煙霧超標報警自動排氣電路的設(shè)計與制作

1、 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計煙霧超標報警自動排氣電路的設(shè)計與制作 摘要 為了有效的降低火災帶來的損失，利用單片機AT89S51設(shè)計了一種煙霧超標報警自動排氣電路。它主要由單片機最小系統(tǒng)、煙霧檢測電路、語音報警電路、自動排氣電路等組成。軟件用C語言編寫程序，在keil中進行程序的編譯并下載到AT89S51芯片中。先用proteus進行硬件仿真，通過后將下載的單片機和相關(guān)元器件焊接在PCB板上，上電后可以實現(xiàn)煙霧檢測，語音報警和自動排氣控制等功能。關(guān)鍵詞單片機；煙霧檢測電路；語音報警電路；自動排氣電路Design and production of excessive smoke alarm and a

2、utomatic exhaust circuit Abstract In order to reduce fire losses, the excessive smoke alarm and automatic exhaust circuit is designed using MCU AT89S51, which is mainly composed of MCU minimum system, smoke detection circuit, a voice alarm circuit, automatic exhaust circuit. etc. The software was wr

3、itten in C language , the program is compiled on the Keil environment and downloaded to AT89S51 chip. The hardware part is simulation in the Proteus environment , when passing through ,the MCU which are downloaded and some related components are welded in the PCB board ,on electrifying it can be ach

4、ieved that the smoke detection,the voice alarm circuit and the automatic exhaust control fuctions ,etc.Keywords MCU , Smoke detection circuit,Voice alarm circuit,Automatic exhaust circuitII 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計目 錄1引言12方案論證及選擇32.1方案一：基于SOPC設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路32.2方案二：基于放大器和比較器的煙霧超標報警自動排氣電路32.3方案三：基于氣敏傳感器設(shè)計的煙霧超標報警自動

5、排氣電路42.4方案選擇53硬件電路的設(shè)計63.1 單片機最小系統(tǒng)電路的設(shè)計63.2 煙霧檢測電路的設(shè)計73.2.1煙霧傳感器的選擇73.2.2煙霧傳感器電路83.3 語音報警電路的設(shè)計93.3.1語音錄放音電路93.3.2音頻放大電路103.4 自動排氣電路的設(shè)計114系統(tǒng)軟件設(shè)計134.1程序設(shè)計134.2 編譯及下載145裝配與調(diào)試165.1 Proteus仿真165.2 硬件制作175.3 系統(tǒng)調(diào)試175.3.1 單片機最小系統(tǒng)電路的調(diào)試175.3.2 煙霧檢測電路的調(diào)試185.3.3 語音報警電路的調(diào)試19結(jié)束語20致 謝21參考文獻22附錄A 英文文獻原文23附錄B 英文文獻譯文3

6、1附錄C 整體電路圖38附錄D 元器件清單391.引言隨著現(xiàn)在家庭中家用電器的使用量逐漸增加，用電量也隨之增加。而用電量的大幅增加也會增高火災發(fā)生的頻率。如果在一般家庭中發(fā)生火災，就會很大程度上出現(xiàn)撲救不及時的情況。由于許多場合缺乏滅火器材以及人們在逃生時的驚慌失措，和外界逃生環(huán)境遲緩等不利因素，最終就會給人們的生活和財產(chǎn)帶來重大的損失。美國消防協(xié)會（NFPA）強調(diào)煙霧報警器在拯救生命方面發(fā)揮著越來越重要的作用，NFPA指出美國家庭火災死亡人數(shù)的40是由于未安裝報警器造成的4。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、大量樓宇的建成與使用，用于保障人身和財產(chǎn)安全的火災報警系統(tǒng)顯得越來越必要。但火災報警系統(tǒng)設(shè)置后,往往會

7、發(fā)覺系統(tǒng)有些不盡如人意的地方。如:探測器經(jīng)常誤報警,經(jīng)常演繹“狼來了”的故事,使得消防值班人員飽受困擾。排除了設(shè)備質(zhì)量不過關(guān)等情況后,我們發(fā)現(xiàn)這些情況往往是由于探測設(shè)備受到干擾而造成的。下面將從火災探測器的工作原理和結(jié)構(gòu)入手,逐步分析探測器的部分和主要干擾來源，并對由此產(chǎn)生的誤報警提出一些改進的方法?；馂奶綔y器的工作原理火災探測器顧名思義就是探測是否有火災可能或火災正在發(fā)生的設(shè)備,根據(jù)火災的特點及其產(chǎn)生物(例如:煙、熱、火焰等)的特性，可分為：煙霧探測器、溫度探測器及火焰探測器三類。其中煙霧探測器和溫度探測器用的地方占絕大部分8。研究煙霧超標報警和自動排氣電路對減低火災損失有著非常重要的現(xiàn)實意

8、義。目前，火災自動報警控制系統(tǒng)已廣泛應用于商場、倉庫、賓館等場所，采用集中報警控制方式的總線控制系統(tǒng)。隨著人們生活水平及家居環(huán)境的提高，廉價實用的火災自動報警器將進入家庭，而且需求量很大3。(1)研究現(xiàn)狀隨著經(jīng)濟的發(fā)展、大量樓宇的建成與使用，用于保障人身和財產(chǎn)安全的火災報警系統(tǒng)顯得越來越必要。但火災報警系統(tǒng)設(shè)置后,往往會發(fā)覺系統(tǒng)有些不盡如人意的地方。如:探測器經(jīng)常誤報警,經(jīng)常演繹“狼來了”的故事,使得消防值班人員飽受困擾。排除了設(shè)備質(zhì)量不過關(guān)等情況后,我們發(fā)現(xiàn)這些情況往往是由于探測設(shè)備受到干擾而造成的。下面將從火災探測器的工作原理和結(jié)構(gòu)入手,逐步分析探測器的部分和主要干擾來源，并對由此產(chǎn)生的誤

