單片機(jī)課程設(shè)計(jì)安全智能家居監(jiān)控系統(tǒng)

1、安全智能家居監(jiān)控系統(tǒng)作品類型：微控制器mcu開(kāi)發(fā)應(yīng)用類安全智能家居監(jiān)控系統(tǒng)摘要本系統(tǒng)以單片機(jī)c8051f340為控制中心，運(yùn)用zymq-4氣敏傳感器構(gòu)造了天然氣報(bào)警排險(xiǎn)電路；運(yùn)用mq-2煙霧傳感器構(gòu)建了煙霧報(bào)警更新室內(nèi)空氣電路，并結(jié)合熱敏電阻構(gòu)建了火災(zāi)報(bào)警電路；運(yùn)用門(mén)磁開(kāi)關(guān)構(gòu)造了門(mén)磁報(bào)警電路；同時(shí)還建立了電話報(bào)警系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)家居的安全化，便利化。此外，我隊(duì)還利用pcf8563時(shí)鐘芯片和lcd，使lcd實(shí)時(shí)的顯示時(shí)鐘信號(hào)。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制，報(bào)警系統(tǒng)，繼電器控制abstractthe system use mcu c8051f340 as the control center part, u

2、sing zymq-4 gas sensor responsible for risk of natural gas alarm circuit; the use of mq-2 smoke sensors builts indoor air circuit smoke alarm refreshes, combined with thermistor built fire alarm circuit; use magnetic structure of the door magnetic alarm switch circuit; at the same time established a

3、 telephone. implementation of the indoor home security and facilitation. in addition, our team also used the pcf8563 clock chip and lcd, to make lcd display real-time clock signal.keywords: mcu control alarm system relay crontrol26一、引言1、意義隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，我們的生活質(zhì)量也得到了極大的改善，尤其是煤氣的普及使生產(chǎn)效率、市民的生活質(zhì)量

4、得到大幅提升，然而使用燃?xì)獾倪^(guò)程中，因燃?xì)庑孤U氣等原因造成的燃?xì)獗?、中毒、火?zāi)等意外事故時(shí)有發(fā)生，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅。因此居家安全問(wèn)題就受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，其中，防煤氣泄漏、防火、防盜以及節(jié)能的關(guān)注程度較高，我們就是針對(duì)這些問(wèn)題設(shè)計(jì)了一套安全家居系統(tǒng)。此系統(tǒng)有以下功能：（1）對(duì)泄漏(積聚擴(kuò)散)的可燃?xì)怏w或有毒氣體的濃度進(jìn)行檢測(cè)、報(bào)警、關(guān)閉煤氣閥門(mén)，由報(bào)警接點(diǎn)帶動(dòng)連鎖裝置自動(dòng)開(kāi)啟軸流風(fēng)機(jī)，排除險(xiǎn)情。（2）對(duì)煙霧以及溫度進(jìn)行檢測(cè)、報(bào)警，自動(dòng)開(kāi)啟軸流風(fēng)機(jī)，更新室內(nèi)空氣。（3）當(dāng)主人不在家的時(shí)候，可以通過(guò)門(mén)磁開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)陌生人開(kāi)啟房門(mén)和窗戶進(jìn)行報(bào)警。（4）以上的系統(tǒng)我們還

5、專門(mén)設(shè)計(jì)了電話控制系統(tǒng)，當(dāng)家里有險(xiǎn)情出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)電話通知居室主人，以便及時(shí)排除險(xiǎn)情。（5）利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片和lcd，讓lcd實(shí)時(shí)顯示時(shí)間。因此，一套包含煤氣報(bào)警排險(xiǎn)裝置、煙霧報(bào)警更新氣體裝置、門(mén)磁、窗磁報(bào)警裝置、電話報(bào)警裝置的系統(tǒng)，是安全家居中的重中之重。2、技術(shù)要求 2.1設(shè)計(jì)要求（1）煤氣報(bào)警排險(xiǎn)裝置采用mq-4氣體傳感器檢測(cè)煤氣濃度，當(dāng)室內(nèi)濃度高于1000pp時(shí)，檢測(cè)電路給予單片機(jī)信號(hào)，單片機(jī)控制繼電器關(guān)閉煤氣閥門(mén)，開(kāi)啟報(bào)警器報(bào)警，同時(shí)控制軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，更新室內(nèi)空氣排險(xiǎn)。當(dāng)濃度降到正常值時(shí)，報(bào)警和軸流風(fēng)機(jī)均停止。（2）煙霧報(bào)警更新氣體裝置采用mq-2煙霧傳感器和熱敏電阻檢測(cè)室內(nèi)煙霧

