火災(zāi)煙霧報警器的設(shè)計

1、 湖南人文科技學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計 題目（中文）： 火災(zāi)報警器的設(shè)計 系 部： 信息工程與科學(xué)系 專業(yè)年級： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 副教授 目 錄 第1章 緒論11.1設(shè)計概況11.1.1設(shè)計背景1 1.1.2 煙霧報警器的國內(nèi)外現(xiàn)狀1 1.1.3 煙霧報警器的發(fā)展趨勢21.2 設(shè)計任務(wù)分析3第2章 總體方案設(shè)計42.1 煙霧檢測傳感器選型42.2.1 煙霧傳感器的介紹52.2.2 MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器82.2 單片機選型92.2.1 STC89C52單片機簡介102.2.2 單片機的引腳功能描述102.3 溫度采集模塊12 2.3.1 DS18B20簡介12第3章 系統(tǒng)的硬件電路17

2、3.1 單片機最小系統(tǒng)173.2 單片機的時鐘電路與復(fù)位電路設(shè)計173.3 煙霧檢測AD采集電路183.4 顯示模塊193.5 聲音報警電路193.6 按鍵控制電路203.7 電源模塊203.8 溫度傳感器(DS18B20)電路21第4章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計224.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計及流程圖22 4.3 MQ-2煙霧傳感器子程序流程圖23 4.4 按鍵子程序流程圖24 4.5 報警子流程圖25 第5章 調(diào)試265.1 硬件調(diào)試265.2 軟件調(diào)試26總結(jié)27致謝28參考文獻29 附錄30附件一：總體原理圖設(shè)計30附件二：程序30III火災(zāi)煙霧報警器的設(shè)計 摘要：從古到今，防火工作一直都很重要，尤其

3、是隨著家庭用電量的急劇增加，有必要研制一種結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟實用的家庭煙霧報警器以適應(yīng)需求。本設(shè)計以傳感器和單片機作為煙霧報警器設(shè)計的核心器件，配合其它器件即可實現(xiàn)聲光報警的功能。在本設(shè)計中，單片機選用STC89C52作為核心控制器件，傳感器選用MQ-2型半導(dǎo)體可燃氣體敏感元件煙霧傳感器和DS18B20溫度傳感器。該火災(zāi)煙霧報警器設(shè)計合理、簡單易懂、易于操作，使單片機在煙霧報警系統(tǒng)的控制中得到充分應(yīng)用，具有很大的使用價值。在論文中，詳細介紹了煙霧報警系統(tǒng)中的各個組成部分及功能，并對其主控電路和外圍設(shè)備電路之間的接口連接方式，以及系統(tǒng)軟件設(shè)計進行了分析和講解。關(guān)鍵字：煙霧報警器 STC89C52 M

4、Q-2 DS18B20The design of fire smoke alarmAbstract：To fire prevention work has always been very important, especially with the rapid increase of family power consumption, it is necessary to develop a simple structure, economical and practical family smoke alarm to adapt to the demand. This design by

5、sensor and single chip microcomputer as core components of smoke alarm design, sound and light alarm function can be realized in combination with other device. In this design, micro controller STC89C52 chosen as the core control device, sensor selection of MQ - 2 type semiconductor gas sensitive ele

6、ment smoke sensors and DS18B20 temperature sensor. The design of fire smoke alarm is rational, simple, easy to operate, make SCM are fully applied in the smoke alarm system control, are of great use value. In the thesis, detailed introduces the various components of the smoke alarm system and functi

7、on, and the main control circuit and the interface between the peripheral circuit connection mode, as well as the system software design are analyzed and explained.Key words: smoke alarm STC89C52 MQ - 2 DS18B20I第1章 緒論1.1設(shè)計概況1.1.1設(shè)計背景現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，使得人們在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中對于火災(zāi)的防范越來越重要?；馂?zāi)，就是失去控制的燃燒所引發(fā)的災(zāi)害。它對人類生命財產(chǎn)和社