9、報警提出一些改進的方法?；馂奶綔y器的工作原理火災探測器顧名思義就是探測是否有火災可能或火災正在發(fā)生的設(shè)備,根據(jù)火災的特點及其產(chǎn)生物(例如:煙、熱、火焰等)的特性，可分為：感煙探測器、感溫探測器及火焰探測器三類。其中感煙探測器和感溫探測器用到的地方占絕大部分8。我國煙霧超標報警自動排氣工程應用技術(shù)實現(xiàn)了較快發(fā)展，但由于在實際應用中，煙霧超標報警系統(tǒng)的通訊協(xié)議不一致，煙霧超標報警自動排氣工程技術(shù)水平還相對落后，還存在著一些比較突出的問題。如適用范圍過小、智能化程度低、網(wǎng)絡(luò)化程度低、組件連接方式有待改善、煙霧超標報警自動排氣系統(tǒng)誤報、漏報問題較多、超早期煙霧探測報警技術(shù)應用還幾乎處于空白。(2)發(fā)展

10、趨勢針對當前煙霧超標報警自動排氣系統(tǒng)存在的誤報漏報頻繁、智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度低、特殊惡劣條件下煙霧探測報警抗干擾能力弱等問題，煙霧超標報警自動排氣系統(tǒng)應用技術(shù)應進一步著眼于當前國際發(fā)展的新形勢，加快更新改造進程，加強對數(shù)字技術(shù)和新工藝、新材料的應用，改進系統(tǒng)能力，使煙霧超標報警自動排氣系統(tǒng)應用技術(shù)向著高可靠、低誤報和網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備的應用研究勢在必行7。 (3) 課題研究意義煙霧超標報警器的意義在于可以實現(xiàn)對普通環(huán)境中煙霧濃度進行實時檢測，以減少煙霧有毒氣體對人體的傷害，通過報警來警示人們所處環(huán)境的煙霧濃度過高，并通過單片機來控制環(huán)境的有毒氣體濃度，如完成開

11、風扇通風、切斷有毒氣體來源等由單片機控制的部分?，F(xiàn)在家具產(chǎn)品多種多樣，智能化、小型化的節(jié)能、綠色、安全產(chǎn)品越來越受到普通大眾的青睞。該設(shè)計以其小型化、智能化并且設(shè)計的電路系統(tǒng)簡潔明了、電路構(gòu)成簡單、易于維護、實用性強等特點能夠廣泛的應用于居民、企事業(yè)單位等多方面的安全防范。(4)論文結(jié)構(gòu)論文主要從方案論證及選擇、硬件電路設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計、制作與調(diào)試等幾大方面來介紹煙霧超標報警點的設(shè)計和制作過程。其中方案論證及選擇主要從三種可以實現(xiàn)煙霧超標報警自動排氣功能的方案中選擇一個成本低、易操作、系統(tǒng)性能較高的方案。硬件電路設(shè)計主要是針對選擇的方案進行具體的電路設(shè)計。其中主要設(shè)計的電路包括：單片機最小系

12、統(tǒng)電路，煙霧檢測電路，語音報警電路，自動報警電路等以及一些外圍輔助電路。系統(tǒng)軟件設(shè)計則主要是設(shè)計單片機進行控制所需要的相關(guān)程序，這部分程序采用C語言進行編寫。最后的制作與調(diào)試主要是進行硬件仿真與制作，并對硬件進行相關(guān)功能的測試，檢測是否能達到設(shè)計所要實現(xiàn)的功能。最后對全文進行概括的總結(jié)，并提出相關(guān)擴展功能，有待進一步完善。2方案論證及選擇2.1方案一：基于SOPC設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路基于SOPC設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路原理框圖如圖2.1所示。圖2.1 基于SOPC設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路原理框圖基于SOPC的煙霧報警系統(tǒng)。SOPC（System-on-a-Programm

13、able-Chip）可編程片上系統(tǒng)。 SOPC是在一塊硅片上利用可編程邏輯技術(shù)來設(shè)計和開發(fā)一個完整的可編程片上系統(tǒng)?？删幊唐舷到y(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)。SOPC可編程片上系統(tǒng)其整個系統(tǒng)主要邏輯功能是由單個芯片完成之間的共同作用來完成的；SOPC可編程片上系統(tǒng)是可以自主進行編程的系統(tǒng)，具有靈活的可裁減、可擴充、可升級的自主編程設(shè)計方式，同時也可以在軟硬件方面實現(xiàn)系統(tǒng)的可編程功能。Quartus 是最高級和復雜的用于SOPC的設(shè)計環(huán)境。Quartus 可編程邏輯軟件屬于第四代PLD開發(fā)平臺。Quartus 平臺支持一個工作組環(huán)境下的設(shè)計要求，其中包括支持基于Internet的協(xié)作

