【正文】 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，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。 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 CO、 H C2H5OH、 CH3OH 等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測(cè)無機(jī)煙霧，如 O CO H Cl 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。 4 在本論文中我們選用 QMN5 半導(dǎo)體傳感器， QMN5 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（ CH C4H 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。它具備一般半導(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、壽命長和工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在市面上應(yīng)用十分廣泛。 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 接收火災(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。 由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)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(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，因此設(shè)計(jì)采用 AT89C51。 89C51 簡介 AT89C51 是美國 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) MCS51 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。 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 向量兩級(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 5 操作，并支持兩種軟件可選的 節(jié)電工作模式?？臻e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。 AT89C51 單片機(jī)的基本組成圖如圖 31 所示。 圖 31 AT89C51單片機(jī)的基本組成圖 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， C C2 的電容值取 30pF，電容的大小起頻率微調(diào)的作用。 單片機(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 34。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。 時(shí)鐘電路如圖 32 所示。 T0 T1 時(shí)鐘源 系 統(tǒng) 總 線 CPU 震蕩與 定時(shí)電路 外部中斷信號(hào) 內(nèi)部中斷信號(hào) 128B SFR 128B RAM 4KB ROM 兩個(gè) 16 位定時(shí) 0 計(jì)數(shù)器 總線控制 并行端口 串行端口 控制信號(hào) P0 P1 P2 P3 TXD RXD 6 R 13470 ΩR 141K Ω+ C322u FS1手動(dòng)復(fù)位C130p FC230p FY12M H z5VX1X2R E S E T 圖 32 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路圖 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。 簡介 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)?，也不需外接頻率補(bǔ)償，可做到輸出電平與數(shù)字電路兼容。 如圖 33 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)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。 7 R 161KR p120KR 175V567I C 2B : 1L M 32 4321I C 2A : 1L M 32 4R 191MR p220KR 181MR 20R 211MR 221MI N 0I N 2V r e fA KRGI N 1 圖 33 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 。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，控制或測(cè)量對(duì)象的有關(guān)變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。但是大多數(shù)單片機(jī)本身只能識(shí)別和處理數(shù)字量，因此必須經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的 轉(zhuǎn)換 (A／ D 轉(zhuǎn)換 )，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī) 8 對(duì)被控對(duì)象的識(shí)別和處理。完成 A／ D 轉(zhuǎn)換的器件即為 A／ D 轉(zhuǎn)換器。 A／ D 轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有： (1) 分辨率分辨率表示 A／ D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。 A／ D 轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示； (2) 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間指 A／ D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)； (3) 轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差表示 A／ D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示； (4) 線性度線性度 指實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。 目前有很多類型的 A／ D 轉(zhuǎn)換芯片，它們?cè)谵D(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、分辨率以及使用價(jià)值上都各具特色，綜合全部因素設(shè)計(jì)決定采用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS工藝 8 通道， 8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809。其內(nèi)部有一個(gè) 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通 8 路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片 . A/D轉(zhuǎn)換電路采用了常用的 8位 8通道數(shù)模轉(zhuǎn)換專用芯片 ADC0809， ADC0809由 8路模擬開頭、地址鎖存與譯碼器、 8位 A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成，芯片引腳圖如圖 34所示 , 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 如圖 35所示。 圖 34 ADC0809 引腳 圖 圖 35 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 9 ADC0809的 引腳功能 : D7D0 ： 8位數(shù)字量輸出引腳 IN0IN7 ： 8位模擬量輸入引腳 VCC ： +5V工作電壓 GND ：地 REF（ +） ：參考電壓正端 REF（ ） ：參考電壓負(fù)端 START :A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端 ALE ：地址鎖存允許信號(hào)輸入端 ADC0809的 主要性能指標(biāo)為 : （ 1）分辨率為 8位。 （ 2）最大不可調(diào)誤差： ADC0809為 ? 1LSB。 （ 3）單電源 +5v供電，基準(zhǔn)電壓由外部提供，典型值為 +5v，此時(shí)允許輸入模擬電壓為 0— 5V。 （ 4）具有鎖存控制的 8路模擬選通開關(guān)。 （ 5）可鎖存三態(tài)輸出，輸出電平與 TTL電平兼容。 （ 6） 轉(zhuǎn)換速度取于決芯片的時(shí)鐘頻率。當(dāng)時(shí)鐘頻率 500KHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 128μ s。 電路通過三極管基極串連一個(gè)電阻與單片機(jī) 端口連接從而達(dá)到控制蜂鳴器是否報(bào)警。 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)，可按下消音按鍵停止報(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。 聲音報(bào)警電路圖如圖 36 所示。 消音按鍵連接電路圖如圖 37 所示。 10 R847K蜂鳴器C 855 0P N P5VP S2消音按鍵R 1 24 7 0 Ω5VP 1 .7 圖 36 聲音報(bào)警電路圖 圖 37 消音按鍵連接電路圖 報(bào)警器濃度等級(jí)顯示采用一個(gè)八段共陽極數(shù)碼管顯示。電路采用型號(hào)為CPS08011BR 的 LED 共陽極數(shù)碼管。 數(shù)碼管字符顯示電路圖如圖 38 所示。 P abfcgdeV C C1234567abcdefg8dpdp9DSP 5VR1 1KP R2 1KP R3 1KP R71KR41KP R51KP R61K 圖 38 數(shù)碼管字符顯示電路圖 指示燈電路如圖 39 所示。 L E D 2黃燈L E D 3綠燈R 1 04 7 0 ΩR 1 14 7 0 Ω5VL E D