单片机-烟雾报警器

目       录

烟雾报警器

一、开题依据

二、软硬件环境

三、计划进度

四、关键技术

4.1 报警器设计所需资源

4.2 报警器设计原理与内容

五、核心芯片主要参数

5.1主控芯片

5.1.1  AT89C52 单片机简介

5.1.2主控电路在本系统中的运用

5.2 传感部分

5.2.1  数/模转换芯片ADC0809

5.2.2 MQ-2半导体可燃气体传感器

5.3 报警部分

5.3.1 蜂鸣器

5.3.2 继电器

5.4 显示部分

5.4.1 LED数码管的结构与原理

5.4.2 LED数码管的显示方式

5.5 电源电路

5.6 整体电路（见附录二）

参考文献

附录一   程序代码

附录二   电路原理图

致    谢

一、开题依据

烟烟雾是指在燃烧过程中产生的浮游颗粒物和气态物质的混合物，是一种具有极高危险性的气体。其含有一氧化碳、硫化氢、氡等有害物质，长期吸入烟雾会对人体产生严重的危害，如中毒、呼吸系统疾病、心血管系统疾病等。危害人们的健康和安全，因此，我们需要采取措施来保护自己和他人的生命和财产安全。
烟雾报警器作为一种较为有效的安全防范设备，已经被广泛应用和推广。其主要作用是在烟雾出现时及时发出警报，提醒人们采取适当的安全措施，避免灾害的发生。在烟雾报警器所处的房间或区域内，一旦有烟雾出现，它就会迅速检测到，并发出响亮的警报声。

采用烟雾报警器可以有效预防各类火灾事故的发生，如暴露于烟雾中引起的意外中毒、空气中有毒可燃性气体产生的爆炸事故等。然而，使用烟雾报警器仅仅是一个“被动”防范措施，为了更好地防范火灾事故的发生，人们还需采取更为坚实的安全措施和防范措施。我们应该更加重视烟雾报警器的安装和维护，保证其能够长期稳定地工作。通常情况下，烟雾报警器的安装位置应该在房间的中心位置或走廊内，因为空气流通处于这些位置最为通畅。同时，我们还需定期检查烟雾报警器的电池和传感器等设备，确保它能够正常运行，一旦有问题应及时更换设备或维修。我们应提高自身安全意识，加强生活中的安全常识与训练。比如在使用液化石油气等易燃易爆气体时，要遵循正确的使用方法和安全规范，定期检测和维护气路系统以防止泄漏，定期更换燃气罐等易损耗物品，以便保障生活的安全。我们还应建立健全的紧急应急预案。当烟雾报警器发出警报声时，我们应迅速采取措施撤离，拨打紧急电话等方式呼叫消防、医疗等相应应急部门，以便及时地疏散人员，避免人员伤亡。烟雾报警器可以为人们生产生活带来更多的安全保障，但是在任何时刻，我们都应注重安全常识和安全防范的建设，让我们的生活更加稳健、健康和安全。

二、软硬件环境

该系统使用甲烷气敏传感器检测空气中的甲烷气体浓度，并通过ADC0809将模拟信号转换成数字信号。LED灯和七段数码管作为甲烷气体浓度的指示和显示设备，AT89C51单片机负责处理和控制。为确保人体的安全，系统预设了特定的烟雾浓度值作为报警阈值。当气体浓度超过该值时，蜂鸣器响起，控制换气扇的继电器被激活，从而进行报警。在本设计中，主要难点在于软件部分，特别是在ADC0809应用方面。由于ADC0809没有内置时钟，因此必须在转换之前提供时钟信号。在该系统中，通过单片机的引脚向ADC0809提供时钟信号，从而实现在硬件上节省资源。

三、计划进度

资料收集，从网上和相关书籍查阅有关核心芯片、传感器的相关资料，确定具体方案.。   

四、关键技术

4.1 报警器设计所需资源

为了设计一个完美的电路，我们需要准备一些必要的元件，包括AT89C51单片机、ADC0809芯片、甲烷传感器、LED灯、多个电阻和电容、晶振、蜂鸣器、七段共阴极数码管、供气扇和继电器。这些元件组成的电路能够有效地探测和响应甲烷气体，使我们的生活更加安全。

