【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Q2 本設(shè)計(jì)中采用的 MQ2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘受到該煙霧的調(diào)制而變化，就會(huì)引起表而電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息。例如遇到可燃 氣體 （如CH4 等）時(shí)，原來(lái)吸附的氧脫附，而由可燃煙 霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒(méi)有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)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 MQ2型燃性煙霧傳感器檢測(cè)可燃煙霧的基本原理。 圖 26 MQ氣體傳感器 結(jié)構(gòu)和外形 MQ2 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)。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。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電 導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。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。結(jié)構(gòu)和外形如圖 26所示 ， 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。 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片 74HC245 74HC245 是 數(shù)碼管的 總線驅(qū)動(dòng)器，典型的 CMOS 型三態(tài)緩沖門電路， 74HC245 引腳圖如圖 27。 單片機(jī)或 CPU的數(shù)據(jù) /地址 /控制總線端口都有一定的負(fù)載能力，如果負(fù)載超過(guò)其負(fù)載能力就 應(yīng)加驅(qū)動(dòng)器。因此可驅(qū)動(dòng)本設(shè)計(jì)使用的數(shù)碼管。 74HC245 功能表如表 23所示 。 圖 27 74HC245 引腳圖 第 1 腳 DIR，為輸入輸出端口轉(zhuǎn)換用。 DIR=“ 1”， OE=“ 0”則 A1 輸入，對(duì)應(yīng) B1 輸出，其它類同。如果 DIR=“ 0”、 OE=“ 0”則 B1 輸入，對(duì)應(yīng) A1 輸出。第 19 腳 OE 為使能端， 8 為“ 1”時(shí) A/B 端的信號(hào)將不導(dǎo)通，只有為“ 0”時(shí) A/B 端才啟用， 也就是起到開(kāi)關(guān)的作用。 表 23 74HC245 功能表 Input Input/Output OE DIR An Bn L L A=B Input L H Input B=A H X Z Z H：高電平 L：低電 平 X：懸空 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0832 ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 8位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32μ S， 有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn) ，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能好 。通過(guò) DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。其引腳如圖 28所示。 圖 28 ADC0832 引腳圖 正常情況下 ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為 4 條數(shù)據(jù)線 ： CS、 CLK、 DO、 DI。 由于 DO端與 DI 端 在通信時(shí)未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可 將 DO 和DI并 在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng) CS 輸入端應(yīng)為高電平 時(shí)芯片禁用， CLK 和 DO/DI 的電平可任意。當(dāng) 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)， CS 使能端 應(yīng) 置于低電平并且保持 到轉(zhuǎn)換結(jié)束。 芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作 時(shí)， 由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端 CLK 輸入時(shí)鐘脈沖， DO/DI 端則使用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。 第 1 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前 DI 端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。第 3個(gè)脈沖下沉之前 DI 端 輸入 2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能表如表 24所示。 表 24 ADC0832 功能表 MUX Address Channel SGL/DIF ODD/SIGN 0 1 0 0 + 0 1 + 9 3 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) AT89S52 復(fù)位電路 復(fù)位 是使單片機(jī)或系統(tǒng)恢復(fù)某種確定的初始狀態(tài)。單片機(jī)就是從復(fù)位開(kāi)始工作的。 開(kāi)機(jī)瞬間 RST 引腳獲得高電平，隨著電容 C1 的充電，引腳的高電平將逐漸下降。若 RST 引腳的高電平保持 2 個(gè)機(jī)器周期，單片機(jī)就復(fù)位，持續(xù)保持則循環(huán)復(fù)位。