火災(zāi)報警控制器設(shè)計

1、摘 要 火災(zāi)作為危害人類生存的大敵,越來越受到人們的重視。隨著高層建筑的不斷增多, 火災(zāi)隱患增加。一旦發(fā)生火災(zāi),將對人的生命財產(chǎn)造成極大的危害,會給國家造成極大的經(jīng)濟(jì)損失,給社會帶來重大影響。所以，如何較快的檢測到火災(zāi)越來越受到人們的重視，各個國家在這方面都投入的巨大的人力和物力，各種各樣的火災(zāi)檢測及報警系統(tǒng)便應(yīng)運而生了。 本系統(tǒng)根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時的特征即煙和熱，利用QM-N5傳感器檢測煙霧，利用DS18B20檢測溫度，當(dāng)檢測到煙霧或溫度較高時，通過單片機處理實現(xiàn)報警，并通過MAX485實現(xiàn)與上位機通信，實現(xiàn)上位機對下位機的分布式監(jiān)控。 本系統(tǒng)下位機有信號采集模塊，報警模塊，串口通信模塊組成，上位

2、機通過VB界面對下位機進(jìn)行監(jiān)控。整個系統(tǒng)效果還是比較好的，反應(yīng)也較快，測量結(jié)果比較準(zhǔn)確，有一定的實用性和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：傳感器;MAX485;上位機;下位機；分布式Abstract As the great enemy of mankinds survival,the fire are getting more and more attention With the continuous increase in high-rise building, the hidden trouble of fire increased. Once a fire happened ,there will

3、be a great harm to peoples lives and property ,it will cause great economic losses and a major impact on the community.So,how to konw quikely when the fire happens are receiving more and more peoples attention,and every country are putting more and more people and money on this aspect.So,a wide rang

4、 of fire detection and alarm system came into being. According to the characteristics of a happenning fire ,namely the heat and smoke,the system in this paper make use of QM-N5 smoke detection sensors to detect the smoke,make use of DS18B20 to test the heat,when the system find the smoke or high tem

5、perature,handling by the SCM,the system will give an alarm.The system communicate with the PC through MAX485,so that the PC can control the SCM. The system are made up of signal acquisition module, alarm modules, serial communication modules.The PC monitor the SCM through VB interface.The final effe

6、ct of the entire system is relatively good, and has the faster response the measurement is also comparatively accurate, it still has a certain relevance and application prospects.Key words: sensor; MAX485; PC; the next crew目 錄引言11 課題的現(xiàn)狀及研究意義21.1 課題現(xiàn)狀21.2 課題的研究意義21.3 課題要求和各章內(nèi)容安排22 相關(guān)技術(shù)和基礎(chǔ)理論介紹32.1 傳感器

7、概述32.2 RS485總線42.2.1簡介42.2.2 RS -485 方式構(gòu)成的多機通信52.3 主要器件及應(yīng)用62.3.1溫度傳感器DS18B2062.3.2煙霧傳感器QM-N592.3.3 MAX485102.3.4 STC89C51123 系統(tǒng)的總體分析與器件的選擇163.1 系統(tǒng)的整體框架163.2 溫度傳感器的選型173.3 煙霧傳感器選型174 硬件電路設(shè)計及其實現(xiàn)184.1 單片機最小系統(tǒng)184.2 溫度檢測模塊184.3 煙霧檢測模塊204.4 遠(yuǎn)距離通信電路204.5 報警電路225 軟件部分設(shè)計235.1 下位機程序設(shè)計235.1.1主程序235.1.2溫度讀取程序23

8、5.1.3 DS18B20初始化、讀寫程序285.1.4下位機通信程序295.2 上位機程序設(shè)計306 電路布板，調(diào)試及故障分析316.1 PCB設(shè)計一般步驟316.2 PCB布線工藝要求346.3 電路的調(diào)試及故障分析357 總結(jié)36謝 辭37參考文獻(xiàn)38附 錄1 系統(tǒng)PCB圖39附 錄2 程序40引言 在眾多災(zāi)害中,火災(zāi)已成為我國常發(fā)性、破壞性和影響力最強的災(zāi)害之一。隨著經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展,城市高層、地下建筑以及大型綜合性建筑日益增多,火災(zāi)隱患也大大增加,火災(zāi)發(fā)生的數(shù)量及其造成的損失都呈逐年上升趨勢。 雖然我國城市中的大、中型建筑及公共場所安裝的火災(zāi)探測報警系統(tǒng)及消防設(shè)施已逐漸普及、

9、完善,但在實際使用過程中暴露出的問題也日益突出。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)和通訊技術(shù)的高速發(fā)展,為消防行業(yè)的現(xiàn)代化動態(tài)管理提供了可能。自動控制技術(shù)、傳感技術(shù)逐漸被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑上,而以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的分布式技術(shù)的迅速滲入,為分布式火災(zāi)自動報警監(jiān)控系統(tǒng)的建立拓展了發(fā)展空間。 DCS是分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的簡稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術(shù)，其基本思想