4.2 报警器设计原理与内容

采用MQ-2半导体可燃气体传感器（一种甲烷传感器）收集空气中含烟雾的浓度，利用ADC0809芯片将模拟信号转化为数字信号，并通过51单片机把转换成的浓度信号与预先设置的浓度进行比较，当达到或者高于预先设置的浓度时，蜂鸣器会报警，点亮一个LED灯，在七段数码管上显示所检测到的甲烷气体浓度值并且控制换气扇的继电器吸合，换气扇启动。

其流程图如1所示：

图1  流程图

• 核心芯片主要参数

5.1主控芯片

MCS-51系类单片机的特点有：

1.运行速度较快：由于在芯片内部集成了多种功能模块，因此它能以较快的速度完成复杂的控制任务。这对于一些需要高速控制的应用场景非常重要，比如机器人运动控制、高速传输控制等。

2.可编程性强：它内置了一套易于操作的指令系统以及多种寄存器，用户可以通过编写简单的程序来实现各种功能。这种可编程性使得它可以被广泛应用于各种领域，比如工业自动化、嵌入式系统、消费电子等。而且，由于它的可编程性，针对不同的控制任务，可以通过编写不同的程序来实现灵活的控制。

3.外设接口较为丰富：包括多个定时器、串口通信接口、数字/模拟转换器、中断输入等，这些外设接口在不同的场景下提供了重要的控制手段。比如，定时器可以实现定时测量和设备控制等功能，结合中断输入可以实现实时响应；串口通信接口可以实现与其他设备之间的通信等。

4.成本较低、易于购买：它作为一种经典的单片机型号，广泛应用于各种领域，因此可以在市场上较为容易地找到供应商。而且，由于使用的材料成本较低，它的价格相对便宜，也降低了使用者的成本。这也是它能够在消费电子领域得到广泛应用的原因之一。

5.1.1  AT89C52 单片机简介

AT89C52单片机是基于8051架构而开发的，可以运行在0~24MHZ的时钟频率下，拥有8KB的闪存程序存储器和256B的RAM数据存储器。它还集成了许多通用输入/输出、定时器/计数器、串行通信接口、SPI接口等功能模块，使其成为一款非常优秀的单片机。

据了解，AT89C52单片机广泛应用于工控、家电、汽车电子、医疗器械等领域。在工控领域，这款单片机的高可靠性和稳定性使它成为很多自动化控制系统的首选。在家电领域，它可以实现家电的智能化控制；在汽车电子领域，它可以控制发动机、车门等系统；在医疗器械领域，它可以实现对患者数据的采样和监测。AT89C52单片机的优点还包括丰富的外设接口，如中断、定时器、计数器等，可以满足各种不同的应用需求。此外，它还具有价格低廉、易于编程、易于学习等优点，被广泛用于学术研究、教育培训以及各类工程中。AT89C52单片机是一款非常优秀的8位微控制器，具有广泛的应用领域和高性价比的优势。无论是在工业生产、科学研究、学术教育还是DIY领域，它都可以发挥出其强大的功能和灵活性，成为工程师们的得力工具之一。

