作品 基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)

1、中華人民共和國(guó)教育部東北林業(yè)大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)題目： 基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì) 學(xué) 生： 林德明 指導(dǎo)教師： 鄭 綱 講師 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化2007級(jí)3班2011年6月東北林業(yè)大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書設(shè)計(jì)題目 基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 鄭 綱 講師 專 業(yè) 機(jī)電工程2007級(jí)3班 學(xué) 生 林德明2010年 12 月 22 日 基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)摘 要隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，防火工作越來(lái)越重要，但是目前國(guó)內(nèi)的許多研發(fā)都側(cè)重于大型場(chǎng)所的火災(zāi)報(bào)警。因此，我們就有必要研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的家庭煙霧報(bào)警器以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。基于供家庭

2、使用的煙霧報(bào)警器應(yīng)該具備的基本要求和功能，文章設(shè)計(jì)了一種比較適合的煙霧報(bào)警器。本設(shè)計(jì)以傳感器和單片機(jī)作為煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)的核心器件，配合其它器件即可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、自動(dòng)排煙換氣和消防滅火等功能。設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用AT89C51作為控制器件，傳感器選用QM-N5型氣體傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧的檢測(cè)。煙霧報(bào)警器主要由煙霧信號(hào)采集及前置放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、顯示電路、聲光報(bào)警電路和安全保護(hù)電路構(gòu)成，設(shè)計(jì)合理、簡(jiǎn)單易懂、價(jià)格低廉，使單片機(jī)在煙霧報(bào)警系統(tǒng)的控制中得到充分應(yīng)用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。論文主要針對(duì)煙霧報(bào)警系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分及功能進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和說(shuō)明，并對(duì)其主控電路和外圍設(shè)備電路之間的接

3、口連接方式，以及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)的分析和講解。關(guān)鍵詞：煙霧報(bào)警器；單片機(jī)；傳感器Design of Smoke Alarm Based onMicrocontrollerAbstractWith the development of social and economic，the prevention of fire are more and more important.However, in the present, most of research and development of fire alarm systems only focus on large sites. Th

4、erefore, it is necessary to design a simple, economical and practical family Smoke Alarm to meet the market demand. Taking both the basic requirement and the function of family Smoke Alarms should have into account, thesis designs a suitable smoke alarm for household using.Which the sensor and the m

5、icrocontroller of the design is the most important part of alarm devices, with other devices can achieve alarming with sound and light, automatically reducing smoke and fighting fire ,etc. IN design, microcontroller used AT89C51 and select QM-N5 Gas Sensor to detect smoke. Smoke alarm mainly by the

6、signal acquired circuit, A/D converted circuit, MCU controlled circuit,displayed circuit and alarming with sound and light circuit,reasonable design, simple structure, easy to use, inexpensive. As a result, the microcontroller in the control of the smoke alarm system is fully applied. Therefore, thi

7、s design about smoke alarm has practical value. Thesis give detailed introduction for the function and theory of the various component parts of the alarm system, focus on the interface technology between its main controlled circuit and peripheral circuit, also give explanation of the software .Key w

8、ords ：Smoke Alarm;MCU; sensor目 錄摘要Abstract1 緒論 . 11.1 概述. 11.2 設(shè)計(jì)煙霧報(bào)警器的目的及意義. 11.3火災(zāi)報(bào)警器的現(xiàn)狀及特點(diǎn) . 21.4火災(zāi)報(bào)警器的發(fā)展趨勢(shì) . 32 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) . 42.1煙霧報(bào)警器的工作結(jié)構(gòu)和原理 . 42.2煙霧傳感器的選型 . 52.2.1煙霧傳感器的介紹 . 52.2.2 QM-N5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器 . 82.3單片機(jī)的選型 . 92.4煙霧報(bào)警器的主要功能設(shè)計(jì) . 123 系統(tǒng)的硬件電路 . 133.1 系統(tǒng)電源電路. 133.2 AT89C51的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 . 133.3信號(hào)采集

9、及前置放大電路 . 143.4 A/D轉(zhuǎn)換電路 . 163.5聲音報(bào)警及消音鍵電路 . 173.6字符顯示電路 . 183.7狀態(tài)指示燈電路 . 193.8安全保護(hù)電路 . 203.9報(bào)警器故障自診斷電路 . 213.10煙霧報(bào)警器硬件總電路 . 214 系統(tǒng)的軟件的設(shè)計(jì) . 234.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)及流程圖 . 234.2主程序初始化流程圖 . 244.3報(bào)警子程序設(shè)計(jì)及流程圖 . 244.4按鍵輸入設(shè)計(jì)子程序流程圖 . 265 結(jié)論 . 27 參考文獻(xiàn)致謝基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)1 緒論1.1 概述單片機(jī)及煙霧傳感器是煙霧報(bào)警器系統(tǒng)的兩大核心。單片機(jī)好比一個(gè)橋梁，聯(lián)系著傳感器和報(bào)警電路設(shè)

