2024年1月19日发(作者：)

厨房烟雾报警器的设计与制作

马大玲;易明胜;赵宇豪;刘莹;黎立泉;夏雄平

【摘 要】本设计以STC89C52单片机为控制核心,通过采用MQ-2半导体烟雾传感器及DS18B20温度传感器来对厨房环境进行监控.当厨房烟雾浓度或者温度超过限定值后,系统自动实现声光报警.该报警器具有灵敏度高、性能稳定、实用性强、性价比高、结构简单等特征,能广泛应用在厨房、实验室和较小的封闭空间中.

【期刊名称】《电子测试》

【年(卷),期】2019(000)009

【总页数】3页(P17-19)

【关键词】烟雾报警器;单片机;烟雾传感器;温度传感器

【作 者】马大玲;易明胜;赵宇豪;刘莹;黎立泉;夏雄平

【作者单位】桂林理工大学理学院,广西桂林,541004;桂林理工大学理学院,广西桂林,541004;桂林理工大学理学院,广西桂林,541004;桂林理工大学理学院,广西桂林,541004;桂林理工大学理学院,广西桂林,541004;桂林理工大学理学院,广西桂林,541004

【正文语种】中 文

0 引言

本文以传感器和单片机作为烟雾报警器的主要器件，与其它电路元器件相互配合工作以达到烟雾及温度报警的作用。其基本组成部分包括：单片机控制电路，显示电

路，模数转换电路和声光报警电路等。其中以STC89C52单片机为控制核心，结合MQ-2半导体烟雾传感器及DS18B20温度传感器来对厨房环境进行监控，当监测点上的烟雾检测探头检测到烟雾变换为电信号并且送出模拟信号给AD采集电路，在单片机内经过软件的查询与识别判断后实时发出烟雾报警状态的控制信号，最后驱动指示灯及蜂鸣器报警。该报警器具有灵敏度高、性能稳定、实用性强、性价比高、结构简单等特征，能广泛应用在厨房、实验室和较小的封闭空间中。

1 总体设计

烟雾报警器能够检测环境中的烟雾浓度与温度。该报警器采用延时的方式，以STC89C52单片机为控制核心，选用MQ-2半导体烟雾传感器及DS18B20温度传感器采集烟雾浓度和温度信息，与其余电路一起构成烟雾报警系统，其包含五大部分：烟雾检测部分，温度检测部分，STC89C52单片机控制部分，报警部分以及AD采集部分，其框架如图1所示。

1.1 MQ-2半导体气体烟雾传感器

MQ-2半导体传感器是一种N型半导体气敏元件。当传感器所处环境中存在烟雾气体时，传感器的电导率随空气中烟雾气体浓度的增加而增大。在设计报警器时使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。该传感器具备灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、抗干扰能力强、输出信号大、寿命长和工作稳定等优点。

图1 总体方案设计框图

1.2 STC89C52单片机

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、高效的解决方案。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方

式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

1.3 DS18B20温度传感器

DS18B20的数字温度输出通过“一线”总线这种独特的方式，可以使多个DS18B20方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了实际性。其中1-Wire是一种独特的数字信号总线协议，它将独特的电源线和信号线复合在一起，仅使用一条口线；每个芯片唯一编码，支持联网寻址、零功耗等待等，是所需硬件连线最少的一种总线。

2 系统主要电路

2.1 单片机系统

STC89C52单片机的工作电压范围为4V-5.5V,所以通常给单片机外界5V直流电源，单片机信号处理系统包括复位电路和时钟显示电路。

复位电路作用是确定单片机工作起始状态，完成单片机的启动。单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动来确定单片机起始工作状态。当单片机系统在运行中，受外界环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。复位电路一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后，在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。本设计采用的是外部手动按键复位电路，需要连接上拉电阻来提高输出高电平的值。

时钟电路为单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。时钟模块是一个振荡电路，是向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。如果采用外部时钟源驱动器件，则XTAL2应不接。

