家用烟雾报警器的制作方法

本实用新型涉及火灾探测技术领域，具体为一种家用烟雾报警器。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型为了弥补现有技术的不足，提供了一种结构简单、使用方便、安全可靠的家用烟雾报警器。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

本实用新型的家用烟雾报警器，其特征在于：包括单片机，以及与之分别连接的烟雾信号采集及前置放大电路、A/D接口电路、声音报警电路、指示灯电路和系统电源电路。

单片机还连接时钟电路和复位电路；时钟电路包括连接在单片机的19脚和18脚之间的晶体振荡器Y，定时元件为电容并联谐振回路；复位电路包括并联的手动复位按键S1和电容C3，电容C3连接单片机的9脚。

单片机还连接安全保护电路，该电路包括2个继电器，继电器KA1的控制端连接换气风扇，继电器KA2的控制端连接喷水调节阀；继电器KA1的被控制端与二极管D1并联后连接三极管的集电极，三极管的基极连接单片机，三极管的发射极连接电源；继电器KA2的被控制端与二极管D2并联后连接另一三极管的集电极，三极管的基极连接单片机，三极管的发射极连接电源。

单片机还连接消音按键电路；消音按键电路中，消音按键一端接单片机，另一端接地；声音报警电路，通过三级管基极串联一个电阻与单片机连接，三极管的发射极连接蜂鸣器，三极管的集电极接地。

单片机还连接数码管字符显示电路，报警器浓度等级显示采用一个八段共阳极数码管显示；指示灯电路采用与单片机连接的发光二极管。

系统电源电路，包括变压器，变压器高压侧连接220V电源，低压侧连接整流桥的第1端子和第3端子，整流桥的第2端子和第4端子之间并联连接电容C4、稳压二极管Dz、电容C5、电容C6，其中电容C6还连接集成稳压器IC6，整流桥的第2端子和第4端子之间输出低电压。

烟雾信号采集及前置放大电路中，烟雾传感器的信号端K连接电压跟随器IC2A的同相输入端，该同相输入端经滑动变阻器Rp1接地，其反相输入端与输出端短接，其输出端连接运算放大器IC2B的同相输入端，通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref接入运算放大器IC2B的反相输入端，运算放大器IC2B的输出电压V0通过电阻R22接到自身的反相输入端，运算放大器IC2B的输出端连接A/D转换器IC4的26脚。

A/D接口电路中，单片机、锁存器IC3、A/D转换器IC4相互连接；单片机经或非门IC5A、IC5B连接A/D转换器IC4的ALE脚和START脚，产生的正脉冲作为OE信号；单片机还经双D触发器IC6连接A/D转换器IC4的CLOCK脚；转换结束信号经EOC、或非门IC5C反向后送到单片机的INT0脚。

信号采集及前置放大电路包括传感器故障自诊断电路； 传感器故障自诊断电路中，在传感器的地端G串联一个电阻R16，电阻R16高压端连接A/D转换器IC4的28脚，测量高压端的电压，判断传感器电源连接是否正常；烟雾传感器的信号端K连接A/D转换器IC4的27脚，测量传感器信号的输出电压，判断传感器信号端连接是否正常。

本实用新型的有益效果是，烟雾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、自动排烟换气和喷水消防灭火等功能。设计中单片机选用AT89C51作为控制器件，传感器选用QM-N5型气体传感器实现对烟雾的检测。本实用新型结构简单、使用方便、安全可靠、价格低廉、自动化程度高，使单片机在烟雾报警系统的控制中得到充分应用，具有很高的实用价值。

附图说明

图1 可燃烟雾报警器系统结构框图。图2 系统电源电路图。图3 时钟电路和复位电路。图4 信号采集及前置放大电路图。图5 A/D转换器与单片机的接口电路图。图6 声音报警电路。 图7 消音按键连接电流。图8 数码管字符显示电路。图9 指示灯电路图。图10 继电器连接及控制电路图。图11 传感器故障自诊断。图12 烟雾报警器硬件电路总图。图13 主程序流程图。图14 报警子程序流程图。

具体实施方式

附图为本实用新型的一种具体实施例。

本实用新型的家用烟雾报警器，包括单片机，以及与之分别连接的烟雾信号采集及前置放大电路、A/D接口电路、声音报警电路、指示灯电路和系统电源电路。

单片机还连接时钟电路和复位电路；时钟电路包括连接在单片机的19脚和18脚之间的晶体振荡器Y，定时元件为电容并联谐振回路；复位电路包括并联的手动复位按键S1和电容C3，电容C3连接单片机的9脚。

