【文章內(nèi)容簡介】 復雜更能的能力，但成本相對較高。 （ 2） 方案二 采用 AT89S52 單片機， AT89S52 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，其成本相對較低，在設(shè)計過程中，只需要對其 IO 口進行操作即可。 總結(jié) 比較以上兩種方案，方案一運行速度快，但成本高，雖然 52 單片機運行速度低的多，但是價格便宜，該設(shè)計是最常用的電壓采集，對運行速度沒有太高要求。用 52 單片機完全能完成要求。 （ 1）方案一 采用積分型 AD 轉(zhuǎn)換器，其工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間（脈沖寬度信號）或頻率（脈沖頻率），然后由定時器 /計數(shù)器活的數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路獲得高分辨率。 （ 2） 方案二 采用逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器，逐次比較型 AD 由一個比較器和 DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從 MSB 開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置 DA 轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，經(jīng) N 次比較二輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低，在低分辨率（ 12 位）時價格便宜，但高精度（ 12 位）時價格很高。 總結(jié) 比較以上三種方案，方案一由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低，電路設(shè)計與連接復雜。方案二雖然轉(zhuǎn)換速率較高，功耗低，在低分辨率（ 12 位）時價格便宜，所以選用 8 位的 ADC0809。 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計 9 顯示電路方案 （ 1） 方案一 選用數(shù)碼管動態(tài)顯示，它由單片機實 現(xiàn)動態(tài)掃描，只需外接少量三極管作為驅(qū)動電路，電路簡單，便于控制，價格便宜。但是占用大量 I/O資源，以及單片機內(nèi)部資源，顯示不穩(wěn)定。 （ 2） 方案二 選用液晶顯示模塊。它有很多不可代替的優(yōu)點，首先它顯示方便，顯示信息全面，內(nèi)容豐富，很符合人機交互的要求；其次，它有自己的儲存器，顯示時只要按時序?qū)?shù)據(jù)寫入其中即可，不用進行掃描，也就不用占用 CPU，并且它能顯示豐富的字符。 總結(jié) 比較以上兩種方案，方案一占用大量 I/O 資源以及單片機內(nèi)部資源，并且顯示不穩(wěn)定。在設(shè)計中剩余的 I/O 口有限，并且需要顯示的內(nèi)容比較多，所以選用方 案二。 操作模塊方案 由于本設(shè)計只需要 4 個按鍵，而且 MCU 的 I/O 口資源足夠，所以每個按鍵就對應一個 I/O 口即可。用戶可通過該模塊按照自己的需要設(shè)定報警值，并且當有人發(fā)現(xiàn)報警時，可以通過按鍵退出報警。 聲光報警模塊方案 該模塊由三個發(fā)光二極管和一個蜂鳴器組成。三個發(fā)光二極管分別表示正常工作，臨界報警，報警。蜂鳴器在煤氣濃度超過警戒值時報警。 控制電路方案 該模塊由電磁閥和排風扇組成。電磁閥用于關(guān)閉氣源，排風扇進行通風，將有毒氣體排出室內(nèi)，單片機可控制電磁閥使之關(guān)閉，自動關(guān)閉 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計 10 氣源，并且驅(qū)動繼 電器是排風扇進行通風 。 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計 11 4系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 整體硬件設(shè)計思路 本課題的家居智能安保系統(tǒng)是由 AT89S52 單片機為主控制芯片，將有害氣體檢測經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給單片機，同時聲光報警，濃度顯示，通過繼電器驅(qū)動風扇排氣，驅(qū)動電磁閥關(guān)閉煤氣罐。 圖 整體框架圖 單片機最小系統(tǒng)電路 單片機為本設(shè)計的核心部分，原理下圖所示，數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后傳給單片機，單片機進行判斷，并將電壓值轉(zhuǎn)化成濃度，送到顯示電路顯示其濃度，當濃度達到報警值時，單片機驅(qū)動聲光報警電路、控制電路。 單 片機最小系統(tǒng)包括單片機時鐘振蕩電路、復位電路、下載線接口等。復位電路是采用按鍵脈沖復位，它是利用 RC 微分電路產(chǎn)生正脈沖來達到目的的。晶振電路結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需要的時鐘頻率。 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計 12 圖 單片機最小系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集電路 QMN5 型氣敏元件是以金屬氧化物 SnO2 為主體材料的 N 型半導體氣敏元件，當元件接觸還原性氣體時，其電導率隨氣體濃度的增加而迅速升高。 特點： 用于可燃性氣體的檢測（ CH C4H H2 等） 靈敏度高 響應速度快 輸出信號大 壽命長，工作穩(wěn)定可靠 技術(shù)指標： 加熱電 壓（ Vh） AC 或 DC 5177。 