6、濃度以及溫度，當(dāng)檢測(cè)煙霧和溫度同時(shí)超標(biāo)時(shí)，檢測(cè)電路給予單片機(jī)信號(hào)，控制報(bào)警器報(bào)警且同步控制軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，更新室內(nèi)空氣，當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度降低到正常之時(shí)，報(bào)警和軸流風(fēng)機(jī)均停止。（3）門(mén)磁、窗磁報(bào)警裝置通過(guò)門(mén)磁開(kāi)關(guān)5c-31b給予單片機(jī)信號(hào)，開(kāi)啟報(bào)警器報(bào)警。（4）煤氣報(bào)警排險(xiǎn)裝置、煙霧報(bào)警更新氣體裝置、門(mén)磁、窗磁報(bào)警裝置均采用了電話自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)有險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通知居室主人，并報(bào)告險(xiǎn)情。并且煤氣檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、門(mén)磁報(bào)警同時(shí)進(jìn)行，運(yùn)用單片機(jī)采用中斷方式控制，三者互不影響。（5）為了合理利用資源，煤氣報(bào)警排險(xiǎn)裝置、煙霧報(bào)警更新氣體裝置、門(mén)磁、窗磁報(bào)警裝置均采用同一個(gè)報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。（6）lcd顯

7、示的實(shí)時(shí)時(shí)間應(yīng)不出現(xiàn)太大偏差。2.2可以擴(kuò)展部分（1）門(mén)磁報(bào)警裝置可以載入密碼功能，家人進(jìn)入房間只要在規(guī)定的時(shí)間鍵入密碼就不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。（2）門(mén)磁、窗磁報(bào)警裝置在報(bào)警的同時(shí)開(kāi)啟攝像頭進(jìn)行視頻采集，并將視頻傳輸?shù)骄W(wǎng)上，使得主人在外地也可以及時(shí)了解家中的情況。（3）另加一個(gè)溫度傳感器，讓lcd實(shí)時(shí)顯示時(shí)間的同時(shí)，顯示室內(nèi)的溫度。（3）可以利用濕度傳感器，在外面下雨的時(shí)候感知濕度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)窗功能，真正做到家居生活的安全化，智能化，健康化，節(jié)能化，便利化。3、說(shuō)明（1）本次設(shè)計(jì)考慮到煤氣的危險(xiǎn)性，故采用和煤氣性質(zhì)相同的天然氣代替其進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試，所用傳感器應(yīng)對(duì)天然氣最敏感。本裝置理論上對(duì)二者的檢測(cè)報(bào)

8、警控制電路完全一致，在具體必須用于煤氣檢測(cè)時(shí)，可以更換對(duì)煤氣更敏感的氣體傳感器。（2）煙霧報(bào)警更新氣體裝置本應(yīng)該采用多點(diǎn)測(cè)量綜合考慮，但是出于時(shí)間的緊迫性，實(shí)驗(yàn)裝置的易操作性，本設(shè)計(jì)中只采用一點(diǎn)測(cè)量。在現(xiàn)實(shí)生活具體利用時(shí)，可增加傳感器進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。（3）設(shè)計(jì)報(bào)告正文中的系統(tǒng)總體框圖、主要流程圖采用word繪制，主要核心電路原理圖采用protel工具軟件繪出。完整的電路原理圖、重要的源程序用附件給出。二、 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)煤氣報(bào)警排險(xiǎn)、煙霧報(bào)警更新氣體、門(mén)磁、窗磁報(bào)警系統(tǒng)三套報(bào)警器的裝置和一套定時(shí)控制裝置。設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是檢測(cè)到信號(hào)后的控制問(wèn)題。同時(shí)控制裝置的靈敏性和實(shí)時(shí)性也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問(wèn)

9、題。1.方案設(shè)計(jì)概要1.1 方案一：用模擬器件實(shí)現(xiàn)的反饋控制系統(tǒng)擾動(dòng) 1.1.1系統(tǒng)原理用模擬器件實(shí)現(xiàn)的反饋控制系統(tǒng)的經(jīng)典方塊圖如下圖：b(t)y(t)u(t)給定裝置反饋裝置（檢測(cè)元件）校正裝置放大元件執(zhí)行元件被控對(duì)象控制器受控對(duì)象圖1 模擬器件控制系統(tǒng)的經(jīng)典方塊圖此閉環(huán)控制系統(tǒng)的經(jīng)典方塊圖各方塊的功能如下：（1）給定裝置：其功能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。（2）比較元件：其功能是將檢測(cè)元件測(cè)量到的被控量的實(shí)際值，與給定裝置提供的給定值進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。（3）放大元件：比較元件通常位于低功率的輸入端，由于提供的偏差信號(hào)很微弱，因此必須由放大元件將其放大，以便推動(dòng)執(zhí)行機(jī)