10、是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS具有高可靠性、靈活性、易于維護(hù)等特點。 本文介紹的系統(tǒng)是應(yīng)用溫度傳感器DS18B20、煙霧傳感器MQN5，通過傳感器測量數(shù)據(jù)，通過單片機處理傳到上位機（PC機）顯示。設(shè)計簡單實用的特點,實現(xiàn)單片機對傳感器的控制,該設(shè)計可以加快檢測速度、提高效率、增強安全性。其中的當(dāng)煙霧達(dá)到一定濃度時，會聲光報警，提醒人們可能有火災(zāi)發(fā)生或者有其他異常情況發(fā)生。1 課題的現(xiàn)狀及研究意義1.1 課題現(xiàn)狀 在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災(zāi)害之一。人類能夠?qū)疬M(jìn)行利用和控制，是文明進(jìn)步的一個重要標(biāo)志。火，給人類帶來文明進(jìn)步、光明

11、和溫暖。但是，失去控制的火，就會給人類造成災(zāi)難。所以說人類使用火的歷史與同火災(zāi)作斗爭的歷史是相伴相生的，人們在用火的同時，不斷總結(jié)火災(zāi)發(fā)生的規(guī)律，盡可能地減少火災(zāi)及其對人類造成的危害。 隨著社會的不斷發(fā)展，在社會財富日益增多的同時，導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)的危險性也在增多，火災(zāi)的危害性也越來越大。據(jù)統(tǒng)計，我國70年代火災(zāi)年平均損失不到2 .5億元，80年代火災(zāi)年平均損失不到3.2億元。進(jìn)入90年代，特別是1993年以來，火災(zāi)造成的直接財產(chǎn)損失上升到年均十幾億元，年均死亡2000多人。實踐證明，隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，消防工作的重要性就越來越突出。 對于火災(zāi)最好的方案當(dāng)然是預(yù)防為主，但當(dāng)火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生時，如何才

12、能較快的檢測到火災(zāi)并發(fā)出危險警報就顯得尤其重要。所以各種火災(zāi)報警系統(tǒng)便應(yīng)運而生。其中尤以分布式火災(zāi)報警系統(tǒng)發(fā)展最快，因為它有效的結(jié)合各種軟硬件設(shè)施，并加入了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得人們能在火災(zāi)造成影響較小時像人們發(fā)出警報。1.2 課題的研究意義 火災(zāi)一般有初始、蔓延和擴(kuò)大幾個階段，把火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，對做好城市消防工作有著十分重要的意義。消防工作實行“預(yù)防為主，防消結(jié)合”的方針。這是我國人民長期以來與火災(zāi)作斗爭的經(jīng)驗總結(jié)。 對本課題的研究可以在火災(zāi)發(fā)生的初期更快更好的檢測并發(fā)出報警，更好地保衛(wèi)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)，保障公共財產(chǎn)和公民生命財產(chǎn)的安全，減少火災(zāi)造成的社會秩序的混亂。1.3 課題要求和各章內(nèi)容

13、安排 設(shè)計的任務(wù)是采用單片機為核心器件，配合單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器QM-N5實現(xiàn)分布式溫度和煙霧信息的采樣與控制，下位機通過發(fā)光二極管實時顯示溫度，并通過RS485協(xié)議實現(xiàn)與上位機的遠(yuǎn)距離通信。上位機通過VB程序?qū)ο挛粰C的工作進(jìn)行實時監(jiān)視。系統(tǒng)能有良好的實時性、準(zhǔn)確性和可靠性。并且具有一定的實際意義。 各章內(nèi)容安排：第一二章兩章主要是基礎(chǔ)理論知識的介紹。主要有本課題的研究意義、傳感器的相關(guān)理論知識以及簡要的分析了一下所用到芯片相關(guān)理論知識；第三章主要從總體方面分析系統(tǒng)的設(shè)計以及用到的相關(guān)原理；第四章是本次系統(tǒng)設(shè)計的硬件電路設(shè)計部分，詳細(xì)分析了每一模塊的原理、功能、相關(guān)原

14、理圖以及元件和參數(shù)的選擇；第五章系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計，分模塊介紹顯示電路的軟件編程；第六章主要講述了系統(tǒng)的分析測試情況；第七章主要陳述本次系統(tǒng)設(shè)計的總體以及各功能的實現(xiàn)情況；最后是主要參考的文獻(xiàn)、系統(tǒng)的原理圖、PCB圖以及完整的程序代碼。2 相關(guān)技術(shù)和基礎(chǔ)理論介紹本系統(tǒng)最重要的部分就是信號的采集和信號的傳輸。因此傳感器和RS-485的通信協(xié)議是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。我們先來了解下這些知識。2.1 傳感器概述一、傳感器的定義傳感器是一種以測量為目的，以一定的精度把測量轉(zhuǎn)換為與值偶確定關(guān)系的、便于處理的另一種物理量器件，傳感器的輸出信號多為易于處理的電量，如電壓、電流、頻率等。傳感器由敏感元件、傳感元件及

