煙霧報(bào)警系統(tǒng)中關(guān)于傳感器與微機(jī)接口問(wèn)題的研究

1、I 煙霧報(bào)警系統(tǒng)中關(guān)于 傳感器與微機(jī)接口問(wèn)題的研究 摘 要 隨著“信息時(shí)代”的到來(lái)，作為獲取信息的手段傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn) 步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。傳感器技術(shù)已成 為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類(lèi)傳感器的 基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。 為了提高對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)煙霧傳感器的深入研究以及其用法與 用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用傳感器技術(shù)而開(kāi)發(fā)設(shè) 計(jì)了這一煙霧監(jiān)控系統(tǒng)。 。 本論文以半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器和單片機(jī)技術(shù)為核心并與其他電子技術(shù)相結(jié)合， 設(shè)計(jì)出一種技術(shù)水平較好的煙霧報(bào)

2、警器。其中選用半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感 器實(shí)現(xiàn)煙霧的檢測(cè)，具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格低廉， 使用壽命長(zhǎng)。 單片機(jī)和半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器為核心設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器可實(shí)現(xiàn)故障自診斷、 濃度顯示、報(bào)警限設(shè)置等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能 穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、 智能化的煙霧報(bào)警器。具有一定的實(shí)用價(jià)值。 而傳感器與微機(jī)接口的研究也顯得尤為重要。我將主要研究這兩部分。 關(guān)鍵詞：煙霧報(bào)警器，傳感器，微機(jī)接口 II The research of Sensor and computer interface issues on Smoke alarm system Abstrac

3、t With the Information Age to come, as a means of access to information - sensor technology has been significant progress, more and more extensive areas of its application, its increasingly high demand, demand more and more urgent. Sensor technology has become the measure of a countrys level of deve

4、lopment of science and technology an important landmark. Therefore, to understand and master the basic structure of various types of sensors, the working principle and characteristics are very important. In order to improve awareness and understanding of the sensor, especially in-depth study of the

5、smoke sensor and its usage and purpose, based on practical, extensive, and the principle of the typical design of the system. In this paper, sensor technology development and design of the smoke control system. . In this thesis, the smoke sensor and microcontroller resistive technology as the core a

6、nd with other electronic technology, to design a good technical level of smoke alarm. Which use semiconductor flammable gas sensor smoke sensor was detected with high sensitivity, fast response, anti-interference ability, etc., and the price is low, long service life. Single chip and semiconductor r

7、esistance as the core design of the smoke sensor smoke alarm can achieve sound and light alarm, fault diagnosis, the concentration display, alarm limit settings, delay alarm and serial communication with the host computer and other functions. Is a simple structure, stable performance, easy to use, i

8、nexpensive, intelligent smoke alarm. Has some practical value. The sensor and computer interface research is very important. Key words: smoke alarm；sensor；computer interface III 目 錄 摘 要.I Abstract.II 第一章 緒 論.1 1.1 課題研究的背景及意義 .1 1.2 煙霧報(bào)警系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景.1 第二章 煙霧檢測(cè)報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案.2 2. 1 煙霧檢測(cè)報(bào)警器工作原理.2 2. 2 煙霧檢測(cè)報(bào)警器

9、的結(jié)構(gòu).3 2. 3 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的功能.3 第三章 硬件電路設(shè)計(jì).4 3.1 煙霧傳感器.4 3.1.1煙霧傳感器簡(jiǎn)介.4 3.1.2 煙霧傳感器分類(lèi) .4 3.1.3 煙霧傳感器的選定 .6 3.1.4 半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作原理 .7 3.2 前置放大電路 .7 3.3 數(shù)據(jù)采集和 A/D 轉(zhuǎn)換模塊.9 3.3.1 信號(hào)采集 .9 3.3.2 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 .11 第四章 單片機(jī)控制系統(tǒng).13 4.1 單片機(jī) .13 4.1.1 STC89C51 引腳功能說(shuō)明 .15 4.1.2 STC89C51I/O 端口介紹.16 4.2 基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警系統(tǒng).17 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).

10、19 5.1 主程序設(shè)計(jì)及流程圖.19 5.1.1 中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)及流程圖 .20 5.1.2 插值法線性化處理子程序設(shè)計(jì)及流程圖 .21 5.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖.23 5.2.1 主程序流程圖 .23 5.2.2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖 .24 5.2.3 數(shù)據(jù)采集中斷流程圖 .25 致 謝.28 參考文獻(xiàn).29 附錄：.1 IV 外文資料原文： .1 中文翻譯： .6 1 第一章 緒 論 煙感探測(cè)器是探測(cè)煙霧的儀器，由于在火災(zāi)發(fā)生的階段，將伴隨產(chǎn)生煙霧。這些 煙可以通過(guò)探測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)報(bào)警。 1.1 課題研究的背景及意義 二十多年前，中國(guó)的消防報(bào)警產(chǎn)品剛剛起步，無(wú)論產(chǎn)

11、品技術(shù)含量、產(chǎn)品系列完整 性、使用性，還是社會(huì)影響程度都是相當(dāng)?shù)偷?。?guó)外的產(chǎn)品和品牌一統(tǒng)天下，占領(lǐng)中 國(guó)的大部分市場(chǎng)。由于中國(guó)的建設(shè)正在飛速發(fā)展，市場(chǎng)大的驚人，難道這由中國(guó)發(fā)展 帶來(lái)的成果只能由外國(guó)企業(yè)來(lái)瓜分？可幸的是中國(guó)企業(yè)抓住了機(jī)遇，頂住了挑戰(zhàn)，先 是一批國(guó)家的科研院所，后是一批國(guó)營(yíng)企業(yè)、民營(yíng)企業(yè)，業(yè)內(nèi)也吸引和凝聚一大批國(guó) 內(nèi)的技術(shù)和管理精英，花了十多年時(shí)間，通過(guò)幾次產(chǎn)品更新?lián)Q代，就使自己的產(chǎn)品緊 緊跟上了國(guó)際水平，并且?jiàn)Z回了大部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，使得現(xiàn)在大多國(guó)外產(chǎn)品只有招架之 功，這是典型的自力更生，走自己的路。 1.2 煙霧報(bào)警系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景 目前而言，我們基本占據(jù)的是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，對(duì)外還