復(fù)位操作有兩種基本形式：一種是上電復(fù)位，另一種是上電與按鍵均有效的復(fù)位，本設(shè)計(jì)使用的是上電復(fù)位方式，上電復(fù)位 電路圖如圖 31所示。 圖 31 單片機(jī)的復(fù)位電路 溫度傳感器電路 DS18B20 可以使用外部電源 VDD，也可以使用內(nèi)部的寄生電源。當(dāng) VDD 端口接 — 的電壓時(shí)是使用外部電源；當(dāng) VDD 端口接地時(shí)使用了內(nèi)部的寄生電源。無(wú)論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電， I/O 口線要接 。本設(shè)計(jì)采用的是外部電源供電方式，連接圖如圖 32 所示 。 圖 32 溫度采集 電路 DS18B20 的外部電源供電方式在外部電源供電方式下， DS18B20 工作電源由 VDD 引腳 10 接入，此時(shí) I/O 線不需要強(qiáng)上 拉，不存在電源電流不足的問(wèn)題，可以保證轉(zhuǎn)換精度。在外部供電的方式下應(yīng)注意 GND 引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)溫度，讀取的溫度總是 85℃。 MQ2 煙霧感器電路 本設(shè)計(jì)煙霧傳感器采用 MQ2，在可燃?xì)怏w或煙霧中 MQ2煙霧傳感器的電阻會(huì)有相應(yīng)的變化，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不 銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。 氣敏元件 共 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。直流電壓直接供傳感器 MQ－ 2的加熱絲 HH工作， H 兩端接到電源的兩端起預(yù)熱的作用， 檢測(cè)煙霧之 前要 加熱絲給傳感器 MQ－ 2預(yù)熱一定時(shí)間 。當(dāng)采集到電壓后 經(jīng)過(guò) AD 模數(shù) 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)就可以 得到 準(zhǔn)確的煙霧或者可燃?xì)怏w的濃度。這種傳感器具有輕微的極性，在滿足傳感器電性能要求的前提下，為更好利用傳感器的性能， 還 需要通過(guò)滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié) 與 校準(zhǔn)， 才能 得到精確的煙霧信號(hào)。其電路圖如圖 33 所示 。 圖 33 MQ2 基本電路 A/D 轉(zhuǎn)換 ADC0832 電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路在本設(shè)計(jì)中采用的是數(shù)模轉(zhuǎn)換常用芯片 ADC0832，煙霧傳感器的輸出端接到 ADC0832 的 CH0。 經(jīng)煙霧傳感器 MQ2 所 檢測(cè)的電壓信號(hào)為模擬信號(hào)，無(wú)法直接被單片機(jī)所識(shí)別，所以在經(jīng)過(guò)放大電路后對(duì)信號(hào)進(jìn)行 A/D 裝換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。 ADC0832 電路圖如圖 34所示。 圖 34 A/D 轉(zhuǎn)換電路 11 報(bào)警器電路 由 AT89S52實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警控制。 蜂鳴器為無(wú)源蜂鳴器，低電平時(shí)發(fā)出聲音， 當(dāng) 室內(nèi) 可燃性氣體濃度 、煙霧濃度或溫度 超過(guò) 設(shè)定的 限定值時(shí)， 單片機(jī)將 置為低電平，三極管導(dǎo)通， 揚(yáng)聲器發(fā)出 蜂鳴 報(bào)警 ，直到有工作人員將電路斷開(kāi)，或煙霧、溫度降到限值以下。蜂鳴器負(fù)極接地，正極接三極管輸出，其電路原理圖如圖 35 所示。 圖 35 聲音報(bào)警 電路 在報(bào)警的同時(shí)，設(shè)計(jì)加入了一個(gè)自救電路，煙霧濃度過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)電機(jī)把煙霧抽去，使室內(nèi)煙霧濃度降低。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)還可以通過(guò)電機(jī)，將冷氣吹入，降低溫度，若發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，則將 CO2 吹入 ， （ 此步驟需用戶手動(dòng)完成 ） 。如圖 36 所示。 圖 36 馬達(dá)電路 七段數(shù)碼管顯示電路 數(shù)據(jù)采集進(jìn)來(lái)并被成功地由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后，就被傳送到系統(tǒng)的顯示模塊，讓人們更直接地觀察到相關(guān)數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，對(duì) LED 進(jìn)行的是動(dòng)態(tài)掃描，除了給顯示器提供段的輸入之外，還要對(duì)顯示器進(jìn)行位控制。顯示器的第 一位顯示煙霧濃度級(jí)別，而后兩位則顯示當(dāng)前實(shí)際溫度，中間顯示“ ”將溫度和煙霧分開(kāi)。 本系統(tǒng)顯示用的 4 位七段共陽(yáng)數(shù)碼管由數(shù)碼管專用 數(shù)碼 驅(qū)動(dòng)芯片 74HC245 驅(qū)動(dòng)， P2為數(shù)據(jù)段碼輸出口， 至 分別接驅(qū)動(dòng)芯片 74HC245 的 A0至 A7， 74HC245 的 B0 至B7分別接數(shù)碼管的 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp， 、 、 、 引腳 用作 位選，分別控制 4位數(shù)碼管的亮滅。數(shù)碼管的位選引腳接上拉電阻為共陽(yáng)，可以由位選引腳輸出 12 高低電平經(jīng)過(guò) 74HC07 驅(qū)動(dòng)器控制數(shù)碼管亮滅。七段數(shù)碼管電路圖如 圖 37所示。 圖 37 數(shù)碼管顯示電路圖 狀態(tài)指示燈、控制鍵電路 狀態(tài)指示燈控制電路如圖 38所示，單片機(jī) AT89S52 引腳 的 、 、 控制輸出的狀態(tài)指示燈。綠燈亮表示室內(nèi)環(huán)境處于正常狀態(tài)，環(huán)境中沒(méi)有火災(zāi)危險(xiǎn)。