【正文】 ，將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。③系統(tǒng)報(bào)警部分是通過預(yù)定控制方式并利用蜂鳴器和發(fā)光二極管報(bào)警實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確操作。 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：系統(tǒng)能檢測(cè)三個(gè)不同位置的煙霧濃度，把檢測(cè)到的信號(hào)送單片機(jī)處理，處理過的數(shù)據(jù)送顯示器顯示，在煙霧濃度達(dá)到設(shè)置值時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)串口通信功能。硬件設(shè)計(jì)是通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析，對(duì)各種元器件的了解，而得出分立元件與集成塊的某些連接方法，以達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求。要對(duì)程序進(jìn)行多次調(diào)試，分塊編程。報(bào)警模塊主要由發(fā)光二極管和蜂鳴器等組成，這個(gè)模塊是在濃度超過報(bào)警限的時(shí)候進(jìn)行報(bào)警處理。這也是在設(shè)計(jì)過程中需要解決的關(guān)鍵的問題。當(dāng)然目前而言，我們基本占據(jù)的是國內(nèi)市場(chǎng)，對(duì)外還剛啟動(dòng)。在消防報(bào)警產(chǎn)品的技術(shù)含量上，國內(nèi)產(chǎn)品和國外產(chǎn)品差距不是很大，許多指標(biāo)已經(jīng)超越，存在的問題是：類似于國外消防報(bào)警產(chǎn)品的大批量規(guī)?；纳a(chǎn)才剛起步，有待于積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)；也因此在產(chǎn)品一致性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性上有一些差距；國內(nèi)正在形成權(quán)重的大型企業(yè)和集團(tuán)，這樣可以帶領(lǐng)國內(nèi)的各家企業(yè)去沖擊海外市場(chǎng)，并最終占領(lǐng)海外的消防報(bào)警市場(chǎng)。 現(xiàn)狀及特點(diǎn)消防報(bào)警產(chǎn)品是一個(gè)系列產(chǎn)品，包括火災(zāi)探測(cè)設(shè)備、信息傳輸設(shè)備、報(bào)警分析控制器、消防控制聯(lián)動(dòng)。（2）該產(chǎn)品無需專業(yè)人員操作，只要放在合適位置，通電即可，連續(xù)使用、方便簡(jiǎn)捷。這就要求了煙霧傳感器性能必須符合這個(gè)條件，高精度的傳感器是系統(tǒng)的靈魂。選擇一款優(yōu)質(zhì)的煙霧報(bào)警器，首先要選擇質(zhì)量過關(guān)的傳感器。報(bào)警器可發(fā)出聲光報(bào)警，或同時(shí)伴有數(shù)字顯示，同時(shí)聯(lián)動(dòng)外部設(shè)備。集中報(bào)警是將接收到的信號(hào)以聲光方式顯示出來，其屏幕上也具體顯示出著火的樓層和房間號(hào)，機(jī)上停走的時(shí)鐘記錄下首次報(bào)警時(shí)間性，利用本機(jī)專用電話，還可迅速發(fā)出指示和向消防隊(duì)報(bào)警。即由自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)滅火、安全疏散誘導(dǎo)、系統(tǒng)過程顯示、消防檔案管理等組成一個(gè)完整的消防控制系統(tǒng)。我國的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展過程，其智能化程度也越來越高。而此時(shí)采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)煙霧監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)不僅具有采集控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高采集點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高系統(tǒng)的可利用性。本文的變電站煙霧監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)就是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種典型應(yīng)用，要求能夠檢測(cè)煙霧濃度，并且在氣體濃度超過給定值時(shí)能實(shí)時(shí)報(bào)警。從廣義上講，傳感器就是能感受外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的裝置；狹義上講，傳感器就是能將外界信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的過程中，應(yīng)不斷調(diào)整軟、硬件，協(xié)調(diào)地進(jìn)行軟、硬件設(shè)計(jì)，以提高工作效率。而在變電站的火災(zāi)煙霧故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)正是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的一種。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程一般包括系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試幾個(gè)階段。隨著新技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，一切現(xiàn)代化儀器、設(shè)備幾乎都離不開傳感器。