【正文】 ，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(jī)中的程序判斷傳輸?shù)臒熿F信號是否超標(biāo)，最后在超標(biāo)的情況下，由單片機(jī)控制啟動報(bào)警和排氣電路。煙霧超標(biāo)報(bào)警自動排氣裝置的最基本組成部分應(yīng)包括：它由光電式煙霧檢測電路、語音發(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(jī)可識別的數(shù)字信號后送入單片機(jī)。單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行處理，并對處理后的數(shù)字信號進(jìn)行分析比較，看是否大于或等于某個預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警限)，如果大于則啟動報(bào)警電路發(fā)出報(bào)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(bào)警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計(jì)和需要解決的問題。 方案選擇方案一：基于SOPC設(shè)計(jì)的煙霧超標(biāo)報(bào)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定原因產(chǎn)生的類似火災(zāi)的干擾源觸發(fā)報(bào)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(jì)的煙霧超標(biāo)報(bào)警自動排氣電路采用電化學(xué)傳感器。電化學(xué)傳感器有一個恒定的檢測范圍。當(dāng)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(dāng)被測氣體濃度超過電化學(xué)傳感器的檢測范圍時，產(chǎn)生的電流大小不能準(zhǔn)確的反應(yīng)出氣體濃度的大小，電化學(xué)傳感器這時就會產(chǎn)生處于飽和狀態(tài)的電流值。當(dāng)氣體濃度低于范圍的最小值時，就會削弱電化學(xué)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(zhǔn)確，也會降低電化學(xué)傳感器的準(zhǔn)確性和分辨率。如果空氣中的待測氣體有交叉影響，電化學(xué)傳感器回合很多氣體都可以產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)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(shí)際含量，檢測結(jié)果就會失去科學(xué)價值和原有的合理性。此外傳感器的零點(diǎn)漂移問題也是影響的主要因素，傳感器的零點(diǎn)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(diǎn)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(bǔ)償來解決。綜上所述本設(shè)計(jì)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(jì)的煙霧超標(biāo)報(bào)警自動排氣電路，首先傳感器選用MQ2型半導(dǎo)體煙霧氣敏傳感器，其在常溫條件工作時不需要溫度補(bǔ)償電路，因此選此傳感器省去了設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路的麻煩。單片機(jī)采用AT89S51單片機(jī)為控制核心，完成數(shù)據(jù)的處理工作。復(fù)位電路可以采用典型的上電復(fù)位或者是按鍵復(fù)位電路。整體電路設(shè)計(jì)簡單，可靠性較高，易于實(shí)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。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)。電路主要包括：單片機(jī)、時鐘電路、復(fù)位電路。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 (1)AT89S51單片機(jī)AT89S51是一個低功耗，高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，AT89S51采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51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(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有的特點(diǎn)為：40個引腳，4KB片內(nèi)程序存儲器，128 比特的隨機(jī)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(jì)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(jìn)入省電模式。在空閑模式下，單片機(jī)的CPU就會停止工作而RAM定時計(jì)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(yīng)或硬件電路進(jìn)行復(fù)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(yīng)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(dāng)/EA/Vpp接高電平時，單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部ROM的0000H開始執(zhí)行；當(dāng)/EA/Vpp接低電平時，復(fù)位后直接從外部ROM的0000H開始執(zhí)行。(2) 復(fù)位電路：單片機(jī)在啟動時都需要復(fù)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(fù)位后PC＝0000H，使單片機(jī)從第—個單元取指令。89系列單片機(jī)的復(fù)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(dāng)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(jī)器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。，該電路在最簡單的復(fù)位電路下增加了手動復(fù)位按鍵，在接通電源瞬間，電容C1上的電壓很小，復(fù)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(dāng)RST端的電壓小于某一數(shù)值后，CPU脫離復(fù)位狀態(tài)，由于電容C1足夠大，可以保證RST高電平有效時間大于10ms，CPU能夠可靠復(fù)位。增加手動復(fù)位按鍵是為了避免死機(jī)時無法可靠復(fù)位。當(dāng)復(fù)位按鍵按下后電容C1通過R1放電。當(dāng)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R1R2 因此RST為高電平，CPU處于復(fù)位狀態(tài)，松手后，電容C1充電，RST端電位下降，CPU脫離復(fù)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(hù)按鍵觸電。最小系統(tǒng)中復(fù)位電路的電容C1的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時間，一般采用10uF左右極性電容，單片機(jī)最小系統(tǒng)的電容值越大復(fù)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(jī)最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度，頻率越大處理速度越快。(3) 時鐘電路：單片機(jī)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，；電容CC3的值則有微調(diào)作用，通常取30pF左右的瓷片電容。 