14、設(shè)計。該系統(tǒng)由圖中所示的幾個部分構(gòu)成。煙霧傳感器安裝于檢測現(xiàn)場，通過導線連接到主板傳感器的驅(qū)動電路，傳感器檢測的信號送到放大電路將信號進行放大，A/D轉(zhuǎn)換電路將放大后的信號轉(zhuǎn)換為05V的電平信號，并由A/D轉(zhuǎn)換芯片將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號送入SOPC控制器。系統(tǒng)的其它部分均安裝在主板上，SOPC控制器接受到來自傳感器的數(shù)據(jù)后將數(shù)值顯示，并根據(jù)事先定制好的規(guī)則判斷煙霧是否超標，如果有煙霧超標則將發(fā)出報警信息，并驅(qū)動語音報警電路發(fā)出報警，同時驅(qū)動自動排氣電路開始工作。2.2方案二：基于放大器和比較器設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路基于放大器和比較器的設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路原理框圖如圖2.2所示。圖2

15、.2 基于放大器和比較器的設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路原理框圖電化學傳感器的工作原理是：電化學傳感器內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)可以與被測氣體發(fā)生反應，能產(chǎn)生與檢測空氣中氣體的濃度成正比的電信號來工作。電化學傳感器主要包括兩部分：傳感電極（又稱工作電極）和反向電極。傳感電極和反向電極中有一層薄的電解層，這層薄的電解層將傳感電極和反電極隔開。空氣中的待檢測氣體通過網(wǎng)孔與傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生一定的化學反應反應，這種反應會形成一層憎水屏障，這層憎水屏障就會形成一種電極表面。這樣就完成了傳感器的傳感電極與空氣中某種氣體的發(fā)生的電化學反應。電化學反應會形成一定的電信號，這種電信號就可以防止傳感器中的電解質(zhì)泄漏出傳

16、感器?？諝庵械拇龣z測氣體透過網(wǎng)孔與傳感電極發(fā)生電化學反應產(chǎn)生傳感電極，這種電化學傳感電極主要是應用的氧化機理和還原機理。這兩種催化反應主要是針對不同的被測氣體以及不同的電極材料反應所生成的各種不同的電化學反應。正負極之間通過電極間連接的電阻，產(chǎn)生的與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極之間流動。如果測量該電流的大小，就可根據(jù)電流的大小與氣體濃度的換算關(guān)系來確定空氣中某種氣體濃度。由于電化學傳感器在進行濃度監(jiān)測的過程中會產(chǎn)生一定大小的電流，所以電化學傳感器又被稱為電流氣體傳感器。在具體的實際應用中，由于電化學傳感器在檢測電路中使用時電極表面會連續(xù)發(fā)生電化學發(fā)應，傳感電極電勢會處于不斷變化的狀態(tài)，

17、所以當電化學傳感器在使用一段較長時間后，傳感器的檢測性能會逐漸退化。2.3 方案三：基于氣敏傳感器設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路基于氣敏傳感器設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路原理框圖如圖2.3所示。圖2.3 基于氣敏傳感器設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路原理框圖采用基于單片機的煙霧報警器。整體方案設(shè)計：首先需要把煙霧信號轉(zhuǎn)化成單片機9（AT89S52）可識別的數(shù)字信號，這部分電路就需要煙霧檢測電路、放大電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路組成。其次由單片機中的程序判斷傳輸?shù)臒熿F信號是否超標，最后在超標的情況下，由單片機控制啟動報警和排氣電路。煙霧超標報警自動排氣裝置的最基本組成部分應包括：它由光電式煙霧檢測電路、語

18、音發(fā)聲電路、音頻功放電路、排氣控制電路和交流降壓整流及穩(wěn)壓電路等組成1。原理框圖說明：煙霧信號采集電路一般由氣敏管6傳感器和模擬放大電路組成，將煙霧信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。再用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從煙霧檢測電路送出的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號后送入單片機。單片機對該數(shù)字信號進行處理，并對處理后的數(shù)字信號進行分析比較，看是否大于或等于某個預設(shè)值(也就是報警限)，如果大于則啟動報警電路發(fā)出報警聲音并自動排氣電路，反之則為正常狀態(tài)。以上是根據(jù)報警器應具備的功能，提出的整體設(shè)計和需要解決的問題。2.4 方案選擇方案一：基于SOPC設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路系統(tǒng)的可靠性不高。由于可能會有因某種特

19、定原因產(chǎn)生的類似火災的干擾源觸發(fā)報警系統(tǒng)。所以不采取此方案。方案二：基于放大器和比較器的設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路采用電化學傳感器。電化學傳感器有一個恒定的檢測范圍。當檢測的氣體濃度處在這個范圍之中時，檢測到的氣體濃度的可靠性最高。當被測氣體濃度超過電化學傳感器的檢測范圍時，產(chǎn)生的電流大小不能準確的反應出氣體濃度的大小，電化學傳感器這時就會產(chǎn)生處于飽和狀態(tài)的電流值。當氣體濃度低于范圍的最小值時，就會削弱電化學傳感器產(chǎn)生的反映信號，還有一些不可避免的環(huán)境噪聲干擾，儀器的使用有誤從而使讀數(shù)不準確，也會降低電化學傳感器的準確性和分辨率。如果空氣中的待測氣體有交叉影響，電化學傳感器回合很多氣體都可