8、會安全構(gòu)成了極大的威脅。為了更早地發(fā)現(xiàn)和通報火災(zāi)，減少火災(zāi)危害，保護人身和財產(chǎn)安全，火災(zāi)探測器的研究和設(shè)計越來越顯得重要。 單片機及煙霧傳感器是本設(shè)計的兩大核心。單片機好比一個橋梁，聯(lián)系著傳感器和報警電路設(shè)備。近幾年來，單片機已逐步深入應(yīng)用到生產(chǎn)及人們生活的各個方面。單片機是器件級計算機系統(tǒng)，實際上它是一個微控制器或微處理器。由于它功能齊全，體積小，成本低，因此它可以應(yīng)用到所有電子系統(tǒng)中。同樣，它也可以廣泛應(yīng)用于報警技術(shù)領(lǐng)域，使各類報警裝置的功能更加完善，可靠性大大提高，以滿足社會發(fā)展的需要。而傳感器作為信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”器件，如果沒有“感官”感受信息，或者“感官”遲鈍，都難以形成高精度、

9、高速度的控制系統(tǒng)。美國曾把二十世紀八十年代稱為傳感技術(shù)時代，日本更是把傳感技術(shù)列為十大技術(shù)之首。所以，根據(jù)報警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟的煙霧傳感器和單片機芯片是至關(guān)重要的。在本論文中的最主要的設(shè)計是選STC89C52單片機和MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器為核心器件。 目前，現(xiàn)代建筑都會有選擇地安裝不同功能的煙霧自動報警系統(tǒng)。因為煙霧自動報警系統(tǒng)是建筑物的神經(jīng)系統(tǒng)，它能夠感受、接收著發(fā)生火災(zāi)的早期信號并及時報警，發(fā)出警報同時告知用戶和周邊居民。它就像是一個個稱職的更夫，給居住、忙碌或是休息在家庭中的人們以極大的安全感。在火災(zāi)的早期階段，準確的探測到火情并迅速報警，對于及時組織有序快速疏散

10、、積極有效地控制火災(zāi)的蔓延、快速滅火和減少火災(zāi)對居住人群的損失都具有重要的意義。 1.1.2 煙霧報警器的國內(nèi)外現(xiàn)狀 國外從20世紀30年代開始研究及開發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因為人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，美國1996年到2002年煙霧傳感器年均增長率為27%到30%。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧檢測儀器的體積也逐漸變小，提高了煙霧檢測儀器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運輸及市場推廣。 1963年5月，日本開發(fā)完成第一臺接觸燃燒式家用燃氣泄漏報警器，次年1

11、2月其改良產(chǎn)品問世，改良的報警器可以檢測燃氣、一氧化碳等氣體，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。 在70年代初期，我國開始研制煙霧報警器。雖然取得了很大的進步，但主要是在引進國外先進的傳感器技術(shù)和生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進一步的研究和發(fā)展。近年來，在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進步。燃氣報警器可分為民用火災(zāi)煙霧報警器、工業(yè)用煙霧報警器、 有毒有害煙霧報警器三大系列產(chǎn)品。(1)民用火災(zāi)煙霧報警器 民用火災(zāi)煙霧報警器為居民家庭用的火災(zāi)報警器,一般安裝在廚房，遇到火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧時時，報警器可發(fā)出聲光報警，或同時伴有數(shù)字顯示，同時聯(lián)動 外部設(shè)備。有的報警器可自動開啟排風(fēng)扇，把煙霧排出室外 (2) 工業(yè)用煙霧

12、報警器及有毒有害煙霧報警器 工業(yè)用煙霧報警器及有毒有害煙霧報警器只是檢測探頭有差異，而在原理和應(yīng)用中都很相近。工業(yè)用燃氣報警器及有毒煙霧報警器根 據(jù)檢測環(huán)境的不同，也可分為檢漏儀、控制器和探測器。 檢漏儀可隨身攜帶，主要應(yīng)用于燃氣管理的查漏與巡檢。若有泄漏，則會聲光報警，同時數(shù)字顯示煙霧濃度，能夠在短時間內(nèi)采取安全措施?？刂破髋c探測器結(jié)合使用，可長期監(jiān)測煙霧的濃度。探測器可在防爆現(xiàn)場安裝，控制器壁掛在值班室等有人值守的地方。當燃氣被探測器探測后，通過屏蔽電纜線可以將信號傳到控制器，則控制器會發(fā)出聲光報警，排風(fēng)裝置啟動或電磁閥切斷氣源被關(guān)閉，以確保安全。 1.1.3 煙霧報警器的發(fā)展趨勢面對人類