（1）AT89C52 外部结构及特性

直插式40脚封装(DIP)和外部总线结构如图2和图3所示。

图2  AT89C51引脚排列           图3  外部总线

AT89C52的 4 个 8 位I/O口的功能说明如下：     

1）P0  口：作为一个双向I/O口，P0端口具有非常广泛的用途。一般情况下，当该端口被设置为输出口时，每一位均可输出高或低电平，从而控制其连接到的器件或部件的状态。在实际应用中，一个P0端口通常会连接多个器件或部件，因此需要灵活控制其输出状态以满足不同的应用需求。同时，当P0端口被设置为输入时，它可以使用高阻抗输入模式，从而实现对外部信号的读取。这种模式下，需要注意输入信号的输入电平范围和相关滤波等参数设置，以保证输入信号的正确性和稳定性。除了作为I/O口，P0端口还可以用作低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0端口内部自带上拉电阻，这种模式下通常会涉及到地址与数据复用的相关处理，需要注意相关编程技巧和参数设置。在flash编程和程序校验时，P0端口也扮演着非常重要的角色。在flash编程时，P0端口用来接收指令字节，以实现对flash存储器的编程操作。同时，在程序校验时，P0端口也需要输出指令字节，以辅助进行程序校验操作。在这些操作中，需要注意相关的指令和信号的处理方式以及电路设计和调试要点。作为一个多功能的双向I/O口，P0端口在不同的应用场景下具有非常广泛的用途。针对不同的应用需求，需要合理选择参数设置和编程技巧，以充分实现P0端口的应用。

2）P1  口：节数据到P1口时，要注意这两个引脚的功能会受到影响。
除此之外，P1口还有另一个功能，即作为外部中断输入。P1.0、P1.1和P1.2可分别作为外部中断0、中断1和中断2的输入引脚。当引脚上出现一个低电平脉冲时，相应的中断会被触发。
需要注意的是，当使用P1口作为输入时，需要通过设置相应的寄存器来选择输入方式，如下附有示例：
P1M1 = 0xFF; //P1口全部设置为输入
P1M2 = 0x00;
此外，在使用P1口时，需要考虑到其输出电流的限制。P1口的最大输出电流为15mA，如果需要连接更多的器件，可以添加外部缓冲器来提高输出电流。总之，P1口是一个多功能的双向I/O口，同时也可以作为外部中断输入口和定时器/计数器2的输入口。在使用P1口时，需要注意其功能的限制和使用方法。

3）P2  口：节伪指令时，需要将P2端口置高，以向外部设备发送信号，同时在读取外部数据时，也需要使用P2口。P2口还可用于与LCD控制器通信，以进行液晶显示。当将P2口配置为LCD接口时，其功能与之前描述的略有不同，会使用特定的控制命令和数据格式，以与LCD控制器进行通信。除此之外，P2口还支持外部中断，可为系统提供事件驱动的响应机制。在进行外部中断时，P2口被用作输入端口，以便检测外部信号的变化。当外部信号发生变化时，P2口将发送一个中断请求给CPU，以启动相应程序的处理流程。P2口作为8051单片机中最为通用的口线之一，拥有极其丰富的功能和用途。在不同的应用场景中，可以根据需要对其进行配置，以满足不同外设的接口需求和事件响应机制。

4）P3  口：P3端口是AT89C52微控制器的一个双向I/O口，具有内部上拉电阻。该端口的输出缓冲器能够驱动4个TTL逻辑电平，因此可以连接多个外围设备。当P3端口被设置为输出时，用户可以向每一位写入数据，从而操纵外部设备的状态。当该端口被设置为输入时，由于内部电阻的原因，当外部拉低引脚时，P3口将输出电流IIL，从而保证正确的逻辑输入。

除了基本的输入输出功能，P3口还承担了AT89C52的一些特殊功能。例如，P3.0、P3.1和P3.2可以作为外部中断输入，用于响应外部事件，如按钮按下等。P3.3可以作为定时器/计数器T0的外部触发器输入，从而触发定时器操作。P3.4可以作为串行数据输入（RXD），P3.5可以作为串行数据输出（TXD），用于外部通信。P3.6可以作为定时器/计数器0的外部计数输入（P3.6/T0）或定时器/计数器1的外部计数输入（P3.6/T1），从而实现更复杂的定时/计数操作。P3.7可以作为定时器/计数器1的触发（P3.7/T1）或外部存储器的写入使能输入（ALE），从而控制外部存储器的读写行为。在AT89C52的Flash编程和校验操作中，P3口还承担了一些控制信号的传输，以确保正确的编程和校验流程。因此，P3口是AT89C52微控制器的一个非常重要的多功能端口。