12、剛啟動(dòng)。中國(guó)企業(yè)正虎視眈眈， 準(zhǔn)備進(jìn)軍海外市場(chǎng)。消防報(bào)警產(chǎn)品是一個(gè)系列產(chǎn)品，包括煙霧探測(cè)設(shè)備、信息傳輸設(shè) 備、報(bào)警分析控制器、消防控制聯(lián)動(dòng)。是物理傳感技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù) 據(jù)傳輸和管理、智能樓宇等技術(shù)的綜合集成，屬于高新技術(shù)。依托中國(guó)多年的基本建 設(shè)的發(fā)展，這個(gè)行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國(guó)外知名企業(yè)抗衡的能力。在目前中國(guó)許 多冠名以高新技術(shù)的行業(yè)中，中國(guó)企業(yè)大多做的是下游的制造和服務(wù)，分取極少一部 分的利潤(rùn)，象消防報(bào)警產(chǎn)品那樣又擁有自我知識(shí)產(chǎn)權(quán)，又擁有大量市場(chǎng)的行業(yè)其實(shí)是 很少的。 在消防報(bào)警產(chǎn)品的技術(shù)含量上，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品和國(guó)外產(chǎn)品差距不是很大，許多指標(biāo)已經(jīng)超 越，存在的問(wèn)題是：類(lèi)似于國(guó)外

13、消防報(bào)警產(chǎn)品的大批量規(guī)?；纳a(chǎn)才剛起步，有待 于積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)；也因此在產(chǎn)品一致性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性上有一些差距；國(guó)內(nèi)正在形成 權(quán)重的大型企業(yè)和集團(tuán)，這樣可以帶領(lǐng)國(guó)內(nèi)的各家企業(yè)去沖擊海外市場(chǎng)，并最終占領(lǐng) 海外的消防報(bào)警市場(chǎng)。 煙霧檢測(cè)報(bào)警器是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報(bào)警功能的儀器，儀器的 最基本組成部分應(yīng)包括：煙霧信號(hào)采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路。煙霧 信號(hào)采集電路一般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)換電路將從煙霧檢測(cè)電路送出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(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，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是

14、否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警限)，如果大于則啟動(dòng)報(bào)警進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圖像采集， 反之則為正常狀態(tài)。煙霧傳感器及微機(jī)接口是可燃煙霧檢測(cè)報(bào)警器的兩大核心，根據(jù) 報(bào)警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧傳感器至關(guān)重要的。 2 第二章 煙霧檢測(cè)報(bào)警器整體設(shè)計(jì)方案 2. 1煙霧檢測(cè)報(bào)警器工作原理 本論文中的煙霧檢測(cè)報(bào)警器以單片機(jī)為控制核心，采用傳感器采集煙霧信息。 基 本框架如圖 2-1 圖 2-1 煙霧報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架 首先，傳感器送來(lái)的煙霧濃度對(duì)應(yīng)的微小的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，轉(zhuǎn)化成較大的電 壓信號(hào)送入單片機(jī)；然后，在單片機(jī)內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換、濃度比較，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理， 將數(shù)字化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為對(duì)

15、應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，判斷濃度值是否超出報(bào)警限， 煙霧傳感器 放大電路 AD 轉(zhuǎn)換 單片機(jī) GSM 模塊 現(xiàn)場(chǎng)圖像采集 GSM 網(wǎng)絡(luò) 用戶(hù) 3 當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)，不做反應(yīng)。當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)圖像采集系 統(tǒng)采集圖像。另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越 快，響 應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)間，保證傳感器準(zhǔn)確地、 穩(wěn)定地工作，報(bào)警 器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個(gè) 5V 的電壓。為了保證其可靠性，在輸出 5V 的電壓 的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。當(dāng)傳感器加熱絲 或電纜線和傳感器斷線或接觸不良時(shí)，進(jìn)行 故障報(bào)警。 2. 2煙霧檢測(cè)報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭和工業(yè)

16、等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性煙霧報(bào)警 儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有故障自檢、延時(shí)報(bào)警功能及可接計(jì)算 機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)和實(shí)時(shí)控制等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警儀的基礎(chǔ)上，盡量提 高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。 系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號(hào)采集、現(xiàn)場(chǎng)采集圖像等功能。 系統(tǒng)應(yīng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證 報(bào)警器的精確性及可 靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報(bào)警器的體積，降 低報(bào)警器的成本。 2.2. 3 3 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的功能 (1)自診斷故障報(bào)警功能 當(dāng)傳感器加熱絲或者電纜線發(fā)生斷線或者接觸不良的情況

17、時(shí)，報(bào)警器發(fā)出警報(bào)， 提醒用戶(hù)檢查傳感器或者電路線接觸情況，及時(shí)排除故障，保證安全。 (2)煙霧報(bào)警功能 當(dāng)煙霧濃度連續(xù) 20 秒取值都在報(bào)警限值之上，采取報(bào)警行為，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行圖像采 集。 (4)防止報(bào)警器誤報(bào)功能 快速重復(fù)檢測(cè)及延時(shí)報(bào)警可以區(qū)別出是管道中可燃煙霧的泄漏，還是由于打開(kāi)閥 門(mén)時(shí)的微量煙霧的散失。 (4)看門(mén)狗自檢單片機(jī)狀態(tài)功能 調(diào)用單片機(jī)中的看門(mén)狗程序，定時(shí)檢查單片機(jī)工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)單片機(jī)出現(xiàn)死 循環(huán)狀態(tài)，立即復(fù)位，保證報(bào)警器工作正常。 4 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 3.13.1 煙霧傳感器 3.1.1 煙霧傳感器簡(jiǎn)介 煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣 體在空

