【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 V C C+R 21 0 KS 1G N DC 2 3 0 p FC 3 3 0 p F1 1 . 0 5 9 2 MC 11 0 u FV C CT 2 / P 1 . 0T 2 E X / P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4M O S I / P 1 . 5M I S O / P 1 . 6S C K / P 1 . 7R S TR X D / P 3 . 0T X D / P 3 . 1I N T 1 / P 3 . 3W R / P 3 . 6T 0 / P 3 . 4T 1 / P 3 . 5I N T 0 / P 3 . 2R D / P 3 . 7X T A L 2X T A L 1G N DV C CP 0 . 0 / A D 0P 0 . 1 / A D 1P 0 . 2 / A D 2P 0 . 3 / A D 3P 0 . 4 / A D 4P 0 . 5 / A D 5P 0 . 6 / A D 6P 0 . 7 / A D 7A L E / P R O GE A / V P PP S E NP 2 . 7 / A 1 5P 2 . 6 / A 1 4P 2 . 5 / A 1 3P 2 . 4 / A 1 2P 2 . 3 / A 1 1P 2 . 2 / A 1 0P 2 . 1 / A 9P 2 . 0 / A 8AT89S51R 14 7 0 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 (1)AT89S51 單片機(jī) AT89S51 是一個(gè)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(xiě) 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器， AT89S51 采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī) AT 89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 AT89S51 具有 的 特點(diǎn) 為 ： 40 個(gè)引腳， 4KB 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 128 比特 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) ， 2 層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ， 2 個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 AT89S51 可以通過(guò)硬件 設(shè)置 振蕩頻率可為 0Hz， 也 可通過(guò)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(huì)停止 工作 而 RAM 定時(shí)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(shí)候系統(tǒng)會(huì) 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(chǔ)器的引腳 ，當(dāng) /EA/Vpp 接高電平時(shí)，單片機(jī)在復(fù)位 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 39 頁(yè) 后從內(nèi)部 ROM 的 0000H 開(kāi)始執(zhí)行；當(dāng) /EA/Vpp 接低電平時(shí)，復(fù)位后直接從外部 ROM 的 0000H 開(kāi)始執(zhí)行。 (2) 復(fù)位電路： 單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)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(kāi)始工作 ,復(fù)位后 PC＝ 0000H，使單片機(jī)從第 — 個(gè)單元取指令 。 89 系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)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(shí)，且 振蕩器 穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個(gè)高電平并維持 2 個(gè)機(jī)器周期 (24 個(gè)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(dòng)按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。 根據(jù)實(shí)際情況選擇如圖 所示的復(fù)位電路，該電路在最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路下增加了手動(dòng)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(guò)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(shí)間大于 10ms， CPU 能夠可靠復(fù)位。增加手動(dòng)復(fù)位按鍵是為了避免死機(jī)時(shí)無(wú)法可靠復(fù)位。當(dāng)復(fù)位按鍵按下后電容 C1 通過(guò) 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(shí)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(shí)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(shí)鐘電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)的定時(shí)控制功能是由片內(nèi)的時(shí)鐘電路和定時(shí)電路來(lái)完成的，而片內(nèi)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本文就采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式片內(nèi)高增益反相放大器通過(guò) 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(gè)自激振蕩器向內(nèi)部 時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率， 晶體 選擇 ；電容 C C3 的值則有微調(diào)作用，通常取 30pF 左右的瓷片電容。 