13、社會經(jīng)濟與技術(shù)急速發(fā)展的時代，伴隨這電子、計算機、通訊和現(xiàn)代控制技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代火災(zāi)自動報警應(yīng)用技術(shù)發(fā)展趨勢正在向著全總線制、軟件編程、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多樣化、小型化、社區(qū)化、藍牙技術(shù)無線化、高靈敏化、綜合化等方面發(fā)展。當前煙霧自動報警系統(tǒng)存在許多的不足，比如通訊協(xié)議不一致，系統(tǒng)出現(xiàn)誤報，智能化程度較低，網(wǎng)絡(luò)化程度較低，等一些特殊惡劣環(huán)境較為突出的現(xiàn)象下，提出了采用統(tǒng)一、標準、開放的通訊協(xié)議。通過對系統(tǒng)方案、設(shè)備選型的優(yōu)化，對新技術(shù)、新工藝、新材料的應(yīng)用研究，改進煙霧自動報警系統(tǒng)的工作性能、減少維護費用和要求，向著更高可靠性、靈敏性、和低誤報率，以及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、技術(shù)智能化方向發(fā)展，為更好的

14、預(yù)防和遏制火災(zāi)提供了強有力的保障，從而使國家和人民的生命、財產(chǎn)安全得到更好的保護。1.2 設(shè)計任務(wù)分析本篇論文是煙霧報警器的研制：(1)對系統(tǒng)進行整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計。(2)以STC89C52單片機為中央處理器，對硬件電路進行設(shè)計和改進，使其功能更加完善。系統(tǒng)硬件電路主要分為數(shù)據(jù)收集、聲音報警電路、狀態(tài)指示燈電路、數(shù)碼管顯示電路部分。 (3)系統(tǒng)的軟件編制。按照軟件實現(xiàn)的功能，主要分為主程序、初始化子程序、濃度顯示子程序、報警子程序、報警限值設(shè)置子程序。在程序的編寫過程中，加入了詳細的文字注釋，便于后期的改進與維護。 (4)硬件電路和軟件的綜合調(diào)試。 第2章 總體方案設(shè)計 煙霧報警器是能夠檢測環(huán)

15、境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器。該報警系統(tǒng)的最基本組成部分應(yīng)包括：信號采集模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路、字符顯示電路、聲光報警電路等部分組成。 為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計的煙霧報警器具有顯示報警狀態(tài)。報警器采用延時的工作方式，煙霧檢測報警器以STC89C52單片機為控制核心，選用MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，配合外圍電路構(gòu)成煙霧報警系統(tǒng)。本設(shè)計包括硬件和軟件設(shè)計兩個部分。從設(shè)計的要求來分析該設(shè)計須包含如下結(jié)構(gòu)：煙霧檢測部分、STC89C52單片機主控部分、報警部分，AD采集四大部分。電路總題框圖如圖2.1所示： 電源開關(guān) 電源 STC89C52

16、 單片機AD采集電路顯示電路報警電路按鍵控制 圖2.1 總體設(shè)計框圖處理器采用51系列單片機STC89C52。整個系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。設(shè)置在監(jiān)測點上的煙霧檢測探頭將檢測到的煙霧變換成電信號，送出模擬信號，給AD采集電路采集。在單片機內(nèi)，經(jīng)軟件查詢、識別判決等環(huán)節(jié)實時發(fā)出煙霧報警狀態(tài)控制信號。驅(qū)動蜂鳴器及報警指示燈報警。2.1 煙霧檢測傳感器選型煙霧傳感器是測量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。而煙霧報警器的信號采集由煙霧傳感器負責(zé)。煙霧傳感器能夠?qū)怏w的種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在的情況有關(guān)的信息，從而達到檢測、監(jiān)控、報警的功能。可

17、以說，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。煙霧傳感器作為報警器中不可缺少的核心器件，它決定了所采集的煙霧濃度信號的準確性和可靠性。煙霧傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。 圖 2.2 煙霧傳感器及其結(jié)構(gòu)圖2.2.1 煙霧傳感器的介紹煙霧傳感器是模擬傳感器。它能將空氣中的煙霧濃度變量轉(zhuǎn)換成有一定對應(yīng)關(guān)系的輸出信號的裝置。煙霧傳感器就是通過監(jiān)測環(huán)境中煙霧的濃度來實現(xiàn)火災(zāi)防范的。當煙霧探頭碰到煙霧或某些特定的氣體，煙霧探頭內(nèi)部阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生一個模擬值，從而對其進行控制。煙霧傳感器利用煙霧敏感元件的電阻受煙霧（主要是可燃顆粒）濃度影響阻值變化的原理向單片機發(fā)送煙霧濃度相應(yīng)的模