20、以產(chǎn)生氧化還原反應并產(chǎn)生一定大小的電流。待測氣體的交叉影響使檢測結(jié)果不能反映檢測氣體的實際含量，檢測結(jié)果就會失去科學價值和原有的合理性。此外傳感器的零點漂移問題也是影響的主要因素，傳感器的零點漂移是傳感器以前曝光的時間和溫度相互交叉影響的結(jié)果。零點漂移是二個變數(shù)交互作用的結(jié)果，所以它不能夠通過溫度補償來解決。綜上所述本設(shè)計的穩(wěn)定性不高，存在的干擾因素較大，所以不采取此方案。方案三：基于氣敏傳感器設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路，首先傳感器選用MQ-2型半導體煙霧氣敏傳感器，其在常溫條件工作時不需要溫度補償電路，因此選此傳感器省去了設(shè)計溫度補償電路的麻煩。單片機采用AT89S51單片機為控制核心，

21、完成數(shù)據(jù)的處理工作。復位電路可以采用典型的上電復位或者是按鍵復位電路。整體電路設(shè)計簡單，可靠性較高，易于實現(xiàn)。因此，綜合考慮成本、易操作性、系統(tǒng)性能等因素，最終選擇方案三。3.硬件電路的設(shè)計3.1 單片機最小系統(tǒng)電路的設(shè)計單片機最小系統(tǒng)的具體電路圖如圖3.1所示。電路主要包括：單片機、時鐘電路、復位電路。圖3.1 單片機最小系統(tǒng)電路圖 (1)AT89S51單片機AT89S51是一個低功耗，高性能的CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，AT89S51采用ATMEL公司的高密度、非易失性

22、存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有的特點為：40個引腳，4KB片內(nèi)程序存儲器，128 比特的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級，2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 AT89S51可以通過硬件設(shè)置振蕩頻率可為0Hz，也可通過軟件設(shè)置進入省電模式。在空閑模式下，單片機的CPU就會停止工作而R

23、AM定時計數(shù)器、串行口以及外部中斷系統(tǒng)是繼續(xù)工作，這樣就可以在掉電的情況下使振蕩器凍結(jié)，將數(shù)據(jù)保存在RAM中，掉電的時候系統(tǒng)會停止芯片的其它功能，直至外部中斷響應或硬件電路進行復位。AT89S51芯片有三種封裝形式PDIP、TQFP和PLCC，這三種不同的封裝形式適應不同產(chǎn)品的需求。特別注意：31腳(/EA/Vpp)是選擇片內(nèi)外存儲器的引腳，當/EA/Vpp接高電平時，單片機在復位后從內(nèi)部ROM的0000H開始執(zhí)行；當/EA/Vpp接低電平時，復位后直接從外部ROM的0000H開始執(zhí)行。(2) 復位電路：單片機在啟動時都需要復位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作,復位

24、后PC0000H，使單片機從第個單元取指令。89系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位。單片機系統(tǒng)的復位方式有：手動按鈕復位和上電復位。根據(jù)實際情況選擇如圖3.1所示的復位電路，該電路在最簡單的復位電路下增加了手動復位按鍵，在接通電源瞬間，電容C1上的電壓很小，復位下拉電阻R2上的電壓接近電源電壓，即RST為高電平，在電容充電的過程中RST端電壓逐漸下降，當RST端的電壓小于某一數(shù)值后，CPU脫離復位狀態(tài)，由于電容C1足夠大，

25、可以保證RST高電平有效時間大于10ms，CPU能夠可靠復位。增加手動復位按鍵是為了避免死機時無法可靠復位。當復位按鍵按下后電容C1通過R1放電。當電容C1放電結(jié)束后，RST端的電位由R1與R2分壓比決定。由于R1<<R2 因此RST為高電平，CPU處于復位狀態(tài)，松手后，電容C1充電，RST端電位下降，CPU脫離復位狀態(tài)。R1的作用在于限制按鍵按下瞬間電容C1的放電電流，避免產(chǎn)生火花，以保護按鍵觸電。最小系統(tǒng)中復位電路的電容C1的大小直接影響單片機的復位時間，一般采用10uF左右極性電容，單片機最小系統(tǒng)的電容值越大復位的時間越短。在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，單片機最小

26、系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快。(3) 時鐘電路：單片機的定時控制功能是由片內(nèi)的時鐘電路和定時電路來完成的，而片內(nèi)的時鐘產(chǎn)生方式有兩種：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本文就采用內(nèi)部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式片內(nèi)高增益反相放大器通過XTAL1和XTAL2外接作為反饋元件的晶體與電容組成的并聯(lián)諧振回路，構(gòu)成一個自激振蕩器向內(nèi)部時鐘電路提供振蕩時鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率，晶體選擇11.0592MHz；電容C2、C3的值則有微調(diào)作用，通常取30pF左右的瓷片電容。3.2 煙霧檢測電路的設(shè)計3.2.1煙霧傳感器的選擇煙霧傳感器的主要分為離子式煙霧傳感器、光電式

27、煙霧傳感和氣敏式煙霧傳感器。（1）離子式煙霧傳感器：離子式煙霧傳感器是一種先進的技術(shù)，是一種工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運用到各種消防報警系統(tǒng)中，它的性能遠優(yōu)于由光電式煙霧傳感器構(gòu)成的火災報警器。（2）光電式煙霧傳感：該煙霧傳感器內(nèi)部有一個光學迷宮，安裝有紅外對管，沒有煙霧時紅外接收管接收不到紅外發(fā)射管發(fā)射出來的紅外光線，當煙霧進入光學迷宮時，通過折射、反射后，接收管將接收到紅外光線，報警電路判斷是否超過閾值，超過則發(fā)出警報，反之則不然。（3）氣敏式煙霧傳感器：該煙霧傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導體氣