10、構(gòu)去控制對(duì)象。如果偏差是電信號(hào)，則可用集成電路和晶閘管等元器件所構(gòu)成的電壓放大器和功率放大器來(lái)進(jìn)行放大。（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：其功能是執(zhí)行控制作用并驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，使被控量按照預(yù)定的規(guī)律變化。（5）檢測(cè)元件：其功能是測(cè)量被控制的物理量，并將其反饋到系統(tǒng)輸入端。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中檢測(cè)元件及相關(guān)的元器件構(gòu)成系統(tǒng)的反饋裝置。如果被測(cè)量的物理量是電量，一般用電阻、電位器、電流互感器和電壓互感器等來(lái)測(cè)量；如果被測(cè)量的物理量是非電量，通常檢測(cè)元件應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為電量，以便于處理。（6）校正裝置：校正裝置的功能是對(duì)進(jìn)行加工處理，以形成合適的控制作用，從而使系統(tǒng)的被控制量按預(yù)定的規(guī)律變化。通常在控制系統(tǒng)中，將校正裝置和放大

11、器組合在一起構(gòu)成一個(gè)器件，稱為控制器。1.1.2.實(shí)現(xiàn)方法為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能，系統(tǒng)各模塊的分析實(shí)現(xiàn)如下：（1）檢測(cè)元件：由于需要檢測(cè)室內(nèi)的煤氣（或煙霧），顯然，檢測(cè)元件應(yīng)選擇氣敏傳感器（或煙霧傳感器），將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行反饋，（2）比較元件：閉環(huán)控制經(jīng)典系統(tǒng)中的偏差可為正偏差、亦可為負(fù)偏差，只要有偏差，控制器和受控系統(tǒng)均運(yùn)作，直到偏差接近0為止。這顯然與本次設(shè)計(jì)的技術(shù)要求相違背，所以所選的比較元件只能給予正偏差，負(fù)偏差一切置0。電壓比較器正符合此要求。故比較元件選用電壓比較器較為合理。（3）給定裝置：由電壓比較器知，給定裝置選用一直流電源提供一直流電壓即可，選用一電壓值可調(diào)的恒壓源最

12、為合理。同理可得，檢測(cè)元件應(yīng)給予電壓信號(hào)。（4）控制器：由于電壓比較器給予一高電平，無(wú)法驅(qū)動(dòng)后續(xù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象，故控制器應(yīng)選用功率放大器。（5）受控系統(tǒng)：顯然受控系統(tǒng)應(yīng)為軸流風(fēng)機(jī)和蜂鳴器。由以上分析可得此控制系統(tǒng)如下恒壓源軸流風(fēng)機(jī)蜂鳴器功率放大器傳感器+-比較器 圖2 模擬器件控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由上圖可知，首先根據(jù)所需測(cè)得室內(nèi)煤氣（或煙霧）濃度的上限值，根據(jù)傳感器特性，將其轉(zhuǎn)化恒定電壓，將此電壓設(shè)定為恒壓源的輸出電壓，當(dāng)室內(nèi)濃度高于濃度上限時(shí)，傳感器輸出的電壓高于此設(shè)定電壓，此時(shí)電壓比較器輸出高電平，經(jīng)功率放大器放大后，帶動(dòng)蜂鳴器和軸流風(fēng)機(jī)工作，由于軸流風(fēng)機(jī)的不斷地向外排氣，室內(nèi)煤氣（煙霧）

13、濃度下降，當(dāng)濃度低于上限值時(shí)，傳感器輸出的電壓低于設(shè)定電壓，此時(shí)電壓比較器輸出低電平，蜂鳴器和軸流風(fēng)機(jī)停止工作。1.2 方案二：利用比較器的單片機(jī)控制（如圖3）1.2.1系統(tǒng)原理單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器cpu、隨機(jī)存儲(chǔ)器ram、只讀存儲(chǔ)器rom、多種i/o口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、a/d轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相

14、比，單片機(jī)只缺少了i/o設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。單片機(jī)是靠程序運(yùn)行的，并且可以修改。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是一些特殊的功能。所以可以用單片機(jī)編寫(xiě)程序進(jìn)行控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)作。1.2.2實(shí)現(xiàn)方法電壓比較器能夠通過(guò)電壓比較，輸出高低電平兩種模式，所以可以根據(jù)單片機(jī)的特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框架如下：熱敏電阻火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（mq-2）門(mén)磁窗磁開(kāi)關(guān)（5c-31b）繼電器軸流風(fēng)機(jī)報(bào)警電路電磁閥煤氣檢測(cè)電路（mq-4）比較器（lm311）單片機(jī)c8051f340電話自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)圖3 利用電壓比較器的單片機(jī)控制框架1煤氣（或煙霧）傳感器和熱敏電阻隨時(shí)檢測(cè)室內(nèi)煤氣（或煙霧和溫度），并轉(zhuǎn)變