18、擬信號。在智能建筑中對火災(zāi)探測器的應(yīng)用主要以感煙火災(zāi)探測器選用為主。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧探測器的體積也逐漸變小，提高了煙霧探測器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運輸和市場推廣。目前，煙霧傳感器廣泛應(yīng)用在城市安防、小區(qū)、工廠、公司、學(xué)校、家庭、別墅、倉庫、資源、石油、化工、燃氣輸配等眾多領(lǐng)域。在國內(nèi)的產(chǎn)品中，無論哪家生產(chǎn)的煙霧探測器，都可以探測到火災(zāi)的發(fā)生，都具有比較高的靈敏度，而且在安裝中都比較簡單。但是，由于各生產(chǎn)的設(shè)備不可通用，獨立為正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通訊。使得用戶面對眾多廠家生產(chǎn)的煙霧探測器感到不知所措。而這也正是國內(nèi)產(chǎn)品

19、市場的一個重大缺陷。（1）煙霧傳感器的分類從構(gòu)成氣體傳感器材料的形態(tài)上通常將它們分為干式和濕式氣體傳感器。由于對不同氣體的檢測方法不盡相同，目前主要的方法有：利用半導(dǎo)體氣體器件檢測的電氣法；使用電極和電解液對氣體進行檢測的電化學(xué)法；利用氣體對光的折射率或光吸收等特性來檢測氣體的光學(xué)法。 （2）煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件 一個煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應(yīng)或低響應(yīng)； (b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許

20、范圍內(nèi)的煙霧濃度；(c)對檢測信號響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；(d)長期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長； (f)制造成本低，使用與維護方便。（3）常見的煙霧探測器種類及工作原理 為了確保家庭環(huán)境的安全，需要對各種可燃性氣體、有毒性氣體進行檢測。但是，由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測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無機煙霧，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。因此目前使用的煙霧傳感器有很多種，各自的檢測原理也各不相同，下面就對一些常用的

21、煙霧傳感器進行介紹。(a)半導(dǎo)體煙霧傳感器（半導(dǎo)體氣敏傳感器）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。半導(dǎo)體煙霧傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。按照敏感機理分類，半導(dǎo)體煙霧傳感器可分為電阻式和非電阻式。當半導(dǎo)體接觸到氣體時，半導(dǎo)體的電阻值將發(fā)生變化，利用傳感器輸出端阻值的變化來測定或控制氣體的有關(guān)參數(shù)，這種類型的傳感器稱為電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器；當場效應(yīng)管在接觸到氣體時，場效應(yīng)管的電壓將隨周圍氣體狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，利用這種原理制成的傳感器被稱為非電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器。 (b)接觸

22、燃燒式傳感器 當這種被催化物覆蓋的傳感器表面接觸易燃煙霧時，就會發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒。其檢測元件一般為鉑金屬絲，當對鉑絲通以電流，保持300400的高溫時，若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會燃燒，從而鉑絲的溫度就會上升，電阻值也就上升。通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就可得到可燃性氣體的濃度。(c)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。電化學(xué)氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機凝膠等）電解質(zhì)，其輸出形式可以是電流（氣體直接氧化或還原產(chǎn)生），也可以是電動勢（離子作用于電極產(chǎn)生）。它的優(yōu)點是：反映速度快、準確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短(大約兩年)。(d)高分子煙霧傳感器 利用

23、高分子氣敏元件制作的煙霧傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏元件在遇到特定煙霧時，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。高分子氣敏元件由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、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中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它煙霧傳感器的不足。 （e）紅外吸收型傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進行煙霧測量，主光束通過測量元件內(nèi)的目標煙霧，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考煙霧。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收

24、了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產(chǎn)生一個正比于目標煙霧濃度的差分信號。非擴散式紅外探測器NDIR，是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴散和損耗被記錄下來。 （f） 離子感煙傳感器離子感煙傳感器對于火災(zāi)初起和陰燃階段的煙霧氣溶膠檢測非常有效，可測煙霧粒徑范圍為0.03um-10um。它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241。由于它能使兩極板間空氣分子電離為正、負離子，使電極之間原來不導(dǎo)電的空氣具有導(dǎo)電性。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。當火災(zāi)發(fā)生時，煙霧粒子進入電離室后，電力部分（區(qū)域）的正離子和負離子被吸附到煙霧粒子上，使正、負離子相互中和的概率增加，從而將煙霧粒子濃度大

