第一章设计题目及要求1.1 课程设计题目利用气体传感器设计一个烟雾报警器，要求有检测、报警输出。
1.2 课程设计要求（1）、在一定空间范围内，如果出现超过设定浓度的烟雾时，烟雾报警器就会产生声光报警，而且可以人为取消报警。
（2）、工作在常温、常压、静态、环境良好；精度：0.1％FS；分辨率：按参考文献上常用传感器类比；测量范围：按参考文献上常用传感器类比；第二章方案设计根据课程设计的要求，确定本设计的方案，主要是利用气体传感器作为转换电路的核心，然后将传感器转换出来的电信号输入到单片机中进行相应的处理。
2.1基本原理的概述本设计的基本原理是利用气体传感器将对烟雾浓度的变化转变为电压的变化，并利用电压比较器比较之后输出控制信号，电压比较器输出的电压有高电平和低电平，而单片机的输入端一般为低电平作为信号，所以可以将有烟雾时的电压比较器的输出调整为低电平输出，而单片机在接受到低电平之后，进行相应的报警操作。
2.2总体设计方案的确定根据设计方案的基本原理可知，烟雾报警系统主要分为三个部分：气体传感器、电压比较器、单片机。
在正常状态下，没有烟雾时气敏元件的电阻值较大，输出电压较小，此时的输出电压比参考电压小，由电压比较器输出的为高电平，无法引起单片机的动作。
而当有烟雾时，MQ-2气敏传感器输出的电压值较高，在一定程度时将超过参考电压的电压值，此时由电压比较器输出的电压为低电平，引起单片机的动作。
总体设计方案如图2.1所示，下面的设计主要就遵循基本原理方框图来进行设计。
图2.1 烟雾传感器基本原理方框图第三章系统电路的设计本章节中主要讨论的是传感器的选择及其特性，测控电路的设计及其计算以及整体测控系统的电路设计与计算，以下就各个部分进行详细的。
3.1传感器的选择及其特性根据被测量的性质选择需要的传感器，由于在这里需要测量的量是烟雾的浓度，所以选择烟雾传感器，烟雾传感器有许多种类：半导体气敏、离子式传感器等等，本设计选用的是半导体气敏传感器。
3.1．1 半导体气敏传感器的性质根据课程设计的要求可知，本设计是针对烟雾传感器的报警系统，则所应用到的传感器应是对气体具有作用的传感器，这里选用半导体气敏传感器。
利用半导体吸附气体后引起其性质变化特性而制成的器件称为气体传感器，半导体气体传感器的敏感部分是金属氧化物半导体微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被检测气体时，半导体微结晶粒子烧结体接触界面的导电粒子比例将发生变化，继而使气敏元件的电阻值随被测气体浓度的变化而变化，本设计采用的是MQ-2气敏元件，气敏元件的电阻值随被测气体浓度的升高而降低。
3.1.2 MQ-2烟雾传感器原理MQ-2烟雾传感器是利用气敏元件构成电路将烟雾浓度的变化转变为电信号的变化，主要利用气敏元件阻值随气体浓度变化的性质。
（1）气敏元件的原理MQ-2是一种体电阻控制型的气敏器件，其阻值随被测气体的浓度而变化。
气敏元件又是一种“气—电”传感器件，它将被测气体的浓度信号转变为相应的电信号。
MQ-2气体传感器工作时必须经过加热这个程序，其目的是加速气体的吸附、跳出过程的作用；烧去气敏元件的油垢和污物，能起到清洁作用，控制不同的加热温度，能对不同的气体有不同的选择作用。
如图3.1所示，在气体传感器加热到稳定的状态时，被测气体接触到元件的表面而被吸附，此时气敏元件的电阻率会按一定的规律进行变化。
当气敏传感器通电以后，气敏元件的电阻会急剧下降（指在清洁的空气中，无被测气体时），过一段时间之后有逐步上升到一个稳定的值，这一段时间一般为2-10分钟，称这一段时间为“初始稳定状态”。
气敏元件达到初始稳定状态以后，才能用于气体检测和烟雾报警，检测开始到电阻值稳定的时间与气敏元件的材料和结构有关，一般为10-30秒。
当测试完毕以后，气敏元件置于普通大气之中，其阻值会逐渐恢复到检测之前的状态。
半导体气敏元件是以被测气体和半导体表面或基面之间的可逆反应为基础，所以可以反复使用，这样就利于传感器的多次使用。
图3.1半导体气敏元件检测气体时阻值变化曲线（2）气体传感器的电路结构如图3.2所示，根据前面介绍可知，气敏元件是利用气体浓度变化引起气敏器件阻值变化的原理，F-F端是为元件提供一定的工作温度，当有被测气体和它接触时，其A-B两端的电导率就会发生变化，在数字万用表上显示的电阻值就会变化。
稳压 电源数字万用表A AB BF F图3.2 气敏元件工作原理图利用气敏元件的这种特性，构建如图3.3所示的电路图，这就是MQ-2气体传感器的基本工作原理，在F-F供电加热到稳定状态以后，在被测气体和传感器接触时，A-B 两端的电阻值就会降低，如在A端加有一定的电压，则A-B两端的电压就会降低，如在B端有电压表则B端的电压会上升。
由此就可以将气体浓度的变化转变为电压的变化，在本设计中，所利用的输出电压就是B端的电压。