紅燈表示溫度超過(guò)了設(shè)定的報(bào)警限值。黃燈亮表示環(huán)境中煙霧濃度超過(guò)報(bào)警限值，若同時(shí)亮，說(shuō)明溫度和煙霧都超過(guò)了設(shè)定的報(bào)警限值，即可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)，提醒用戶盡快采取相應(yīng)措施。 圖 38 狀態(tài)指示燈電路 控制鍵電路采用獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)。 4個(gè)按鍵分別接單片機(jī)的 、 、 、 ，單片機(jī)的 P0口接上拉電阻。單片機(jī)掃描是否有按鍵閉合，如有鍵閉合，則判斷鍵號(hào)并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵處理。 功能控制鍵電路如圖 39所示， 4 個(gè)鍵定義如下： ：手動(dòng)報(bào)警鍵，按此鍵可以手動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警功能。 ：限值設(shè)置鍵，按此鍵則可以進(jìn)入報(bào)警值的設(shè)定。 ：限值減鍵，按此鍵當(dāng)前設(shè)定項(xiàng)報(bào)警限值逐減。 ：限值加鍵，按此鍵當(dāng)前設(shè)定項(xiàng)報(bào)警限值逐加。 圖 39 功能控制鍵電路 13 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主函數(shù)的程序 火災(zāi)報(bào)警器主程序流程圖如圖 41所示。 圖 41 主程序 流程圖 系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化，然后開(kāi)啟中斷，在中斷中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)采集，并且在中斷中將檢測(cè)值與報(bào)警限設(shè)定值相比較，判斷是否要報(bào)警。然后進(jìn)入主程序的死循環(huán)中，不斷循環(huán)執(zhí)行四項(xiàng)功能：顯示數(shù)據(jù)、判斷是否手動(dòng)報(bào)警、判斷是否要設(shè)定報(bào)警值、判斷是否需要顯示精確值。而數(shù)據(jù)采集于報(bào)警判斷則在定時(shí)中斷中執(zhí)行 ， 在主函數(shù)中顯示的數(shù)據(jù)是煙霧的級(jí)別與整數(shù)位溫度值。 主函數(shù)程序如下： void main() { sysrest()。 //系統(tǒng)初始化 while(1) 14 { xianshi()。 //顯示溫度和煙霧數(shù)據(jù) if(SD==0)sdong()。 //檢查是否啟動(dòng)手動(dòng)報(bào)警 if(SET==0)czhi()。 //檢查是否啟動(dòng)設(shè)置報(bào)警值 if(Jia==0 || Jian==0)jingque()。 //是否顯示精確值 } } 中斷服務(wù)的程序 系統(tǒng)設(shè)定定時(shí)器工作方式后開(kāi)啟系統(tǒng)中斷，以便響應(yīng)中斷定時(shí)，及時(shí)對(duì)室內(nèi)煙霧濃度和溫度進(jìn)行采樣，并及時(shí)判斷是否超過(guò)設(shè)定的限值。系統(tǒng)初始化成功后便開(kāi)始接受中斷申請(qǐng)，定時(shí)中斷間隔時(shí)間為 65 乘以 16毫秒即約 1 秒左右對(duì)煙霧數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采樣，然后把數(shù)據(jù)送入主程序的顯示函數(shù)中等待中斷退出然后顯示。中斷中同時(shí)判斷是否需要報(bào)警進(jìn)行判斷，能即使報(bào)警。因此本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)有良好的時(shí)效性，不會(huì)因主程序的運(yùn)行而影響對(duì)數(shù)據(jù)的處理。 中斷服務(wù)程序如下 ： void timer0(void) interrupt 1 { TR0=0。 is++。 if(is==16){datadisp(dat0=adc0832(CH),ReadTemperature())。is=0。} Baoj()。 TH0=(Time)/256。 // TL0=(Time)%256。 // TR0=1。 } 數(shù)據(jù)處理的程序 由于煙霧數(shù)據(jù)采集、 AD 轉(zhuǎn)換后得到的是煙霧濃度，設(shè)計(jì)中要求數(shù)碼管中顯示的是煙霧濃度的級(jí)別，所以對(duì)數(shù)據(jù)采集后，還要對(duì)煙霧濃度數(shù)據(jù)對(duì)煙霧濃度進(jìn)行分等級(jí)。煙霧等級(jí)數(shù)據(jù)放在 disdata[0]中，由主函數(shù) 里 的 xianshi()函數(shù)調(diào)用。本設(shè)計(jì)中將煙霧濃度等級(jí)分為 6個(gè)級(jí)別： F0、 F F F F F5，各個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)煙霧濃度值如下： F0：煙霧濃度小于等于 5； F1：煙霧濃度小于等于 20； 15 F2：煙霧 濃度小于等于 40； F3：煙霧濃度小于等于 80； F4：煙霧濃度小于等于 120； F5：煙霧濃度大于 120； 溫度數(shù)據(jù)采集并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后直接存放在 disdata[2]和 disdata[3]中， disdata[2]存放的是溫度的十位數(shù)， disdata[3]則存放的是溫度的個(gè)位數(shù)。 temp 是用于判斷是否報(bào)警用的。 數(shù)據(jù)處理程序如下： void datadisp(uint y,uint t)//數(shù)據(jù)處理 { ywu=(y%10000)/1000*1000+(y%1000)/100*100+(y%100)/10*10+y%10。 { if(ywu=0)disdata[0]=0。 if(ywu5)disdata[0]=1。 if(ywu20)disdata[0]=2。 if(ywu40)disdata[0]=3。 if(ywu80)disdata[0]=4。 if(ywu120)disdata[0]=5。 } temp0=t。 { disdata[2]=(t%1000)/100。 disdata[3]=(t%100)/10。 } te