15、轉(zhuǎn)換電路三個部分組成。二、傳感器的分類傳感器的種類繁多，分類方法也不盡相同，一般常用的分類方法有兩種：一種是按被測的對象的參數(shù)分類；另一種是按傳感器的變換原理分類。此外，還有其他的分類方法，如按傳感器材料分類，按傳感器本身是否能產(chǎn)生電動勢分類和按駛?cè)?、輸出特性分類等。按變換原理分類的傳感器有：電阻式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器光柵式傳感器、熱點式傳感器、紅外傳感器、光纖傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器等。按被測對象的參數(shù)分類的傳感器有：溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、力矩傳感器、加速度傳感器、流速傳感器、振動傳感器等傳感器的上述兩種分類

16、方式各有其優(yōu)缺點。按被測對象參數(shù)分類是實用性強，便于選用，但缺乏系統(tǒng)性。例如測溫用的傳感器有很多種，有利用熱電變換原理的熱電偶傳感器，有利用光電變換原理的光電高溫計等。按變換原理分類時雖然傳感器的用途和名稱未明顯標(biāo)出，但卻顯示了傳感器相互間的本質(zhì)區(qū)別，便于了解各種傳感器的各自特點，故基本上都用變換原理分類。三、傳感器的發(fā)展方向傳感器是檢測系統(tǒng)中的重要主要組成部分，它的精度、可靠性。穩(wěn)定性、抗干擾性等直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的性能。因此，應(yīng)不斷地開發(fā)新型傳感器以于檢測系統(tǒng)。1. 由于傳感器都是利用材料的各種效應(yīng)、特性等來實現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換成電量，所以應(yīng)采用新材料、新技術(shù)、新工藝及探討新理論來發(fā)展傳感器。2

17、為了適應(yīng)計算機對信息的處理，應(yīng)發(fā)展數(shù)字式的傳感器，這樣可省去模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，而直接于計算機連接。3. 為了適應(yīng)工業(yè)和實驗中的非接觸式檢測需要，應(yīng)使用激光、微波、紅外等技術(shù)。4. 發(fā)展“傳像技術(shù)”。隨著科學(xué)的發(fā)展，不但要求傳感“個別非電量”，而且要求傳感被測源的全部信息（即傳像）。那就要求傳感器不但是小型和微型，而且應(yīng)從單個發(fā)展到組合式（傳感器陣列）形式，其中每個小傳感器測出被測源一個“像素”，整體構(gòu)成“圖像傳感”，并能在顯示屏上顯示等。5. 發(fā)展“仿生傳感器”。生物體充滿著大量有傳感作用的細(xì)胞，如視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺、冷熱感覺等細(xì)胞，這些感覺細(xì)胞，將非電量轉(zhuǎn)換成“生物電流”，由神經(jīng)系統(tǒng)傳

18、到大腦進(jìn)行處理，再發(fā)出各種控制命令。6. 傳感器是屬于敏感技術(shù)范疇之內(nèi)，而敏感元件是基礎(chǔ)元件，有了優(yōu)良的敏感元件，才能有高性能的傳感器，所以應(yīng)優(yōu)先開發(fā)新的領(lǐng)域和原理，生產(chǎn)出優(yōu)良的敏感元件。2.2 RS485總線2.2.1簡介在自動化控制領(lǐng)域,隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展,在工業(yè)上的分布式控制系統(tǒng)中,經(jīng)常需要采用串行通信來達(dá)到遠(yuǎn)程信息交換的目的。目前,用于串行通信的接口標(biāo)準(zhǔn)包括: RS - 232 、RS - 422 、RS -423 和RS - 485 。RS232 是最早的串行接口標(biāo)準(zhǔn),廣泛應(yīng)用在短距離、較低波特率串行通信中。其后發(fā)展起來的RS - 422 、RS - 485 是平衡傳送的電氣標(biāo)

19、準(zhǔn),比起RS - 232 非平衡的傳送方式在電氣指標(biāo)上有了大幅度的提高。RS - 485 串行接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)實際上是RS - 422 的變型, 它屬于七層OSI(Open System Interconnection ,開放系統(tǒng)互連) 模型物理層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。由于性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)容易,RS - 485 總線標(biāo)準(zhǔn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。RS485總線是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。采用雙絞線差分傳輸方式，可連接成半雙工和全雙工兩種通信方式。最遠(yuǎn)傳輸距離是1200米。差分輸入范圍是-7V12V。接受器輸入靈敏度為200MV，輸入阻抗大于或等于12千歐，標(biāo)準(zhǔn)接點數(shù)為32個，即每個RS485