10、備。近幾年來(lái)，單片機(jī)已逐步深入應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各部門及人們生活的各個(gè)方面。各種類型的單片機(jī)也根據(jù)社會(huì)的需求而開發(fā)出來(lái)。單片機(jī)是器件級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)際上它是一個(gè)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(bào)警技術(shù)領(lǐng)域，使各類報(bào)警裝置的功能更加完善，可靠性大大提高，以滿足社會(huì)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、高速度的控制系統(tǒng)。美國(guó)曾把二十世紀(jì)八十年代稱為傳感技術(shù)時(shí)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(bào)警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧

11、傳感器和單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。在本論文中的最主要的設(shè)計(jì)是選AT89C51單片機(jī)和QM-N5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器為核心器件。AT89C51單片機(jī)兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，可供許多高性價(jià)比的場(chǎng)合應(yīng)用，能夠靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。QM-N5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，壽命長(zhǎng)，成本低，非常適用于家庭使用的氣體泄漏報(bào)警器。由這兩個(gè)核心器件設(shè)計(jì)而成的整個(gè)煙霧報(bào)警器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、報(bào)警狀態(tài)字符顯示、換氣扇排煙和噴水滅火等煙霧報(bào)警器應(yīng)有的功能，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。目前，現(xiàn)代建筑都會(huì)有選擇地

12、安裝不同功能的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。因?yàn)榛馂?zāi)自動(dòng)報(bào)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(hào)并及時(shí)報(bào)警，發(fā)出警報(bào)同時(shí)告知用戶和周邊居民。它就像是一個(gè)個(gè)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(zhǔn)確的探測(cè)到火情并迅速報(bào)警，對(duì)于及時(shí)組織有序快速疏散、積極有效地控制火災(zāi)的蔓延、快速滅火和減少火災(zāi)對(duì)居住人群的損失都具有重要的意義。1.2 設(shè)計(jì)煙霧報(bào)警器的目的及意義隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，家庭火災(zāi)防不勝防，防火工作也就越來(lái)越重要。據(jù)美國(guó)消防學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，最近十多年中，安裝自動(dòng)消防設(shè)施的建筑中發(fā)生火災(zāi)，消防設(shè)施的有效率高達(dá)96.1%，確實(shí)起到了保證建筑物消防

13、安全的作用。這是因?yàn)榛馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能夠及時(shí)將火災(zāi)跡象通知用戶及有關(guān)管理人員，以便他們準(zhǔn)備疏散或組織滅火，延長(zhǎng)了建筑物可供疏散的時(shí)間并通過聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)其他消防設(shè)施。所以，設(shè)計(jì)一種能夠在火災(zāi)剛剛發(fā)生時(shí)或者有可燃?xì)怏w堆積引起的火災(zāi)隱患時(shí)就能報(bào)警的報(bào)警器就能使人們能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并及時(shí)采取有效措施，撲滅初期火災(zāi)，最大限度的減少或消除因火災(zāi)造成的生命危害和財(cái)產(chǎn)的損失，是人們同火災(zāi)做斗爭(zhēng)的有力工具。目前我國(guó)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)只被安裝在重要建筑上，而在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，包括許多居民家庭都安裝了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。近幾年，國(guó)內(nèi)主要側(cè)重于大型場(chǎng)所的大型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)，而在居民住宅區(qū)等小型防火單位，卻需要

14、安裝廉價(jià)實(shí)用的煙霧自動(dòng)報(bào)警裝置。由于我國(guó)人口不斷的增長(zhǎng)，土地也開始的稀缺，所以為了緩解城市用地的緊張，居住的樓層不斷加高，這不但便于集中供電、供熱、供氣，而且也可以集中控制和管理。但是，人們?cè)谙硎苓@些現(xiàn)代設(shè)施帶來(lái)了便利的時(shí)候，卻也增加了火災(zāi)隱患。樓層多、人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，疏散困難，容易造成經(jīng)濟(jì)和人員的損失。如果在家庭中沒有安裝火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器，一旦在家庭中發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)容易由不被發(fā)現(xiàn)的早期火災(zāi)而演變成為更大、更嚴(yán)重的大型火災(zāi)。結(jié)果是由于一家的起火，而火勢(shì)不能得到有效控制，使得火勢(shì)迅速蔓延并很快出現(xiàn)大面積燃燒。這不僅使的用戶本身遭受重大的損失，還容易形成“火燒連營(yíng)”的局面，給周邊家庭和場(chǎng)所造