15、為電壓信號(hào)傳給比較器，當(dāng)室內(nèi)煤氣（煙霧和溫度）超過(guò)設(shè)定的上限值時(shí)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)編程控制蜂鳴器報(bào)警，并同時(shí)通過(guò)繼電器控制軸流風(fēng)機(jī)工作排氣。（煤氣泄漏還要通過(guò)繼電器關(guān)掉電磁閥），當(dāng)室內(nèi)氣體濃度降到上限值以下時(shí)，關(guān)閉蜂鳴器和軸流風(fēng)機(jī)。以達(dá)到安全保護(hù)和更換室內(nèi)氣體的功能。門(mén)磁、窗磁開(kāi)關(guān)一直檢測(cè)門(mén)窗的閉合，若打開(kāi)，則進(jìn)行聲光報(bào)警。以上部分一旦有信號(hào)輸入單片機(jī)，則單片機(jī)會(huì)檢測(cè)電話線上有無(wú)鈴留信號(hào)，若有則延時(shí)繼續(xù)檢測(cè)，直到無(wú)鈴留信號(hào)，系統(tǒng)模擬摘機(jī)，發(fā)送dtmf信號(hào)，若沒(méi)有接通，則模擬掛機(jī)，機(jī)修檢測(cè)鈴留信號(hào)，當(dāng)接通后，會(huì)有語(yǔ)音信息提示居室主人家里發(fā)生什么險(xiǎn)情。1.3 方案三：利用a/d轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)控制（如圖4

16、）a/d轉(zhuǎn)換器能把測(cè)量電路所測(cè)得的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)，故可設(shè)計(jì)如下控制系統(tǒng)框架：熱敏電阻火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（mq-2）門(mén)磁窗磁開(kāi)關(guān)（5c-31b）繼電器軸流風(fēng)機(jī)報(bào)警電路電磁閥煤氣檢測(cè)電路（mq-4）a/d轉(zhuǎn)換器單片機(jī)c8051f340電話自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)圖4利用a/d轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)控制框圖2、方案優(yōu)缺點(diǎn)分析與選擇以上方案各有優(yōu)缺點(diǎn)：（1）模擬器件實(shí)現(xiàn)的反饋控制系統(tǒng)能夠有效地抑制被通道包圍的前向通道中的各種擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出量的影響；也可以減小被控對(duì)象的參數(shù)變化對(duì)輸出量的影響。但是由于增加了反饋通道，使模擬器件實(shí)現(xiàn)的反饋控制系統(tǒng)增加了元器件的數(shù)目和系統(tǒng)的復(fù)雜程度；模擬器件實(shí)現(xiàn)的反饋

17、控制系統(tǒng)帶來(lái)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題；系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化和干擾靈敏度不算太好等使得實(shí)現(xiàn)模擬器件實(shí)現(xiàn)的反饋控制系統(tǒng)（方案一）有一定的難度。（2）單片機(jī)是一種微型的計(jì)算機(jī)，具備計(jì)算機(jī)絕大多數(shù)功能，高集成度、體積小、高可靠性、控制功能強(qiáng)、低功耗、性價(jià)比高，適合安全家居的要求。方案二中，利用電壓比較器的輸出來(lái)作為單片機(jī)的輸入信號(hào)，由于電壓比較器的高電平電壓可以通過(guò)調(diào)整上拉電阻來(lái)進(jìn)行數(shù)值調(diào)整，以符合單片機(jī)的輸入要求，可以達(dá)到很好的效果。方案三中，利用a/d轉(zhuǎn)換器的輸出作為單片機(jī)的輸入信號(hào)，由于a/d轉(zhuǎn)換器是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，單片機(jī)的輸入有一定的上限值（過(guò)大會(huì)燒毀），所以利用a/d轉(zhuǎn)換器很難保證單片機(jī)的輸入在安

18、全范圍內(nèi)。綜合各方案的特征和設(shè)計(jì)的可行性，最終選擇方案二，單片機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)本次安全家居的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。3、系統(tǒng)方案在控制電路方式確定后，根據(jù)設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)技術(shù)要求，就可以構(gòu)建系統(tǒng)的總體框圖，如圖5所示。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片(pcf8563)熱敏電阻火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（mq-2）門(mén)磁開(kāi)關(guān)（5c-31b）lcd顯示時(shí)鐘繼電器軸流風(fēng)機(jī)報(bào)警電路熱水器電磁閥語(yǔ)音電路模擬摘掛機(jī)電路dtmf發(fā)送電路鈴流檢測(cè)電路固定電話機(jī)煤氣檢測(cè)電路（mq-4）比較器（lm311）單片機(jī)c8051f340圖5 安全家居系統(tǒng)總體框圖三、 理論分析與計(jì)算1、 傳感器的選擇與分析 1.1氣敏傳感器zymq-4氣敏傳感器由微型al2o3陶瓷管、s

19、no2敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。zymq-4氣敏傳感器對(duì)甲烷、天然氣有很高的靈敏度；對(duì)乙醇、煙霧的靈敏度很低；具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；使用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。所以本次設(shè)計(jì)中采用zymq-4氣敏傳感器。其標(biāo)準(zhǔn)工作條件如下表： 符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)要求備注回路電壓ac or dc加熱電壓5.0v0.2vac or dc負(fù)載電阻可調(diào)加熱電阻313室溫加熱功耗表1 zymq-4氣敏傳感器的標(biāo)準(zhǔn)工作條件zymq-4氣敏傳感器的檢測(cè)范圍為:300-10000ppm,敏感體表面電阻為: （5000p