单片机还连接安全保护电路，该电路包括2个继电器，继电器KA1的控制端连接换气风扇，继电器KA2的控制端连接喷水调节阀；继电器KA1的被控制端与二极管D1并联后连接三极管的集电极，三极管的基极连接单片机，三极管的发射极连接电源；继电器KA2的被控制端与二极管D2并联后连接另一三极管的集电极，三极管的基极连接单片机，三极管的发射极连接电源。

单片机还连接消音按键电路；消音按键电路中，消音按键一端接单片机，另一端接地；声音报警电路，通过三级管基极串联一个电阻与单片机连接，三极管的发射极连接蜂鸣器，三极管的集电极接地。

单片机还连接数码管字符显示电路，报警器浓度等级显示采用一个八段共阳极数码管显示；指示灯电路采用与单片机连接的发光二极管。

系统电源电路，包括变压器，变压器高压侧连接220V电源，低压侧连接整流桥的第1端子和第3端子，整流桥的第2端子和第4端子之间并联连接电容C4、稳压二极管Dz、电容C5、电容C6，其中电容C6还连接集成稳压器IC6，整流桥的第2端子和第4端子之间输出低电压。

烟雾信号采集及前置放大电路中，烟雾传感器的信号端K连接电压跟随器IC2A的同相输入端，该同相输入端经滑动变阻器Rp1接地，其反相输入端与输出端短接，其输出端连接运算放大器IC2B的同相输入端，通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref接入运算放大器IC2B的反相输入端，运算放大器IC2B的输出电压V0通过电阻R22接到自身的反相输入端，运算放大器IC2B的输出端连接A/D转换器IC4的26脚。

A/D接口电路中，单片机、锁存器IC3、A/D转换器IC4相互连接；单片机经或非门IC5A、IC5B连接A/D转换器IC4的ALE脚和START脚，产生的正脉冲作为OE信号；单片机还经双D触发器IC6连接A/D转换器IC4的CLOCK脚；转换结束信号经EOC、或非门IC5C反向后送到单片机的INT0脚。

信号采集及前置放大电路包括传感器故障自诊断电路； 传感器故障自诊断电路中，在传感器的地端G串联一个电阻R16，电阻R16高压端连接A/D转换器IC4的28脚，测量高压端的电压，判断传感器电源连接是否正常；烟雾传感器的信号端K连接A/D转换器IC4的27脚，测量传感器信号的输出电压，判断传感器信号端连接是否正常。

烟雾报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器。该报警系统的最基本组成部分应包括：信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成。

为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的烟雾报警器具有显示报警状态、故障自检、换气排烟和自动灭火等功能。报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以单片机为控制核心，烟雾传感器采集烟雾浓度信息，配合外围电路构成烟雾报警系统。报警器系统结构如图1。

该系统的工作由烟雾信号采集及放大电路将采集到的烟雾浓度信息转化为放大的模拟电信号。模数转换电路再将该模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析。当输入A/D转换器的放大信号不为零时，启动报警电路。反之则为正常工作状态。

设计中为了方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够间接知道环境中的烟雾浓度，所以用数码管显示字符来指示报警状态。系统采用蜂鸣器声音报警和LED闪烁状态作为警报信号。这种报警方法是在声音报警基础上，加入光闪报警。因为变化的光信号可以引起用户和家庭邻居的注意，弥补了在嘈杂环境中声音报警的局限，使得报警装置更加完善。在报警启动的同时，单片机控制器还可以控制调节阀喷水灭火和换气扇排烟动作。

系统中留有继电器接口，使单片机能够控制换气风扇和调节阀的工作状态，让系统在报警的同时自动启动相关安全装置。另外由于烟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。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝或电缆线和传感器断线或接触不良时，进行故障报警。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。

系统电源电路

电源变压器的作用是：改变电网的交流电压的大小，将220V、50Hz的市电进行降压，是变压器的副边输出的交流电压符合设计要求。然后利用二极管的单项导通性，将交流电压变换为单方向的脉冲直流电压，即将整流电路输出的脉动直流电压中的交流成分滤掉，只留下比较平滑的直流电压，最后利用集成稳压器W7805，让电源电路的输出电压稳定为5V，以作为系统各部分电路的电源。以下是本设计所采用的电源电路图2。