（2）AT89C52的内部组成

AT89C52单片机集成了CPU、RAM、ROM、定时器、I/O端口等基础功能，在一块芯片中实现了计算机的基本需求。

AT89C52 单片机内包含的具体部分如下：

l  1）一个8 位 CPU。 

l  2）一个片内振荡器及时钟电路。 

l  3）8KB Flash 程序存储器。 

l  4）256 B RAM 数据存储器。 

l  5）三个16 位定时器/计数器。 

6）可寻址 64KB 的外部数据存储器和 64KB 的外部程序存储器空间的控制电路。

7）32 条可编程的 I/O线（4组8 位并行 I/O端口）。 

l  8）一个可编程全双工串口通信。 

l  9）8 个中断源、两个优先级嵌套中断结构。 

                        图4 AT89C52单片机框图

5.1.2主控电路在本系统中的运用

主控制电路还需要把ADC0809测得的数据进行处理并在数码管显示，同时还要把测得的数据与预设报警值进行比较并在LED显示灯上进行显示。

5.2 传感部分

本设计的传感部分利用MQ-2气体传感器收集空气中所含烟雾的浓度，通过ADC0809芯片把MQ-2气体传感器收集来的烟雾的浓度的模拟信号转换成相应的数字信号，通过显示部分进行相应的显示，以达到烟雾报警器的设计。

5.2.1  数/模转换芯片ADC0809

   图5  ADC0809引脚图

1. 引脚功能：

IN7～IN0：模拟量输入通道。

ALE：地址锁存允许信号，用于实现地址锁存器的地址状态的保存，并可以控制地址状态送入地址锁存器中。

START：转换启动信号，可以对ADC0809芯片进行复位，并启动芯片进行A/D转换。

A、B、C：地址线。 用于通道端口的选择，A为低地址，C为高地址，它们的状态可以决定ADC0809芯片输入通道的选择。

CLK：是ADC0809芯片的时钟信号，可以外部提供，并通常使用500KHz的时钟信号。

Vcc： +5V电源。 

(2) 主要特性:

1）包含8个输入通道和8位A/D转换器，分辨率为8位

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为130μs。

4）单个＋5V电源供电。

5）模拟输入电压范围0～＋5V，无需校准。

6）工作环境适用于-40至+85摄氏度范围内，确保工作稳定性和效率。

7）低功耗，约15mW。

（3）内部结构：

ADC0809是一种CMOS单片型A/D转换器，内部结构如图6所示，它包括8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器以及逐次逼近电路。

     图6 内部结构

（4）工作过程：

ADC0809是一种8位电压转换器芯片，用于将模拟信号转换为数字信号。其工作过程包括输入地址和模拟信号，逐次逼近寄存器复位，启动A/D转换，等待转换完成，传送转换数据给单片机等步骤。当A/D转换启动后，芯片内部的比较器开始比较输入的模拟电压和逐次逼近的分压器输出电压，直到相等或者超过。当找到对应的分压器输出电压时，A/D转换即完成。

在A/D转换过程中，需要注意的是，ADC0809芯片的转换时间为128μs，因此需要使用定时传送、查询方式或中断方式等方法进行转换完成的确认。

总之，ADC0809芯片的工作过程包括地址输入、A/D转换、EOC状态确认和数据传送等多个步骤。它可以将模拟信号转换为数字信号，支持多种数据传送方式，可为电子系统的数字化处理提供重要帮助。

5.2.2 MQ-2半导体可燃气体传感器

（1）工作原理

MQ-2半导体可燃气体传感器的气敏材料为二氧化锡，在可燃气体存在时电导率会随气体浓度增加而增大，ADC0809电路可将电导率变化转换为对应的输出信号，实现烟雾检测。

（2）主要特点及应用

主要特点是可以检测出空气中存在的可燃气体，例如天然气、液化石油气、甲烷、氢气等。它还可以通过与微控制器结合使用，实现远程监测和控制，从而可以方便地应用于各种不同的领域。

