基于AT89C52單片機(jī)的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于AT89C52單片機(jī)和MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)。該煙霧報(bào)警器具有聲光報(bào)警、濃度顯示以及與上位機(jī)串口通信等功能。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，具有較好的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；煙霧傳感器；模數(shù)轉(zhuǎn)換；報(bào)警

    隨著社會(huì)高速發(fā)展，火災(zāi)對(duì)于人類的生產(chǎn)生活造成了巨大的危害。煙霧報(bào)警器是用來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境中煙霧的濃度，以便人們及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，確保工業(yè)生產(chǎn)和人們生活的安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
    煙霧檢測(cè)報(bào)警器由以下3部分組成：煙霧信號(hào)采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)控制電路。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。煙霧信號(hào)采集電路由煙霧傳感器和模擬放大電路組成，將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將煙霧檢測(cè)電路送出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，如果大于則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)。為方便監(jiān)控，使儀器測(cè)試人員及用戶能夠直觀地觀察到環(huán)境中的可燃煙霧濃度值，可將濃度值送到顯示屏中。為使報(bào)警裝置更加完善，可以在聲音報(bào)警基礎(chǔ)上加入光閃報(bào)警，變化的光信號(hào)可以引起用戶注意，彌補(bǔ)嘈雜環(huán)境中聲音報(bào)警的局限。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 煙霧傳感器選擇
    本設(shè)計(jì)采用MQ-2型煙霧傳感器，它是由二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料構(gòu)成，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)處于200～300℃溫度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘受到該煙霧的調(diào)制而變化，就會(huì)引起表面電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息。
    MQ-2煙霧傳感器在最佳工作條件下，接觸同一種煙霧，其電阻值Rs隨氣體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性，用K表示。K=Rs／Ro，其中Ro為煙霧傳感器在潔凈空氣條件下的電阻值，Rs為煙霧傳感器在一定濃度的檢測(cè)煙霧中的電阻值。雖然對(duì)于不同的煙霧，器件靈敏度特性K的值也會(huì)各有差異，但是它們都遵循同一規(guī)律：logRs=mlogC+n
    式中：m為器件相對(duì)煙霧濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對(duì)于煙霧，m值為1／2～1／3；C為檢測(cè)煙霧的濃度。n與檢測(cè)煙霧，器件材料有關(guān)，并隨測(cè)試溫度和材料中有無(wú)增感劑而有所不同。
    MQ-2煙霧傳感器有6個(gè)引腳，其中中間的2個(gè)為電阻絲，剩下的4個(gè)引腳分別為2個(gè)輸入引腳和兩個(gè)輸出引腳。其中中間的兩個(gè)引腳為信號(hào)輸出端，其輸出為模擬電壓量，范圍為0～1 V。其連接方式如圖2所示。

    該傳感器需要施加2個(gè)電壓：加熱電壓VH和測(cè)試電壓VC。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC則用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電RL上的電壓。
2．2 煙霧信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)
    傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，需要經(jīng)過(guò)前置電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。
    本系統(tǒng)采用的煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個(gè)參考電阻，再經(jīng)過(guò)一個(gè)同相比例放大電路即可發(fā)送給ADC采集。信號(hào)放大電路如圖3所示。

2．3 模數(shù)轉(zhuǎn)換及與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)
    放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)地址選通，從IN0口輸入ADC0809芯片，初始化芯片后，給START端一個(gè)不少于100 nm的正脈沖開(kāi)始模數(shù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，EOC端發(fā)出一個(gè)完成信號(hào)(高電平)，數(shù)據(jù)通過(guò)鎖存器送給單片機(jī)P0口。ADC0809與單片機(jī)接口電路如圖4所示。

    ADC0809時(shí)鐘頻率一般為500 kHz(要求時(shí)鐘頻率不高于640 kHz)，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為11．0592 MHz，則ALE引腳的時(shí)鐘頻率約為1．84 MHz，經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器兩次二分頻得到的頻率差不多為450 kHz，符合A／D轉(zhuǎn)換器的頻率要求。
2．4 聲光報(bào)警電路
    煙霧濃度處于正常值時(shí)，P2．6口置于高電平，當(dāng)煙霧濃度達(dá)到或超出警戒值時(shí)該口置為低電平，使晶體三極管PNP導(dǎo)通。這時(shí)聲光報(bào)警電路也就全部導(dǎo)通，開(kāi)始聲光報(bào)警。其電路原理圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)
    煙霧報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器通過(guò)仿真達(dá)到了預(yù)期功能，其適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣和煙霧等的探測(cè)，可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)，探測(cè)范圍廣泛，靈敏度高，穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較好地實(shí)用價(jià)值。