18、氣中的含量 (即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換電路 將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到 單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度 處理及報(bào)警控制等工作。傳感器作為煙霧 檢測(cè)報(bào)警器的信號(hào)采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見(jiàn)，傳感器的選型 是非常重要的。 3.1.2 煙霧傳感器分類(lèi) 煙霧傳感器種類(lèi)繁多，從檢測(cè)原理上可以分為三大類(lèi)： (a)利用物理化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導(dǎo)體煙霧傳感器、接觸燃 燒煙霧傳感器等。 (b)利用物理性質(zhì)的煙霧傳感器：如熱導(dǎo)煙霧傳感器、光干涉煙霧傳 感器、紅外傳感 器等。 (c)利用電化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢(shì)型氣 體傳感器等。 (2)

19、煙霧傳感器應(yīng)滿(mǎn)足的基本條件 一個(gè)煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能 的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一 個(gè)完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測(cè)某種單一煙霧，而對(duì)共存的其它煙霧不響應(yīng)或低 響應(yīng)； (b)對(duì)被測(cè)煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的煙霧 濃度； (c)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好； (d)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長(zhǎng)； (f)制造成本低，使用與維護(hù)方便。 (3)常見(jiàn)煙霧傳感器簡(jiǎn)介 下面對(duì)工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡(jiǎn)單介紹。 (a) 半導(dǎo)體煙霧傳感器 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為

20、敏感體制作的煙霧傳感器， 以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。利用半導(dǎo)體與氣體接觸時(shí)電阻或功函數(shù) 發(fā)生變化這一特性檢測(cè)氣體。 自 1962 年半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳感器問(wèn)世以來(lái)，由 于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)， 得到了廣泛的應(yīng)用。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。 按照敏感機(jī)理分類(lèi)，可分為電阻型和非電阻型。半導(dǎo)體氣體傳感器靈敏度高，可用于 5 可燃?xì)怏w防爆報(bào)警器 ,CO、H2S 等有毒氣體的監(jiān)測(cè)器。通過(guò)穩(wěn)定性研究，一些傳感 器可用于氣體濃度的定量監(jiān)測(cè)。半導(dǎo)體氣體傳感器在防災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能、工程 管理、自動(dòng)控制等方面有廣泛

21、的應(yīng)用 。 (b) 固體電解質(zhì)煙霧傳感器 固體電解質(zhì)煙霧傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣 敏材料在通過(guò)煙霧時(shí)產(chǎn)生電阻，測(cè)量其形成電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。由于這種傳 感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán) 保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量?jī)H次于半導(dǎo)體煙霧傳感器的一類(lèi)傳感器。但這種傳感 器制造成本高，檢測(cè)煙霧范圍有限，在檢測(cè)環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢(shì)。 (c) 接觸燃燒式傳感器 當(dāng)易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得 名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲(也可表面 涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，

22、使用時(shí)將鉑絲通電，保持 300C400C 的高溫，此 時(shí)若與煙霧接觸，煙霧就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑 絲的電阻值也上升；通過(guò)測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道煙霧的濃度。 (d) 高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏材料制作的煙霧傳感器近年來(lái)得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料 在遇到特定煙霧時(shí)，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速 度和頻率、材料重量 等物理性能發(fā)生變化。高分子氣敏材料由于具有易操 作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性 好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性煙霧和食品鮮度 等方面的檢測(cè)中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對(duì)特定煙霧分子靈敏度高， 選擇

23、性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它煙霧傳感器的不足。 (e) 電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。煙霧濃度信號(hào)將電解液分解成陰陽(yáng)帶 電離子，通過(guò)電極將信號(hào)傳出。它的優(yōu)點(diǎn)是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠 定量檢測(cè)，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性煙霧檢測(cè)。目前國(guó)際上絕大 部分毒氣檢測(cè)采用該類(lèi)型傳感器。 (f) 熱傳導(dǎo)傳感器 熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)形式，但是測(cè)量原理不同。它 的測(cè)量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)煙霧傳送熱量 造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測(cè)量電阻 值的變化情況。溫度的變化情 況是目標(biāo)煙霧熱

24、傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對(duì)于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導(dǎo)率是它固 有的物理特性。 (g) 紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測(cè)量，主光束通過(guò)測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧， 參考光束通過(guò)比較元件內(nèi)的參考煙霧。在測(cè)量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇 地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測(cè)器測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)正比于目標(biāo)煙霧濃度的差分 信號(hào)。非擴(kuò)散式紅外探測(cè)器 NDIR (non-dispersive IR )是其中的一種，所有的未吸 收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來(lái)。 不同的煙霧吸收不同波長(zhǎng)的 IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括 測(cè)量 CO 和 CO2、冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)?。由于非碳?xì)浠?/p>

25、合物易燃煙霧(如氫)不吸收 電磁譜中 IR 部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測(cè)量碳?xì)浠衔铮⒕哂凶钚〉?6 交叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。 (4) 常見(jiàn)煙霧傳感器可檢測(cè)煙霧種類(lèi) 由于煙霧的種類(lèi)繁多，一種類(lèi)型的煙霧傳感器不可能檢測(cè)所有的氣體，通常只能 檢測(cè)某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。例如氧化物半導(dǎo)體煙霧傳感器主要檢測(cè)各種還原 性煙霧，如 CO、H2、C2H5OH、CH3OH 等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測(cè)無(wú)機(jī)煙 霧，如 O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。 3.1.3 煙霧傳感器的選定 煙霧檢測(cè)報(bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫(kù)、液化氣 站、噴漆作

26、業(yè)等易 發(fā)生可燃煙霧泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)煙霧 種類(lèi)的要求，一般選用接觸燃燒式煙 霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。 使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問(wèn)題。 阻緩是當(dāng)在 煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無(wú)焰燃燒的同時(shí)， 有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩， 靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可 能，但是如果長(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失 檢測(cè)煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類(lèi)的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將 使催化 元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以