20、pm 甲烷），靈敏度（的變化率）為:(1000ppm/5000ppm ),其靈敏度特性曲線如下：圖6 zymq-4氣敏傳感器靈敏度特性曲線由上圖可知，zymq-4氣敏傳感器的電阻值與室內(nèi)氣體濃度呈線性遞減關(guān)系，所以室內(nèi)濃度與氣敏傳感器的電流近似呈線性關(guān)系，再結(jié)合電位器，即可將濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。1.2煙霧傳感器由圖6可以看出，zymq-4氣敏傳感器關(guān)于煙霧（smoke）的特性曲線較為平緩，從而可知zymq-4氣敏傳感器對(duì)煙霧也有一定的敏感性，但敏感性很微弱，無(wú)法進(jìn)行正常的煙霧檢測(cè)。所以，我們選擇了和zymq-4氣敏傳感器同系列的mq-2的煙霧傳感器進(jìn)行煙霧火災(zāi)報(bào)警的檢測(cè)器件。mq-2對(duì)煙霧

21、的敏感性較強(qiáng)，而對(duì)天然氣卻很弱。mq-2煙霧傳感器與mq-4氣敏傳感器屬同一系列的傳感器，其外觀、連接方式、標(biāo)準(zhǔn)工作條件、輸出方式等特性均與mq-4相似。故其理論分析和測(cè)試電路與mq-4相同四、 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的總體方框圖如圖6所示，下面根據(jù)總體方框圖介紹各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)。1、實(shí)時(shí)時(shí)鐘pcf8563pcf8563是低功耗的cmos實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，它提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電檢測(cè)器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過(guò)總線接口串行傳遞。最大總線速度為400kbits/s，每次讀寫(xiě)數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。pcf8563實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的工作電路如下： 圖7 pcf8563實(shí)

22、時(shí)時(shí)鐘芯片的工作電路其中，osoi為振蕩器輸入，osoc為振蕩器輸出，/int為中斷輸出（開(kāi)漏；低電平有效），接地，sda為串行數(shù)據(jù)i/o，scl為串行時(shí)鐘輸入，clkout為時(shí)鐘輸出（開(kāi)漏），為正電源。2、煤氣（煙霧）檢測(cè)電路煤氣（煙霧）檢測(cè)電路如圖11所示，圖8 煤氣（煙霧）檢測(cè)電路集成比較器lm311的3號(hào)端恒輸入5v電壓（即=5v），由于傳感器輸出電流與室內(nèi)煤氣（煙霧）濃度成比例關(guān)系，即i=kc（i為傳感器輸出電流，c為室內(nèi)煤氣濃度，k為比例常數(shù)），故可通過(guò)傳感器和電位器將濃度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸入到lm311的2號(hào)端（即=kc*）。電壓比較器可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二值信號(hào)：當(dāng)輸入端電壓高于輸

23、入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平；當(dāng)輸入端電壓低于輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平。lm311是一種通用的集成比較器，開(kāi)環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比小；但其響應(yīng)速度快，傳輸延遲時(shí)間短，而且可以直接把高電平信號(hào)輸入給單片機(jī)。 由以上分析可知，可以調(diào)節(jié)電位器的阻值來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)報(bào)警濃度的上限制。3.門(mén)磁檢測(cè)報(bào)警電路門(mén)磁檢測(cè)報(bào)警電路如下圖： 圖9 門(mén)磁檢測(cè)報(bào)警電路門(mén)磁開(kāi)關(guān)5c-31b可設(shè)置為常開(kāi)型和常閉型。當(dāng)設(shè)置為常開(kāi)始時(shí)，開(kāi)門(mén)不報(bào)警，關(guān)門(mén)報(bào)警；當(dāng)設(shè)置為常閉型時(shí)，開(kāi)門(mén)報(bào)警，關(guān)門(mén)不報(bào)警。3、繼電器控制電路繼電器控制電路如下圖所示：圖10 繼電器控制電路圖本電路所用的繼電器型號(hào)為hjr-4102-l-12

24、v，繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。本電路中，當(dāng)單片機(jī)輸出口有信號(hào)時(shí)，繼電器動(dòng)觸點(diǎn)2由與常閉觸點(diǎn)3吸合跳變?yōu)榕c常開(kāi)觸點(diǎn)1吸合，此時(shí)，電路導(dǎo)通，軸流風(fēng)機(jī)/電磁閥/熱水器開(kāi)始工作；當(dāng)單片機(jī)輸出口信號(hào)消失時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)又跳變?yōu)榕c常閉觸點(diǎn)吸合，軸流風(fēng)機(jī)/電磁閥/熱水器停止工作。二極管in4007起保護(hù)晶體管9013的作用。當(dāng)晶體管9013由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，流經(jīng)繼電器線圈的電流將迅速減小，這時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生很高的自感電動(dòng)勢(shì)與電源電壓疊加后加在9013的集電極與發(fā)射集之間，會(huì)使晶