由于火災(zāi)是變電站以及礦工企業(yè)常見事故，給人們生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了極大的危害。此次三路檢測(cè)系統(tǒng)正是把ADC0809與AT89S51單片機(jī)有機(jī)的結(jié)合起來，也符合了本設(shè)計(jì)的要求。目前國內(nèi)廠家多偏重用于大型倉庫、商場(chǎng)、高級(jí)寫字樓、賓館等場(chǎng)所大型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)?；馂?zāi)探測(cè)器是探測(cè)火災(zāi)的儀器，由于在火災(zāi)發(fā)生的階段，將伴隨產(chǎn)生煙霧、高溫度火光。此外，也可以控制有關(guān)的滅火系統(tǒng)或?qū)⒒馂?zāi)信號(hào)傳輸給消防控制室。煙霧報(bào)警器的核心是氣體傳感器，俗稱“電子鼻”。質(zhì)量不過關(guān)的傳感器，一般16個(gè)月性能就下降，因而失去報(bào)警器的安全性，出現(xiàn)不報(bào)警或誤報(bào)警現(xiàn)象，而一種好的傳感器可連續(xù)使用十幾年，特性也不會(huì)有什么變化。氣體傳感器受濕度、溫度的影響較大，在條件需要的時(shí)候應(yīng)該采用溫度、濕度補(bǔ)償來提高測(cè)量精度[１]。（3）能有效檢測(cè)煙霧濃度，觀察更加直觀，控制更加方便。是物理傳感技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和管理、智能樓宇等技術(shù)的綜合集成，屬于高新技術(shù)。 發(fā)展趨勢(shì)二十多年前，中國的消防報(bào)警產(chǎn)品剛剛起步，無論產(chǎn)品技術(shù)含量、產(chǎn)品系列完整性、使用性，還是社會(huì)影響程度都是相當(dāng)?shù)偷?。中國企業(yè)正虎視眈眈，準(zhǔn)備進(jìn)軍海外市場(chǎng)[6]。（1）硬件任務(wù)單片機(jī)變電站火災(zāi)煙霧故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的硬件主要有3大部分，即濃度檢測(cè)和顯示模塊、主控模塊和報(bào)警模塊。硬件的設(shè)計(jì)需要單片機(jī)、模電及其數(shù)電的相關(guān)知識(shí)。對(duì)各個(gè)子程序塊所解決的問題要相當(dāng)明確。并且把這些元器件焊接在一塊電路板上。 煙霧檢測(cè)報(bào)警器設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)擬按以下思路展開研究：（1）根據(jù)該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的基本功能，設(shè)計(jì)大致應(yīng)該分為信號(hào)采集放大，信號(hào)處理控制，系統(tǒng)報(bào)警三個(gè)部分。（2）依據(jù)上面所說的思路，得到如下一些基本的結(jié)論：①信號(hào)采集部分為了能準(zhǔn)確采集到氣體濃度的變化應(yīng)選用半導(dǎo)體氣體傳感器，為使其有效的檢測(cè)煙霧濃度，采用電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器；而放大部分使用運(yùn)放進(jìn)行放大。采集到的信號(hào)送入A/D模塊，將模擬信號(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)。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。采用單個(gè)傳感器檢測(cè)煙霧濃度是不合適的。靜態(tài)特性通常反映在靈敏度上。動(dòng)態(tài)特性的輸入與輸出關(guān)系不是一個(gè)常數(shù)，而是時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間的變化而變化，因此常用傳遞函數(shù)表征。煙霧傳感器特性總是會(huì)受到環(huán)境溫度、濕度的影響而變化，煙霧報(bào)警器要能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境氣氛的監(jiān)控，有效避免誤報(bào)、漏報(bào)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須對(duì)煙霧傳感器進(jìn)行有效的溫、濕度補(bǔ)償和修正。軟件補(bǔ)償方式通過傳感器的溫度特性曲線擬合進(jìn)行算法補(bǔ)償，這種方式是以一定的特性曲線作為基礎(chǔ)，對(duì)不同的工作環(huán)境和不同傳感器的溫度特性，用算法處理和查表修正以得到不同的補(bǔ)償效果。由于方案一傳感器測(cè)量精度不高，所以不予采納。并且主控制芯片采用常規(guī)的ADC0809和單片機(jī)并不支持，且制作硬件極其復(fù)雜，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積過大、功耗高、成本太高。分析：選用此方法設(shè)計(jì)電路不僅解決了溫度、濕度的影響，并且簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路，降低了成本，采用此種方法設(shè)計(jì)主體電路。 煙霧傳感器的選型 煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。 (b)利用物理性質(zhì)的煙霧傳感器：如熱導(dǎo)煙霧傳感器、光干涉煙霧傳 感器、紅外傳感器等。 (3)常見煙霧傳感器簡(jiǎn)介：下面對(duì)工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡(jiǎn)單介紹。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。 (c)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，故得名接觸燃燒式傳感器。 (d)高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏材料制作的煙霧傳感器近年來得到很大的發(fā)展。 (e)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。目前國際上絕大部分毒氣檢測(cè)采用該類型傳感器。 (g)紅外傳感器 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。 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CO冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)?。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測(cè)無機(jī)煙霧，如OCOHClSO2等。 阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。 經(jīng)過對(duì)比上述兩種煙霧傳感器的應(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：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。 MQ2型煙霧傳感器的相關(guān)介紹MQ2/MQ2S氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。溫濕度的影響圖23是傳感器典型的溫度、濕度特性曲線。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流。嵌入式系統(tǒng)一般分為四種:工控機(jī)，通用CPU模塊，嵌入式微機(jī)處理，單片機(jī)。(3)能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中可靠運(yùn)行的品質(zhì)。單片機(jī)是完全按嵌入式系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)的單芯片形態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)，能滿足面對(duì)控制對(duì)象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場(chǎng)的可靠運(yùn)行及非凡的控制品質(zhì)等要求，是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。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。(2)單片機(jī)系統(tǒng)：指按照單片機(jī)的技術(shù)要求和嵌入對(duì)象的資源要求而構(gòu)成的基本系統(tǒng),如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展存儲(chǔ)器等與單片機(jī)構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。以此理解，單片機(jī)煙霧故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)同樣具有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的三個(gè)層次。整個(gè)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分為三大模塊：濃度檢測(cè)模塊、主控模塊和外圍報(bào)警模塊。 為適應(yīng)變電站和工業(yè)等場(chǎng)所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性煙霧報(bào)警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可燃煙霧濃度、延時(shí)報(bào)警功能及可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)等功能。 (1)煙霧濃度顯示通過液晶屏顯示可燃煙霧的濃度值，便于檢測(cè)人員隨時(shí)觀測(cè)煙霧濃度。 3 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的硬件模塊設(shè)計(jì)根據(jù)第二章的介紹系統(tǒng)的硬件部分可以分成三個(gè)模塊來做，現(xiàn)在就先進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)部分，然后再具體介紹各部分硬件電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)圖31，MQ2型氣體傳感器單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線，當(dāng)煙霧濃度在0%到100%，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)最終由單片機(jī)處理顯示出濃度值。采集信號(hào)經(jīng)過ADC0809處理后送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的信息將通過單片機(jī)控制，在LCD顯示器上顯示出來。AT89S系列單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。Vcc(40腳):主電源+5V。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。 圖33 AT89S51引腳功能圖表31 P3口的引腳功能引腳信號(hào) 控制信號(hào)說明RXD串行數(shù)據(jù)輸入TXD串行數(shù)據(jù)輸出INT0外部中斷0INT1外部中斷1T0定時(shí)器0輸入T1定時(shí)器1輸入WR寫存儲(chǔ)器信號(hào)RD讀存儲(chǔ)器信號(hào) ～(1～8腳):Pl是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在對(duì)EPROM編程和驗(yàn)證程序時(shí)，它輸入高8位地址。