25、小以電流變化量大小表示出來，實現(xiàn)對火災(zāi)參數(shù)的檢測。 （g）光電式感煙傳感器 光電式感煙傳感器由光源、光敏元件和電子開關(guān)等器件組成。平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到達光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達的光就減弱，于是光敏元件就把光強的變化變成電的變化，利用光散射原理對火災(zāi)初期產(chǎn)生的煙霧進行探測，并及時發(fā)出報警信號。按照光源不同，可分為一般光電式、激光光電式、紫外光光電式和紅外光光電式等4種。不同場合，報警器檢測煙霧種類的要求不同，但很多場合都會選擇使用半導(dǎo)體煙霧傳感器。因為比較其他半導(dǎo)體煙霧傳感器，其優(yōu)點更加突出。比如具有靈敏度高、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點

26、，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本也比較較低。因此，本設(shè)計中的煙霧傳感器選用MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器。2.2.2 MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器MQ-2半導(dǎo)體傳感器是以清潔空氣中電導(dǎo)率較低的金屬氧化物二氧化錫(SnO2)為主體的N型半導(dǎo)體氣敏元件。當傳感器所處環(huán)境中存在煙霧氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧氣體濃度的增加而增大。在設(shè)計報警器時只有使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。該傳感器具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、電導(dǎo)率變化大、響應(yīng)和恢復(fù)時間短、抗干擾能力強、輸出信號大、壽命長和工作穩(wěn)定等優(yōu)點，在市面上應(yīng)用十分廣泛。二氧化錫(SnO2)半導(dǎo)體氣敏

27、元件特點：(a)物理、化學(xué)穩(wěn)定性較好，與其他類型氣敏元件相比，SnO2氣敏元件壽命更長、穩(wěn)定性更好、耐腐蝕性更強。(b)對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫離時間短，時間使用就越長。(c)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠行較高，機械性能良好。MQ-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感層,測量電極和加熱器構(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。封裝好的氣敏元件有只針狀管腳，其中個用于信號取出，個用于提供加 熱電流。 MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器適用于煙霧、天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣等的檢測，對可燃性氣體的（CH

28、4、C4H10、H2等）的檢測很理想。這種傳感器在較寬的濃度范圍內(nèi)對煙霧氣體有良好的靈敏度，能夠檢測多種可燃性氣體，十分適合應(yīng)用在家庭的氣體泄漏報警器中。是一款便攜式氣體檢測器，非常適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。其技術(shù)指標表2.1?；芈冯妷海╒c）加熱電壓負載電陰（Rl）清潔空氣中電阻 （Ra）靈敏度（S=Ra/Rdg）響應(yīng)時間(trec)恢復(fù)時間(trec)元件功耗檢測范圍使用壽命最大DC 24VAC或DC 5±0.2V2K2000 K4(在1000ppmC4H10中)10S30S0.7W5010000ppm2年 表2.1 MQ-2的技術(shù)指標由于物理量和測量范圍的不同，傳感器的工作機

29、理和結(jié)構(gòu)就不同。通常煙霧傳感器輸出的電信號是模擬信號（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。當信號的數(shù)值符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級時，可以不用放大器放大；當信號的數(shù)值不符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級時，就需要放大器放大。所以MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器要想把采集到的煙霧濃度模擬信號傳送給單片機控制器就必須經(jīng)過將模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以識別的電信號給單片機。 設(shè)計時應(yīng)注意，氣敏元件開機通電時，其內(nèi)阻很小，但經(jīng)過一段時間后，才能恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，QM-2氣體傳感器需開機預(yù)熱幾分鐘，才可投入使用，以免造成誤報。2.2 單片機選型單片機是煙霧自動報警系統(tǒng)的心臟，用來接收火災(zāi)信號并啟動報警

30、裝置顯示和執(zhí)行相應(yīng)的報警。在單片機實現(xiàn)的控制功能中，需要單片機有較快的運算速度，使檢測人員和用戶在報警器系統(tǒng)正常工作時能夠及時地觀測到實時的煙霧濃度等級，并進行相應(yīng)處理。同時，在能夠滿足報警器系統(tǒng)設(shè)計的計算速度及接口功能要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。由于單片機技術(shù)在各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機，在單片機家族的眾多成員中，MCS系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動化工程應(yīng)用的主要市場，成為