（3）主要规格

1）标准工作条件

2）环境条件

3）灵敏度特性

4）灵敏度特性曲线如图7所示：

图7  灵敏度特性曲线

(MQ-2型气敏元件的灵敏度特性在图7中展示。该图包含了温度、相对湿度、氧气浓度等参数。此外，还展示了元件在不同气体和不同浓度的情况下的电阻值，以及元件在洁净空气中的电阻值)

5.3 报警部分

当空气中的烟雾浓度达到或高于预警值时，本设计中的蜂鸣器会发出警报声并且会点亮一个LED灯，控制风扇的继电器吸合从而达到报警的目的。

5.3.1 蜂鸣器

本设计中当测得气体含量高于预设值时，蜂鸣器就会发生报警声音。

5.3.2 继电器

继电器是一种电器，主要用于将输入信号转化为输出信号的阶跃性转变。当输入信号达到一定程度时，继电器会自动触发并改变电气输出电路中被控量的状态，从而实现对电路的控制。

继电器的继电特性：当输入信号从零开始连续增加时，当触发值被达成时，继电器会立即触发并输出预定的输出信号，同时，被控的电路会发生阶跃式的变化。电气量继电器主要用于控制电流、电压、频率、功率等电气信号，而非电气量继电器则用于控制温度、压力、速度等非电气信号。继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点，因此，在电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等领域广泛应用。

按照继电器的作用原理，可将继电器分为以下几种类型。一种是电磁继电器，依据输入电路的类型又可分为直流电磁继电器和交流电磁继电器。它们由电磁感应所产生的磁力控制开关操作，使得机械部分发生预定的响应。同时，磁保持继电器的衔铁能保持在到达磁钢饱和状态后的两个稳定状态之一。另外，还有极化继电器，它的状态随输入激励量极性的改变而改变，是一种直流继电器。舌簧继电器由触点簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧动作来开、闭、转换线路。而节能功率继电器的控制电路仍然是交流的，但其电流大，且体积小，兼具节电功能。

另一种是固态继电器，它是输入和输出功能由电子元件完成而无机械运动部件的一种继电器，在高速开关的场合得到了广泛的应用。时间继电器是受到加入或去除输入信号限定时间后，得到规定时间延时或限时闭合或断开被控线路的继电器。

5.4 显示部分

为了便于现象的观察，需要用显示器显示运行的结果及状态等信息，本系统采用LED共阴极七段数码管作为输出显示器件，该器件具有低电压、抗振动、长寿命、高亮度、清晰显示、灵活配置、简便接口等优点，完全满足设计需求。

当空气中有甲烷气体存在时，七段数码管就会显示出相应的甲烷浓度值，当拿打火机对着MQ-2半导体可燃气体传感器吹气时，数码管的数值会随着甲烷浓度的增长而升高。

5.4.1 LED数码管的结构与原理

LED数码管是一种常用的显示器件，由多个发光二极管按照一定的结构组成，可以显示数字、字母等字符。在单片机应用系统中，通常采用八段或七段数码管。本设计采用的是七段数码管，其外形结构和引脚如图8所示。七段数码管由七个发光二极管构成，不同的发光二极管组合可以显示不同的字符。共阳极结构则与共阴极结构相反，即数码管的阳极端连接在一起作为公共端，阴极端分开控制。当某个发光二极管的阴极为低电平时，则此发光二极管点亮。

          图8 数码管

根据表中所示，0~9数字的共阴极和共阳极的字段码互为反码。

译码方式是将显示数字或字符转换成相应字段码的方式。数码管是单片机的输出显示器件，有两种译码方式可供选择：硬件译码和软件译码。这些方式使得单片机输出数字或字符变得更加方便和直观。

硬件译码采用专门的显示译码芯片，将字符转换为字段码并输出到LED数码管中显示。这种方式天生缺乏灵活性，只能显示十六进制数，并且需要相应数量的硬件电路支持，电路复杂度较高。相比之下，软件译码是通过编写查表程序实现显示字符到字段码的转换。由于不需要外接显示译码芯片，因此硬件电路非常简单。此外，软件译码也具有更高的灵活性和兼容性，能够显示更多的字符和数字。在实际应用中，软件译码更为常见和实用。除了显示单个数字和字符外，也可以将多个字符合并显示，并通过调整查表程序实现更复杂的显示效果。因此，在设计数字显示系统时，应该根据具体需求选择适合的译码方式。