AT89C51的时钟电路和复位电路

1.时钟电路

AT89C51单片机行骗内部设有一个反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生产，在XTALE1和XTAL2引脚上外接晶体振荡器Y，内部振荡电路就会产生自激震荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHz，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。时钟电路如图3所示。

2．复位电路

单片机有做多种复位电路，本系统采用自动复位（上电复位）与手动复位方式，电路如图3所示。当上电时，C3充电，电源经过电容器C3加到RESET引脚，是单片机复位；在正常工作时，按下复位键时单片机复位。

信号采集及前置放大电路

如图4所示，IC2A作为电压跟随器，通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref接入IC2B的反相输入端，从传感器输出的信号经过运算放大器LM324的同相输入端，为保证电路引入负反馈，在IC2B中，输出电压V0通过电阻R22接到反相输入端，由此组成查分比例运算电路。该电路的反馈组态为电压串联负反馈。

5 A/D转换电路

单片机与A/D 的接口电路如图5所示。

在单片机扩展连接ADC0809电路中，地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位A0,A1,A2相连，以选通IN0～IN7中的一路。将P2.7（地址总线A15）作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P2.7脚经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。转换结束信号EOC经反向后送到单片机的/INT0引脚，单片机读取A/D转换结果并将结果送P1端口显示。

声音报警及消音键电路

电路通过三级管基极串联一个电阻与单片机P2.3端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。报警装置采用电磁式无源蜂鸣器HC-12075-B。

系统设有一个消音按键，当报警器发出鸣叫时，用户到达现场，可按下消音按键停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。

字符显示电路

报警器浓度等级显示采用一个八段共阳极数码管显示。由于不显示小数点，所以不接dp段。电路采用型号为CPS08011BR的光普牌 LED共阳极数码管。

状态指示电路

绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低；黄灯闪烁表示传感器连接故障或是线路接触不良；红灯闪烁表示环境中烟雾浓度超过报警最低预设值，提醒用户尽快做出相应安全防范措施。

安全保护电路

在安全保护电路中，继电器（电磁继电器）是否动作是保护动作是否执行的唯一条件。当被检测到的现场烟雾浓度达到给定装置所设定的报警预设值时，继电器KA1动作，自动换气风扇启动。此时，单片机调用延时子程序，经延时600s后，继电器KA2动作，调节阀打开同时洒水灭火。

继电器的工作原理是利用低压控制电路来控制高压工作电路。在继电器的输入回路中，当流经线圈的电流变化时，线圈会产生自激电压来抑制电流的变化，线圈中的电流变化越快，所产生的电压越高。所以在设计中，单片机驱动继电器时，需要并联一个二极管，利用二极管的反向击穿能力，来消除自激电压，达到稳定线圈电压和保护晶体管的目的。当晶体管C8550由导通变为截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，这时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在晶体管的c、e两极间，会使晶体管击穿，继电器并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压，从而避免击穿晶体管。并联二极管时一定要注意二极管的极性不可接反，否则容易损坏晶体管等驱动元器件。

报警器故障自诊断电路

1.判断传感器电源连接情况

在传感器的地端串联一个电阻R16。当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过ADC0809的IN2口检测到；如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。

2.判断传感器信号端连接情况

另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热1～2分钟后，通过与ADC0809的IN1输入端口连接，测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常，此时系统发出警报。

3.10烟雾报警器硬件总电路

把上述各个部分电路结合到一起，就是所设计的可燃烟雾报警器总电路。通过各自分工，最终实现声光报警、字符显示、自动换气排烟和灭火功能。

系统主程序设计及流程图

主程序流程图如下图所示。首先要给传感器预热，因为QM-N5型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。主程序设计先对传感器预热，预热同时，对传感器进行故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。

在整个报警器系统工作中，AT89C51单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行信号放大、A/D转换处理后，由单片机进行分析处理，判断系统是否启动声光报警。主程序还包括LED八段式数码管浓度字符显示功能、消音按键功能、安全联动装置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。

给传感器预热后，程序开始执行初始化子程序，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等。

4.3报警子程序设计及流程图

当放大后的信号不为零时，即烟雾浓度达到系统的报警预设值，此时报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应输出通道的红灯闪亮，换气扇自动运行，并且延时打开调节阀。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。报警子程序流程图如图14所示。

本报警器设计附加一个消音功能按键。按键由于弹性作用的影响，在闭合及断开均有抖动过程，从而使电压也出现抖动，所以在识别按键时要消除抖动的影响。按键的识别方法采用扫描法。