31、國內(nèi)單片機應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。其中，51系列單片機的優(yōu)點是價錢便宜,I/O口多,程序空間大。因此，測控系統(tǒng)中，使用51系列單片機是最理想的選擇，因此設(shè)計采用STC89C52。2.2.1 STC89C52單片機簡介 STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在線可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標準

32、功能：256字節(jié)RAM，8k字節(jié)Flash，32 位I/O 口線，看門狗定時器，三個16位定時器/計數(shù)器，2個數(shù)據(jù)指針，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。還有，STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。這一模塊以單片機為中心把程序代碼燒進去然后外圍接上復(fù)位電路、振蕩電路、鍵盤控制、LED顯示電路、報警電路等子模塊。2.2.2 單片機的引腳功能描述 下面對STC89C5

33、2各引腳的功能進行較為詳細的介紹：1)電源引腳Vcc和Vss Vcc(40腳)：電源端為+5V Vss(20腳)：接地端。 2)時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL2(18腳)：接外部晶體的另一端，在單片機內(nèi)部接至反向放大器的輸出端。若采用外部震蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把詞信號直接接到內(nèi)部時針發(fā)生器的輸入端。 XTAL1(19腳)：接外部晶體的一個引腳。在片內(nèi)，它是一個反向放大器的輸入端。當采用外接晶體振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。 3) 控制信號腳 RST ALE PSEN 和 EA RST(9腳)：當振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期以上的高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PRO

34、G（30引腳）：地址鎖存允許信號端。當STC89C52上電正常工作后，正脈沖信號不斷從ALE引腳傳出。此頻率為振蕩器頻率fosc的1/6，當CPU訪問片外存儲器時，ALE輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號。在CPU訪問片外數(shù)據(jù)存儲時，每取值一次（一個機器周期）會丟失一個脈沖。平時不訪問片外存儲時，正脈沖也以1/6的振蕩頻率從ALE端固定輸出，于是ALE信號可以用作對外輸出時鐘或定時信號。 PSEN（29腳）；程序存儲允許輸出信號引腳。在訪問片外程序存儲器時，此端定時輸出負脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。此引腳接ERROM的OE端。PSEN端有效，即允許讀出ERROM/ROM中的指令碼。CPU

35、在從外部ERROM/ROM取指令期間，每個周期PSEN兩次有效。不過，在訪問片外RAM時，要少產(chǎn)生兩次PSEN負脈沖信號。要檢查一個AT89C52小系統(tǒng)上電后CPU能否正常到ERROM/ROM中讀取指令碼，也可用于示波器看PSEN端有無脈沖輸出。如有，說明基本上工作正常。 EA/VPP（31腳）：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當EA引腳接高電平時，CPU只訪問片內(nèi)ERROM/ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。但在PC（程序計數(shù)器）的值超過OFFFH（對8751/8051為4k）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外存儲器的程序。當出入信號EA引腳接低電平（接地）時，CPU只訪問外部ERR

36、OM/ROM并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。對于無芯片內(nèi)的ROM的8031或8032，須外擴ERROM，此時必須將EA引腳接地。如果使用有片內(nèi)ROM的STC89C52，外擴ERROM也是可以的，但也要使EA接地。引腳 第二功能P3.0 RXD （串行輸入口）P3.1 TXD （串行輸出口）P3.2 INT0（外部中斷0）P3.3 INT1（外部中斷1）P3.4 T0（定時器0外部中斷）P3.5 T1（定時器1外部中斷）P3.6 WR（外部存儲器寫選通）P3.7 RD（外部存儲器讀寫通） 表2.2 P3的第二功能表4)I/O（輸入/輸出端口，P0，P1，P2，P3） P

37、0口：P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O端口。 P1口：8位準雙向I/O端口。 P2口：即可以做地址總線輸出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此時為準雙向口）。 P3口：雙功能口，即可以做普通I/O口用（此時為準向口，也可以按每位定義實現(xiàn)第二功能操作）。見上表2.2。2.3 溫度采集模塊溫度傳感器是檢測溫度的傳感器件，現(xiàn)如今市場上，溫度傳感器的種類繁多，應(yīng)用十分的廣泛，發(fā)展速度快。溫度傳感器大致可以分為四個類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。本設(shè)計中采用DS18B20作為測溫的溫度傳感器。2.3.1 DS18B20簡介 DSl8B20溫度傳感器，是由美國DA