图3.3气体传感器电路原理图（3）MQ-2气体传感器的功能参数MQ-2气体传感器的功能参数如下：表3.1 标准工作条件表3.2 环境条件表3.3 灵敏度特性3.2 整体电路的设计在电路的整体设计部分主要涉及传感器的供电电源、传感器的负载电阻、电压比较器的电源及参考电压的设定、电压比较器的输出等计算和设计问题。
其中，由于利用的是单片机系统所以可以将单片机的5V电源作为传感器和比较器的供电电源。
3.2.1 传感器负载电阻的选择如图3.3所示，A-B两端的电阻变化要转变为电压的变化，就要在传感器中接入负载电阻作为分压用，如果要B端的电压能够很好的表现出来，应该让负载电阻和A-B 两端的电阻相近，在实际测量中得到在无烟雾的状态下，A-B两端的电阻值在15K左右，可选择负载电阻为10k的。
3.2.2 电压比较器参考电压的确定由上面介绍的情况可知，在气体传感器串入10k的电阻以后，在供电加热到稳定状态以后，B端输出的电压为1.8伏左右，考虑到一定范围的调整和缓冲，初步将电压比较器的参考电压设定为2V。
在本设计中选用的电压比较器为LM339型电压比较器，LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1 V~±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大；5)差动输入电压范围很大；6)输出端的电位可灵活的选用；LM339的外部封装和内部结构如图3.4所示。
图3.5给出了LM339的基本单限门比较器工作原理，在图a中，输入信号Uin即待比较电压，它加到同相输入端，在反向输入端接一个参考电压Ur。
当输入电压大于参考电压时，输出为高电平U OH，图b为其传输特性。
本设计中就运用到其基本的比较电路，在这里要考虑到比较器的上拉电阻，上拉电阻的大小可以调节比较器输出电压的大小，在这里为了是输出电压较为显著，选用阻值大小为4.7k的电阻。
图3.4 LM339的外部封装和内部结构图3.5 LM339基本单限门比较器原理在电压比较器进行比较之前要输入一个参考电压，由于设定的参考电压为2V，则可用如图3.6的方法进行参考电压的设定，在比较器的同相输入端的接地部分串入一个阻值为10k的电阻，而在同相输入端之前串入一个10k的可变电阻，如果的Uin端输入的电压为+5v，则在比较器的同相输入端的电压范围就是0~2.5V，这个电压能够作为烟雾报警器的参考电压，调整可变电阻使得比较器的同相输入端的电压为2V左右。
由此图可知当无烟雾时，由传感器输出的电压较低则比较器输出的电压为高电平，不能引起单片机的动作，而当有烟雾的时候，传感器输出的电压升高到一定的状态时，电压比较器的输出为低电平，低电平的输入使得单片机进行报警的操作。
报警时如由取消报警的信号就会使单片机取消报警操作。
Ur UinR 可变电阻339图3.6比较器参考电压的设定3.2.3 电压比较器和单片机的连接烟雾传感器的输出信号进过电压比较器的比较之后，将信号输入到单片机进行操作，比较器信号和单片机的连接如图3.7所示。
比较器的输出接单片机的P1.4口，而报警装置的输出口分别为P0.0和P3.6。
至此整个烟雾报警器的系统就完成了。
图3.7 比较器和单片机的连接3.2.4 整体电路图的设计在前面将烟雾报警器的各个部分进行了较为详细的介绍，在这里就将整体电路进行组合和调整，构成完整的烟雾报警系统，整体电路如图3.8所示。
参考文献1、唐文彦传感器（第4版）北京：机械工业出版社20112、丁镇生传感器及传感技术应用北京：电子工业出版社20013、孟立凡、郑宾传感器原理及技术北京：国防工业出版社20054、张国雄、李醒飞测控电路（第4版）北京：机械工业出版社2011附件声光报警系统程序#include<reg52.h>sbit p14=P1^4;sbit fmq=P3^6;sbit led=P0^0;unsigned char t;unsigned char i;unsigned char flag=0;void delay(unsigned char x){unsigned char j;while(x--){for(j=0;j<115;j++){;}}}void beep(){for(i=0;i<5;i++) { led=0;for(t=0;t<5;t++){fmq=1;delay(5);fmq=0;delay(5);}led=1;delay(40);}}void main(){while(1){EA=1;IT0=0;EX0=1;if(p14==0){delay(20);if(p14==0){flag=1;}}if(flag==1){beep();}}}void it0() interrupt 0 {flag=0;}。