【正文】 硬件調(diào)試的步驟 ....................................................................................... 23 調(diào)試過程中遇到的問題及解決方法 ........................................................ 23 6 總 結(jié) ....................................................................................................... 25 致 謝 ........................................................................................................... 26 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................... 27 附 錄 ........................................................................................................... 28 安徽新華學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 1 1 緒 論 課題背景 由于科技的發(fā)展以及工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)，越來越多的隱患也將隨之而產(chǎn)生。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報火災(zāi)，減少和防止火災(zāi)危害，防止火災(zāi)引起的燃燒和爆炸等事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失，以及影響社會主義現(xiàn)代化建設(shè)。 為了預(yù)防和減少該事故的發(fā)生，那就一定要采用先進(jìn)可靠的儀表進(jìn)行安全檢測，實時檢測煙霧的濃度，才能及早地發(fā)現(xiàn)隱患，隨之采取強有力的措施，從而避免該類事故的發(fā)生，這樣才能保證家庭及工業(yè)生產(chǎn)的安全。因此，智能煙霧檢測系統(tǒng)將成為一個重要的研究領(lǐng)域。 設(shè)計概述 煙霧報警器系統(tǒng)的兩大核心 :單片機(jī)及煙霧傳感器。單片機(jī)在傳感器和報警器中起著橋梁 樞紐作用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活中已深入應(yīng)用，隨著社會的發(fā)展需求，各種類型的單片機(jī)應(yīng)運而生。單片機(jī)傳感器和報警電路設(shè)備的橋梁作用，其實是器件級計算機(jī)系統(tǒng)，也就是微控制器和微處理器。由于單片機(jī)成本低而且體積也較小，所以絕大數(shù)的電子系統(tǒng)中都有單片機(jī)的存在。同時，單片機(jī)也可以用在報警檢測系統(tǒng)中，及時發(fā)現(xiàn)隱患，讓人們有足夠的時間來采取相應(yīng)措施，因此智能煙霧報警器在生活已經(jīng)工業(yè)生產(chǎn)中起到了至關(guān)重要的作用。傳感器好比人的鼻子，是信息時代的感官器件， “鼻子 ”的靈敏度直接導(dǎo)致了系統(tǒng)的反應(yīng)速度。 20 世紀(jì) 80 年代曾被美國 成為傳感器時代，而在日本，傳感器被稱為十大技術(shù)之一。因此，根據(jù)煙霧報警器的需求，選擇一款經(jīng)濟(jì)實用，反應(yīng)靈敏的單片機(jī)和傳感器是至關(guān)重要的。在該論文中， STC89C52 單片機(jī)和 MQ2 半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器是本設(shè)計的兩大核心器件。 安徽新 華學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 2 設(shè)計任務(wù)分析 本篇論文是煙霧報警器的設(shè)計： (1) 對系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計。 (2) 以 STC89C52 單片機(jī)為中央處理器，對硬件電路進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)，讓其功能更加完善。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，為了方便后期的改進(jìn)及維護(hù)，因此加了詳細(xì)的注釋。 (4) 硬件電路和軟件的綜合調(diào)試。 安徽新 華學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 3 2 總體方案設(shè)計 煙霧報警器是能夠檢測出環(huán)境中的煙霧濃度過高時，并具有安全報警功能的儀器。該煙霧報警器的基本組成部分應(yīng)包括：字符顯示電路、單片機(jī)控制電路、信號采集模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、安全保護(hù)電路和聲光報警電路等部分組成。 為了適應(yīng)工業(yè)和家庭等場所對易爆易燃等安全性的要求，設(shè)計出來的煙霧報警器應(yīng)該具有明顯的 報警作用。報警器采用延時的工作方式，煙霧檢測報警器以STC89C52 單片機(jī)為控制核心，選用 MQ2 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)。該設(shè)計包括軟件和硬件兩個部分。 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(jī)主控部分、報警部分， AD 采集四大部分。電路總題框圖如圖 所示： 圖 總體設(shè)計框圖 處理器是采用的 51 系列單片機(jī) STC89C52。整個系統(tǒng)都是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。煙霧檢測 探頭能將檢測到的煙霧變成電信號，然后送出模擬信號，再給 AD 采集電路采集。在單片機(jī)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。 電源開關(guān) 電源 STC89C52 單片機(jī) AD采集電路 顯示電路 報警電路 按鍵控制 安徽新 華學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 4 煙霧傳感器的介紹 煙霧傳感器就是一個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 [2]。而煙霧傳感器就是通過監(jiān)測環(huán)境中煙霧濃度來實現(xiàn)火災(zāi)防范的。當(dāng)煙霧探頭接觸到煙霧或者其他特定的氣體時，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(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，單片機(jī)從而對其進(jìn)行控制 [9]。 MQ2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器 MQ2 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 [10]。當(dāng)空氣中的煙霧濃度增高時，傳感器的電導(dǎo)率也會隨之而增加。 MQ2 傳感器具有一般半導(dǎo)體煙霧傳感器的一些優(yōu)點，如抗干擾能力強、輸出信號大、靈敏度高、響應(yīng)和恢復(fù)時間 短、電導(dǎo)率變化大、工作穩(wěn)定和壽命長等優(yōu)點，在市面上應(yīng)用相當(dāng)廣泛 [7]。 MQ2 傳感器技術(shù)指標(biāo)見表 21。 