38、LLAS半導(dǎo)體公司推出的智能改進型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度，也可根據(jù)要求通過簡單的編程實現(xiàn)9l2位的數(shù)字直讀方式。可以分別存93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接DSl8B20供電，因此不需要額外電源。因而使用DSl8B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨向完善和簡單，利用率更高。本文系統(tǒng)地介紹了基于DS18B20的溫度測量控制系統(tǒng)的組成、設(shè)計方案、電路原理、程序設(shè)計過程。設(shè)計完成了冷庫溫度的監(jiān)控和報警等令人滿意的效果。DSl8B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如2.3所示： 圖2.

39、3 DSl8B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖2.4所示： 圖2.4 DS18B20的管腳 DS18B20的引腳說明如下： GND :地 DQ ：數(shù)據(jù)I/O VDD :電源 NC ：空腳 64位激光ROM開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號共有48位，最后8位是前56位的CRC校本文系統(tǒng)地介紹了基于DS18B20的多點溫度測量控制系統(tǒng)的組成、設(shè)計方案、電路原理、程序設(shè)計以及系統(tǒng)仿真過程。DS18B20冷庫溫度監(jiān)控報警系統(tǒng)是以AT89C52單片機作為控

40、制核心，智能溫度傳感器DS18B20為控制對象，用數(shù)碼管顯示，運用C語言編程實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。設(shè)計完成溫度的測量，與上下限溫度報警值設(shè)置。借助單片機編程軟件Keil實現(xiàn)了系統(tǒng)軟、硬件的交互聯(lián)調(diào)，并結(jié)合數(shù)碼管、DS18B20和AT89C52單片機最小系統(tǒng)進行了電路焊接和調(diào)試，實現(xiàn)了課題設(shè)計目的。 DSl8B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除EEPRAM。后者用于存儲TH，TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM，經(jīng)校驗后再傳給EEPRAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個字節(jié)，他的內(nèi)容用與確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，DSl8B20 工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為

41、相應(yīng)精度的數(shù)值。低5位一直都是1，TM是測試模式位，用于設(shè)置DSl8B20在工作模式還是在測試模式。如表2.3所示。在DSl8B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動，Rl和R0決定溫度轉(zhuǎn)換精度位數(shù)。TMR1R011111表2.3 字節(jié)各位的定義由表2.4可見，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長。因此，在實際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有其他8個字節(jié)組成。其中溫度信息(第l，2字節(jié))，TH和TL值第3，4節(jié)，第68字節(jié)，表現(xiàn)為全邏輯1；第9字節(jié)讀出的是前面所有的8字節(jié)的CRC碼，可用來保證通信正確。R1 R0 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時間/

42、ms0 0 9 93.750 1 10 187.51 0 11 275.001 1 12 750.00表2.4 數(shù)據(jù)分辨率和轉(zhuǎn)換時間當DSl8B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換，如表2.5所示。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展到二進制補碼形式儲存在高速暫存存儲器的第l，2字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前面，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625LSB形式表示。對應(yīng)的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。 溫度低位溫度高位THTL配置保留保留保留8位CRC 表2.5 碼制轉(zhuǎn)換在DSl8B20完成溫度變換之

43、后，溫度值與貯存TH和TL內(nèi)的觸發(fā)值相比較因為這些寄存器僅僅是8位，所以0.5位在比較時被忽略。TH或TL的最高有較位直接對應(yīng)于l6位溫度奇存器的符號位。如果溫度測量的結(jié)果高于TH或低于TL，那么器件內(nèi)告警標志將置位。每次溫度測量更新此標志。只要告警標志置位，DSl8B20將對告警搜索命令做出響應(yīng)。這允許并聯(lián)連接許多DSl8B20，同時進行溫度測量。如果某處溫度超過極限，那么可以識別出正在告警的器件并立即將其讀出而不必讀出非告警的器件。2.3.2 DSl8B20具體參數(shù)及工作方式參數(shù)特性：（1）獨特的單線接口只需l個接口引腳即可通信（2）多點綜合測溫能力使分布式溫度檢測應(yīng)用得以簡化（3）不需要

44、外部元件（4）可用數(shù)據(jù)線供電（5）需備份電源（6）測量范圍從-55至+125增量值為05溫度輸入（2進制）輸出（16進制）+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251

