【正文】 國(guó)多年的基本建設(shè)的發(fā)展，這個(gè)行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國(guó)外知名企業(yè)抗衡的能力。國(guó)外的產(chǎn)品和品牌一統(tǒng)天下，占領(lǐng)中國(guó)的大部分市場(chǎng)。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)本文利用單片機(jī)電路制作變電轉(zhuǎn)火災(zāi)煙霧故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。濃度檢測(cè)模塊主要由半導(dǎo)體氣體傳感器MQ2和ADC0809組成，它們是整個(gè)系統(tǒng)中關(guān)鍵的元件；顯示部分由LCD1602組成。在解決這一問題的過(guò)程中，需要查閱大量資料，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，向老師獲取幫助。最后在制作完成硬件電路板后要調(diào)試出設(shè)計(jì)要求的功能。它包括對(duì)各種元器件的功能和接法的了解，以及對(duì)各種元器件的選擇和設(shè)計(jì)方案的選擇。①信號(hào)采集部分即通過(guò)氣體傳感器檢測(cè)氣體濃度，將這種變化量轉(zhuǎn)化成電壓模擬量的變化，然后通過(guò)運(yùn)放進(jìn)行必要的放大。②信號(hào)處理部分為了實(shí)現(xiàn)精確控制，采用單片機(jī)較為合適。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)行分析比較，是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警限)，如果大于則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)。煙霧傳感器及單片機(jī)是可燃煙霧檢測(cè)報(bào)警器的兩大核心，根據(jù)報(bào)警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的煙霧傳感器及單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。氣體傳感器所測(cè)量的值經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化。所謂的靈敏度，是指在靜態(tài)工作條件下，其單位輸入所產(chǎn)生的輸出，用S表示。如式（2）： （2）此可見，煙霧傳感器的輸入和輸出關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性或曲線關(guān)系，要對(duì)煙霧傳感器建立一個(gè)準(zhǔn)確的溫度修正數(shù)學(xué)模型是很困難的。本設(shè)計(jì)主要考慮如何有效實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償。該方式較為復(fù)雜，對(duì)特性離散的傳感器，擬合效果差。采用普通雙傳感器，采用相互補(bǔ)償?shù)姆椒z測(cè)房間氣體濃度，將檢測(cè)的到濃度信號(hào)送入A/D芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用AT89S51單片機(jī)控制聲音報(bào)警以及將氣體傳感器檢測(cè)到的濃度值在顯示器顯示出來(lái)。單單采用此種方法并不能更好的提高測(cè)量性能，還需要加以軟件補(bǔ)償。具體電路設(shè)計(jì)將在下文中給出。傳感器作為煙霧檢測(cè)報(bào)警器的信號(hào)采集部分，是儀表的核心組成部分之一。 (c)利用電化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢(shì)型氣 體傳感器等。 (a) 半導(dǎo)體煙霧傳感器半導(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。 (b)固體電解質(zhì)煙霧傳感器 固體電解質(zhì)煙霧傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過(guò)煙霧時(shí)產(chǎn)生電阻，測(cè)量其形成電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時(shí)將鉑絲通電，保持300176。高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時(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。煙霧濃度信號(hào)將電解液分解成陰陽(yáng)帶電離子，通過(guò)電極將信號(hào)傳出。 (f)熱傳導(dǎo)傳感器 熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測(cè)量原理不同。在測(cè)量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。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，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。下表簡(jiǎn)要列舉出已經(jīng)研究、開發(fā)的各類煙霧傳感器及其可檢測(cè)的氣體種類[5]。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測(cè)煙霧的能力。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，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。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。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。靈敏性圖22是傳感器典型的靈敏度特性曲線。圖中縱坐標(biāo)是傳感器的電阻比（Rs/Ro）。圖22 MQ2/MQ2S氣體傳感器的靈敏度特性 圖23 MQ2/MQ2S氣體傳感器的溫度/濕度特性曲線圖24 MQ2/MQ2S氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形 MQ2/MQ2S氣敏元件的規(guī)格MQ2/MQ2S氣敏元件的規(guī)格如表21所示：表22 MQ2/MQ2S氣敏元件的規(guī)格 煙霧檢測(cè)報(bào)警器具體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)屬于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)面對(duì)控制對(duì)象。(4)突出控制功能。 本論文中的煙霧檢測(cè)報(bào)警器以8051單片機(jī)為控制核心，采用MQ2型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息。