基于AT89C52单片机的烟雾报警器设计

摘要：介绍了一种基于AT89C52单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器的烟雾报警器设计。该烟雾报警器具有声光报警、浓度显示以及与上位机串口通信等功能。其结构简单，价格低廉，性能稳定，具有较好的实用价值。
关键词：单片机；烟雾传感器；模数转换；报警

    随着社会高速发展，火灾对于人类的生产生活造成了巨大的危害。烟雾报警器是用来监测环境中烟雾的浓度，以便人们及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，确保工业生产和人们生活的安全。

1 系统总体设计方案
    烟雾检测报警器由以下3部分组成：烟雾信号采集电路、模数转换电路和单片机控制电路。其系统结构框图如图1所示。烟雾信号采集电路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。模数转换电路将烟雾检测电路送出的模拟信号转换成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，并与预设值进行比较，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。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。

2 系统硬件电路设计
2．1 烟雾传感器选择
    本设计采用MQ-2型烟雾传感器，它是由二氧化锡半导体气敏材料构成，属于表面离子式N型半导体。当处于200～300℃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，就会引起表面电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。
    MQ-2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／Ro，其中Ro为烟雾传感器在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：logRs=mlogC+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。
    MQ-2烟雾传感器有6个引脚，其中中间的2个为电阻丝，剩下的4个引脚分别为2个输入引脚和两个输出引脚。其中中间的两个引脚为信号输出端，其输出为模拟电压量，范围为0～1 V。其连接方式如图2所示。

    该传感器需要施加2个电压：加热电压VH和测试电压VC。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC则用于测定与传感器串联的负载电RL上的电压。
2．2 烟雾信号放大电路设计
    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，再经过一个同相比例放大电路即可发送给ADC采集。信号放大电路如图3所示。

2．3 模数转换及与单片机接口电路设计
    放大后的信号经过地址选通，从IN0口输入ADC0809芯片，初始化芯片后，给START端一个不少于100 nm的正脉冲开始模数转换。当转换完成后，EOC端发出一个完成信号(高电平)，数据通过锁存器送给单片机P0口。ADC0809与单片机接口电路如图4所示。

    ADC0809时钟频率一般为500 kHz(要求时钟频率不高于640 kHz)，单片机的时钟频率为11．0592 MHz，则ALE引脚的时钟频率约为1．84 MHz，经过D触发器两次二分频得到的频率差不多为450 kHz，符合A／D转换器的频率要求。
2．4 声光报警电路
    烟雾浓度处于正常值时，P2．6口置于高电平，当烟雾浓度达到或超出警戒值时该口置为低电平，使晶体三极管PNP导通。这时声光报警电路也就全部导通，开始声光报警。其电路原理图如图5所示。

3 系统软件流程设计
    烟雾报警器的软件设计流程如图6所示。

4 结束语
    文中设计的烟雾报警器通过仿真达到了预期功能，其适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气和烟雾等的探测，可用于家庭和工厂的气体泄漏监测，探测范围广泛，灵敏度高，稳定性好，价格低廉且电路结构简单，具有较好地实用价值。