27、致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測(cè)環(huán) 境中存在這些物質(zhì) 時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩 個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無(wú)形中加大了工作人 員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以 及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高， 響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要 看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩(wěn) 定性(使用壽命)。 經(jīng)過(guò)對(duì)比上述兩種煙霧傳感器的應(yīng)

28、用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出： 靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒 現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采 集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用 QM-N5 型煙霧傳感器， 這種型號(hào)的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、 壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 QM-N5 型氣敏元件（如圖 3-1）是金屬氧化物 SnO2為主要材料的 N 型半導(dǎo)體氣 敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體的濃度增加而迅速升高。 特點(diǎn)： 用于可燃性氣體的檢測(cè)（CH4、C4H10、H2、煙霧等） 靈

29、敏度高 響應(yīng)速度快 輸出信號(hào)大 壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定可靠 7 圖 3-1 MQN5 的外形 3.1.4 半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作原理 在 200-300 度時(shí)，它吸附空氣中的氧，形成的氧的負(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)遇到有能供給電子的可燃?xì)怏w（如煙霧等）時(shí)， 原來(lái)吸附的氧托附，而由可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面；氧脫 附放出電子，可燃性氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使氧化物半導(dǎo)體帶電 子密度增加，電阻值下降，可燃性氣體不存在了，金屬氧化物半導(dǎo)體優(yōu)惠自動(dòng)回復(fù)放 的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半導(dǎo)體氣敏元件檢測(cè)可燃性氣體的 基本原理

30、。 MQN5 型半導(dǎo)體氣敏傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)： 加熱電壓(VH) AC 或 DC 50.5V 回路電壓(VC) 最大 DC 24V 負(fù)載電阻(RL) 2K 清潔空氣中電阻(Ra) 4000K 靈敏度(S=Ra/Rdg) 4(在 1000ppmC4H10 中) 響應(yīng)時(shí)間(tres) 10S 恢復(fù)時(shí)間(trec) 30S 檢測(cè)范圍 50-10000ppm 3.2 前置放大電路 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(mǎn)足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。本系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體煙霧傳感器屬于電阻型，因 8 此只需串聯(lián)一個(gè)參考電阻，再經(jīng)過(guò)一個(gè)放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。由

31、于系統(tǒng)采用 的是單極性供電，所以采用同相比例放大電路，可以減少硬件開(kāi)銷(xiāo)；反之，如果采用 反相放大，則一般需要利用雙極性供電，這就需要系統(tǒng)額外的利用變壓芯片產(chǎn)生一個(gè) 負(fù)壓，這顯然 會(huì)造成浪費(fèi)。常見(jiàn)的運(yùn)算放大器中，LM324 價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) 比較突出，所以本設(shè)計(jì)中的前置放大電路采用 LM324 作為電路的運(yùn)算放大器。 LM324 是單片高增益四運(yùn)算放大器，可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源 或雙電源下工 作，其電源電流很小且與電源電壓無(wú)關(guān)，四個(gè)運(yùn)放一致性好； 其輸入偏流電阻是溫度 補(bǔ)償?shù)?，也不需外接頻率補(bǔ)償，可做到輸出電平與 數(shù)字電路兼容。 下面詳細(xì)介紹運(yùn)算放大電路： 如圖 3.2 所示，從傳感

32、器的上端出來(lái)的信號(hào) Vi 經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的同相 輸入端， 但是為保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓 Vo 通過(guò)電阻 R4 接到反相輸入端，同時(shí)，反相 輸入端通過(guò)電阻 R3 接到參考電壓 Vref。 同相比例運(yùn)算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，同樣可以利用理 想運(yùn)放工作 在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來(lái)分析其電壓放大倍數(shù)。 在圖 3.2 中，根據(jù)運(yùn)放的“虛短”和 “虛斷”的特點(diǎn)可知，I- = I+ = 0， 所以 V- = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (3-1) 而且 V- = V+ = Vi Vo = Vi*（R3 + R4）/R3 (3-2) 由以上兩式可求出： Vo=V

33、ref-R4/R3 (3-3) 所以本放大電路的放大倍數(shù) A =1+ R4/ R3 ，此放大電路為同相比例放大電路， 它的放大倍數(shù)總是大于或等于 1。同相比例運(yùn)算電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)： (1)同相比例運(yùn)算放大電路是一個(gè)深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。因?yàn)椴淮嬖凇疤摰亍?現(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。 (2)電壓放大倍數(shù) A =1+ R4/ R3 ，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位 相同，所以此電路實(shí)現(xiàn)了同相比例放大。如果不接 R3 和 R4，則此電 路就成了“電壓 跟隨器” ，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。 (3)由于引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻

34、抗很低。 高輸入阻抗就可以減少放大電路對(duì)前端電路的影響，同時(shí)低輸出阻抗也可以提高自身 的抗干擾性，這顯然有利于電路中其他模塊的設(shè) 計(jì)。 此放大電路還加了參考電壓， 引入了零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便 的調(diào)整由于不同傳感器導(dǎo)致的零點(diǎn)變化問(wèn)題。 它利用滑動(dòng)變阻器產(chǎn)生一個(gè)參考電壓 Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運(yùn)算放大 電路的電壓參考 端。所以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，就可以直接改變放大電路的參考電壓。而 電壓 跟隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來(lái)匹配阻抗用的，防止 R3 和 R4 對(duì) 滑 動(dòng)變阻器輸出電壓的影響。 9 圖 3.2 前置放大電路圖 3.3 數(shù)據(jù)采集和 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 3.3.1 信