與此同時(shí)通過(guò)max232與上位機(jī)通信。(3)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對(duì)象要求的全部電路系統(tǒng)。其中以AT89S51單片機(jī)為核心構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。在本次設(shè)計(jì)中，使用的核心器件是AT89S51單片機(jī)和MQ2型氣體傳感器。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。 (2)煙霧報(bào)警功能 當(dāng)煙霧濃度處于報(bào)警限值之上，蜂鳴器開始報(bào)警，并且伴隨紅燈亮。3 .1 煙霧檢測(cè)報(bào)警器系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)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：氣體濃度檢測(cè)模塊、主控模塊和報(bào)警模塊，下面依次介紹。如圖32所示。下面來(lái)詳細(xì)介紹一下AT89S51單片機(jī)AT89S51單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89S51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓,高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機(jī)。所以本設(shè)計(jì)我們選擇AT89S51單片機(jī)作為控制器的核心芯片[9]。（2）外接晶振引腳XTAL1（19腳），XTAL2(18腳)XTAL1：在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。（3）輸入/輸出引腳P0，P1，P2，P3～(39～32腳):P0是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/O端口。在EPROM編程和驗(yàn)證程序時(shí)，它輸入低8位地址?！?10～17腳):P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)負(fù)跳變來(lái)觸發(fā)外部的8位鎖存器(如74LS373)，將端口P0的地址總線(A0A7)鎖存進(jìn)入鎖存器中。因此在8031中，EA引腳必須接低電位，因?yàn)槠鋬?nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器空間。在訪問外部程序存儲(chǔ)器讀取指令碼時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生二次PSEN信號(hào)。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，高電平的持續(xù)時(shí)間應(yīng)該在24個(gè)時(shí)鐘周期以上，若時(shí)鐘頻率為6MHz,則復(fù)位信號(hào)至少應(yīng)持續(xù)4us以上，才可以使單片機(jī)可靠復(fù)位。復(fù)位電路可以參考圖34：圖34 單片機(jī)復(fù)位電路（2）程序執(zhí)行方式 程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式。但真正的程序一般不可能從0000H開始存放，因此，需要在0000H單元開始存放一條轉(zhuǎn)移指令，從而使程序跳轉(zhuǎn)到真正的程序入口地址。通過(guò)編程規(guī)定INT0信號(hào)是低電平有效，因此不來(lái)脈沖時(shí)總是處于響應(yīng)中斷的狀態(tài)。因此，內(nèi)部時(shí)鐘并不停止工作，只是去CPU的路徑被門電路切斷，但仍然供應(yīng)中斷電路、定時(shí)器和串行口。至此，本系統(tǒng)三大模塊功能和設(shè)計(jì)思路已經(jīng)確立，下文將介紹整個(gè)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程，并且給出設(shè)計(jì)電路。軟件知識(shí)用來(lái)設(shè)計(jì)芯片處理數(shù)據(jù)的先后順序，數(shù)據(jù)的獲得途徑以及對(duì)數(shù)據(jù)做怎樣的處理和顯示功能等等。理論依據(jù)的成立與否在很大程度上決定了電路設(shè)計(jì)的成功，也整個(gè)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)的根本。三端固定式集成穩(wěn)壓器三端固定式集成穩(wěn)壓器有78XX/79XX系列，它是固定輸出電壓式穩(wěn)壓器，片內(nèi)有過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能，外接兩只電容就可以簡(jiǎn)單構(gòu)成穩(wěn)壓電路，如圖36所示。安裝時(shí)，兩電容應(yīng)直接與三端集成穩(wěn)壓器的引腳根部相連。它的內(nèi)部有效電路由調(diào)整管、保護(hù)電路、控制電路和誤差放大器等組成，VoCOM間電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，工作時(shí)經(jīng)常保持一致，當(dāng)輸入電壓Vi或輸出電流Io變化時(shí)，使輸出Vo保持穩(wěn)定。輸出端電容也是穩(wěn)定電容，對(duì)于降低輸出紋波、輸出噪聲及負(fù)載電流變化的影響有很好的效果，～1uF的陶瓷電容就可以了。此外還有很多品種的穩(wěn)壓器內(nèi)有使輸出晶體管不超過(guò)安全工作區(qū)的保護(hù)電路。為了提高Vo的穩(wěn)定性，輸入Vi要采用低紋波電源?；鶞?zhǔn)電壓的精度大致可以分為177。最早的精度是177。2%。本電路工作時(shí)，先將插頭接到+5V市電上，由開關(guān)接通電源，此時(shí)，黃色發(fā)光二極管工作顯示電源接通狀態(tài)。常見的運(yùn)算放大器中，LM324價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)比較突出，所以本設(shè)計(jì)中的前置放大電路采用LM324作為電路的運(yùn)算放大器。同相比例運(yùn)算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，同樣可以利用理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來(lái)分析其電壓放大倍數(shù)。 放大電路圖(2)電壓放大倍數(shù)A=1+R16/R13，A=1+R17/R14，A=1+R18/R15即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同，所以此電路實(shí)現(xiàn)了同相比例放大。ADC0809是美國(guó)NS公司的產(chǎn)品，其性能指標(biāo)一般，但價(jià)格低廉，便于與微機(jī)連接，應(yīng)用十分廣泛。ADC0809主要特性（1）8路8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。