響應時間(trec) ≤ 10S 回路電壓（ Vc） 最大 DC 24V 恢復時間(trec) ≤ 30S 負載電陰（ Rl） 2KΩ 元件功耗 ≤ 清潔空氣中電阻 （ Ra） ≤ 2022 KΩ 檢測范圍 50 —10000ppm 靈敏度（ S=Ra/Rdg） ≥ 4( 在1000ppmC4H10 中 ) 使用壽命 2 年 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計 13 QMN5 型半導體氣敏元件是以金屬氧化物 SnO2 為主體材料的 N 型半導體氣敏元件 ,當元件接觸還原性氣體時 ,其電導率隨氣體濃度的增加而迅速升高。 特點： 用于可燃性氣體的檢測 (CH4,C4H10,H2 等 ) 靈敏度高 響應速度快 輸出信號大 壽命長 ,工作穩(wěn)定可靠 技術(shù)指標 加熱電壓 (VH) AC 或 DC 5177。 回路電壓 (VC) 最大 DC 24V 負載電阻 (RL) 2KΩ 清潔空氣中電阻 (Ra) ≤ 4000KΩ 靈敏度 (S=Ra/Rdg) ≥ 4(在 1000ppmC4H10 中 ) 響應時間 (tres) ≤ 10S 恢復時間 (trec) ≤ 30S 檢測范圍 5010000ppm 基本測試電路： 圖 測試電路 使用方法及注意事項： VC 輸出信號 RL VRL VH 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計 14 元件開始通電工作時，沒有接觸可燃性氣體 ,其電導率也急劇增加 1分鐘后達到穩(wěn)定 ,這時方可正常使用，這段變化在設(shè)計電路時可采用延時處理解決。 加熱電壓的改變會直接影響元件的性能，所以在 規(guī)定的電壓范圍內(nèi)使用為佳。 元件在接觸標定氣體 1000ppm C4H10后 10秒以內(nèi)負載電阻兩端的電壓可達到 (Vdg Va)差值的 80%(即響應時間 )；脫離標定氣體 1000ppm C4 H1030秒鐘以內(nèi)負載電阻兩端的電壓下降到 (Vdg Va)差值的 80%(即恢復時間 )。 符號說明： 氣體中電阻 Rdg 檢測氣體中電壓 Vdg Rdg 與 Vdg 的關(guān)系： Rdg=RL(VC/Vdg1) 負載電阻檢測可根據(jù)需要適當改動，不影響元件靈敏度。 使用條件：溫度 15~35℃；相對濕度 45~75%RH；大氣壓 力80~106KPa。 環(huán)境溫濕度的變化會給元件電阻帶來小的影響，當元件在精密儀器上使用時 ,應進行溫濕度補償，最簡便的方法是采用熱敏電阻補償之。避 元件六腳位置可與電子管七角管座匹配使用。 MQ5 靈敏度特性曲線： 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計 15 免腐蝕性氣體及油污染，長期使用需防止灰塵堵塞防爆不銹鋼網(wǎng)。 RS 為氣敏傳感器在不同氣體、不同濃度下的電阻值， Ro 為氣敏傳感器在潔凈空氣中的電阻值，經(jīng)測量， Ro= 歐。根據(jù) MQ5 的靈敏度特性曲線和測試電路，可以得出電壓與濃度的關(guān)系。 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計 16 圖 A/D 轉(zhuǎn)換電路如上所示，在 A/D 轉(zhuǎn)換電路中，由于只需用一個通道，所以選用 IN0， ADDA、 ADDB、 ADDC 接地， IN0 采集數(shù)據(jù)， ADC0809將 IN0 采集的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓送至單片機的 P0 口。 ADC0809需要 500KHz 的時鐘信 REF()接地。 操作模塊電路 操作電路如下所示，該模塊可以讓用戶自己設(shè)定報警值，并且當用戶聽到報警時，可以退出報警。由于按鍵只有四個，所以每一個按鍵對應一個 I/O 口。按下按鍵 S5,報警值加 100；按下按鍵 S4,報警值減少 100；當按下 S3 時確定報警值；按下 按鍵 。該模塊加上上拉電阻，上拉電阻可以產(chǎn)生上拉電壓，使電路更穩(wěn)定。 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計 17 圖 操作電路 顯示模塊 圖 顯示電路 該模塊用于顯示煤氣濃度值和用戶設(shè)定的報警值。 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計 18 聲光報警電路 圖 聲光報警電路 控制模塊電路 控制電路由電磁閥控制模塊和風扇驅(qū)動電路組成。電磁閥模塊用于關(guān)閉氣源，風扇驅(qū)動模塊用于通風，將有毒氣體排出。 電磁閥控制模塊 圖 電磁閥控制電路 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計 19 電路圖如下所以，本設(shè)計選用燃氣電磁閥。燃氣電磁閥是燃氣管道安全禁忌切斷裝置。它可以與燃氣泄 漏報警系統(tǒng)連接或與消防及其他只能報警控制終端模塊等連接，實現(xiàn)現(xiàn)場控制或遠程自動 /手動緊急切斷氣源，確保用氣安全。當發(fā)生有害的強烈震動時，閥門會自動關(guān)閉。 在電磁閥模塊中，由于電磁閥的額定電壓是 3V,而電路提供的電壓是5V,，所以用二極管降壓，二極管還有驅(qū)動作用。電磁閥不通電時默認關(guān)閉狀態(tài)，上電即可導通。當檢測煤氣濃度超過警戒值時，單片機給三極管一個低電平，三極管截止，電磁閥關(guān)閉；當檢測煤氣濃度低于警戒值時，單片機給三極管一個高電平，三極管導通，電磁閥導通。 電風扇驅(qū)動模塊 圖 圖 電風扇驅(qū) 動電路 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計 20 5系統(tǒng)軟件設(shè)計 程序流程圖 圖 程序流程圖 MQ5 氣敏傳感器只能把煤氣濃度轉(zhuǎn)化成電阻，經(jīng)信號調(diào)理后輸出電壓信號，因此需要找到電壓和濃度的關(guān)系式，才能顯示煤氣濃度。 MQ5 的靈敏度曲線如下圖所示，根據(jù)它的靈敏度曲線和本設(shè)計的數(shù)據(jù)采集電路，可以得到 Vout 和濃度的離散點關(guān)系，經(jīng)測試， Ro=歐，取 RL=20K 歐，計算過程如下：先列出每一點濃度對應一個 Rs/Ro值，再求出 Rs，通過數(shù)據(jù)采集電路可得到 Rs/RL=（ VccVout） /Vout,即Rs/20=（ 5Vout） /Vout。因此可以求出每一點濃度對應的電壓值，通過 家居智能安保系統(tǒng)的設(shè)計