35、號(hào)采集 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用共享數(shù)據(jù)采集通道的結(jié)構(gòu)形式。 數(shù)據(jù)采集方式選擇程序控制數(shù)據(jù)采集。 程序控制數(shù)據(jù)采集，由硬件和軟件兩部分組成。 ，據(jù)不同的采集需要，在程序存儲(chǔ) 器中，存放若干種信號(hào)采集程序，選擇相應(yīng)的采集程序進(jìn)行采集工作，還可通過(guò)編新 的程序，以滿(mǎn)足不同采樣任務(wù)的要求。如圖 3.3 所示。 程序控制數(shù)據(jù)采集的采樣通道地址可隨意選擇，控制多路傳輸門(mén)開(kāi)啟的通道地址 碼由存儲(chǔ)器中讀出的指令確定。即改變存儲(chǔ)器中的指令內(nèi)容便可改變通道地址。 由于順序控制數(shù)據(jù)采集方式缺乏通用性和靈活性，所以本設(shè)計(jì)中選用程序控制數(shù) 據(jù)采集方式。 10 圖 3.3 程序控制數(shù)據(jù)采集采樣結(jié)構(gòu)圖 采集多路模擬信號(hào)時(shí)，

36、一般用多路模擬開(kāi)關(guān)巡回檢測(cè)的方式，即一種數(shù)據(jù)采集的 方式。利用多路開(kāi)關(guān)（MUX）讓多個(gè)被測(cè)對(duì)象共用同一個(gè)采集通道，這就是多通道數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)。當(dāng)采集高速信號(hào)時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換器前端還需加采樣/保持(S/H)路。 待測(cè)量一般不能直接被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通常要進(jìn)行放大、特性補(bǔ)償、濾波等環(huán)節(jié) 的預(yù)處理。被測(cè)信號(hào)往往因?yàn)榉递^小，而且可能還含有多余的高頻分量等原因，不 能直接送給 A/D 轉(zhuǎn)換器，需對(duì)其進(jìn)行必要的處理，即信號(hào)調(diào)理。如對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、 衰減、濾波等。 通常希望輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器的信號(hào)能接近 A/D 轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)量程以保證轉(zhuǎn)換精度， 因此在直流電流電源輸出端與 A/D 轉(zhuǎn)換器之間應(yīng)接入放

37、大器以滿(mǎn)足要求。 本題要求中的被測(cè)量為 05V 直流信號(hào)，由于輸出電壓比較大，滿(mǎn)足 A/D 轉(zhuǎn)換輸 入的要求，故可省去放大器，而將電源輸出直接連接至 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入端。多路數(shù)據(jù) 采集輸入通道的結(jié)構(gòu)圖 3.4 所示。 圖 3.4多路數(shù)據(jù)采集輸入通道結(jié)構(gòu) 11 3.3.2 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 ADC0809 八位逐次逼近式 AD 轉(zhuǎn)換器是一種單片 CMOS 器件，包括 8 位模擬轉(zhuǎn) 換器、8 通道轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和與微處理器兼容的控制邏輯。8 路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)能直接連通 8 個(gè)單 端模擬信號(hào)中的任何一個(gè)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3.5 所示。 圖 3.5 1.ADC0809 主要性能 逐次比較型 CMOS 工藝制造

38、單電源供電 無(wú)需零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度調(diào)整 具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與 TTL 兼容 易與各種微控制器接口 具有鎖存控制的 8 路模擬開(kāi)關(guān) 分辨率：8 位 功耗：15mW 最大不可調(diào)誤差小于1LSB（最低有效位） 轉(zhuǎn)換時(shí)間（）128us500 CLK fKHz 轉(zhuǎn)換精度：0.4% ADC0809 沒(méi)有內(nèi)部時(shí)鐘，必須由外部提供，其范圍為 101280kHz。典型時(shí) 鐘頻率為 640kHz 12 圖 3.6 A/DC0809 引腳 引腳排列及各引腳的功能，引腳排列如圖 3.6 所示。 各引腳的功能如下： IN0IN7：8 個(gè)通道的模擬量輸入端?？奢斎?05V 待轉(zhuǎn)換的模擬電壓。 D0D7：8 位轉(zhuǎn)換結(jié)果

39、輸出端。三態(tài)輸出，D7 是最高位，D0 是最低位。 A、B、C：通道選擇端。當(dāng) CBA=000 時(shí)，IN0 輸入；當(dāng) CBA=111 時(shí)，IN7 輸入。 ALE：地址鎖存信號(hào)輸入端。該信號(hào)在上升沿處把 A、B、C 的狀態(tài)鎖存到內(nèi)部的多路 開(kāi)關(guān)的地址鎖存器中，從而選通 8 路模擬信號(hào)中的某一路。 START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端。從 START 端輸入一個(gè)正脈沖，其下降沿啟動(dòng) ADC0809 開(kāi)始轉(zhuǎn)換。脈沖寬度應(yīng)不小于 100200ns。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端。啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)它自動(dòng)變?yōu)榈碗娖健?OE：輸出允許端。 CLK：時(shí)鐘輸入端。ADC0809 的典型時(shí)鐘頻率為 640kHz，轉(zhuǎn)換

40、時(shí)間約為 100s。 REF(-)、REF(+)：參考電壓輸入端。ADC0809 的參考電壓為5V。 VCC、GND：供電電源端。ADC0809 使用5V 單一電源供電。 當(dāng) ALE 為高電平時(shí)，通道地址輸入到地址鎖存器中，下降沿將地址鎖存，并譯碼。 在 START 上升沿時(shí)，所有的內(nèi)部寄存器清零，在下降沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，此 期間 START 應(yīng)保持低電平。在 START 下降沿后 10us 左右，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)變?yōu)榈碗?平，EOC 為低電平時(shí)，表示正在轉(zhuǎn)換，為高電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE 為低電平時(shí)， D0D7 為高阻狀態(tài)，OE 為高電平時(shí)，允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。 13 第四章 單片機(jī)