2.2 电路部分

厨房烟雾报警器电路主要包括：采集电路、显示电路、按键控制电路、声音报警电

路和温度传感器电路共6部分构成，其整体设计原理如图2所示。

采集电路：烟雾检测采用MQ-2传感器，经过ADC0832采集后就可以得到各种烟雾浓度下的电压值。从而设定出理想的烟雾强度报警值；显示电路：显示器所显示的数值受单片机的控制，把相应探测到的模拟信号经过单片机数字化指示数码管，从而让数码管实时的显示出精准数值；按键控制电路：该电路共有四个按键，一个设置键、一个加键、一个减键、一个紧急报警键，当遇到紧急情况时，可按下紧急报警键，蜂鸣器进行报警；声音报警电路：该部分的工作状态受单片机控制，单片机把接收到的数字信息进行判断，如果超过所设定的临界值，则将指令传达给蜂鸣器所在的系统部分，从而驱动蜂鸣器进入报警状态；温度传感器电路：DS18B20有六条控制命令，温度转换44H启动DS18B20进行温度转换，读暂存器BEH读暂存器9个字节内容，写暂存器4EH将数据写入暂存器的TH、TL字节，复制暂存器48H把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中，重新调E2RAM B8H把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节，读电源供电方式B4H启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU。

图2 总体设计原理图

2.3 系统程序软件的设计

系统开始工作时传感器需要预热处理，随后传感器探测后进行信号采集，通过A/D转换将采集到的模拟信号转换为数字信号传送给单片机，经过单片机处理来判断这个值是否超过设定的报警值，随后出现两个结果：（1）如果这个值超过之前所设定的报警值，那么命令将进入报警程序，从而使得系统报警；（2）如果这个值没有超过之前所设定的报警值，那么继续返回信号采集环节，直到单片机判断的值超过所设定的值为止。除此之外，程序还包括LED八段式数码管浓度与温度字符显示功能，手动报警功能以及报警浓度设置功能等。

3 硬件、软件测试和性能测试结果分析

调试包括软硬件调试和电路测试，在硬件调试过程中：首先检查是否存在电路断开或者电路重合的情况，如存在应及时采用焊锡等材料与工具进行修改。除此之外，还应该对焊点进行仔细检查，看是否有虚焊和毛刺等。然后通过万用表检查系统的电路存在比较细的情况，从而排除断路以及电源线与地线之间是否存在短路等现象。再通过对烟雾报警系统进行加电，在系统通电过程中用万用表检查电源端是否符合系统需要的电压值以及接地端的电压值是否为零。

软件测试包括程序检查和模拟测试：对单片机注入已写好的程序，如果有指令不正确，就会导致相应的电路功能不能实现，延时过长或过短等；然后将烟雾报警系统置于有一定烟雾或一定丁烷等气体的环境中，在该环境中调试其烟雾传感器对探测烟雾浓度的临界值，看是否调试到一定的临界值时报警系统是否发生相应的报警。再将烟雾报警系统置于一定的温度环境中，再调试烟雾传感器对温度探测的临界值，看是否调试到一定的临界值时报警系统会不会发生相应的报警。

性能测试分析：首先将烟雾浓度和环境温度临界值分别调为7和28，当空气中的烟雾气体浓度和环境温度达到事先所设定的临界值时，探测器将自己测试到的空气烟雾浓度和温度经数模转换器转换成数字信号传给单片机加以分析，此时系统就会在单片机的指令下实时做出报警（蜂鸣器持续发出警报声及LED灯连续闪烁），而当空气中的烟雾浓度降低过系统所设定的临界值时，系统就会在单片机接受信号并加以分析下停止报警，回复到原来的状态。

图3 烟雾报警系统实物图

在测试过程中，系统各个部分都反应迅速，从显示器的数值来看，当数值到达所设定的临界值时，系统立马就发生相应的报警，整个过程不超过0.5秒。除此之外，实时改变周围环境，显示器上的数值也在实时发生相应的变化，即探测器能每时每刻都做出非常灵敏的变化，随着环境的变化而变化时间误差在0.5秒之内，且错误报警的次数几乎没有，即性能非常稳定，实物性能测试如图三所示。

4 结语

本设计主要由两大部分组成，及信号采集电路和单片机控制电路。在信号采集电路模块采用灵敏度适中，工作稳定，抗干扰性强等优点的MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器。而在单片机控制电路部分采用了高性能、高整合度的STC89C52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。在系统工作中，需要持续向烟雾传感器供给5V的加热电压，因为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。此外，烟雾浓度大小及温度高低均用LED数码管显示，这样便于更清楚的了解周围环境的烟雾状况及温度状况。该烟雾报警器具有结构简单，性能稳定，体积小以及成本低廉的优点，非常适合家庭厨房、实验室和较小的封闭环境中使用。

参考文献

【相关文献】

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