28、敏傳感器。半導體氣敏元件有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減小，P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。當溫度在200300時半導體氣敏元件讓空氣中的氧吸附在元件表面，當氧負離子吸附在半導體氣敏元件表面可以形成氧負離子吸附，氧負離子的減少就會使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當遇到空氣中可燃氣體時，由于可燃氣體能夠提供給電子，可燃氣體中就會有正離子吸附在金屬氧化物半導體表面，氧負離子放出電子使可燃氣體以正離子的吸附也要放出電子，電阻值下降就是因為半導體電子密度增加。當氣體中可燃氣體的濃度減少或可燃性氣體不存在了，半導體氣敏元件中金屬氧化物半導體就能恢復氧的負離子吸附，使電

29、阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半導體氣敏元件檢測可燃氣體的基本原理6。此次使用的氣敏式煙霧傳感器選擇的具體型號為MQ-2。該傳感器常用于家庭和工廠的氣體泄漏裝置，適宜于煙霧、液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣等的探測。本設(shè)計選用的MQ-2型氣體傳感器，這種型號的傳感器的特點是靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、壽命長、價格低廉等優(yōu)點。MQ-2氣體傳感器是SnO2(氧化錫)半導體氣敏傳感器屬于電阻型氣敏元件。它是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化。若氣濃度發(fā)生變化，其阻值也將隨之變化。根據(jù)這一變化，可以從阻值的變化得出吸附氣體的種類和濃度。MQ-2的主要特點：(1)具有信號輸出指

30、示。(2)雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）(3)TTL輸出有效信號為低電平。（當輸出為低電平時信號燈亮，可直接單片機）(4)模擬量輸出05V電壓，濃度越高電壓值越高。(5)快速的響應恢復特性。(6)具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。(7)適宜于煙霧、液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣等的探測。3.2.2 煙霧傳感器電路煙霧檢測電路圖如圖3.2所示。主要由煙霧傳感器MQ-2和相關(guān)元器件構(gòu)成。圖3.2 煙霧檢測電路圖傳感器的電導率是隨空氣中可燃氣體濃度的增大而增大，再使用相應的外圍電路就可將電導率的變化轉(zhuǎn)變成與該氣體濃度變化相對應的電信號。一般情況下，傳感器輸出的信號會比較弱，而且其中

31、還包括了一些避免不了的干擾，對這種信號的放大就需要有很好的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗的放大電路。當傳感器輸出的信號經(jīng)過前置放大電路對其進行的放大、濾波、電平調(diào)整后，輸出的信號才能滿足單片機對輸入信號的要求。煙霧傳感器是氣-電變換器，它屬于氣敏傳感器，它將空氣中煙霧或可燃性氣體的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成對應的電壓或者電流信號，傳感器作為煙霧報警器的信號采集部分，是整個系統(tǒng)的核心組成部分之一。一個煙霧傳感器既可以只實現(xiàn)單個功能，也可以實現(xiàn)多種功能的。一個完整的煙霧傳感器都必須具備：(a)能夠檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應或低響應； (b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢

32、測允許范圍內(nèi)的煙霧濃度；(c)對檢測信號響應速度快，重復性好；(d)長期工作穩(wěn)定性好，制造成本低，使用與維護方便等條件。3.3 語音報警電路的設(shè)計設(shè)計的語音報警電路如圖3.3所示。語音報警電路主要由語音錄放音電路和音頻放大電路組成。圖3.3 語音報警電路3.3.1 語音錄放音電路語音錄放音電路主要由語音芯片以及一些外圍電路組成。語音報警電路中采用的語音芯片為ISD1820PY。其中語音芯片ISD1820PY是美國ISD公司于2001年最新推出一種可錄放一段820秒的語音的芯片，它的基本結(jié)構(gòu)與ISD1110、1420完全相同，采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器，話筒前置放大，自動增益控制，防混淆濾波器

33、，揚聲器驅(qū)動及FLASH陣列。語音芯片ISD1820PY管腳功能為：電源(VCC)：芯片內(nèi)部的有兩路電路分別是：模擬電路和數(shù)字電路。模擬電路和數(shù)字電路分別使用了不同電源線，兩路電路的電源總線在此引腳匯合。電源線的匯合這樣接法會使得噪聲的影響減少到最小。電源端的去耦電容回路應該盡量靠近芯片，從而有效的減少電源中的各種干擾。地線(Vssa，Vssd)：Vssa是芯片內(nèi)部的模擬電路的地線匯接引腳。Vssd是芯片內(nèi)部的數(shù)字電路的地線匯接引腳。錄音 (REC)：REC高電平有效，不管芯片處在節(jié)電狀態(tài)還是正在放音的狀態(tài)只要REC變?yōu)楦唠娖?，芯片就開始錄音。整個錄音期間，REC要一直保持為高電平。直到REC

34、變低或芯片內(nèi)存錄滿后，錄音結(jié)束，芯片自動寫入一個信息結(jié)束標志(EOM)，以后的放音操作當遇到結(jié)束標志(EOM)就會停止，芯片進入節(jié)電狀態(tài)。注：REC的上升沿有84毫秒防顫，防止按鍵誤觸發(fā)。邊沿觸發(fā)放音(PLAYE)：當此管腳有一個上升沿時，可以驅(qū)動芯片開始進行放音。放音一直持續(xù)到EOM標志，放音結(jié)束后芯片自動進入節(jié)電狀態(tài)。放音后，可自動釋放PLAYE。電平觸發(fā)放音(PLAYL)：此端從低變高時，芯片開始放音。持續(xù)至此端回到低電平，或遇到EOM標志，或內(nèi)存結(jié)束，放音結(jié)束后自動進入節(jié)電狀態(tài)。錄音指示(/RECLED)：當芯片處于錄音狀態(tài)時，此端為低電平，可驅(qū)動LED發(fā)光。此外，放音遇到EOM標志時