41、控制系統(tǒng) 4.1 單片機(jī) 單片機(jī)是煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的核心部件，一方面它要接收來(lái)自傳感器的煙霧濃度 的模擬信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì)兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的 相應(yīng)工作。同時(shí)，在能夠滿(mǎn)足報(bào)警器設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口數(shù)的要求的 同類(lèi)型單片機(jī) 中，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報(bào)警 器的精確性、可靠性及抗 干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。 如今市面上比較普遍的單片機(jī)有 8051 系列與 STC 系列。 在本設(shè)計(jì)中采用的是 ATMAL 公司生產(chǎn)的 STC89C51 單片機(jī)，它是低功耗的、具 有 8KB 在線可編程 FLASH 存儲(chǔ)器的單片機(jī)。它與通用 80C51

42、系列單片機(jī)的指令系統(tǒng) 和引腳兼容。片內(nèi)的 FLASH 可允許在線重新編程，也可使用通用非易失性存儲(chǔ)器編 程器編程。它將通用 CPU 和在線可編程 FLASH 集成在一個(gè)芯片上，形成了功能強(qiáng)大、 使用靈活和具有較高性能價(jià)格比的微控制器。 簡(jiǎn)單概括來(lái)說(shuō)，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)層次：第一層是指單片機(jī)：通 常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機(jī)，即所選擇的單片機(jī)器件。第二層是指單片機(jī)系統(tǒng)：指按照單 片機(jī)的技術(shù)要求和嵌入對(duì)象的資源要求而構(gòu)成的基本系統(tǒng)，入時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和 擴(kuò)展存儲(chǔ)器于單片機(jī)構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。第三層是指單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿(mǎn)足嵌入 對(duì)象的要求的全部電路系統(tǒng)。 單片機(jī)的基本原理 在通用微機(jī)中央處理

43、器基礎(chǔ)上，將輸入/輸出（I/O）接口電路、時(shí)鐘電路以及一 定容量的存儲(chǔ)器等部件集成在同一芯片上，在加上必要的外圍器件，如晶體振蕩器， 就構(gòu)成了一個(gè)較為完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，由于這類(lèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本部件均集成在 同一芯片內(nèi)，因此被稱(chēng)為單片機(jī)控制器（Single-Chip_Micro Control，簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)）或 微控制單元（Microcontroller Unit，簡(jiǎn)稱(chēng) MCU） 。 MCS-51 系列單片機(jī)是在一塊芯片上集成了 CPU、RAM、ROM 定時(shí)/計(jì)數(shù)功器和 多功能 I/O 口等基本功能部件的一臺(tái)計(jì)算機(jī)。單片機(jī)必須配備部分外圍元件才能使用， 其系統(tǒng)核心是單片機(jī)芯片，芯片引腳按功能分

44、為三類(lèi)，即數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制 總線。MCS-51 系列單片機(jī)外形采用 40 條引腳雙列直插封裝（DIP）或 LCC/QFP 封裝， 每條引腳有規(guī)定的序號(hào)和名稱(chēng)。 14 （2）STC89C51 系列單片機(jī)引腳功能分類(lèi)單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu)圖如圖 4-1 所示： 圖 4.1 STC89C51 引腳結(jié)構(gòu)圖 15 4.1.14.1.1 STC89C51STC89C51 引腳功能說(shuō)明引腳功能說(shuō)明 下面就對(duì) STC89C51 的各引腳功能說(shuō)明見(jiàn)表 4.1 所示： 表 4.1 STC89C51 各個(gè)引腳功能圖示 管腳號(hào)名 稱(chēng) DIPLCCQFP 類(lèi)型名稱(chēng)和功能 Vcc404438I電源：提供掉電、空閑、正常工

45、作電 壓 P0.0-0.739-3243-3637-30I/OP0口:P0口是開(kāi)漏雙向口可以寫(xiě)為1 使 其狀態(tài)為懸浮用作高阻輸入P0 也可以 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)作地址的低 字節(jié)在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)作數(shù)據(jù) 總線此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉輸出1。 P1.0-1.71-82-940-44 1-3 I/OP1 口:P1 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口向 P1 口寫(xiě)入 1 時(shí) P1 口被內(nèi)部上拉 為高電平時(shí)可用作輸入口，當(dāng)作為輸 入腳時(shí)被外部拉低的 P1 口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部 上拉而輸出電流。 P2.0-2.721-2824-3118-25I/OP2口：P2口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O 口，向P2口寫(xiě)入1時(shí)P2

46、口被內(nèi)部上拉 為高電平，可用作輸入口。 管腳號(hào)名 稱(chēng) DIPLCCQFP 類(lèi)型名稱(chēng)和功能 P3.0-3.710-1711, 13-19 5, 7-13 I/OP3口：P3 口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O 口，向P3 口寫(xiě)入1時(shí)，P3口被內(nèi)部上 拉為高電平，可用作輸入口；當(dāng)作為 輸入腳時(shí)，被外部拉低的P3口會(huì)因?yàn)?內(nèi)部上拉而輸出電流。 16 RST9104I復(fù)位：當(dāng)晶振在運(yùn)行中時(shí)，只要復(fù)位 管腳出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期高電平即可復(fù) 位，內(nèi)部有擴(kuò)散電阻連接到 Vss，僅 需要外接一個(gè)電容到 Vcc 即可實(shí)現(xiàn)上 電復(fù)位。 EA/Vpp313529O接電源 Vcc XTAL1192115I晶體1：反相振蕩放大

47、器輸入和內(nèi)部時(shí) 鐘發(fā)生電路輸入 XTAL2182014O晶體2：反相振蕩放大器輸出 電源引腳 VCC-40腳 電源端，STC89C51工作電壓為5V工作電壓則是5V。 GND-20腳 接地端。 外接晶體引腳 XTAL1，XTAL2接石英晶體振蕩器。 XTAL1 是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2 則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)， 外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到 XTAL1，而 XTAL2 懸空。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩 脈沖二分頻，如晶振為 12MHz，時(shí)鐘頻率就為 6MHz。晶振的頻率可以在 1MHz- 24MHz 內(nèi)選擇，在本設(shè)計(jì)電路中選用了 12MHz。電容取 20PF 左右。機(jī)器周期