15、成無(wú)法估計(jì)的損失和嚴(yán)重的影響。據(jù)公安部消防局2011統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，我國(guó)每年發(fā)生家庭火災(zāi)5萬(wàn)余起，死亡800余人，占火災(zāi)死亡人數(shù)的70%以上。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)新聞報(bào)道可知，英國(guó)每年發(fā)生50000起以上的嚴(yán)重家庭火災(zāi)，其中大部分火災(zāi)造成傷亡和重大的家庭財(cái)產(chǎn)損失，甚至連累左鄰右舍。由此可見：家庭防火同樣是現(xiàn)今社會(huì)的重要家庭安防問題，而且刻不容緩。家庭防火重在防患于未然，因此，我們就有必要研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的煙霧自動(dòng)報(bào)警器，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。1.3火災(zāi)報(bào)警器的現(xiàn)狀及特點(diǎn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)作為重要的建筑自動(dòng)消防設(shè)施，其技術(shù)進(jìn)步性表現(xiàn)報(bào)警時(shí)間提前、報(bào)警可靠性提高、特殊場(chǎng)所火災(zāi)的探測(cè)報(bào)警、報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、消防

16、聯(lián)動(dòng)控制智能化、消防通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)接警指揮管理等。在國(guó)外，現(xiàn)在的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)已達(dá)到智能型、全總線型和綜合型，系統(tǒng)一旦報(bào)警，馬上在顯示器上出現(xiàn)報(bào)警探測(cè)器的具體地址，一目了然。近年來(lái)，我國(guó)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警工程應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較快發(fā)展，但由于在實(shí)際應(yīng)用中，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的通訊協(xié)議不一致，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警工程技術(shù)水平還相對(duì)落后，還存在著一些比較突出的問題?，F(xiàn)階段，我國(guó)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的主要問題有以下幾點(diǎn)：1、適用范圍過小。我國(guó)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)比美、英等發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，適用范圍過有限，使得一般家庭用戶未能普及使用火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器。由于家庭住宅等小單位的防范措施不到位，給家庭生活帶來(lái)了許多的不方便和

17、一定的損失。2智能化程度低。我國(guó)使用的火災(zāi)探測(cè)器雖然都進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)，但由于傳感器件探測(cè)的參數(shù)較少、支持系統(tǒng)的軟件開發(fā)不成熟、各種算法的準(zhǔn)確性缺乏足夠驗(yàn)證、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)不健全等，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)難以準(zhǔn)確判定粒子(煙氣 的濃度、現(xiàn)場(chǎng)溫度、光波的強(qiáng)度以及可燃?xì)怏w的濃度、電磁輻射等指標(biāo)，造成遲報(bào)、誤報(bào)、漏報(bào)情況較多。3、網(wǎng)絡(luò)化程度低。我國(guó)應(yīng)用的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)形式基本上以區(qū)域火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、集中火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和控制中心火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)為主，安裝形式主要是集散控制方式，自成體系，自我封閉，尚未形成區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)化火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。4、組件連接方式有待改善?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)以多線制和總線制連接方

18、式為主，探測(cè)器和報(bào)警器及控制器之間是采用兩條或多條的銅芯絕緣導(dǎo)線或銅芯電纜穿管相接，存在耗材多、成本高、抗干擾能力差的缺點(diǎn)。同時(shí)，銅導(dǎo)線耐高溫性能差、易磨損，系統(tǒng)施工維修復(fù)雜，影響了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性和更廣泛的應(yīng)用。5、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)問題較多。由于火災(zāi)探測(cè)器的安裝環(huán)境極其復(fù)雜，加之各種傳感器在探測(cè)火災(zāi)方面存在著某些先天不足，無(wú)法準(zhǔn)確地感應(yīng)各種物質(zhì)在燃燒過程中所特有的聲波、光譜、輻射、氣味等諸多方面發(fā)生的微妙變化，對(duì)火災(zāi)發(fā)生過程中所產(chǎn)生的不同粒徑和顏色的煙霧存在探測(cè)“盲區(qū)”，誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。1.4火災(zāi)報(bào)警器的發(fā)展趨勢(shì)面對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)急速發(fā)展的時(shí)代，伴隨這電子、計(jì)算

19、機(jī)、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(dòng)報(bào)警應(yīng)用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(lán)牙技術(shù)無(wú)線化、高靈敏化、綜合化等方面發(fā)展。針對(duì)當(dāng)前火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)存在的通訊協(xié)議不一致，系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)頻繁，智能化程度低，網(wǎng)絡(luò)化程度低、特殊惡劣環(huán)境的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警抗干擾等問題較為突出的現(xiàn)象，提出在符合國(guó)家消防規(guī)范的基礎(chǔ)下采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、開放的通訊協(xié)議。通過對(duì)新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備的應(yīng)用研究，對(duì)系統(tǒng)方案、設(shè)備選型的優(yōu)化組合，改進(jìn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的工作性能、減少維護(hù)費(fèi)用和維護(hù)要求，向著高可靠性、高靈敏性、低誤報(bào)率、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、技術(shù)智能化方向發(fā)展，為更好的預(yù)

