【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 設(shè)計(jì)的溫度采集模塊。 溫度采集模塊 氣體采集模塊的設(shè)計(jì)氣體采集模塊是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧等氣體的濃度，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)，氣體采集模塊是由四部分組成的其中包括：氣體信號(hào)的采集電路、模擬放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及單片機(jī)控制電路。氣體信號(hào)采集電路一般由氣體傳感器與模擬放大電路組成，將煙霧等氣體信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從煙霧檢測(cè)電路送出的模擬信號(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)。 MQ2氣體傳感器的介紹本次設(shè)計(jì)中選取的是MQ2型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器，它屬于氣敏傳感器，是氣電變換器，MQ2可以把可燃性氣體在空氣中的濃度轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)或者電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后傳入單片機(jī)，最后單片機(jī)完成數(shù)據(jù)方面的處理與報(bào)警控制的工作。MQ2型煙霧傳感器是二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，它屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)處在200到300176。C溫度的時(shí)候，二氧化錫會(huì)吸附空氣中的氧氣，形成氧的負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體中的電子密度迅速降低，從而使得它的電阻值變大。和煙霧發(fā)生接觸的時(shí)候，晶粒間界位子的勢(shì)壘會(huì)受到該煙霧的影響而產(chǎn)生變化，從而引起表面的電導(dǎo)率產(chǎn)生變化。通過(guò)這一點(diǎn)就可以準(zhǔn)確的獲得這種煙霧存在的信號(hào)。當(dāng)遇到可燃煙霧的時(shí)候，原來(lái)吸附的氧脫附，而改由可燃煙霧以正離子的狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體的表面上，氧脫附放出電子，而煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，因此使得二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值降低。而當(dāng)空氣中沒(méi)有出現(xiàn)煙霧的時(shí)候，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，使得電阻值升高到最初的狀態(tài)。這就是MQ2半導(dǎo)體型可燃性煙霧傳感器檢測(cè)可燃煙霧的基本工作原理。MQ2型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器的響應(yīng)很快，抗干擾的性能十分良好，它的靈敏度高，價(jià)格也比較便宜，并且不用擔(dān)心發(fā)生探頭阻緩或者中毒的現(xiàn)象。所以本次設(shè)計(jì)選用MQ2氣體傳感器作為煙霧信息采集的核心部分。 MQ2氣體傳感器的指標(biāo)MQ2型傳感器的一般對(duì)于液化石油氣與天然氣等煙霧有著很高的靈敏度，尤其對(duì)烷類(lèi)的煙霧MQ2型傳感器表現(xiàn)得更加敏感。同時(shí)MQ2型傳感器具有十分優(yōu)良的重復(fù)性與長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，初始比較穩(wěn)定，響應(yīng)的時(shí)間短，即使在長(zhǎng)時(shí)間工作下性能也十分良好。電路設(shè)計(jì)電壓范圍比較寬，范圍在0~24V，加熱電壓在5V左右。一般的半導(dǎo)體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時(shí)間后，再通電時(shí)，器件并不能立即投入正常的工作中。這是由于煙霧傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會(huì)吸附空氣中的水蒸氣，當(dāng)再次通電時(shí)需要預(yù)熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。在通電工作時(shí)氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間，定義為初期穩(wěn)定時(shí)間。一般情況下，不通電時(shí)間越長(zhǎng)，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)，當(dāng)不通電存放時(shí)間達(dá)到15天左右時(shí)，初期穩(wěn)定時(shí)間一般需要五分鐘左右。MQ2半導(dǎo)體煙霧傳感器一般要在較高的溫度(200~450176。C)下工作，所以需要對(duì)其加熱。由于傳感器一般工作在易燃易爆環(huán)境下，若加熱絲直接與電源相連，當(dāng)加熱絲局部短路造成器件過(guò)熱或者放電時(shí)，可能引發(fā)事故。