25、體管擊穿，并聯(lián)上二極管后，即可將線圈的自感電動(dòng)勢(shì)鉗位于二極管的正向?qū)妷?，從而避免擊穿晶體管。4、報(bào)警電路報(bào)警電路如下圖所示：圖11 報(bào)警電路當(dāng)輸入端p1.0有信號(hào)輸入時(shí)，晶體管q7基極產(chǎn)生電流，此時(shí)晶體管導(dǎo)通，在+5v電壓下，蜂鳴器工作；當(dāng)輸入端p1.0沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，此時(shí)由于q7基極無(wú)電流，晶體管截止，蜂鳴器停止工作。5、lcd接口電路lcd是液晶顯示技術(shù)和投影技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用了液晶的電光效應(yīng)，通過(guò)電路控制液晶單元的透射率及反射率，從而產(chǎn)生不同灰度層次的圖像。液晶顯示屏上的每一個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)有控制器內(nèi)的顯示緩存ram中的一個(gè)位，用戶如果要點(diǎn)亮lcd屏上的某一個(gè)點(diǎn)時(shí)，實(shí)際上就是對(duì)該點(diǎn)所

26、對(duì)應(yīng)的顯示ram區(qū)中的某一個(gè)位進(jìn)行置1操作，故可以通過(guò)編寫(xiě)程序來(lái)控制lcd的顯示圖像。lcd的接口電路如下圖所示：圖12 lcd接口電路6、鈴流檢測(cè)電路鈴流檢測(cè)電路如下圖所示：圖12 鈴流電路該電路主要用于檢測(cè)電話線上有無(wú)鈴流信號(hào)，因?yàn)閳?bào)警是通過(guò)家用電話實(shí)現(xiàn)的，所以必須檢測(cè)此時(shí)電話線的狀態(tài)。鈴流信號(hào)的特點(diǎn)是：續(xù)4s，斷1s，頻率為450hz。在此采用了集成鎖相環(huán)lm567，以確保檢測(cè)450hz的信號(hào)。7、dtmf發(fā)送電路在此可以采用現(xiàn)成的dtmf芯片，但是如果采用專門(mén)的芯片就得還得加上附加電路，使成本又上升。鑒于c8051f340的內(nèi)部有四個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以利用這一內(nèi)部資源，采用脈寬

27、調(diào)制pwm實(shí)現(xiàn)dtmf通信。單片機(jī)pwm dtmf通信原理圖如下：圖13 單片機(jī)pwm dtmf通信原理圖8、語(yǔ)音電路由于本系統(tǒng)的報(bào)警語(yǔ)音信號(hào)比較固定和簡(jiǎn)單，而且c8051f340內(nèi)部flash有存儲(chǔ)器，所以這里就不采用專門(mén)的語(yǔ)音芯片。先把要報(bào)警的語(yǔ)音信號(hào)存在單片機(jī)c8051f340內(nèi)部存儲(chǔ)器中，再經(jīng)過(guò)d/a轉(zhuǎn)換為原始語(yǔ)音送到電話網(wǎng)。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)keilc51,本系統(tǒng)軟件流程圖如下圖所示ynnnnn主程序時(shí)鐘初始化i/o初始化lcd初始化讀pcf8563時(shí)鐘向lcd寫(xiě)入時(shí)間并顯示有無(wú)報(bào)警信號(hào)p1.4=0?有無(wú)報(bào)警信號(hào)p1.7=0?熱敏電阻有信號(hào)p1.3=0?有無(wú)報(bào)

28、警信號(hào)p2.1=0?1=1？mq-4煤氣報(bào)警yymq-2火災(zāi)報(bào)警y門(mén)磁開(kāi)關(guān)報(bào)警y結(jié)束圖14 整個(gè)系統(tǒng)的主程序流程圖ynmq-4煤氣報(bào)警系統(tǒng)調(diào)用蜂鳴器程序開(kāi)啟風(fēng)機(jī)p2.0=0關(guān)閉電磁閥p1.4=0?調(diào)用電話報(bào)警程序關(guān)閉風(fēng)機(jī)p2.0=1返回關(guān)閉蜂鳴器p1.0=1mq-2火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)ynp1.4=0?調(diào)用蜂鳴器程序開(kāi)啟風(fēng)機(jī)p2.0=0調(diào)用電話報(bào)警程序關(guān)閉風(fēng)機(jī)p2.0=1關(guān)閉蜂鳴器p1.0=1返回圖15 mq-4煤氣報(bào)警系統(tǒng)流程圖 圖16 mq-2火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)流程圖y門(mén)磁開(kāi)關(guān)系統(tǒng)調(diào)用電話報(bào)警程序調(diào)用蜂鳴器程序nyp2.1=1?關(guān)閉蜂鳴器p1.0=1返回yyn電話報(bào)警系統(tǒng)有無(wú)鈴流信號(hào)p2.5=0？延時(shí)模