35、，此端輸出一個低電平脈沖。此脈沖可用來觸發(fā)PLAYE，實現(xiàn)循環(huán)放音。話筒輸入(MIC)：此端連至片內(nèi)前置放大器。片內(nèi)自動增益控制電路(AGC)控制前置放大器的增益。外接話筒應通過串聯(lián)電容耦合到此端。耦合電容值和此端的10K輸入阻抗決定了芯片頻帶的低頻截止點。話筒參考(MIC REF)：此端是前置放大器的反向輸入。當以差分形式連接話筒時，可減小噪聲，提高共模抑制比。自動增益控制(AGC)：AGC動態(tài)調(diào)整前置增益以補償話筒輸入電平的寬幅變化，使得錄制變化范圍很大的音量(從耳語到喧囂聲)時失真都能保持最小。通常4.7uF的電容器在多數(shù)場合下可獲得滿意的效果。喇叭輸出(SP+，SP-)：輸出端可以直接

36、驅(qū)動8以上的喇叭。單端使用必須在輸出端和喇叭之間接耦合電容，而雙端輸出既不用電容又能將功率提高至4倍。SP+和SP-之間通過內(nèi)部的50K的電阻連接，不放音時為懸空狀態(tài)。振蕩電阻(ROSC)：此端接振蕩電阻至VSS，由振蕩電阻的阻值決定錄放音的時間。直通模式(FT)：此端允許接在MIC輸入端的外部語音信號經(jīng)過芯片內(nèi)部的AGC電路、濾波器和喇叭驅(qū)動器后直接到達喇叭輸出端。平時FT端為低，要實現(xiàn)直通功能，需將FT端接高電平，同時REC、PLAYE和PLAYL保持低。圖3.3中的三個按鍵S1、S2、S3分別是錄音鍵、邊沿觸發(fā)放音、電平觸發(fā)放音。按住S1(REC)錄音按鍵不放即錄音，RECLED燈會亮起

37、，松開按鍵錄音停止。沿觸發(fā)放音，按S2(PE)鍵一下即將全段放音，除非斷電或放音結(jié)束，否則不停止放音；電平觸發(fā)放音，按住S3(PL)鍵時即放音，松開按鍵即停止。在直通模式下，直通開關(guān)閉合，對話筒說話會從喇叭里擴音播放出來，構(gòu)成喊話器功能，由于該模式下的話筒放大同時經(jīng)過AGC自動增益調(diào)節(jié)和帶通濾波器，其音質(zhì)比通常的話筒放大器要好很多，而且不會出現(xiàn)喇叭過載的情況。3.3.2 音頻放大電路音頻放大電路主要有音頻放大芯片和相關(guān)元器件構(gòu)成。音頻放大電路中采用的芯片為LM386。LM386是美國國家半導體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接

38、元件少及總諧波失真小等優(yōu)點的功率放大器。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。輸入端以地位參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在5V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗為24mW，使得LM386特別適用于電池供電的場合。LM386引腳圖如圖3.4。LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。靜態(tài)功耗低，約為4mA，可用于電池供電；工作電壓范圍寬，4-12V或5-18V；電壓增益可調(diào)，20-200；失真度低；圖3.4 LM386引腳圖LM386的應用非常簡單，但是在器件上電、斷電的時候，甚至芯片工作穩(wěn)定后的一些操作（如插拔音頻插頭、旋音量調(diào)節(jié)鈕）都會帶來的瞬態(tài)沖擊，在輸出端的喇叭上能夠產(chǎn)生不

39、理想的噪聲。通過接在1管腳和8管腳間接電解電容（1腳接電容+極）來改變增益，斷開時增益為20。采用雙音頻輸入/輸出?！?”、“”輸出端可以很好地抵消共模信號，有效抑制共模噪聲。BYPASS端外接一個電解電容到地，可以起到濾除噪聲的作用。芯片穩(wěn)定工作后，BYPASS的電壓值約為VCC的一半，改變BYPASS外接電容的容值大小，可以有效抑制噪聲。在芯片上電、掉電時產(chǎn)生的噪聲就是由該偏置電壓的瞬間跳變所致，減少輸出耦合電容可以有效地降低噪聲。此電容可以有隔直（隔斷直流電壓）和耦合（耦合音頻的交流信號）。如果直流電壓過大有可能會損壞喇叭線圈；耦合音頻的交流信號是它與揚聲器負載構(gòu)成了一階高通濾波器。減小

40、該電容值，可使噪聲能量沖擊的幅度變小、寬度變窄；故選用10uF/4.7uF。3.4 自動排氣電路的設(shè)計自動排氣電路圖如圖3.5所示。自動排氣電路主要包括5V繼電器和排氣扇。圖3.5 自動排氣電路圖排氣電路主要由三極管、繼電器、電機組成，在這部分電路中，繼電器和三極管相當于一個開關(guān)，可開通或關(guān)斷電機連接的5伏直流電源。繼電器中開關(guān)動作受三極管控制，當三極管處于飽和導通狀態(tài)時，集電極電流驅(qū)動繼電器動作，開關(guān)閉合，電機回路導通，電機開始工作。當三極管處于截止狀態(tài)時，繼電器中無電流通過，故而繼電器開關(guān)無法動作，導致電機回路開路，無電流通過，電機不工作。三極管是處于飽和導通還是處于截止斷開，則由其基極B