所以必須使用傳感器生產(chǎn)廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內(nèi)。： MQ2實(shí)物圖 ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出品的，是一種擁有8 位分辨率與雙通道的A/D轉(zhuǎn)換芯片。它的體積小巧，有良好的兼容性，很多業(yè)內(nèi)人士與愛(ài)好者都十分喜愛(ài)這款A(yù)/D轉(zhuǎn)換芯片，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有以下特點(diǎn)：首先它擁有8位分辨率。其次，它是雙通道A/D轉(zhuǎn)換。第三，它的輸入輸出電平和TTL/CMOS是相兼容的。第四，當(dāng)5V電源供電時(shí)輸入電壓范圍在0到5V之間。第五，它的工作頻率是250KHZ，轉(zhuǎn)換的時(shí)間是32μS，一般功耗僅為15MW。最后，商用級(jí)芯片溫寬為0176。C 到+70176。C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為?40176。C 到+85176。C。ADC0832芯片一共有八個(gè)接口，CS為片選使能，低電平芯片使能。 CH0是模擬輸入通道0，或者被當(dāng)做IN+/使用。CH1是模擬輸入通道1，或者被當(dāng)做IN+/使用。GND是芯片的參考0電位（地）。DI 作為數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。而DO則是數(shù)據(jù)信號(hào)的輸出，用于轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出。CLK是芯片的時(shí)鐘輸入。 Vcc/REF 是電源輸入。 ADC0832引腳圖 ADC0832與單片機(jī)連接工作原理在一般情況下ADC0832 和單片機(jī)的接口應(yīng)該是4條數(shù)據(jù)線(xiàn)，它們分別是CS、CLK、DO以及DI。但因?yàn)镈O端和DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效的，并且與單片機(jī)的接口是雙向的，所以在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中可以把DO與DI 并聯(lián)連接在一根數(shù)據(jù)線(xiàn)上。當(dāng)ADC0832沒(méi)有處在工作狀態(tài)的時(shí)候，它的CS輸入端應(yīng)該是高電平，這個(gè)時(shí)候芯片是處于禁用狀態(tài)的，而CLK 與DO/DI 的電平是任意的。當(dāng)需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)候，第一步必須將CS使能端調(diào)至到低電平，并且一直處于低電平狀態(tài)直到轉(zhuǎn)換完成。芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換的工作，與此同時(shí)處理器向芯片的時(shí)鐘輸入端CLK 輸入時(shí)鐘脈沖，而DO/DI端則用DI端的輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1個(gè)時(shí)鐘脈沖下沉以前，DI端必須是處在高電平位子，表示啟始的信號(hào)。在第2與第3個(gè)脈沖下沉之前，DI端應(yīng)輸入2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道的功能。當(dāng)此2 位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時(shí)，只對(duì)CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時(shí)，只對(duì)CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時(shí)，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負(fù)輸入端IN進(jìn)行輸入。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時(shí)，將CH0作為負(fù)輸入端IN，CH1作為正輸入端IN+進(jìn)行輸入。當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖下沉之后DI端的輸入電平就失去了輸入的作用，此后DO/DI端則開(kāi)始利用數(shù)據(jù)輸出DO進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)脈沖下沉開(kāi)始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下沉DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開(kāi)始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)字節(jié)的下沉輸出DATA0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將CS置于高電平，禁用芯片，最后直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 氣體采集模塊如圖所示。ADC0832的4號(hào)與5號(hào)引腳分別接地和電源。，2號(hào)引腳與氣體采集電路相連接，這樣就構(gòu)成了本次設(shè)計(jì)的氣體采集電路。