45、111 1111 0101 1110EE6FH-551110 1110 0110 1111FE90H表2.6 部分溫度轉(zhuǎn)換值 （7）以9位數(shù)字值方式讀出溫度（8）在1秒(典型值)內(nèi)把溫度變換為數(shù)字（9）用戶可定義的非易失性的溫度告警設(shè)置（10）告警搜索命令識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件溫度告警情況（11）應(yīng)用范圍包括恒溫控制工業(yè)系統(tǒng)消費類產(chǎn)品溫度計或任何熱敏系統(tǒng)極限參數(shù)：（1）任何引腳相對于地的電壓-0.5V至+7.0V（2）運用溫度-55至+125（3）貯存溫度-55。C至+125（4）焊接溫度260/l0秒 DS18B20有六條控制命令： （1）溫度轉(zhuǎn)換 44H 啟動DS18B20進

46、行溫度轉(zhuǎn)換 （2）讀暫存器 BEH 讀暫存器9個字節(jié)內(nèi)容 （3）寫暫存器 4EH 將數(shù)據(jù)寫入暫存器的TH、TL字節(jié) （4）復(fù)制暫存器 48H 把暫存器的TH、TL字節(jié)寫到E2RAM中 （5）重新調(diào)E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字節(jié)寫到暫存器TH、TL字節(jié) （6）讀電源供電方式 B4H 啟動DS18B20發(fā)送電源供電方式的信號給主CPU DS18B20供電方式DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，單片機端口接單線總線，為保證提供足夠的電流，可用一個三極管來完成對總線的上拉。本

47、設(shè)計采用電源供電方式， P2.3口接單線總線為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個上拉電阻和STC89C52的P2.3來完成對總線的上拉。主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：l 初始化。l ROM操作指令。l 存儲器操作指令。第3章 系統(tǒng)的硬件電路3.1 單片機最小系統(tǒng) 要使單片機工作起來最基本的電路構(gòu)成為單片機最小系統(tǒng)如圖3.1示。 圖3.1 信號處理模塊 單片機最小系統(tǒng)包括單片機、復(fù)位電路、時鐘電路構(gòu)成。單片機就是把控制應(yīng)用所需的器件，如存儲器，并行輸入/輸出口，中斷和定時器等都集中在一個芯片上。連接方式為單片機中的40腳VCC接正極5V，而20腳V

48、SS接電源地端。3.2 單片機的時鐘電路與復(fù)位電路設(shè)計 本系統(tǒng)采用STC系統(tǒng)列單片機，相比其他系列單片機具有很多優(yōu)點。一般STC單片機資源比其他單片機要多，而且執(zhí)行速度快；STC系列單片機使用串口對單片機進行燒寫,下載程序較為方便；STC89C52單片機內(nèi)部集成了看門狗電路；且具有很強抗干擾能力。本系統(tǒng)采用內(nèi)部方式的時鐘電路和加電自復(fù)位的復(fù)位電路，如下圖3.2和圖3.3所示： 圖3.2 復(fù)位電路復(fù)位電路就是確定單片機的工作起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。單片機接通電源時產(chǎn)生復(fù)位信號，完成單片機啟動確定單片機起始工作狀態(tài)。當單片機系統(tǒng)在運行中，受到外界環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部

49、的程序自動從頭開始執(zhí)行。一般有上電自動復(fù)位和外部按鍵手動復(fù)位，單片機在時鐘電路工作以后，在RESET端持續(xù)給出2個機器周期的高電平時就可以完成復(fù)位操作。本設(shè)計采用的是外部手動按鍵復(fù)位電路，需要接上上拉電阻來提高輸出高電平的值。 圖3.3 時鐘電路 時鐘電路好比單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。時鐘電路就是振蕩電路，是向單片機提供一個正弦波信號作為基準，決定單片機的執(zhí)行速度。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us。3.3 煙霧檢測AD采集電路ADC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32S，同時，獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。圖3.4 煙霧濃度采集電路煙霧檢測采用MQ-2傳感器。經(jīng)過ADC0832采集后就可以得到各種煙霧濃度下的電壓值。從而設(shè)定出理想的煙霧強度報警值。電路如上圖3.4所示。3.4 顯示模塊 顯示采用數(shù)碼管顯示，顯示電路如圖3.5，圖3.5 數(shù)碼管顯示 LED數(shù)碼管（LED