极大的安全感。在火灾的早期阶段，准确的探测到火情并迅速报警，对于及时组织有序快速疏散、积极有效地控制火灾的蔓延、快速灭火和减少火灾对居住人群的损失都具有重要的意义。

设计烟雾报警器的目的及意义

随着社会和经济的发展，家庭火灾防不胜防，防火工作也就越来越重要。据美国消防学会统计，最近十多年中，安装自动消防设施的建筑中发生火灾，消防设施的有效率高达%，确实起到了保证建筑物消防安全的作用。这是因为火灾自动报警系统能够及时将火灾迹象通知用户及有关管理人员，以便他们准备疏散或组织灭火，延长了建筑物可供疏散的时间并通过联动系统启动其他消防设施。所以，设计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时就能报警的报警器就能使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少或消除因火灾造成的生命危害和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。

目前我国火灾自动报警系统只被安装在重要建筑上，而在美国、日本等发达国家，包括许多居民家庭都安装了火灾自动报警系统。近几年，国内主要侧重于大型场所的大型火灾报警系统的研发，而在居民住宅区等小型防火单位，却需要安装廉价实用的烟雾自动报警装置。由于我国人口不断的增长，土地也开始的稀缺，所以为了缓解城市用地的紧张，居住的楼层不断加高，这不但便于集中供电、供热、供气，而且也可以集中控制和管理。但是，人们在享受这些现代设施带来了便利的时候，却也增加了火灾隐患。楼层多、人员密集，一旦发生火灾，疏散困难，容易造成经济和人员的损失。如果在家庭中没有安装火灾自动报警器，一旦在家庭中发生火灾，火灾容易由不被发现的早期火灾而演变成为更大、更严重的大型火灾。结果是由于一家的起火，而火势不能得到有效控制，使得火势迅速蔓延并很快出现大面积燃烧。这不仅使的用户本身遭受重大的损失，还容易形成“火烧连营”的局面，给周边家庭和场所造成无法估计的损失和严重的影响。据公安部消防局2011统计，近年来，我国每年发生家庭火灾5万余起，死亡800余人，占火灾死亡人数的70%以上。根据网络新闻报道可知，英国每年发生50000起以上的严重

家庭火灾，其中大部分火灾造成伤亡和重大的家庭财产损失，甚至连累左邻右舍。由此可见：家庭防火同样是现今社会的重要家庭安防问题，而且刻不容缓。家庭防火重在防患于未然，因此，我们就有必要研制一种结构简单、价格低廉的烟雾自动报警器，以适应市场的需求。

二、系统方案的设计

．传感器的选型

对于语音防火系统来说，传感器的性能在整个系统的工作性能上有着举足轻重的作用，因此传感器的选型尤为重要，根据本系统的设计要求，使用温度传感器，烟雾传感器。设计中的这两种传感器均为模拟信号传感器，通过放大整形电路与A/D转换后作为送入CPU处理的数据。

本设计中的传感器的性能有着如下要求：

?烟雾检测：0-5%英尺，误差<=10%;

?温度检测：0-200℃，误差<=4%；

这些性能指标即设计中各传感器的选型依据，其次在选型中也应考虑到元件性价比的因素，在满足性能指标的基础上可能提高元件性能。

（1）温度传感器

本设计使用Dallas18B20单线数字温度计的特性如下:

?独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯

?简单的多点分布应用

?无需外部器件

?可通过数据线供电

?零待机功耗

?测温范围:-55~+125℃，以℃递增华氏器件

-67~+2570F，以递增

?温度以9位数字量读出

?温度数字量转换时间200ms（典型值）

?用户可定义的非易失性温度报警设置

?报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件

?应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统

由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，同时其体积小、温感灵敏而且误差小，适合防火系统的温度测量。

（2）烟雾传感器

本设计使用的烟雾传感器为MQ-2烟雾传感器，其特性如下：

1>MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等

2>MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好

3>其检测可燃气体与烟雾的范围是100-10000ppm

4>电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±

由上述性能指标可知该传感器符合设计性能要求，MQ-2传感器的生产制作符合国家标准，体积小，便于安装；稳定性高；响应时间短，适于防火系统中烟雾测量。

.系统的主要功能

本设计的语音防火系统具有以下几个功能：

1）火灾检测：传感器返回的数据经过STM32判断为火灾时，发出语音信号，并显示在显示器上；

2）语音播报：STM32根据传感器返回的环境信息，发出语音提示大家安全撤离；

3）蓝牙传输： STM32根据传感器返回的环境信息，通过蓝牙向救援人员发出信号，减小损失；

.系统的结构与工作流程

该语音防火系统由图2-1中所示的几个部分构成。传感器安装于检测现场，通过导线连接到主板传感器驱动电路，传感器返回的信号送到整形电路后转换为0-5V的电平信号，由A/D转换芯片转换为数字信号送入STM32。