20、接口芯片的驅(qū)動器能驅(qū)動32個標(biāo)準(zhǔn)的RS485負(fù)載。根據(jù)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口的輸入阻抗為大于等于12千歐，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動節(jié)點數(shù)為32。為了適應(yīng)更多的節(jié)點的通信場合，有些芯片的輸入阻抗設(shè)計成1/2的負(fù)載（大于或等于24千歐）、1/4負(fù)載（大于或等于48千歐）、甚至是1/負(fù)載（大于或等于96千歐）等，相應(yīng)的節(jié)點數(shù)可增加到64、128、256等。2.2.2 RS -485 方式構(gòu)成的多機通信利用PC 機與單片機構(gòu)成的多機通信系統(tǒng),采用主從式結(jié)構(gòu):主機控制多個從機,作為從機的單片機不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù),一切都由主機PC 機控制;并且在一個多級系統(tǒng)中,只有一臺主機,各臺從機之間不能相互通信,即使有信

21、息交換也必須通過主機轉(zhuǎn)發(fā)?，F(xiàn)在一般采用RS 485 構(gòu)成的多機通信系統(tǒng)原理框圖,如圖2.1所示。在總線末端接一個匹配電阻,吸收總線上的反射信號,使得正常傳輸信號無毛刺。匹配電阻的取值應(yīng)該與總線的特性阻抗相當(dāng)。在總線上沒有信號傳輸時,總線處于懸浮狀態(tài),容易受干擾信號的影響。將總線上的差分信號的正端A + 和負(fù)端B - 之間接一個10 k的電阻;負(fù)端B -和地間接一個10 k的電阻,形成一個電阻網(wǎng)路。當(dāng)總線上沒有信號傳輸時,正端A + 的電平大約為312 V ,負(fù)端B- 的電平大約為116 V ,即使有干擾信號,也很難產(chǎn)生串行通信的起始信是0 ,從而增加了總線抗干擾的能力。圖 2.1 多機通信原理

22、框圖 圖 2.2 RS - 485 互連示意圖2.3主要器件及應(yīng)用本課題所用到的主要器件除了傳感器，即溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器QM-N5，還有MAX系列的芯片MAX485。2個STC89C51的單片機。2.3.1溫度傳感器DS18B20 DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器。它的測量范圍為-50至+125，精度可達(dá)0.1不需A/D轉(zhuǎn)換電路，直接將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。DS18B20遵循嚴(yán)格的單線串行通信協(xié)議，每一個DS18B20在出廠時都用激光進(jìn)行了調(diào)較，并具有唯一的64位序列號，所以多個DS18B20可以共存與同一條線上。DS18B20的內(nèi)部

23、使用了在板（ON-BOARD）專利技術(shù)。封裝為TO-92的DS18B20將全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)如圖2.3。其外圍電路簡單，可廣泛應(yīng)用于溫度控制，溫度測量，工作系統(tǒng)及任何熱敏感系統(tǒng)中。圖 2.3 DS18B20引腳DS18B20的內(nèi)部主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM、單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式RAM）用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼（CRC）發(fā)生器等七部分。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖 2.4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)。D

24、S18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號f。，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號f。當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20對f。計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性予以補償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為9位（符號占1位），但因符號位擴(kuò)展成高8位，故以16位補碼形式讀出，表2.1給出了溫度和數(shù)字量的關(guān)系。表 2.1 DS18B20輸出數(shù)據(jù)與溫度關(guān)系DSl820工作過程分三步，如下：（1）初始化 單總線上的所有處理均從初始化開始（2）ROM操作命令 總線主機檢測到DSl820的存在便可以發(fā)出ROM操作命令之一，如表2

25、.2。表 2.2 DS18B20 ROM操作命令（3）存儲器操作命令存儲器命令如表2.3。表 2.3 DS18B20存儲器操作命令DS1820使用中注意事項 （1）較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS1820進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。對DS1820操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。 （2）在DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個DS1820，在實際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS1820超過8個時，就需解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在

26、進(jìn)行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。 （3）連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達(dá)150m，這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS1820進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 （4）在DS1820測溫程序設(shè)計中，向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦某個DS1820接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS1820時，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計時也要

27、給予一定的重視。2.3.2煙霧傳感器QM-N5 QM-N5型氣敏元件是金屬氧化物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，其電導(dǎo)率隨氣體的濃度增加而迅速升高。特點：用于可燃性氣體的檢測（CH4、C4H10、H2、煙霧等）靈敏度高 響應(yīng)速度快 輸出信號大 壽命長，工作穩(wěn)定可靠 圖2.5 MQN5的外形原理： 在200-300度時，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CO等）時，原來吸附的氧托附，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