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 氣體采集電路 報(bào)警電路及顯示模塊本次的設(shè)計(jì)選用LED與蜂鳴器當(dāng)做報(bào)警的裝置。通過(guò)判斷所有接收到的數(shù)據(jù)來(lái)判斷是否做出報(bào)警，他們做出判斷的數(shù)據(jù)都是來(lái)自按鍵以及傳感器。對(duì)于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它需要實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境溫度與氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所以需要顯示模塊來(lái)顯示周?chē)h(huán)境的氣體變量與溫度。 蜂鳴器單片機(jī)正常工作，當(dāng)采集到的溫度信號(hào)或者氣體信號(hào)超出設(shè)定值時(shí)，輸出腳輸出高電平，電路導(dǎo)通，使得蜂鳴器BELL通電連接工作，發(fā)出報(bào)警的聲音。 蜂鳴報(bào)警電路 LED燈本次課程設(shè)計(jì)采用LED燈來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)光報(bào)警，當(dāng)單片機(jī)接收到超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值的氣體信號(hào)或者溫度信號(hào)的時(shí)候，LED燈會(huì)接收到來(lái)自單片機(jī)的信號(hào)發(fā)光。 LED燈電路圖 按鍵報(bào)警按鍵報(bào)警對(duì)于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也是非常重要的一部分，有些時(shí)候人們預(yù)先發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的隱情，可以通過(guò)報(bào)警按鍵發(fā)出報(bào)警的信號(hào)，通過(guò)這種方式提醒其他人做好保護(hù)措施。 按鍵電路 顯示模塊本次設(shè)計(jì)選用CAI3461BH數(shù)碼管，它具有外觀小巧、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，它的主要參數(shù)是：，工作電流為80ma，適合的工作環(huán)境溫度為零下10度到零上50度，接口方式為8線(xiàn)并行接口，顯示方式為反射式正顯示。在數(shù)碼管使用的時(shí)候我們應(yīng)該注意以下三點(diǎn)。首先，數(shù)碼管的焊接溫度在260度左右，焊接時(shí)間為5秒，當(dāng)焊接溫度過(guò)高或者焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的時(shí)候會(huì)對(duì)數(shù)碼管造成損害。第二，不要用手去觸摸數(shù)碼管的表面，也不要用手接觸數(shù)碼管的引角。第三，數(shù)碼管的表面有一層保護(hù)膜,在使用的時(shí)候可以撕下來(lái)。數(shù)碼管可以分為兩種，一種是共陽(yáng)極，一種是共陰極。共陽(yáng)極的數(shù)碼管就是把所有的LED的陽(yáng)極連接到共同接點(diǎn)，而每個(gè)LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp。與共陽(yáng)極的數(shù)碼管類(lèi)似，共陰極的數(shù)碼管是把所有LED的陰極連接到共同接點(diǎn)，而每個(gè)LED的陽(yáng)極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp。 顯示電路4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 程序編寫(xiě)軟件在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，需要對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行編程，本次設(shè)計(jì)選用的編程軟件為Keil μVision2。Keil μVision2是由美國(guó)Keil Software公司研制生產(chǎn)的，它是一種兼容單片機(jī)C語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言對(duì)比，它的結(jié)構(gòu)更為易懂，功能更為全面并且在維護(hù)上也比較方便。在Keil中有宏匯編、C編譯器、庫(kù)管理、連接器與一個(gè)功能十分全面的仿真調(diào)試器，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境也就是μVision將它們組合在了一起。 主程序的流程本次基于單片機(jī)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它的主程序主要是為了檢測(cè)氣體傳感器MQ2和溫度傳感器DS18B20所采集的信號(hào)，經(jīng)過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)的判斷與分析，決定是否要發(fā)出報(bào)警信號(hào)。： 主程序流程圖 溫度傳感器的流程溫度傳感器DS18B20的軟件進(jìn)行編寫(xiě)時(shí)需要進(jìn)行三個(gè)部分，先將其初始化，然后對(duì)它進(jìn)行讀的操作與寫(xiě)的操作。 DS18B20的初始化流程想要將DS18B20初始化需要經(jīng)過(guò)以下步驟。