煙霧檢測(cè)電路 的設(shè)計(jì) 選擇 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(gè)光學(xué)迷宮，安裝有紅外 對(duì)管， 沒(méi)有 煙 霧 時(shí)紅外接收管 接 收不到紅外發(fā)射管發(fā) 射 出 來(lái) 的紅外光 線 ，當(dāng)煙 霧 進(jìn)入光學(xué)迷宮時(shí)，通過(guò)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(guò)閾值，超過(guò) 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(cè)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(cè)時(shí)阻值隨氣體濃度的增大而減小 ， P 型 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 39 頁(yè) 阻值隨氣體濃度的增大而增大。 當(dāng)溫度在 200～ 300℃ 時(shí) 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(huì) 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(shí)， 由 于 可燃?xì)怏w 能 夠提 供給電子 ，可燃?xì)怏w中就會(huì)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 氣體以正離子 的吸附 也要放出電子，電阻值下降 就是因?yàn)?半導(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(cè)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(hào)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(cè)。本設(shè)計(jì) 選用 的 MQ2 型氣體傳感器，這種型號(hào)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(zhǎng)、價(jià)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(lèi)和濃度 。 MQ2 的主要特點(diǎn) ： (1)具有信號(hào)輸出指示。 (2)雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出） (3)TTL 輸出有效信號(hào)為低電平。（當(dāng)輸出為低電平時(shí)信號(hào)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(zhǎng)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(cè) 。 煙霧傳感器電路 煙霧檢測(cè)電路圖如圖 所示。 主要由煙霧傳感器 MQ2 和相關(guān)元器件構(gòu)成。 V C C+V C CP 1 . 0hhBK 點(diǎn)AR 1R 3R 2L M 3 3 9C 1 圖 煙霧檢測(cè)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(duì)應(yīng)的電信號(hào)。一般情況下， 傳感器輸出的信號(hào) 會(huì)比較弱，而且其中還包括了一些避免不了的 干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大就需要有很好的共模抑制比以及高增益、低 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 39 頁(yè) 噪聲和高輸入阻抗 的 放大電路 。當(dāng) 傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路對(duì)其進(jìn)行的放大、濾波、電平調(diào)整 后 ， 輸出的信號(hào) 才能滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)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(duì)應(yīng)的 電壓或者電流信號(hào)， 傳感器作為煙霧 報(bào)警器的信號(hào)采集部分，是 整個(gè)系統(tǒng) 的核心組成部分之一。 一個(gè)煙霧傳感器既可以只實(shí)現(xiàn) 單 個(gè)功能，也可以實(shí)現(xiàn) 多 種功能的。 一個(gè)完整的煙霧傳感器都必須具備： (a)能夠檢測(cè)某種單一煙霧，而對(duì)共存的其它煙霧不響應(yīng)或低響應(yīng)； (b)對(duì)被測(cè)煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的煙霧濃度； (c)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好； (d)長(zhǎng)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(yǔ)音報(bào)警電路 的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的語(yǔ)音報(bào)警電路如 圖 所示。 語(yǔ)音報(bào)警電路主要 由語(yǔ)音錄放音電路和 音 頻 放大電路 組成。 C 4C 1C 5C 7V C CD 1R 2R 1C 2C 6VCCC 1 0R 4C 1 1R 6C 1 3 C 1 4R 7 R 5RECPLAYEPLAYLMIC+MICAGCSPVssdLEDFTVCCROSCSP+VssaI S D 1 8 2 0++GAININT+INTGNDGAINPASSOUTVCCL M 3 8 6++V C C+++S 1S 3C 3C 8V C C 圖 語(yǔ)音報(bào)警電路 語(yǔ)音錄放音電路 語(yǔ)音 錄放音 電路主要由語(yǔ)音芯片以及一些外圍電路組成 。 語(yǔ)音報(bào)警電路 中采用的語(yǔ)音芯片為ISD1820PY。 其中 語(yǔ)音芯片 ISD1820PY 是美國(guó) ISD 公司于 2020 年最新推出一種可錄放一段 8～ 20秒的語(yǔ)音的芯片，它的基本結(jié)構(gòu)與 ISD11 1420 完全相同，采用 CMOS 技術(shù)，內(nèi)含 振蕩器 ， 話筒前置放大， 自動(dòng)增益控制 ，防混淆 濾波器 ， 揚(yáng)聲器 驅(qū)動(dòng)及 FLASH 陣列。 語(yǔ)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(huì) 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。