煙霧檢測電路的設(shè)計(jì)煙霧傳感器的主要分為離子式煙霧傳感器、光電式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(jìn)的技術(shù)，是一種工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運(yùn)用到各種消防報(bào)警系統(tǒng)中，它的性能遠(yuǎn)優(yōu)于由光電式煙霧傳感器構(gòu)成的火災(zāi)報(bào)警器。（2）光電式煙霧傳感：該煙霧傳感器內(nèi)部有一個光學(xué)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(dāng)煙霧進(jìn)入光學(xué)迷宮時，通過折射、反射后，接收管將接收到紅外光線，報(bào)警電路判斷是否超過閾值，超過則發(fā)出警報(bào)，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(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。半導(dǎo)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(dāng)溫度在200～300℃時半導(dǎo)體氣敏元件讓空氣中的氧吸附在元件表面，當(dāng)氧負(fù)離子吸附在半導(dǎo)體氣敏元件表面可以形成氧負(fù)離子吸附，氧負(fù)離子的減少就會使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)遇到空氣中可燃?xì)怏w時，由于可燃?xì)怏w能夠提供給電子，可燃?xì)怏w中就會有正離子吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面，氧負(fù)離子放出電子使可燃?xì)怏w以正離子的吸附也要放出電子，電阻值下降就是因?yàn)榘雽?dǎo)體電子密度增加。當(dāng)氣體中可燃?xì)怏w的濃度減少或可燃性氣體不存在了，半導(dǎo)體氣敏元件中金屬氧化物半導(dǎo)體就能恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半導(dǎo)體氣敏元件檢測可燃?xì)怏w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MQ2。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(jì)選用的MQ2型氣體傳感器，這種型號的傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。MQ2氣體傳感器是SnO2(氧化錫)半導(dǎo)體氣敏傳感器屬于電阻型氣敏元件。它是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化。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。MQ2的主要特點(diǎn)：(1)具有信號輸出指示。(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(dāng)輸出為低電平時信號燈亮，可直接單片機(jī)）(4)模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓值越高。(5)快速的響應(yīng)恢復(fù)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。 煙霧傳感器電路。主要由煙霧傳感器MQ2和相關(guān)元器件構(gòu)成。 煙霧檢測電路圖傳感器的電導(dǎo)率是隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增大而增大，再使用相應(yīng)的外圍電路就可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)變成與該氣體濃度變化相對應(yīng)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(dāng)傳感器輸出的信號經(jīng)過前置放大電路對其進(jìn)行的放大、濾波、電平調(diào)整后，輸出的信號才能滿足單片機(jī)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(yīng)的電壓或者電流信號，傳感器作為煙霧報(bào)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(shí)現(xiàn)單個功能，也可以實(shí)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(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，制造成本低，使用與維護(hù)方便等條件。 語音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)。語音報(bào)警電路主要由語音錄放音電路和音頻放大電路組成。 語音報(bào)警電路 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(bào)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8～20秒的語音的芯片，它的基本結(jié)構(gòu)與ISD111420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，揚(yáng)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(yīng)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(biāo)志(EOM)，以后的放音操作當(dāng)遇到結(jié)束標(biāo)志(EOM)就會停止，芯片進(jìn)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(dāng)此管腳有一個上升沿時，可以驅(qū)動芯片開始進(jìn)行放音。放音一直持續(xù)到EOM標(biāo)志，放音結(jié)束后芯片自動進(jìn)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(biāo)志，或內(nèi)存結(jié)束，放音結(jié)束后自動進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。錄音指示(/RECLED)：當(dāng)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(biāo)志時，此端輸出一個低電平脈沖。此脈沖可用來觸發(fā)PLAYE，實(shí)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(yīng)通過串聯(lián)電容耦合到此端。耦合電容值和此端的10KΩ輸入阻抗決定了芯片頻帶的低頻截止點(diǎn)。話筒參考(MIC REF)：此端是前置放大器的反向輸入。當(dāng)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(bǔ)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。喇叭輸出(SP+，SP)：輸出端可以直接驅(qū)動8Ω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50KΩ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(dá)喇叭輸出端。平時FT端為低，要實(shí)現(xiàn)直通功能，需將FT端接高電平，同時REC、PLAYE和PLAYL保持低。、SS3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，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(kuò)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。 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