48、12 時(shí)間周期，如 12MHz 的機(jī)器周期為 1 微秒。 輸入輸出引腳（4個(gè)I/O口） 4.1.24.1.2 STC89C51I/OSTC89C51I/O 端口介紹端口介紹 STC89C51 共有 4 個(gè) I/O 端口，為 P0（P0.0PO.7） 、P1（P1.0P.7） 、 P2（P2.0P2.7） 、P3（P3.OP3.7） ，4 個(gè) I/O 口都是雙向的，且每個(gè)口都具有鎖存器。 每個(gè)口有 8 條線，共計(jì) 32 條 I/O 線。各端口的功能敘述如下： P0 端口P0.0-P0.7：P0 是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 端口，端口置 1（對(duì)端 口寫(xiě) 1）時(shí)作高阻抗輸入端。對(duì)內(nèi)部 Fl

49、ash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收指令字節(jié)；校驗(yàn)程 序時(shí)輸出指令字節(jié)，要求外接上拉電阻。在訪問(wèn)外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0 口 是分時(shí)轉(zhuǎn)換的地址(低 8 位)/數(shù)據(jù)總線，訪問(wèn)期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。概括來(lái)說(shuō) P0 不擴(kuò)充時(shí)，可做一般 I/O 使用，但內(nèi)部無(wú)上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上 拉電阻。 P1端口P1.0P1.7：P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口。輸出時(shí)可 驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL。端口置1時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對(duì)內(nèi)部Flash 17 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收低8位地址信息。P1只做I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。 P2 端口P2.0P2.7：P2 是

50、一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。端口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對(duì)內(nèi)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)， 接收高 8 位地址和控制信息。在訪問(wèn)外部程序和 16 位外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口送出 高 8 位地址。而在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)其引腳上的內(nèi)容在此期間不會(huì)改 變。P2 做一般 I/O 使用時(shí)，其內(nèi)部有上拉電阻。 P3 端口P3.0P3.7：P3 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。端口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對(duì)內(nèi)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)接控 制信息。除此之外 P3 端口還用于一些專(zhuān)門(mén)功能

51、，P13 端口在做輸入使用時(shí)，因內(nèi)部 有上拉電阻，被外部拉低的引腳會(huì)輸出一定的電流。端口 1、2、3 有內(nèi)部上拉電阻， 當(dāng)作為輸入時(shí)，其電位被拉高，若輸入為低電平可提供電流源；而端口 0 當(dāng)作輸入時(shí)， 處在高阻抗的狀態(tài)。 控制或復(fù)位引腳：RESET 此腳為高電平時(shí)（約 2 個(gè)機(jī)器周期）可將單片機(jī)復(fù) 位。RST/VPD當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期高電平時(shí)，單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位后，P0P3 輸出 高電平；SP 寄存器為 07H；其它寄存器全部清 0；不影響 RAM 狀態(tài)。 4.24.2 基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警系統(tǒng) 圖 4.2 基于單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 半導(dǎo)體煙霧傳感器 前置放大電路 AD

52、轉(zhuǎn)換 STC89C51 GSM 模塊 現(xiàn)場(chǎng)圖像采集 GSM 網(wǎng)絡(luò) 用戶(hù) 18 確定各個(gè)部分選擇的器件之后，系統(tǒng)框圖如圖 4.2。由安置在室內(nèi)的半導(dǎo)體煙霧傳 感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到的微小信號(hào)由后面的前置放大電路進(jìn)行模擬信號(hào) 的放大然后進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行判斷是否進(jìn)行圖像采集。 19 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5.1 主程序設(shè)計(jì)及流程圖 主程序流程圖如圖 5.1 所示。首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因?yàn)?MQ-2 型半導(dǎo)體電 阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時(shí)間后，再次通電時(shí)，傳感器不能立即正常采集煙 霧信息，需要一段時(shí)間預(yù)熱。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。本論文的

53、主程 序設(shè)計(jì)先對(duì)傳感器預(yù)熱三分鐘， 預(yù)熱同時(shí)，對(duì)傳感器加熱絲故障檢測(cè)，采用軟件方式 檢測(cè)傳感器加熱絲或 電纜線是否斷線或者接觸不良。 單片機(jī)對(duì)傳感器檢測(cè)的煙霧濃度信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn) 換、平均值法濾波、線性化處理 后，將濃度值與報(bào)警限設(shè)定值相比較，判斷是否報(bào)警，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圖像采樣。 Y N 圖 5.1 開(kāi)始 程序初始化 傳感器預(yù)熱并故障檢測(cè) A/D 轉(zhuǎn)換 是否超過(guò)警報(bào)線 平均值法濾波 線性化處理 進(jìn)入報(bào)警處理程序 20 5.1.1 中位值平均濾波法數(shù)字濾波子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在煙霧傳感器對(duì)煙霧濃度采樣時(shí)，可能會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影 響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差比

54、較大。 如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計(jì)算結(jié)果上去，故平均值法不易 消除由于脈沖干擾而引起的煙霧濃度采樣值的偏差。 為此，可采取中位值平均濾波法(又稱(chēng)防脈沖干擾平均濾波法)，先對(duì) N 個(gè)采樣數(shù) 據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計(jì)算余下的 N2 個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。 這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī) 干擾。保證報(bào)警器檢測(cè)煙霧濃度的準(zhǔn)確 性，減小誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)的可能。 在實(shí)際應(yīng)用中，N 可取任何值，但為了加快測(cè)量計(jì)算速度，本論文數(shù)字濾波的設(shè) 計(jì)中 N 取 10。即調(diào)用 A/D 連續(xù)進(jìn)行 10 次采樣，去掉其中的最大值和最小值，計(jì)算其 余 8 個(gè)值的平均值，將這個(gè)平均值送入