41、控制。當基極B電壓處于高電平時，其值高于集電極C的電壓，而且大于三極管的開啟電壓Uon，三極管處于飽和導通狀態(tài)，集電極上的繼電器中有電流通過；當基極B處于低電平狀態(tài)時，其值小于三極管開啟電壓Uon，三極管處于截止狀態(tài)，其集電極中無電流，三極管這個“開關(guān)”處于斷開狀態(tài)。二極管D2的作用是保護繼電器。當三極管T2飽和導通時，繼電器中有電流通過，此時是二極管D2相當于開路，對電路無影響；當三極管在轉(zhuǎn)換到截止狀態(tài)的瞬間，由于繼電器中含有電感元件，那么必然會在此刻產(chǎn)生極大的電流，如果不加二極管D2，電路可能會因電流過大而損壞，而加上二極管后，電流改變流向，通過二極管D2和繼電器中的電感組成的回路完成放電

42、過程，不會損壞電路。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1程序設(shè)計 程序流程圖如圖4.1所示。 圖4.1 整體軟件流程圖因為首先要給傳感器預熱，QM-2型半導體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時間的預熱。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。當檢測到煙霧時，煙霧傳感器會將信號傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機再控制語音報警電路和自動排氣電路工作。根據(jù)整體軟件流程圖用C語言編寫程序。編寫的程序為：#include<reg51.h> /包含頭文件#define uchar unsigned char /宏定義#define uint unsigned int

43、sbit yanwu=P10; sbit yuyin=P11;sbit jidianqi=P12; void delay1(uint z) /延時子程序 1msuint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-); void main() /主函數(shù) yanwu=1; jidianqi=0; yuyin=0; while(1) if(yanwu=0) yuyin=1; jidianqi=1; else yuyin=0;jidianqi=0; 4.2 編譯及下載在keil軟件中對程序進行編譯及調(diào)試，具體編譯及調(diào)試界面如圖4.2。圖4.2 程序編譯及調(diào)試界面

44、編譯及調(diào)試具體的步驟首先打開Keil uVision。新建工程project->new project將彈出 creat new project框，寫入工程名稱。為了便于集中管理建議新建一個文件夾（上面第二個圖標）。點擊確定后 彈出一個芯片選擇項，選atmel AT89S51。彈出一個框，選擇“否”。新建文件file-new將彈出一個文本框，輸入程序。然后保存這個文件file-save彈出框save as 填寫你要保存的文件名。注意一定要帶上后綴.c。加載程序，把我們編寫的c文件加載進入看到左邊 source group1，點擊右鍵，選擇倒數(shù)第四項 “add files.”進入add框，

45、選擇你剛才保存的main.c文件，然后add看到左邊source group1下面是不是加載上main.c了。編譯前要進行一個重要的操作。生成HEX文件。右邊 target 1 右鍵彈出框，找到output，再找到creat hex fi:前面復選框選中 OK。開始編譯了，project-build target或者按F7或者看到上面圖標（一個圖標有兩個方向向下的箭頭）編譯的時候，你會發(fā)現(xiàn)最前面編譯結(jié)果0 Errors就表示程序沒有錯誤。最后通過progisp把編譯、調(diào)試正確的程序下載到AT89S51芯片中。Progisp程序下載界面如圖4.3。圖4.3 Progisp程序下載界面5.裝配與調(diào)

46、試5.1 Proteus仿真 Proteus軟件是英國Labcenter Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件，它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持805

47、1、HC11 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。用Proteus仿真的整體電路仿真圖如圖5.1所示。（由于語音芯片、煙霧傳感器以及風扇等元器件在Proteus元器件庫中沒有收錄，此次仿真過程中用電位器表示煙霧傳感器，用蜂鳴器表示語音報警，用發(fā)光二極管代表風扇。）圖5.1 整體電路仿真圖Proteus仿真步驟：(1) 創(chuàng)建文件并命名“yanwubaojing.dsn”。(2) 在元器件庫中選

48、擇需要的元器件，再擺放好元器件，設(shè)定好參數(shù)，最后連接電路圖。(3) 雙擊單片機芯片，添加“.hex”文件。(4) 仿真運行，“debug”“execute”。(5) 檢查錯誤直至達到要求。5.2 硬件制作在Proteus軟件中仿真無誤后就可以進行安裝、焊接元器件。焊接前首先需要檢測元器件是否合格，元器件檢驗合格后在面包板上按照整體電路圖（附錄C）連接電路圖并檢測電路是否工作。如果經(jīng)檢測沒有問題可以工作，就可以在焊接板上開始對元器件進行焊接。焊接一般遵循先低后高，一個方向的原則。根據(jù)本設(shè)計的實際情況，就要先焊電阻、插槽、晶振、瓷片電容、電解電容，最后焊接煙霧傳感器和喇叭。焊接好的實物圖如圖5.2