28、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)體氣敏元件檢測可燃性氣體的基本原理。技術(shù)指標(biāo)： 加熱電壓（Vh） AC或DC 50.2V響應(yīng)時間(trec)10S回路電壓（Vc）最大DC 24V恢復(fù)時間(trec)30S 負(fù)載電陰（Rl）2K元件功耗0.7W清潔空氣中電阻 （Ra） 2000 K檢測范圍5010000ppm靈敏度（S=Ra/Rdg）4(在1000ppmC4H10中)使用壽命2年技術(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)

29、 2K清潔空氣中電阻(Ra) 4000K靈敏度(S=Ra/Rdg) 4(在1000ppmC4H10中)響應(yīng)時間(tres) 10S恢復(fù)時間(trec) 30S檢測范圍 50-10000ppmVC輸出信號RLVRLVH 圖2.6基本測試電路使用方法及注意事項 元件開始通電工作時,沒有接觸可燃性氣體,其電導(dǎo)率也急劇增加1分鐘后達(dá)到穩(wěn)定,這時方可正常使用,這段變化在設(shè)計電路時可采用延時處理解決.加熱電壓的改變會直接影響元件的性能,所以在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)使用為佳.元件在接觸標(biāo)定氣體1000ppm C4H10后10秒以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓可達(dá)到(Vdg- Va)差值的80%(即響應(yīng)時間);脫離標(biāo)定氣體1

30、000ppm C4 H1030秒鐘以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓下降到(Vdg- Va)差值的80%(即恢復(fù)時間).符號說明 檢測氣體中電阻- Rdg 檢測氣體中電壓- Vdg Rdg 與Vdg的關(guān)系: Rdg=RL(VC/Vdg-1) 負(fù)載電阻可根據(jù)需要適當(dāng)改動,不影響元件靈敏度. 使用條件:溫度-1535;相對濕度4575%RH;大氣壓力80106KPa 環(huán)境溫濕度的變化會給元件電阻帶來小的影響,當(dāng)元件在精密儀器上使用時,應(yīng)進(jìn)行溫濕度補償,最簡便的方法是采用熱敏電阻補償之. 避免腐蝕性氣體及油污染,長期使用需防止灰塵堵塞防爆不銹鋼網(wǎng).2.3.3 MAX485 MAX485接口芯片是MAXIM公司的

31、一種RS-485芯片。采用單一電源+5 V工作,額定電流為300A,采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平的功能。其引腳結(jié)構(gòu)如2.7所示。從圖2.7中可以看出,MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單,內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端,與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端,當(dāng)RE為邏輯0時,器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時,器件處于發(fā)送狀態(tài),因為MAX485工作在半雙工狀態(tài),所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當(dāng)A引腳的電平高

32、于B時,代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時,代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時將A和B端之間加匹配電阻,一般可選100的電阻。圖 2.7 MAX485引腳結(jié)構(gòu)單片機實現(xiàn)與PC機之間的通訊時,必須使用電平轉(zhuǎn)換接口芯片,因為單片機輸出的是TTL電平,必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換才能和PC機的一致。本設(shè)計中采用RS-485協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信,所以單片機需要采用RS-485接口；而在PC機側(cè)使用的是RS-232與RS-485的電平轉(zhuǎn)換接口。在設(shè)計中采用的是電平轉(zhuǎn)換模塊,該接口使用簡便、無需外加電源,而且不用任何軟件初始化和修改。由于RS-4

33、85通信是一種半雙工通信,發(fā)送和接收共用同一物理信道。在任意時刻只允許一臺單機處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應(yīng)答的單機必須在監(jiān)聽到總線上呼叫信號已經(jīng)發(fā)送完畢,并且沒有其它單機發(fā)出應(yīng)答信號的情況下,才能應(yīng)答。半雙工通信對主機和從機的發(fā)送和接收時序有嚴(yán)格的要求。如果在時序上配合不好,就會發(fā)生總線沖突,使整個系統(tǒng)的通信癱瘓,無法正常工作。要做到總線上的設(shè)備在時序上的嚴(yán)格配合,必須要遵從以下幾項原則。(1)復(fù)位時,主從機都應(yīng)該處于接收狀態(tài)/RE和DE端相連為低時,從機處于接收狀態(tài),在上電復(fù)位時,由于硬件電路穩(wěn)定需要一定的時間,并且單片機各端口復(fù)位后處于高電平狀態(tài),這樣就會使總線上各個分機處于發(fā)送狀態(tài),加上上電