系统的其他部分均安装在主板上，STM32接收来自传感器的数据后将数值显示与液晶屏，并且通过蓝牙传送给上位机，如果有火灾情况则将报警信号显示，同时驱动语音模块发出语音提示，并可以在需要的情况下启动外部设备。

图2-1语音防火系统整体机构图

三、语音防火系统硬件模块设计

.单片机选型

单片机的类型为STM32f103ze76，其功能如下：

·内核：ARM 32位的Cortex?-M3 CPU

?最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达MHz

?单周期乘法和硬件除法

·存储器

?从256K至512K字节的闪存程序存储器

?高达64K字节的SRAM

?带4个片选的静态存储器控制器。支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储器?并行LCD接口，兼容8080/6800模式

·时钟、复位和电源管理

?～伏供电和I/O引脚

?上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)

? 4～16MHz晶体振荡器

?内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器

?内嵌带校准的40kHz的RC振荡器

?带校准功能的32kHz RTC振荡器

·低功耗

?睡眠、停机和待机模式

? VBAT为RTC和后备寄存器供电

·3个12位模数转换器，1μs转换时间(多达21个输入通道)

?转换范围：0至

?三倍采样和保持功能

?温度传感器

· 2通道12位D/A转换器

·DMA：12通道DMA控制器

?支持的外设：定时器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART

·调试模式

?串行单线调试(SWD)和JTAG接口

?Cortex-M3内嵌跟踪模块(ETM)

·多达112个快速I/O端口

?51/80/112个多功能双向的I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号

·多达11个定时器

?多达4个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入

? 2个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器

? 2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)

?系统时间定时器：24位自减型计数器

? 2个16位基本定时器用于驱动DAC

·多达13个通信接口

?多达2个I2C接口(支持SMBus/PMBus)

?多达5个USART接口(支持ISO7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制)

?多达3个SPI接口(18M位/秒)，2个可复用为I2S接口

? CAN接口主动)

? USB 全速接口

? SDIO接口

·CRC计算单元，96位的芯片唯一代码

·ECOPACK?封装

.模数转换电路设计

由上面的叙述可知，系统中的各个传感器返回的信号均为模拟量，无法被STM32直接接收和处理，所以需要将这些信号进行A/D转换，又因为各个传感器的参考电压并不完全相同，因此不能简单使用多通道A/D转换芯片来统一处理，所以本设计中选择A/D转换转换电路，如图3-1。

图3-1 A/D转换原理

语音合成模块

图3-2 Syn6288语音合成模块电路图

.蓝牙串口模块

图3-3 蓝牙模块电路图

四、语音防火系统软件程序设计

流程图：

主程序如下：

5 结论

烟雾传感器报警系统对现代建筑起着至关重要的作用，研制智能语音防火系统能够有效的减少火灾的发生率，减少人民的财产损失。并且从开始对整个题目分析，到最后设计的完成整个系统的过程，我们对STM32技术和接口技术、传感器的使用及原理都有了更深刻的认识。以STM32f103ze76,结合C语言知识以及相关书籍设计了本系统。智能语音防火系统采用语音播报、蓝牙传输上位机、以及LED液晶显示，达到了及时告知处理现场事故，疏散人群的目的。

在设计过程中，我们都学到了很多新东西，并且把相关的知识加以巩固，但还需进一步加深理解与认识。由于要查阅很多资料，还使我们开阔了眼界，拓展了思路。通过完成项目设计我们初步明白了怎样把所学的知识运用到实践中来，终于能够做到学以致用，同时也大大提高了我们的动手能力和实践能力以及社会经验。

参考文献

[1]刘火良、杨森.STM32库开发实战指南.北京：机械工业出版社.

[2]张淑清.嵌入式单片机STM32设计技术及应用技术.北京：国防工业出版社.

[3]谭浩强.C语言程序设计（第四版）.北京：清华大学出版社.