49、所示。圖5.2 實物圖5.3 系統(tǒng)調(diào)試5.3.1 單片機最小系統(tǒng)電路的調(diào)試單片機最小系統(tǒng)電路的調(diào)試需要從以下幾個方面進行：(1)用萬用表檢測電源是否接通，檢測VCC(40腳)和GND(20腳)之間是否有5V電壓。(2) 用萬用表檢測31引腳是否有5V電壓。目的是確保使用了片內(nèi)存儲器。(3)檢測P 3口或P2 口的空閑電壓是否有5V電壓，如果沒有，說明單片機系統(tǒng)沒有工作。(4)用萬用表檢測復位電路，通過復位按鍵，檢測9引腳的電壓是否會變化，如果按鍵沒有按下，電壓為0V，按鍵按下后，電壓立刻變?yōu)?V，之后很快的降為0 V，則表示復位電路正常。(5)用示波器檢測振蕩電路，主要是檢測18、19引腳。檢

50、測是否有振蕩波產(chǎn)生。如果有，則表示振蕩電路正常。5.3.2 煙霧檢測電路的調(diào)試煙霧檢測電路主要通過調(diào)試可變電阻 ，可以調(diào)節(jié)煙霧傳感器的靈敏度，以獲得滿意的煙霧濃度風扇啟動點。MQ-2為煙霧傳感器，電路采用交流供電，220V交流市電從插頭引入電路，經(jīng)電源變壓器降壓后變?yōu)橹绷?，直流電壓直接供傳感器MQ-2的加熱絲h-h工作，加熱絲給傳感器MQ-2預熱一定時間后，才能正常檢測煙霧。因為家用煤氣中主要成分為甲烷，所以本實驗在煙霧標定時，選用甲烷煙霧。實際甲烷煙霧與進入到單片機輸入端的電壓值對應數(shù)據(jù)如表5.1所示。 表5.1實際煙霧與送入單片機的電壓值對應數(shù)據(jù)濃度（%）電壓（V）03.70103.652

51、03.60303.48403.30502.98602.61702.22801.80901.201000從該表中可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性關(guān)系，為了實時顯示氣體濃度，需要對其進行線性化處理，使顯示的煙霧濃度與實際誤差在±5%范圍內(nèi)。經(jīng)實驗的標定，分段線性化誤差數(shù)據(jù)如表5.2所示：表5.2分段線性化誤差數(shù)據(jù)濃度（%LEL）濃度誤差濃度（%LEL）濃度誤差005055355310-160015465220370325-175530580-2353854402903455955經(jīng)計算煙霧濃度與實際濃度之間的誤差為2.55%，在所規(guī)定誤差范圍±5%之 內(nèi)。因此，本論文中的

52、可燃性報警器滿足檢測要求。 5.3.3 語音報警電路的調(diào)試語音報警電路中語音芯片的選型很重要，不同型號的芯片功能和連接電路都不相同。語音報警中的退耦電容可以改變音質(zhì)。如果播放出來的聲音很小可以通過調(diào)節(jié)圖3.3中電位器R4的大小來改變聲音的大小。焊接時，所有外圍元件盡可能靠近LM386；地線盡可能粗一些；輸入音頻信號通路盡可能平行走線，輸出亦如此。結(jié)束語設(shè)計的煙霧超標報警自動排氣電路，選用MQ-2煙霧傳感器，AT89S51單片機、語音芯片ISD1820PY等器件，實現(xiàn)了煙霧檢測、語音報警、自動排氣等功能。但未實現(xiàn)液晶顯示、遠程報警等擴展功能，有待進一步完善。致謝致謝人： 參考文獻1祝敏.煙霧超標

53、報警自動排氣電路J.電子制作,2007,154(1):12-12.2陸東旭.簡易的煙霧報警器J.電子制作,2006,149(8):62-63. 3葉明啟.實用的火災煙霧報警器J.家庭電子,2004,156（2）:19-204趙婷. 美國煙霧報警器的統(tǒng)計報告J.消防科學與技術(shù),2010, 151(3):183-1845李增國.傳感器與測試技術(shù)M.北京:北京航空航天大學出版社,2004.6李永生,楊莉玲.半導體氣敏元件的選擇性研究J.儀表技術(shù)傳感器,2002,148(3): 1-9.7謝望.煙霧傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢J.儀器儀表用戶,2006,13(5): 1-2.8胡顯華.火災探測器誤報警的

54、原因及改進方法J.電腦開發(fā)與應用,2007,20(11):60-62. 9柴鈺.單片機原理及應用M.西安:西安電子科技大學出版社，2009.10閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:高等教育出版社,2006.511華成英,童時白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:高等教育出版社,2006.512 Wang Xi huai，Xiao Jianmei，Bao Minzhong. Multi-sensor Fire Detection Algorithm for Ship Fire Alarm System Using Neural Fuzzy NetworkJ. Signal Processing Procee

55、dings. 2000，16(11):1602-1605.13 James A. Milke. Monitoring Multiple Aspects of Fire Signatures for Discriminating Fire DetectionJ .Fire Technology, 1999,35 (3)：25-26 .14 Tomkewitsch R. Fire detection systems with distributed Intelligence the puls polling systemJ .Fire Safety Journal, 1993,96 (6) :22

56、5-231 .附錄A 英文文獻原文Multiple single-chip microcomputer approach to fire detection and monitoring system A.J. AI-Khalili, MSc, PhDD. AI-Khalili, MSc, PhDM.S. Khassem, MScIndexing term : Hazards, Design, Plant condition monitoringAbstract: A complete system for fire detection and alarm monitoring has bee

57、n proposed for complex plants. The system uses multiple single chip architecture attached to a party line. The control algorithm is based on a two-level hierarchy of decision making, thus the complexity is distributed. A complete circuit diagram is given for the local and the central station with req