29、擬摘機(jī)dtmf發(fā)送被叫是否接通？模擬掛機(jī)返回n圖17 門(mén)磁開(kāi)關(guān)系統(tǒng)流程圖 圖18 電話報(bào)警系統(tǒng)流程圖五、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、測(cè)試儀器與測(cè)試方法1.1測(cè)試儀器因?yàn)殡娫摧斎?輸出都是直流，諧波含量較少，所以測(cè)試儀器僅用到萬(wàn)用表、示波器，此外還用到天然氣濃度檢測(cè)儀和煙霧濃度檢測(cè)儀。萬(wàn)用表用來(lái)測(cè)量電流和電壓，同時(shí)用于電路的調(diào)試過(guò)程，示波器用來(lái)檢測(cè)波形，以便分析電路性能。1.2測(cè)試方法整個(gè)測(cè)量過(guò)程是以“先局部，后整體；先硬件，后軟件”的思路進(jìn)行的。在測(cè)試過(guò)程中，努力爭(zhēng)取理論聯(lián)系實(shí)際，先按預(yù)先設(shè)計(jì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)焊接電路，在調(diào)試過(guò)程中，為取得最好的效果，可根據(jù)需要更換器件。測(cè)試過(guò)程中要時(shí)刻注意觀察，避免短路

30、、過(guò)壓和過(guò)流等現(xiàn)象發(fā)生，一旦發(fā)生測(cè)試樣品過(guò)熱、冒煙或起火現(xiàn)象，必須立即切斷電源。2、測(cè)試數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果分析2.1傳感器電流與天然氣濃度傳感器zymq-4的測(cè)試電路如下所示：5v恒壓源測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示（c為室內(nèi)天然氣濃度，i為傳感器的輸出電流）：第1次第2次第3次第4次第5次第6次第7次第8次濃度c（ppm）500800100020004000500070009000電流i(ma)2.305.689.1219.5345.5353.9076.9999.96表1 傳感器電流與煤氣濃度的測(cè)試數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可畫(huà)出c-i圖如下： 圖 傳感器電流與天然氣濃度c-i圖2.2比較電壓器測(cè)試比較電壓器的測(cè)試，主

31、要是用萬(wàn)用表測(cè)試比較電壓器的輸出電壓的大小，看是否符合要求?？梢酝ㄟ^(guò)上拉電阻來(lái)提升比較電壓器lm311的輸出電壓，直至符合要求。測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示（為上拉電阻，為lm311的輸出電壓）：第1次第2次第3次第4次第5次（）01003305101000（v）1.962.362.983.634.022.5系統(tǒng)測(cè)試經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試能完成如下功能：（1）當(dāng)室內(nèi)濃度高于1000pp時(shí)，單片機(jī)控制繼電器關(guān)閉煤氣閥門(mén)，開(kāi)啟報(bào)警器報(bào)警，同時(shí)控制軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，更新室內(nèi)空氣排險(xiǎn)。當(dāng)濃度降到正常值時(shí)，報(bào)警和軸流風(fēng)機(jī)均停止。（2）當(dāng)檢測(cè)煙霧超標(biāo)而溫度正常時(shí)，沒(méi)有火災(zāi)報(bào)警。當(dāng)檢測(cè)溫度超標(biāo)而煙霧正常時(shí)，同樣沒(méi)有火災(zāi)報(bào)警，只有二者

32、同時(shí)超標(biāo)時(shí)，有火災(zāi)報(bào)警控制報(bào)警器報(bào)警且同步控制軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，更新室內(nèi)空氣，當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度降低到正常之時(shí)，報(bào)警和軸流風(fēng)機(jī)均停止。（3）門(mén)磁、窗磁報(bào)警裝置通過(guò)門(mén)磁開(kāi)關(guān)5c-31b給予單片機(jī)信號(hào)，開(kāi)啟報(bào)警器報(bào)警。（4）煤氣報(bào)警排險(xiǎn)裝置、煙霧報(bào)警更新氣體裝置、門(mén)磁、窗磁報(bào)警裝置均采用了電話自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。煤氣檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、門(mén)磁報(bào)警同時(shí)進(jìn)行，運(yùn)用單片機(jī)采用中斷方式控制，三者互不影響。（5）lcd顯示的實(shí)時(shí)時(shí)間與正確時(shí)間相差不大。3、測(cè)試結(jié)果分析（1）由傳感器電流與天然氣濃度測(cè)試數(shù)據(jù)表1，和數(shù)據(jù)分析圖圖可以看出，傳感器的輸出電流和天然氣濃度近似成正比關(guān)系，基本論證了傳感器的特性。但是，測(cè)量過(guò)程中的測(cè)量誤差