34、時電路的不穩(wěn)定,可能向總線發(fā)送信息。因此,如果用一根口線作發(fā)送和接收控制信號,應(yīng)該將口線反向后接入MAX485的控制端,使上電時MAX485處于接收狀態(tài)。(2)控制端/RE,DE的信號要求在RS-232,RS-422等全雙工通訊過程中,發(fā)送和接收信號分別在不同的物理鏈路上傳輸,發(fā)送端始終為發(fā)送端,接收端始終為接收端,不存在發(fā)送、接收控制信號切換問題。在RS-485半雙工通信中,由于MAX485的發(fā)送和接收都由同一器件完成,并且發(fā)送和接收使用同一物理鏈路,必須對控制信號進(jìn)行切換?？刂菩盘柡螘r為高電平,何時為低電平,一般以單片機的TI,RI信號作參考。發(fā)送時,檢測TI是否建立起來,當(dāng)TI為高電平后

35、關(guān)閉發(fā)送功能轉(zhuǎn)為接收功能;接收時,檢測RI是否建立起來,當(dāng)RI為高電平后,接收完畢,又可以轉(zhuǎn)為發(fā)送。(3)發(fā)送控制信號在時序上的要求總線上所連接的各單機的發(fā)送控制信號在時序上完全隔開。為了保證發(fā)送和接收信號的完整和正確,避免總線上信號的碰撞,對總線的使用權(quán)必須進(jìn)行分配才能避免競爭,連接到總線上的單機,其發(fā)送控制信號在時間上要完全隔離。總之,發(fā)送和接收控制信號應(yīng)該足夠?qū)?以保證完整地接收一幀數(shù)據(jù),任意兩個單機的發(fā)送控制信號在時間上完全分開,避免總線爭端。2.3.4 STC89C51 在本設(shè)計中采用的是ATMAL公司生產(chǎn)的STC89C51單片機，它是低功耗的、具有8KB在線可編程FLASH存儲器的

36、單片機。它與通用80C51系列單片機的指令系統(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器編程器編程。它將通用CPU和在線可編程FLASH集成在一個芯片上，形成了功能強大、使用靈活和具有較高性能價格比的微控制器。簡單概括來說，單片機應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為三個層次：第一層是指單片機：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機，即所選擇的單片機器件。第二層是指單片機系統(tǒng)：指按照單片機的技術(shù)要求和嵌入對象的資源要求而構(gòu)成的基本系統(tǒng)，入時鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展存儲器于單片機構(gòu)成了單片機系統(tǒng)。第三層是指單片機應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對象的要求的全部電路系統(tǒng)。（1）單片機的基本原理在通用微機中央處理

37、器基礎(chǔ)上，將輸入/輸出（I/O）接口電路、時鐘電路以及一定容量的存儲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)成了一個較為完整的計算機硬件系統(tǒng)，由于這類計算機系統(tǒng)的基本部件均集成在同一芯片內(nèi)，因此被稱為單片機控制器（Single-Chip_Micro Control，簡稱單片機）或微控制單元（Microcontroller Unit，簡稱MCU）。（2）STC89C51系列單片機引腳功能分類單片機引腳結(jié)構(gòu)圖如圖2.8所示：圖2.8 STC89C51引腳結(jié)構(gòu)圖下面就對STC89C51的各引腳功能說明見表2.1所示：名 稱管腳號類型名稱和功能DIPLCCQFPVcc4044

38、38I電源：提供掉電、空閑、正常工作電壓P0.0-0.739-3243-3637-30I/OP0口:P0口是開漏雙向口可以寫為1 使其狀態(tài)為懸浮用作高阻輸入P0 也可以在訪問外部程序存儲器時作地址的低字節(jié)在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時作數(shù)據(jù)總線此時通過內(nèi)部強上拉輸出1。P1.0-1.71-82-940-441-3I/OP1口:P1口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口向P1口寫入1時P1口被內(nèi)部上拉為高電平時可用作輸入口，當(dāng)作為輸入腳時被外部拉低的P1口會因為內(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口寫入1時P2 口被內(nèi)部上拉為高

39、電平，可用作輸入口。名 稱管腳號類型名稱和功能DIPLCCQFPP3.0-3.710-1711,13-195,7-13I/OP3口：P3 口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O 口，向P3 口寫入1時，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，被外部拉低的P3口會因為內(nèi)部上拉而輸出電流。 RST9104I復(fù)位：當(dāng)晶振在運行中時，只要復(fù)位管腳出現(xiàn)2個機器周期高電平即可復(fù)位，內(nèi)部有擴(kuò)散電阻連接到Vss，僅需要外接一個電容到Vcc即可實現(xiàn)上電復(fù)位。EA/Vpp313529O接電源VccXTAL1192115I晶體1：反相振蕩放大器輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路輸入XTAL2182014O晶體2：反相振蕩放