20、防和遏制建筑火災(zāi)提供了強(qiáng)有力的保障，從而更好的保護(hù)國(guó)家和人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全。2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)2.1煙霧報(bào)警器的工作結(jié)構(gòu)和原理煙霧報(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。該報(bào)警系統(tǒng)的最基本組成部分應(yīng)包括：信號(hào)采集及前置放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、字符顯示電路、聲光報(bào)警電路和安全保護(hù)電路等部分組成。為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器具有顯示報(bào)警狀態(tài)、故障自檢、換氣排煙和自動(dòng)滅火等功能。報(bào)警器采用延時(shí)的工作方式，煙霧檢測(cè)報(bào)警器以AT89C51單片機(jī)為控制核心，選用QM-N5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(bào)

21、警系統(tǒng)。報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1。圖 2-1可燃煙霧報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)的工作由煙霧信號(hào)采集及放大電路將采集到的煙霧濃度信息轉(zhuǎn)化為放大的模擬電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再將該模擬信號(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)行處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)輸入A/D轉(zhuǎn)換器的放大信號(hào)不為零時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警電路。反之則為正常工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)中為了方便檢測(cè)與監(jiān)控，使儀器測(cè)試人員及用戶能夠間接知道環(huán)境中的煙霧濃度，所以用數(shù)碼管顯示字符來(lái)指示報(bào)警狀態(tài)。系統(tǒng)采用蜂鳴器聲音報(bào)警和LED 閃爍狀態(tài)作為警報(bào)信號(hào)。這種報(bào)警方法是在聲音報(bào)警基礎(chǔ)上，加入光閃報(bào)警。因?yàn)樽兓墓庑盘?hào)可以引起用戶和家庭鄰居的

22、注意，彌補(bǔ)了在嘈雜環(huán)境中聲音報(bào)警的局限，使得報(bào)警裝置更加完善。在報(bào)警啟動(dòng)的同時(shí)，單片機(jī)控制器還可以控制調(diào)節(jié)閥噴水滅火和換氣扇排煙動(dòng)作。系統(tǒng)留有繼電器接口，使單片機(jī)能夠控制換氣風(fēng)扇和調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)，讓系統(tǒng)在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)安全裝置。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。以上是根據(jù)報(bào)警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計(jì)思路。2.2煙霧

23、傳感器的選型煙霧傳感器是測(cè)量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。而煙霧報(bào)警器的信號(hào)采集由煙霧傳感器負(fù)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(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在的情況有關(guān)的信息，從而達(dá)到檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警的功能?？梢哉f(shuō)，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。煙霧傳感器作為報(bào)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(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性。 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(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)的裝置。煙霧傳感器就是通過監(jiān)測(cè)環(huán)境中煙霧的濃度

24、來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的。當(dāng)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(gè)模擬值，從而對(duì)其進(jìn)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(jī)發(fā)送煙霧濃度相應(yīng)的模擬信號(hào)。在智能建筑中對(duì)火災(zāi)探測(cè)器的應(yīng)用主要以感煙火災(zāi)探測(cè)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(cè)器的體積也逐漸變小，提高了煙霧探測(cè)器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運(yùn)輸和市場(chǎng)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(cāng)庫(kù)、資源、石油、化工、燃?xì)廨斉涞缺姸囝I(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品中，無(wú)論哪家生產(chǎn)的煙霧探測(cè)器，

25、都可以探測(cè)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(jiǎn)單。但是，由于各生產(chǎn)的設(shè)備不可通用，獨(dú)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(duì)眾多廠家生產(chǎn)的煙霧探測(cè)器感到不知所措。而這也正是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品市場(chǎng)的一個(gè)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(duì)不同氣體的檢測(cè)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(cè)的電氣法；使用電極和電解液對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)的電化學(xué)法；利用氣體對(duì)光的折射率或光吸收等特性來(lái)檢測(cè)氣體的光學(xué)法。（2）煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件一個(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)

26、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）常見的煙霧探測(cè)器種類及工作原理為了確保家庭環(huán)境的安全，需要對(duì)各種可燃性氣體、有毒性氣體進(jìn)行檢測(cè)。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(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C

27、O 、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。因此目前使用的煙霧傳感器有很多種，各自的檢測(cè)原理也各不相同，下面就對(duì)一些常用的煙霧傳感器進(jìn)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(jī)理分類，半導(dǎo)體煙霧傳感器可分為電阻式和非電阻式。當(dāng)半導(dǎo)體接觸到氣體時(shí)，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(lái)測(cè)定或控制