ALE/PROG：ALE是英文ADDRESS LATCH ENABLE的縮寫，表示允許地址鎖存允許信號(hào)。EA/VPP：該引腳為低電平時(shí)，則讀取外部的程序代碼(存于外部EPROM中)來執(zhí)行程序。訪問外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。（1） 復(fù)位方式 RST引腳時(shí)復(fù)位信號(hào)的輸入端。也可以進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，在Vcc和RST引腳之間接一個(gè)按鍵，即可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。由于復(fù)位后PC=0000H,所以程序的執(zhí)行總是從地址0000H開始的。將外加脈沖加到INT0輸入，平時(shí)為低電平。在掉電方式下，CPU暫時(shí)不工作，但也隨時(shí)準(zhǔn)備恢復(fù)工作。氣體濃度經(jīng)過設(shè)置后送單片機(jī)記錄，在采集到的氣體濃度過大，超過安全值時(shí)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和發(fā)光二極管工作，提供報(bào)警服務(wù)。硬件知識(shí)用來設(shè)計(jì)硬件電路，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、放大、轉(zhuǎn)換和顯示等功能。電路的設(shè)計(jì)都在建立在理論的基礎(chǔ)上。下面簡(jiǎn)單介紹本設(shè)計(jì)使用到的電源器件：三端固定式集成穩(wěn)壓器。C1，C2一般選用滌綸電容， μ F或者幾個(gè)μ F。如下圖所示，三端穩(wěn)壓器的三端是輸入端Vi、輸出端VO和公共端COM，使用公共端通常接地。當(dāng)平滑電容距離穩(wěn)壓器很近時(shí)，可以省掉陶瓷電容。另外，穩(wěn)壓器內(nèi)部有輸出短路的保護(hù)功能，即過電流保護(hù)電路，限制輸出電流不會(huì)很大；過熱保護(hù)電路，過熱時(shí)切斷輸出使內(nèi)部電路不會(huì)過熱。另外輸入Vi的上限由各品種規(guī)定，對(duì)于低輸入電壓品種其上限電壓≤30V，高輸入電壓品種≤40V。三端穩(wěn)壓器的輸出電壓的精度包括內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的精度，以及對(duì)于輸入與負(fù)載變動(dòng)的穩(wěn)定性。8%幾類。4%，高精度為177。電源電路的設(shè)計(jì)圖37 系統(tǒng)+5V電源電路輸入部分設(shè)計(jì)根據(jù)以上所介紹的參數(shù)，本系統(tǒng)所用+5V電源通過采用7805穩(wěn)壓管輸入到系統(tǒng)中，電路圖如圖37所示。由于系統(tǒng)采用的是單極性供電，所以采用同相比例放大電路，可以減少硬件開銷；反之，如果采用反相放大，則一般需要利用雙極性供電，這就需要系統(tǒng)額外的利用變壓芯片產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，這顯然會(huì)造成浪費(fèi)。對(duì)于輸入電壓Vi也有一定的要求，因?yàn)橥ㄟ^前面章節(jié)對(duì)傳感器的分析得知當(dāng)傳感器的煙霧濃度達(dá)到100%時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值為0V，煙霧濃度為0%，所以模擬樣機(jī)采用兩倍放大，假使傳感器輸出電壓在0~，放大兩倍之后達(dá)到0~，所以要用一個(gè)電阻與變阻器分壓，使變阻器輸出的電壓在0~，電路采用的變阻器為1k的，在輸入電壓為5v的情況下。因?yàn)椴淮嬖凇疤摰亍爆F(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。ADC0809是8位CMOS逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換集成電路，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對(duì)8路0~~5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼和鎖存電路、比較器、256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器SAR，控制與時(shí)序電路等。內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖如圖，由多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、D/A轉(zhuǎn)換電路、三態(tài)輸出鎖存器、地址鎖存器及譯碼器等組成。（4）單個(gè)＋5V電源供電。上圖為ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖（圖39）： 圖310 ADC0809的引腳圖 圖311 ADC0809實(shí)物圖ADC0809的引腳功能ADC0809的引腳圖如圖310，ADC0809實(shí)物如圖311，則ADC0809的引腳功能：（1） IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入通道。ALE（22腳）為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。時(shí)鐘頻率典型值為640KHZ，允許范圍為10KHZ到1280KHZ。在脈沖上升沿，A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部寄存器均被清零在下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換。（6）OE（9腳）：輸出允許信號(hào)。