40、大器輸出表2.1 STC89C51各個引腳功能圖示 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。如圖2.9所示外接晶體引腳圖： C2 XTAL2 懸空 XTAL2 C1 XTAL1 外部振蕩信號 XTAL1 GND GND 接地 接地a內(nèi)部方式 b外部方式圖2.9 晶振外接結(jié)構(gòu)引腳圖 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，外部振蕩信號應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時鐘頻

41、率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz-24MHz內(nèi)選擇，在本設(shè)計電路中選用了12MHz。電容取20PF左右。機器周期12時間周期，如12MHz的機器周期為1微秒。 輸入輸出引腳（4個I/O口）STC89C51共有4個I/O端口，為P0（P0.0PO.7）、P1（P1.0P.7）、P2（P2.0P2.7）、P3（P3.OP3.7），4個I/O口都是雙向的，且每個口都具有鎖存器。每個口有8條線，共計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8位漏極開路型雙向I/O端口，端口置1（對端口寫1）時作高阻抗輸入端。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收指令字節(jié)；校

42、驗程序時輸出指令字節(jié)，要求外接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時，P0口是分時轉(zhuǎn)換的地址(低8位)/數(shù)據(jù)總線，訪問期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。概括來說P0不擴(kuò)充時，可做一般I/O使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應(yīng)在外部接上拉電阻。 P1端口P1.0P1.7：P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口。輸出時可驅(qū)動4個TTL。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，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是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到

43、高電平，作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收高8位地址和控制信息。在訪問外部程序和16位外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址。而在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。P2做一般I/O使用時，其內(nèi)部有上拉電阻。 P3端口P3.0P3.7：P3是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時接控制信息。除此之外P3端口還用于一些專門功能，P13端口在做輸入使用時，因內(nèi)部有上拉電阻，被外部拉低的引腳會輸出一定的電流。端口1、2、3有內(nèi)部上拉電阻，當(dāng)作為輸入時，其電位被拉高，若輸入為低

44、電平可提供電流源；而端口0當(dāng)作輸入時，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（約2個機器周期）可將單片機復(fù)位。RST/VPD當(dāng)出現(xiàn)兩個機器周期高電平時，單片機復(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)。由于AT89S52兼容了80C51的全部功能，所以可以用80C51來介紹STC89C51，具體如圖2.10所示。 圖 2.10 復(fù)位電路 3 系統(tǒng)的總體分析與器件的選擇 3.1系統(tǒng)的整體框架 從上面的系統(tǒng)框架圖可以很清楚的了解整個系統(tǒng)的各個模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊，在開始制作一個系統(tǒng)之前，選好合適傳感器是成功的第一步

45、。3.2 溫度傳感器的選型 對于溫度傳感器的選擇，筆者對多種傳感器進(jìn)行了比較，最終決定選擇美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，這款傳感器不但價格便宜，而且精度也較高。 在多點測溫系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的測溫方法是將模擬信號遠(yuǎn)距離采樣進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，而為了獲得較高的測溫精度，就必須采用措施解決由長線傳輸，多點測量切換及放大電路零點漂移等造成的誤差補償問題。采用數(shù)字溫度芯片DS18B20測量溫度，輸出信號全數(shù)字化。便于單片機處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線形較好。在0100時，最大線形偏差小于1。D

46、S18B20的最大特點之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計DS1820和微控制器STC89C51構(gòu)成的溫度測量裝置,它直接輸出溫度的數(shù)字信號,可直接與計算機連接。 采用溫度芯片DS18B20測量溫度，可以體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化的趨勢。部分功能電路的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測量電路的精確度。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。本方案應(yīng)用這一溫度芯片，也是順應(yīng)這一趨勢。3.3 煙霧傳感器選型現(xiàn)在的技術(shù)，測煙霧有很多方法，可以直接用煙霧傳感器，還可以利用光的散射原理等等。但是類似光散射這樣的元件，還需要AD轉(zhuǎn)化，電路接線會比

47、較麻煩，筆者在煙霧檢測用的傳感器是QM-N5。它是個氣敏元件。以SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸到還原性氣體時，其電導(dǎo)率隨氣體的濃度的增加而迅速升高。而其電阻就會迅速降低，當(dāng)串接一個電阻時，其分壓就會變小，當(dāng)把其輸入到單片機I/O口時就會出現(xiàn)I/O口電平從高到低的變化，我們就可以通過查詢或中斷的方式進(jìn)行處理，十分方便。所以筆者決定選用此種傳感器。4 硬件電路設(shè)計及其實現(xiàn)4.1單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng).對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機、晶振電路、復(fù)位電路. STC89C51單片機最小系統(tǒng)見