28、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(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管在接觸到氣體時(shí)，場(chǎng)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。自1962年半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳感器問世以來(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、體積小、維修方便、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但是其最大的缺點(diǎn)就是選擇性較差。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。(b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。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催

29、化層），使用時(shí)對(duì)鉑絲通以電流，保持300400的高溫，此時(shí)若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會(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；通過測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。使用接觸燃燒式傳感器，其最大的缺點(diǎn)是探頭很容易發(fā)生阻緩和中毒現(xiàn)象。一般在連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)該傳感器進(jìn)行維護(hù)。這無(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。(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(jī)凝膠等）電解質(zhì)，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。即煙霧濃度信號(hào)將電

30、解液分解成陰陽(yáng)帶電離子，通過電極將信號(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)采用該類型傳感器。(d高分子煙霧傳感器利用高分子氣敏元件制作的煙霧傳感器近年來(lái)得到很大的發(fā)展。高分子氣敏元件在遇到特定煙霧時(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。高分子氣敏元件由于具有易操作性、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，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在常溫

31、下使用，可以彌補(bǔ)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(jìn)行煙霧測(cè)量，主光束通過測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，參考光束通過比較元件內(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)。由于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衔镆兹紵熿F(如氫 不吸收電磁譜中IR 部分的能量

32、，所以這種傳感器可以精確地測(cè)量碳?xì)浠衔?，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。（f ） 離子感煙傳感器離子感煙傳感器對(duì)于火災(zāi)初起和陰燃階段的煙霧氣溶膠檢測(cè)非常有效，可測(cè)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(fù)離子，使電極之間原來(lái)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(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧粒子進(jìn)入電離室后，電力部分（區(qū)域）的正離子和負(fù)離子被吸附到煙霧粒子上，使正、負(fù)離子相互中和的概率增加，從而將煙霧粒子濃度大小以電流變化量大小表示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)參數(shù)的檢測(cè)

33、。（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)組成。平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有煙霧從中阻隔，到達(dá)光敏元件上的光就顯著減弱，于是光敏元件就把光強(qiáng)的變化變成電的變化，利用光散射原理對(duì)火災(zāi)初期產(chǎn)生的煙霧進(jìn)行探測(cè)，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。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。光電式感煙探測(cè)器發(fā)展很快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)報(bào)警，除應(yīng)用于大型建筑物內(nèi)部外，還特別適用于電氣火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的場(chǎng)所，如計(jì)算機(jī)房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)煙霧種類的不同要求，很多場(chǎng)合都會(huì)選擇使用半

34、導(dǎo)體煙霧傳感器。經(jīng)過對(duì)比眾多煙霧傳感器的應(yīng)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。半導(dǎo)體煙霧傳感器具有靈敏度高、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)，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低，因而得到廣泛應(yīng)用17。因此，本設(shè)計(jì)中的煙霧傳感器選用QM-N5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器。 圖2-3 QM-N5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器結(jié)構(gòu)2.2.2 QM-N5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器QM-N5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(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。在設(shè)計(jì)報(bào)警器時(shí)只有使用簡(jiǎn)單的

35、電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。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(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、輸出信號(hào)大、壽命長(zhǎng)和工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在市面上應(yīng)用十分廣泛。 二氧化錫(SnO2半導(dǎo)體氣敏元件特點(diǎn)：(aSnO2材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性較好，與其他類型氣敏元件相比，SnO2氣敏元件壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)。(bSnO2氣敏元件對(duì)氣體檢測(cè)是可逆的，而且吸附、脫離時(shí)間短，可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間使用。(cSnO2氣敏元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠行較高，機(jī)械性能良好。QM-N5氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖2-3所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感層, 測(cè)量電極和加

36、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(gè)用于信號(hào)取出，個(gè)用于提供加熱電流。QM-N5半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測(cè)，對(duì)可燃性氣體的（CH4、C4H10、H2等）的檢測(cè)很理想。這種傳感器在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，能夠檢測(cè)多種可燃性氣體，十分適合應(yīng)用在家庭的氣體泄漏報(bào)警器中。是一款便攜式氣體檢測(cè)器，非常適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。其技術(shù)指標(biāo)表2-1。表2-1 QM-N5的技術(shù)指標(biāo) 由于物理量和測(cè)量范圍的不同，傳感器的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)就不同