圖39 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（5）模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。A、B、C的狀態(tài)字決定在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)用哪個(gè)模擬輸入端輸入。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。時(shí)鐘頻率低時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換速度也降低。（5）EOC（7腳）：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)OE輸入高電平信號(hào)時(shí)，三態(tài)輸出鎖存器將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。基準(zhǔn)電壓的中心值（VREF（+）+VREF（））/2應(yīng)接近于Vcc/2，其偏差值不應(yīng)該超過(guò) 。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。表34 74系列主要電特性的典型值型號(hào)fmaxPD5474/747425MHz85mW54H74/74H7443 MHz150mW54S74/74S74110MHz150mW54LS74/74LS7433MHz20mW圖314 74LS74的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖315 74ALS04引腳圖74ALS04的介紹04 為六組反向器，共有 54/74054/74H054/74S054/74LS04四種線路結(jié)構(gòu)形式，其主要電特性的典型值如表35所示：表35 04主要電特性的典型值引出端符號(hào)：1A－6A輸入端；1Y－6Y輸出端邏輯圖：雙列直插封裝電源電壓：7V輸入電壓：54/74054/74H054/74S04：；54/74LS04：7V工作環(huán)境溫度：54XXX：55~125℃；74XXX：0~70℃存儲(chǔ)溫度 ：65~150℃74ALS04內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳圖見圖316所示。其中R3到R8為上拉電阻 。硬件連接電路如表36所示：表36 LCD1602與單片機(jī)管腳連接關(guān)系LCD1602單片機(jī)DB0～DB7:P1RS:RW:E:引腳說(shuō)明RS：寄存器選擇輸入端；RS＝0,如果是寫狀態(tài),指向指令寄存器,如果是讀,指向地址計(jì)數(shù)器RS＝1,不管是寫狀態(tài)還是讀狀態(tài),指向數(shù)據(jù)寄存器RW：為0：寫狀態(tài)。 電路設(shè)計(jì)方法圖314 LCD1602與單片機(jī)連接電路圖LCD1602的數(shù)據(jù)口與單片機(jī)通過(guò)P1口連接，使能端E、VO通過(guò)接一個(gè)10K的電位器來(lái)控制液晶屏幕的亮度。由于單片機(jī)處理三路傳感器數(shù)據(jù)，所以當(dāng)三路中的任何一路超過(guò)報(bào)警極限都會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。所以，以RS232C為主來(lái)討論。由于通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。電氣性能與電平轉(zhuǎn)換（1）電氣性能EIARS232C對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定。（2）電平轉(zhuǎn)換EIARS232C與TTL轉(zhuǎn)換：EIARS232C是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同[14]。接口機(jī)械性能連接器：由于RS232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn)了DB2DB15DB9各種類型的連接器，其引腳的定義也各不相同。因此，若與配接DB25型連接器的DCE設(shè)備連接，必須使用專門的電纜線。為了保證碼元畸變小于4%的要求，接口標(biāo)準(zhǔn)在電氣特性中規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載電容應(yīng)小于2500pF。這兩個(gè)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)有效，只表示設(shè)備本身可用，并不說(shuō)明通信鏈路可以開始進(jìn)行通信了，能否開始進(jìn)行通信要由下面的控制信號(hào)決定。當(dāng)MODEM已準(zhǔn)備好接收終端傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并向前發(fā)送時(shí)，使該信號(hào)有效，通知終端開始沿發(fā)送數(shù)據(jù)線TxD發(fā)送數(shù)據(jù)。接收線信號(hào)檢出(Received Line detectionRLSD)——用來(lái)表示DCE已接通通信鏈路，告知DTE準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)發(fā)送與接收線發(fā)送數(shù)據(jù)(Transmitted dataTxD)——通過(guò)TxD終端將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到MODEM，(DTE→DCE)。例如，只有當(dāng)DSR和DTR都處于有效（ON）狀態(tài)時(shí)，才能在DTE和DCE之間進(jìn)行傳送操作。與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)。C語(yǔ)言有功能豐富的庫(kù)函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。用C語(yǔ)言來(lái)編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用三路檢測(cè)，并且在顯示器上顯示工作傳感器所檢測(cè)到的濃度值。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能 體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)[18]。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng)C51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(.ABS)。按照以上的軟件程序設(shè)計(jì)思想，可以畫出程序的流程圖并根據(jù)流程圖寫出相應(yīng)的程序。= 0x0f。 TL1 = 0xf9。 SBUF = ucData