48、圖4.1。 圖 4.1 STC89C51單片機最小系統(tǒng)下面筆者分別對最小系統(tǒng)的各個部分進(jìn)行簡單介紹，前面已經(jīng)介紹了STC89C51在此不再贅述，首先介紹一下晶振電路。晶振電路： 晶振電路為單片機的正常工作提供時鐘信號，可以說是單片機的心臟部分，它一般有晶振和電容兩部分組成。晶振的選擇根據(jù)系統(tǒng)的其他設(shè)計要求不同而有所不同，常用的有11.0592M和12M兩種，11.0592一般用于串口通信，因為它可以提供準(zhǔn)確的波特率，本系統(tǒng)因為要和上位機進(jìn)行通信，故選用該種晶振。12M晶振是最常用的晶振，因為它可以產(chǎn)生精確的S級的機器周期,方便定時操作。4.2 溫度檢測模塊根據(jù)供電方式的不同DS18B20有兩種

49、不同的接法。第一種：寄生電源在DS18B20內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換時，為DQ線上提供很強的上拉，采用電力MOSFET直接給DS18B20供電，這種供電方式有兩種好處：1）進(jìn)行遠(yuǎn)距離測溫時，無需本地電源；2）可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀ROM。采用這種供電方式時VDD必須接地，如圖4.2所示。圖 4.2 DS18B20寄生電源第二種：外接電源 第二種供電方式使用得比較普遍，具體電路如圖4.3所示。將外部電源直接接到DS18B20的VDD上，這種方式下單片機一個I/O口可以接上多個DS18B20芯片。本系統(tǒng)采用這種方式。圖 4.3 DS18B20接線圖4.3煙霧檢測模塊 QM-N5的連接方式如圖4.4所示，

50、因為煙霧傳感器內(nèi)部1腳和三腳相連，4腳和6腳相連，所以電路連接只需一對就可以工作了。20K的可調(diào)電阻是為其報警功能而添加的。當(dāng)傳感器檢測到煙霧的時間，第3和第6腳之間的電阻會變的很低，可調(diào)電阻在適合的阻值時，單片機的P1.2口就會被至為低電平，此時我們就可以通過查詢或中斷方式檢測該信號變化，檢測到后設(shè)置P1.3口也為低電平，加上個三極管，這樣就可以驅(qū)動蜂鳴器，達(dá)到報警的目的。 圖4.4 QM-N5的接線圖4.4遠(yuǎn)距離通信電路 本系統(tǒng)采用MAX485實現(xiàn)單片機與PC機的通信，前面已經(jīng)介紹了MAX485的使用方法及注意事項，在此筆者僅對該系統(tǒng)中MAX485的使用做簡要介紹。影響RS-485總線通訊

51、速度和通信可靠性的三個因素：在通信電纜中的信號反射 在通信過程中，有兩種信號因?qū)е滦盘柗瓷洌鹤杩共贿B續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射。這種信號反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個同樣大小的終端電阻，如圖4.5所示。圖 4.5 MAX485阻抗匹配電路在通訊電纜中的信號衰減 第二個影響信號傳輸?shù)囊蛩厥切盘栐陔娎|的傳輸過程中衰減。一條傳輸電纜可

52、以把它看出由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路。電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。導(dǎo)線的電阻在這里對信號的影響很小，可以忽略不計。信號的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感組成的LC低通濾波器。本設(shè)計采用了雙絞線作為傳輸線。在通訊電纜中的純阻負(fù)載 影響通訊性能的第三個因素是純阻性負(fù)載（也叫直流負(fù)載）的大小。這里指的純阻性負(fù)載主要由終端電阻、偏置電阻和RS-485收發(fā)器三者構(gòu)成。在通訊波特率比較高的時候，在線路上偏置電阻是很有必要的。偏置電阻的連接方法如圖3.10。它的作用是在線路進(jìn)入空閑狀態(tài)后，把總線上沒有數(shù)據(jù)時（空閑方式）的電平拉離0電平。這樣一來，即使線路中出現(xiàn)了

53、比較小的反射信號或干擾，掛接在總線上的數(shù)據(jù)接收器也不會由于這些信號的到來而產(chǎn)生誤動作。在實際應(yīng)用中，RS-485總線加偏置電阻有兩種方法： 把偏置電阻平衡分配給總線上的每一個收發(fā)器。這種方法給掛接在RS-485總線上的每一個收發(fā)器加了偏置電阻，給每一個收發(fā)器都加了一個偏置電壓。 在一段總線上只用一對偏置電阻。這種方法對總線上存在大的反射信號或干擾信號比較有效。值得注意的是偏置電阻的加入，增加了總線的負(fù)載。 在PC機端加上RS-232轉(zhuǎn)RS485模塊后，最終通信電路設(shè)計如圖4.6。圖 4.6 遠(yuǎn)距離通信電路4.5報警電路 該系統(tǒng)中的報警電路有三極管系統(tǒng)組成，三極管使用PNP型，如圖4.7所示當(dāng)單片機的P1.3口為高電平時，三極管不能導(dǎo)通，蜂鳴器不能被驅(qū)動，當(dāng)通過程