37、。通常煙霧傳感器輸出的電信號(hào)是模擬信號(hào)（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。當(dāng)信號(hào)的數(shù)值符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，可以不用放大器放大；當(dāng)信號(hào)的數(shù)值不符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，就需要放大器放大。所以QM-N5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(hào)傳送給單片機(jī)控制器就必須經(jīng)過放大器進(jìn)行放大處理，之后才能將模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以識(shí)別的電信號(hào)給單片機(jī)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，氣敏元件開機(jī)通電時(shí)，其內(nèi)阻很小，但經(jīng)過一段時(shí)間后，才能恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，QM-N5氣體傳感器需開機(jī)預(yù)熱幾分鐘，才可投入使用，以免造成誤報(bào)。2.3單片機(jī)的選型單片機(jī)是煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的心臟，用來(lái)接收火

38、災(zāi)信號(hào)并啟動(dòng)報(bào)警裝置顯示和執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)和消防動(dòng)作。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制功能中，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，使檢測(cè)人員和用戶在報(bào)警器系統(tǒng)正常工作時(shí)能夠及時(shí)地觀測(cè)到實(shí)時(shí)的煙霧濃度等級(jí)，并進(jìn)行相應(yīng)處理。同時(shí)，在能夠滿足報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口功能要求的同類型單片機(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。單片機(jī)作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。由于其微小的體積和極低的成本，開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，開發(fā)工具和編程語(yǔ)言也大大簡(jiǎn)化，因此被廣泛應(yīng)用于家用電器、機(jī)器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自

39、動(dòng)化設(shè)備以及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。由于MCS 系列單片機(jī)集成了幾乎完善的中央處理單元，處理功能強(qiáng)，中央處理單元中集成了方便靈活的專用寄存器，這給我們利用單片機(jī)提供了極大的便利。由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來(lái)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(jī)，在單片機(jī)家族的眾多成員中，MCS 系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價(jià)格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測(cè)控和自動(dòng)化工程應(yīng)用的主要市場(chǎng)，成為國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。其中，51系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)錢便宜,I/O口多, 程序空間大。因此，測(cè)控系統(tǒng)中，使用51系列單片機(jī)是最理想的選擇，因此

40、設(shè)計(jì)采用AT89C51。 （1）AT89C51功能特性概述目前市面上使用的比較普遍的51系列單片機(jī)是AT89C51。AT89C51是美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM ）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM ），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU ）和Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。其主要性能參數(shù)如下：(a 與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完

41、全兼容 (b 4k字節(jié)可重擦寫Flash 閃速存儲(chǔ)器 (c 1000次擦寫周期(d 全靜態(tài)操作：0Hz 24MHz (e 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 (f 1288字節(jié)內(nèi)部RAM (g 32個(gè)可編程I O 口線 (h 2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器 (i 6個(gè)中斷源(j可編程串行UART 通道(k低功耗空閑和掉電模式 圖2-4 AT89C51的引腳排列圖AT89C51單片機(jī)提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM ，32 個(gè)I O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支

42、持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU 的工作，但允許RAM ，定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 圖2-5 AT89C51單片機(jī)的基本組成圖（2）AT89C51的內(nèi)存空間1、內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（FLASH ）4K 字節(jié)。2、外部程序存儲(chǔ)器（ROM ）64K 字節(jié)。 3、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM ）256 字節(jié)。 4、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM ）64K 字節(jié)。在上述事件發(fā)生時(shí)，PC 指針獲得固定的地址，然后CPU 執(zhí)行PC 指針?biāo)傅刂穯卧獌?nèi)的程序。圖2-6 AT89C51的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)2.4煙霧報(bào)

43、警器的主要功能設(shè)計(jì)報(bào)警器正常工作時(shí)，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)過放大電路放大，轉(zhuǎn)化成較大的模擬電壓信號(hào)后送入A/D轉(zhuǎn)換器，然后再送給AT89C51單片機(jī)處理。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到輸入ADC0809的放大信號(hào)不為零時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警。報(bào)警時(shí)，LED 紅燈點(diǎn)亮并持續(xù)閃爍60min ，蜂鳴器啟動(dòng)并持續(xù)鳴叫60min ，LED 數(shù)碼管顯示符號(hào)“1”，并且換氣扇自動(dòng)運(yùn)行，以達(dá)到改善環(huán)境中的空氣質(zhì)量的目的。同時(shí)，若自來(lái)水或家庭儲(chǔ)水管道有水，則單片機(jī)調(diào)用延時(shí)子程序, 經(jīng)延時(shí)600s 由單片機(jī)通過繼電器控制調(diào)節(jié)閥進(jìn)行噴水滅火動(dòng)作。否則，報(bào)警系統(tǒng)只能啟動(dòng)聲光報(bào)警和換氣扇自動(dòng)排煙功能而無(wú)法進(jìn)行滅火動(dòng)作。反