33、是難免的（尤其是弄得測(cè)定氣體濃度），另外，傳感器的測(cè)量精度不算太高，所以測(cè)量數(shù)據(jù)只能反映一個(gè)大概值。（2）考慮到實(shí)驗(yàn)設(shè)備滿足不了可燃?xì)怏w的測(cè)量的安全性保證，所以測(cè)量數(shù)據(jù)在滿足要求的條件下，不繼續(xù)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)量。五、 結(jié)論通過(guò)團(tuán)隊(duì)多天不懈的努力，本系統(tǒng)終于完成了最初安全家居的設(shè)計(jì)目的。并且在進(jìn)行編譯程序和調(diào)試電路的過(guò)程中，不斷的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，并不斷完善系統(tǒng)的功能與性能。充分認(rèn)識(shí)到單片機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性和重要性。整個(gè)電路本著簡(jiǎn)單可靠，選用價(jià)格低廉的通用元件的原則，盡力做到安全家具系統(tǒng)的多功能化，力求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)切實(shí)可行，能在社會(huì)生活中得到實(shí)用，促進(jìn)社會(huì)生活的安全化、便捷化。單片機(jī)體積小，價(jià)格便

34、宜，控制功能強(qiáng)，在單片機(jī)的基礎(chǔ)上，此系統(tǒng)仍有很多功能可以完善，可以盡力向智能家居的各個(gè)方面擴(kuò)展。六、 參考文獻(xiàn)【1】isbn 978-7-03-018955-4 胡壽松 自動(dòng)控制原理 科學(xué)出版社 第五版 p5-6頁(yè)【2】713800 薛倫生、王學(xué)智等 采用單片機(jī)控制的可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警器電工技術(shù)雜志2001年第11期【3】450053 劉玉平、安家文 xn-1新型語(yǔ)音式電話瓦斯報(bào)警器 河南科技第25卷第5期附錄1:系統(tǒng)全圖附錄2：作品實(shí)物圖：附錄3：系統(tǒng)程序#include c8051f340.h#include mytypedef.h#include gui_basic.h#include l

35、cd.h #include c8051f_smbus.h#include pcf8563.h#include image.hstatic xdata int8u usedmemoryspace1024 _at_ 0x400;unsigned int kk;#definewhite0xffff#defineblack0x0000#defineblue0x001f#definegreen 0x07e0#definered0xf800#definegray0x8410#defineyellow0xffe0static void clockinit( void ) /時(shí)鐘初始化 int16u itmp

36、; if( !( oscicn & ( 16 ) ) ) oscicn |= ( 17 ); while( !( oscicn & ( 16 ) ) ); oscicn |= ( 30 ); if( !( clkmul & ( 15 ) ) ) clkmul = 0; clkmul = 0x00; clkmul |= ( 17 ); for( itmp = 0; itmp 200; itmp + ); clkmul |= ( 16 ) | ( 17 ); for( itmp = 0; itmp 2000; itmp + ); while( !( clkmul & ( 15 ) ) ); /us

37、b clock: 48mhz, system clock : 48mhz clksel = 0x03;static void gpioinit( void ) /i/o口初始化 p0skip = ( 13 ) |( 14 ) | ( 10 ) | ( 17 ); p1skip = ( 10 ) | ( 13 ) | ( 16 ) | ( 17 ); p2skip = 0xff; p3skip = 0xff; xbr0 |= ( 11 ) | ( 12 ); /enable smbus, spi0 /( 10 ) | uart0 xbr1 |= ( 16 ); p1mdin=0xd8;/p1口7

38、，6，4，3口作為數(shù)字輸入口p2mdout=0x0f/ p2口低四位做輸出 p3mdout = 0xff; p4mdout = 0xff;p1mdout |= ( 11 )|( 13 ) | ( 16 ) | ( 17 );p0mdout |= ( 14 )|( 13 );p0mdin=0x18; p2mdin=0xff;/p3mdin=0xff;void emif_init( void ) emi0cf = 0x0b; /復(fù)用方式 emi0tc = 0x41; /將時(shí)間設(shè)置為最大 rect rect _at_ 0x8000; circle circle _at_ 0x8080; line l

39、ine _at_ 0x9090; font font _at_ 0xaaaa; ellipse ellipse;void mq4()/煤氣報(bào)警程序if p1=0xfb;buzzer();p2=0xfe;p2=0xfd;tel();p2=0xff;p1=0xff;void mq2() /火災(zāi)報(bào)警程序ifp1=0x7f&p1=0xf7;buzzer();p2=0xfe;tel();p2=0xff;p1=0xff;void kaiguan() / 門(mén)磁報(bào)警程序ifp2=0xfd;buzzer();tel()p1=0xfe;void buzzer /蜂鳴器程序int i, j, k;clockinit( );xbr1 |= ( 16 );p2mdout = 0xff; p3mdout = 0xff; p4mdout = 0xff;p1mdout |= ( 10 ) | ( 11 )|( 13 ) | ( 14 ) | ( 16 ) | ( 17 );；while( 1 )p1 |= ( 10 );for( i = 0; i 2000