55、寄存器。 中位值平均濾波法的程序流程圖如圖 5.2 所示。 N Y 圖 5.2 開(kāi)始 設(shè)置采樣字?jǐn)?shù) N=10 調(diào)用 A/D 采樣子程序 進(jìn)入寄存器 將 10 個(gè)采樣值排序 求第二個(gè)到第九個(gè)值的累加和 sum Sum 除以 8 求平均值 已采樣 10 次？ 21 5.1.2 插值法線性化處理子程序設(shè)計(jì)及流程圖 在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，使用之前必須進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，以得到輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào) 的關(guān)系輸出曲線，用來(lái)作為使用過(guò)程中的計(jì)量依據(jù)。但是標(biāo)定時(shí)輸出曲線往往不是一 條理想的直線，所以要對(duì)標(biāo)定曲線進(jìn)行線性化處理，用一條擬合直線近似代替輸出曲 線，線性化是智能儀表的典型功能之一。該報(bào)警器主要針對(duì)甲烷煙霧檢測(cè)，

56、在軟件線 性化處理時(shí)，以傳感器對(duì)甲烷的響應(yīng)曲線為依據(jù)。 本論文報(bào)警器使用的 MQ-2 型傳感器的電阻是隨著煙霧濃的升高而降低的，因此輸入 單片機(jī)的電壓也是隨之降低的。圖 5.3 為單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比的對(duì)應(yīng) 曲線，可以看出，電壓值與煙霧濃度 之間是非線性的關(guān)系，為了實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度. 需要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。 在誤差許可范圍內(nèi)，根據(jù)標(biāo)定曲線形狀，以及單片機(jī)處 理能力，把曲線分 成若干小段，對(duì)每小段分別線性化 圖 5.3 單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線 根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機(jī)的某一電壓值對(duì)應(yīng)的煙霧濃度的 公式如下： f(x) = f(xi) + (x-xi)*（f

57、(xi+1)-f(xi)）/（Xi+1-Xi）i=1,2,3N 式中，N 為所分區(qū)間個(gè)數(shù)， f (x)為實(shí)際煙霧檢測(cè)濃度，x 為實(shí)際氣體檢測(cè)濃度對(duì) 應(yīng)的電壓值，xi 是區(qū)間的下限濃度對(duì)應(yīng)電壓值，xi 是區(qū)間的上限濃度對(duì)應(yīng)電壓值， f (xi)為區(qū)間下限煙霧濃度值， f (xi )為區(qū)間上限煙霧濃度值。 根據(jù)公式 4-1 設(shè)計(jì)分段插值法線性化程序流程圖如圖 5.4 所示。 22 圖 5.4 分段插值法線形化程序流程圖 圖 5.4 分段插值法線形化程序流程圖 23 5.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖 5.2.1 主程序流程圖 系統(tǒng)用模塊化編程，將各部分功能分別實(shí)現(xiàn)，主要的功能子程序有：數(shù)據(jù)采集、部分 中斷

58、子程序。主程序流程圖如圖 5.5 所示 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 調(diào)用數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序 調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序 取相應(yīng)通道數(shù)據(jù) 調(diào)用標(biāo)度變換子程序 調(diào)用數(shù)據(jù)顯示子程序 調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序 圖 5.5 主程序流程圖 24 5.2.2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖 中斷方式使用 EOC 信號(hào)作為向 8051 的中斷申請(qǐng)。在主程序中，向 ADC 發(fā)出首 次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)后，并計(jì)數(shù)管理轉(zhuǎn)換通道數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到 EOC 的請(qǐng)求后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷 服務(wù)程序，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換，后繼續(xù)執(zhí)行。圖為 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程 圖。 Y N 開(kāi)始 定義 A/D 轉(zhuǎn)換緩沖區(qū)首地址 開(kāi)中斷 置通道數(shù) 置 DPTR 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 等待中斷 各通道

59、采完？ .2 鍵入章標(biāo)題(第 3 級(jí)) .3 鍵入章標(biāo)題(第 1 級(jí)).4 鍵入章標(biāo)題(第 2 級(jí)).5 鍵入章標(biāo)題(第 3 級(jí)) .6 目錄目錄 摘 要：.- 1 - Abstract:.- 1 - 第一章 緒 論.4 第二章煙霧檢測(cè)報(bào)警第二章煙霧檢測(cè)報(bào)警 器整體設(shè)計(jì)方案器整體設(shè)計(jì)方案.6 2. 1 煙霧檢測(cè)報(bào)警 器工作原理.6 2.2 煙霧檢測(cè)報(bào)警器 的結(jié)構(gòu).7 2.2. 3 3 煙霧檢測(cè)報(bào)警煙霧檢測(cè)報(bào)警 器的功能器的功能.7 第三章傳感器第三章傳感器.8 3.1 煙霧傳感器介紹.8 3.2 煙霧傳感器的選 定.12 煙霧傳感器 QM- N5.13 第四章微機(jī)接口.16 4.1 接口技術(shù)概

60、述.16 4.2 STC89C51.19 第五章硬件設(shè)計(jì)與電 路.26 5.1 煙霧傳感器電路.26 5.2 數(shù)據(jù)采集電路.27 ADC0809 與 MCS-51 系列單 片機(jī)的接口方法.29 中斷處理 返回 關(guān)中斷 圖 5.6 數(shù)據(jù)采集程序流程圖 25 5.2.3 數(shù)據(jù)采集中斷流程圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)輸入通道，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出及顯 示這五個(gè)部分組成。輸入通道要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的檢測(cè)，采樣和信號(hào)轉(zhuǎn)換等工作。數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)與管理要用存儲(chǔ)器把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行管理 和調(diào)用。數(shù)據(jù)處理就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中，刪除有關(guān)干擾噪聲，無(wú)關(guān)信息和必要 的信息，提取