44、之，報(bào)警器不發(fā)出警報(bào)，LED 狀態(tài)指示燈綠燈常亮且不閃爍，數(shù)碼管不顯示字符，蜂鳴器不發(fā)出聲響。為了區(qū)別正常的工作的報(bào)警，在誤報(bào)警和不正常的工作狀態(tài)警報(bào)時(shí)，LED 數(shù)碼管顯示符號(hào)“0”，蜂鳴器聲音報(bào)警持續(xù)30min ，同時(shí)LED 黃燈點(diǎn)亮且閃爍30min ，以提醒用戶檢查傳感器或者電路連線情況，及時(shí)排除故障，保證安全。另外，系統(tǒng)還設(shè)有一個(gè)消音功能的按鍵，當(dāng)報(bào)警器發(fā)出鳴叫時(shí)，用戶到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，可按下按鍵（消音鍵）停止報(bào)警器鳴叫。若過一點(diǎn)時(shí)間濃度仍超出報(bào)警限，報(bào)警器會(huì)再次鳴叫提醒用戶。上述中的聲光警報(bào)、顯示和執(zhí)行動(dòng)作能夠根據(jù)煙霧檢傳感器所檢測(cè)到的煙霧濃度的信號(hào)變化，隨單片機(jī)控制電路及時(shí)的做出相應(yīng)調(diào)整而改

45、變。 3 系統(tǒng)的硬件電路3.1 系統(tǒng)電源電路任何電子設(shè)備都需要穩(wěn)定的直流電源供電，直流穩(wěn)壓電源是將交流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓的設(shè)備。一般直流穩(wěn)壓電源是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。其組成方框圖如圖3-1所示。 負(fù)載圖3-1直流穩(wěn)壓電源組成方框圖電源變壓器的作用是，改變電網(wǎng)的交流電壓的大小，將220V 、50Hz 的市電進(jìn)行降壓，使變壓器的副邊輸出的交流電壓符合設(shè)計(jì)要求。然后利用二極管的單向?qū)ㄐ?，將交流電壓變換為單方向的脈沖直流電壓，再利用電容儲(chǔ)能元件組成的濾波電路，將脈動(dòng)大的直流電壓處理成平滑的脈動(dòng)小的直流電壓，即將整流電路輸出的脈動(dòng)直流電壓中的交流成分濾掉，只留下

46、比較平滑的直流電壓，最后利用集成穩(wěn)壓器W7805，讓電源電路的輸出電壓穩(wěn)定為5V ，以此作為系統(tǒng)各個(gè)部分電路的電源。以下是本設(shè)計(jì)所采用的電源電路圖。圖3-2系統(tǒng)電源電路圖3.2 AT89C51的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路（1）時(shí)鐘電路：AT89C51單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)由反向放大器構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端，時(shí)鐘可由內(nèi)部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引腳上外接晶體振蕩器Y ，內(nèi)部振蕩電路就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。系統(tǒng)采用的定時(shí)元件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率選擇12MHZ ，C1、C2的電容值取30pF ，電容的大小起頻率微調(diào)的作用。時(shí)鐘電路如圖

47、3-3。 圖3-3 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路圖（2）復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)有多種復(fù)位電路，本系統(tǒng)采用自動(dòng)復(fù)位（上電復(fù)位）與手動(dòng)復(fù)位方式，電路如圖3-3。當(dāng)上電時(shí)，C3充電，電源經(jīng)過電容器C3 加到RESET 引腳，使單片機(jī)復(fù)位；在正常工作時(shí)，按下復(fù)位鍵時(shí)單片機(jī)復(fù)位。3.3信號(hào)采集及前置放大電路在許多檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)比較弱，而且其中還包括了工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大就需要放大電路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。只有傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過前置放大電路對(duì)其進(jìn)行的放大、濾波、電平調(diào)整，才能滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。圖3-4 LM324四運(yùn)放引腳圖和結(jié)構(gòu)

48、圖設(shè)計(jì)中采用LM324作為電路的運(yùn)算放大器。LM324是價(jià)格便宜的帶差動(dòng)輸入功能的高增益四運(yùn)算放大器。LM324的靜態(tài)功耗小、價(jià)格低廉，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)模膊恍柰饨宇l率補(bǔ)償，可做到輸出電平與數(shù)字電路兼容。如圖3-5所示，IC2A 作為電壓跟隨器，通過滑動(dòng)變阻器Rp2產(chǎn)生的參考電壓Vref 接入IC2B 的反相輸入端，從傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器LM324的同相輸入端，為保證電路引入負(fù)反饋，在IC2B 中，輸出電壓Vo 通過電阻R22接到反相輸入端，由此組成差分比例運(yùn)算電路。該電路的反饋組態(tài)