表 21 MQ2 的一些技術(shù)指標(biāo) 由于測量范圍和物理量的不同，傳感器的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理就不同。煙霧傳感器大多數(shù)輸出的電信號是模擬信號。當(dāng)輸入的信號強度符合 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入級別時，那么就不用放大器放大了；反之 ，就需要放大器對其進(jìn)行放大。所以加熱電壓（ Vh） AC 或 DC 5177。 回路電壓（ Vc） 負(fù)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 24V 2KΩ ≤2020 KΩ ≥4(在 1000ppmC4H10 中 ) ≤10S ≤30S ≤ 50—10000ppm 2 年 安徽新 華學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 MQ2 傳感器要想把采集到的信號發(fā)送給單片機(jī)，那就必須要經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識別的電信號。 設(shè)計時應(yīng)注意，氣敏元件開機(jī)通電時，其內(nèi)阻很小，但經(jīng)過一段時間后，就能恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。因此， QM2 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。 STC89C52單片機(jī)簡介 STC89C52 是一種高性能、低功耗的 CMOS8 位微控制處理器，具有 8K 可編程 Flash 存儲器 [15]。使用非易失性的高密度儲器技術(shù)制造，并能夠與工業(yè) 80C51產(chǎn)品引腳和指令完全兼容。在單芯片上，不僅可以在系統(tǒng)可編程 Flash，而且擁有靈巧的 8 位 CPU，使得 STC89C52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中不可缺少。STC89C52 具有如下標(biāo)準(zhǔn)功能： 256 字節(jié) RAM， 8k字節(jié) Flash， 32 位 I/O 口線，2 個數(shù)據(jù)指針，看門狗定時器，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，全雙工串行口 ，一個6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，片內(nèi)晶振及時鐘電路 [16]。另外， 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。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、串口、計數(shù)器 /定時器、中斷繼續(xù)工作。在掉電保護(hù)模式下， RAM 內(nèi)容能夠被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)停止一切工作，直到下一個硬件復(fù)位或中斷為止。這一模塊以單片機(jī)為核心把程序燒進(jìn)去然后外圍接上振蕩電路、復(fù)位電路、 LED 顯示電路、鍵盤控制、報警電路等子模塊。 單片機(jī)的引腳功能描述 下面對 STC89C52 各引腳的功能進(jìn)行較為詳細(xì)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 XTAL2 XTAL2(18 腳 )：接外部晶體和微調(diào)電容的一端。 XTAL1(19 腳 )：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi)，它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該引腳必須接地。 (3) 控制信號腳 RST ， ALE/PSEN 和 EA。 安徽新 華學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 6 RST(9 腳 )： RST 是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。在此輸入端保持兩個機(jī)器 周期 (24 個時鐘振蕩周期 )的高電平時，就可以完成復(fù)位操作。 ALE/PROG（ 30 引腳）：地址鎖存允許信號端。 PSEN（ 29 腳） :程序存儲允許輸出信號引腳。 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。 (4) I/O（輸入 /輸出端口， P0， P1， P2， P3） P0 口： P0 口是一個漏極開路的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 P1 口： 8 位準(zhǔn)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(zhǔn)雙向口）。 P3 口：雙功能口，即可以做普通 I/O 口用 （此時為準(zhǔn)向口，也可以按每位定義實現(xiàn)第二功能操作）。見表 22。 表 22 P3 口的第二功能表 [18] 引腳 第二功能 RXD （串行輸入口） TXD （串行輸出口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（定時器 0 外部中斷） T1（定時器 1 外部中斷） WR（外部存儲器寫選通） RD（外部存儲器讀寫通） 溫度采集模塊 采用 DS18B20 作為溫度傳感器。 DS18B20 的數(shù)字溫度輸出通過 “ 一線 ” 總線 (1Wire 是一種獨特的數(shù)字信號總線協(xié)議，它將獨特的信號線和電源線復(fù)合在一起，僅使用一條口線；每個芯片唯一編碼，零功耗等待、支持聯(lián)網(wǎng)尋址等，是所需硬件連線最少的一種總線 )這種獨特的方式，可以使多個 DS18B20 方便地組建成傳感器網(wǎng)絡(luò)，為整個測量系統(tǒng)的建立和組合提供了更大可能性 [14]。它在測安徽新 華學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 溫精度、傳輸距離、轉(zhuǎn)換時間、分辨率等方面比其他溫度傳感器有了很大的進(jìn)步，給用戶的使用帶來了方便帶，并贏得了用戶的好評。 安徽新 華學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 8 3 系統(tǒng)的硬件電路 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、時鐘電路 、復(fù)位電路構(gòu)成。 STC89C52 單片機(jī)的工作電壓范圍： 4V~,因此，我們通常用 5V 的直流電源給單片機(jī)供電。即單片機(jī)中的 40 腳 VCC 接 +5V，而 20 腳 VSS 接地 [17]。 復(fù)位電路：用來確定單片機(jī)的起始工作狀態(tài)，以便完成單片機(jī)的啟動過程。當(dāng)單片機(jī)接通電源時，能夠產(chǎn)生一個復(fù)位信號，來確定單片機(jī)的起始工作狀態(tài)以及完成單片機(jī)的啟動。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)處于正常運行時，受到來自外界的干擾，出現(xiàn)程序錯亂時，此時按下復(fù)位按鈕，其內(nèi)部的程序會重新開始執(zhí)行。復(fù)位電路一般有兩種：上電自動復(fù)位和外部按鍵手動復(fù)位。該設(shè)計所采用 的復(fù)位電路為外部手動按鍵復(fù)位電路，因此，需接一個上拉電阻，用來提高輸出高電平的值。 時鐘電路：時鐘電路就像單片機(jī)的心臟，它能夠控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏 [16]。時鐘電路也可以說是振蕩電路，是它能向單片機(jī)提供正弦波信號，決定了單片機(jī)的執(zhí)行速度。 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用