5.4.2 LED数码管的显示方式

LED数码管的显示方式有静态方式和动态显示方式两种。

（1）静态显示方式

LED数码管是一种基于半导体技术的显示器件，可以广泛应用于计算器、电子表、温度计、电子钟等各种电子设备中。其中，静态显示方式是一种常见的显示方式。静态显示方式指的是在数码管内部的某一个特定的时间点，每个数字段都被给予特定的电平信号，以显示相应数字。这种方法通常需要外部控制电路的帮助。

在静态显示方式中，通常使用的是共阴或共阳的LED数码管。对于共阳数码管，如果需要显示数字“5”，那么该数字段所在的阳极就会被接通，而阴极则会接地，这时候“5”的形状就会在数码管上显示出来。相反，如果使用的是共阴数码管，那么这一数字段所在的阴极就会被接通，而阳极则接地，同样能够实现数字的显示。静态显示方式的最大优点在于其显示效果清晰、稳定。同时，这种方法还比动态显示方式更加便于控制和调试，正是由于这些特点，静态显示方式在许多应用中广泛被采用。静态显示方式是一种在LED数码管显示中十分常见的一种方式，它可以准确、稳定地显示数字，且操作简便，控制效果良好。这种方法可以满足许多应用的需求，因此在电子产品制造中具有广泛的应用前景。

（2）动态显示方式

LLED动态显示是一种常见的数字显示方式，被广泛应用于各种计时器、计数器以及各种数字仪表面板中。其运作原理相对简单，但是实现效果非常出色。
该技术主要通过控制所有数码管的字段选线和位线来实现数字的动态刷新。具体来说，每个数码管的段选线都通过I/O接口进行控制，这样就可以在同一时间内，八个数码管同时显示同一个字符。为了在数码管上显示不同字符，需要依次循环控制，从而可以在八个数码管上分别显示八个不同的字符，实现动态显示。具体实现过程相对简单，但需要足够的精细控制，以确保数字的精确显示，给用户一流的使用体验。

总的来说，LED动态显示方式是一种简单可靠的数码管显示技术，其优点是可以快速更新数据、易于实现、稳定且耗电量低。因此，它广泛应用于各种数字显示场合中，例如电子时钟、计数器、温度计、电压表等各种数字显示产品中。虽然LED动态显示技术已经被广泛应用于各种数字显示场合中，但随着技术的不断推进和发展，可能会有更多的数字显示技术出现。然而，LED动态显示技术将始终占据数字显示技术中的重要位置。因为它具有高可靠性、易于实现以及成本低等优点，这些都是其他数字显示技术所不能比拟的优势。在今后的数字显示技术的发展中，人们可以进一步探索LED动态显示技术的应用领域，例如与其他显示技术的结合等。这样可以更好地满足人们对高质量数字显示的需求，以及更好地创造出更加优秀的数字显示产品。

5.5 电源电路

本设计采用的是整流电路（rectifying circuit），整流电路是一种将交流电能转换为直流电能的电路，通常由变压器、整流主电路和滤波器组成。常用于直流电机的调速、发电机的励磁调节、电解和电镀等领域。目前，大多数整流电路采用硅整流二极管和晶闸管组成主电路，并在主电路与负载之间添加滤波器，以滤除脉动直流电压中的交流成分。通过整流电路转换后的电压不再是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称为单向脉动性直流电压。整流电路在工程领域得到广泛应用，其作用不仅是将输出地电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，还可以通过调整脉动直流电压的幅值和频率，实现电路对负载的控制。桥式电路能够承受更高的电流和电压，具有更好的性能和可靠性。在实际应用中，两种电路结构会根据需要进行选择，比如零式电路适合小功率需求的场合，而桥式电路更适用于大功率需求的场合。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-828648.html

5.6 整体电路（见附录二）

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