49、為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。 圖3-5 信號(hào)采集及前置放大電路圖設(shè)計(jì)中采用的信號(hào)放大電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1 由于電路不存在“虛地”現(xiàn)象，所以其兩個(gè)輸入端都有較高的共模輸入電壓，這對(duì)放大電路的穩(wěn)定性和運(yùn)算的精度都有影響。(2電電路中IC2A 構(gòu)成了的“電壓跟隨器”可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。用來(lái)匹配阻抗用的，防止滑動(dòng)變阻器輸出電壓受到影響。(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)。由于放大電路還增加入了參考電壓，引入了零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便

50、地調(diào)整由于不同傳感器導(dǎo)致的零點(diǎn)變化問題。它利用通過滑動(dòng)變阻器Rp2產(chǎn)生的參考電壓Vref 和傳感器的輸出電壓分別輸入到運(yùn)算放大電路的兩個(gè)輸入端，由此得到的輸出電壓Uo 與兩個(gè)輸入端之差成正比而實(shí)現(xiàn)差分比例電路。所以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rp2，就可以直接改變放大電路的參考電壓值，使報(bào)警系統(tǒng)可以在可燃煙霧氣體的不同濃度下工作，即用氣敏傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)不同煙霧濃度的測(cè)量。3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0809是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809的轉(zhuǎn)換速度較快，完成一次的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s 左右，可對(duì)0-5V 的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)

51、輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。如圖3-6所示，ADC0809的主要引腳功能如下。(1IN0IN7是8路模擬信號(hào)輸入端。 D0 D7是8位數(shù)字量輸出端。(2A,B,C分別是ALE 控制8路模擬通道切換，A,B,C 分別與三根地址線或數(shù)字線相連，三者編碼對(duì)應(yīng)8個(gè)通道地址口。C,B,A=000111分別對(duì)應(yīng)IN0IN7通道地址。(3OE,START,CLK,EOC為控制信號(hào)端，OE 為輸出允許端，START 為啟動(dòng)信號(hào)端，CLOCK 為時(shí)鐘信號(hào)輸入端, EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)端。(4Vref(+和Vref(-為參考電壓輸入端。ADC0809雖然有8路模擬通道可以同

52、時(shí)輸入8路模擬信號(hào)，但每個(gè)瞬間只能轉(zhuǎn)換一路，各路之間的切換由軟件變換通道地址實(shí)現(xiàn)。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì) A、B 、C 3個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。 圖3-6 ADC0809引腳圖和內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。設(shè)計(jì)中采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。擴(kuò)展中地址鎖存器使用74LS373。74LS373是八D 鎖存器，常應(yīng)用在地址鎖存及輸出口的擴(kuò)展中。其主要特點(diǎn)在于：控制端G 為高電平時(shí)，輸出Q0

53、Q7跟隨輸入信號(hào)D0D7的狀態(tài);G 下跳沿時(shí)，D0D7的狀態(tài)被鎖存在Q0Q7上。由于ADC0809片內(nèi)無(wú)時(shí)鐘，可利用AT89C51提供的地址鎖存允許信號(hào)ALE 經(jīng)D 觸發(fā)器二分頻后獲得，ALE 腳的頻率是AT89C51單片機(jī)的時(shí)鐘頻率的1/6。由于單片機(jī)頻率采用6MHz, 則ALE 腳的輸出頻率為1MHz ，在經(jīng)二分頻后為500kHz ，恰好符合ADC0809對(duì)時(shí)鐘頻率的要求。由于ADC0809具有輸出三態(tài)鎖存器，因此其8位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。如圖3-7所示，在單片機(jī)擴(kuò)展連接ADC0809電路中，地址譯碼引腳A 、B 、C 分別與地址總線的低三位A0,A1,A2相連，以選通IN0

54、IN7中的一路。將P2.7（地址總線A15）作為片選信號(hào)，在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號(hào)和P2.7控制ADC 的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，由于ALE 和START 連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用低電平的讀信號(hào)和P2.7腳經(jīng)一級(jí)或非門后，產(chǎn)生的正脈沖作為OE 信號(hào)，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC 經(jīng)反向后送到單片機(jī)的/INT0引腳，單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并將結(jié)果送P1端口顯示。 圖3-7 ADC0809與單片機(jī)的接口電路圖3.5聲音報(bào)警及消音鍵電路電路通過三極管基極串連一個(gè)電阻與單片機(jī)P2.3端口連接從而達(dá)到控制蜂鳴器是否報(bào)警。報(bào)警裝置采用電磁式無(wú)源蜂鳴器 HC-12075-B其參數(shù)特點(diǎn)如下：額定電壓：1.5V額定電流：=10mA=75=85諧振頻率：2048Hz線圈電阻：6.51602 重 量 ：1.5g系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)消音按鍵，當(dāng)報(bào)警器發(fā)出鳴叫時(shí)，用戶到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，可按下消