首先，先將數(shù)據(jù)線(xiàn)置于高電平“1”，然后進(jìn)行延時(shí)操作。將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉到低電平“0”，然后再進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)時(shí)間為480微妙到960微妙。將數(shù)據(jù)線(xiàn)再次拉高至高電平“1”，然后進(jìn)行延時(shí)等待，在這一過(guò)程中需要注意如果初始化成功了，那么在15至60毫秒的時(shí)間里會(huì)出現(xiàn)一個(gè)由溫度傳感器DS18B20所返回的低電平“0”。應(yīng)該注意的是不能夠長(zhǎng)時(shí)間的等待，因?yàn)橛锌赡苁钩绦蜻M(jìn)入到死循環(huán)的狀態(tài)。當(dāng)中央處理器讀到了來(lái)自數(shù)據(jù)線(xiàn)的低電平“0”以后，還需要進(jìn)行延時(shí)，這個(gè)延時(shí)時(shí)間是從發(fā)出的高電平的時(shí)候開(kāi)始算，大約需要480微秒左右的時(shí)間。最后，將數(shù)據(jù)線(xiàn)再一次拉升至高電平“1”，初始化完成。 DS18B20初始化流程圖 DS18B20的寫(xiě)操作DS18B20的寫(xiě)操作共有七步，首先將數(shù)據(jù)線(xiàn)先置于低電平“0”，然后進(jìn)行15微妙的延時(shí)，第三步，按照低位至高位的順序發(fā)送字節(jié)，每次發(fā)送一位。第四步，再進(jìn)行45微妙的延時(shí)。第五步，將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉升至高電平。第六步，重復(fù)以上操作，直至所有字節(jié)傳送完成。最后將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉高。 DS18B20寫(xiě)操作流程圖 DS18B20的讀操作DS18B20的寫(xiě)操作共有以下幾步，首先，將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉高到高電平“1”，然后延時(shí)2微秒。將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉低至低電平“0”，再延時(shí)15微秒。將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉到高電平“1”，延時(shí)15微秒。讀數(shù)據(jù)線(xiàn)的狀態(tài)得到1個(gè)狀態(tài)位，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，延時(shí)30微秒。 DS18B20讀操作流程圖 5 系統(tǒng)的調(diào)試在軟件與硬件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備完成后，進(jìn)行電路的焊接，焊接完成后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)接通電源的前幾分鐘，煙霧會(huì)發(fā)生報(bào)警，本來(lái)以為是焊接的電路出現(xiàn)了問(wèn)題或者是MQ2型煙霧傳感器壞了，但是通過(guò)查閱資料我了解到MQ2型煙霧傳感器具有初期穩(wěn)定的特性。初期穩(wěn)定的特性就是半導(dǎo)體的煙霧傳感器在不通電很長(zhǎng)時(shí)間的情況下，再次工作時(shí)，是很難馬上正常的工作。原因是因?yàn)镸Q2型煙霧傳感器的主要材料是二氧化錫氣敏材料，二氧化錫在沒(méi)有通電工作的情況下會(huì)自動(dòng)吸附空氣中的水蒸氣，而當(dāng)工作時(shí)有一個(gè)預(yù)熱的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程里將水蒸氣蒸發(fā)，等氣體完全蒸發(fā)后，氣敏電阻才可以正常的投入工作。我們把這段氣敏電阻從通電到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間稱(chēng)為穩(wěn)定時(shí)間。而根據(jù)相關(guān)資料顯示，通常的情況下，MQ2型煙霧傳感器不工作的時(shí)間越長(zhǎng)，初期穩(wěn)定的時(shí)間也就越長(zhǎng)，如果MQ2型煙霧傳感器放置半個(gè)月左右的時(shí)間，初期穩(wěn)定的時(shí)間會(huì)在5分鐘到6分鐘左右。在預(yù)熱8分鐘左右的時(shí)間后，MQ2型煙霧傳感器基本達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，測(cè)試開(kāi)始本次設(shè)計(jì)我選用了2種氣體測(cè)試的方法。首先，是不同氣體的測(cè)量。我選用打火機(jī)中的氣體甲烷與香煙進(jìn)行測(cè)試，將打火機(jī)口對(duì)準(zhǔn)MQ2型煙霧傳感器，按住放出可燃?xì)怏w甲烷，顯示屏顯示出示數(shù)，并且LED燈亮、蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。然后點(diǎn)燃一根香煙進(jìn)行測(cè)試，將香煙燃燒釋放出的氣體對(duì)準(zhǔn)MQ2型煙霧傳感器，顯示出的示數(shù)明顯低于甲烷氣體顯示的示數(shù)，且在釋放出氣體一段時(shí)間后，LED燈才亮，蜂鳴器才發(fā)出報(bào)警聲音。這說(shuō)明這個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)比較靈敏，對(duì)于不同氣體的采集結(jié)果比較準(zhǔn)確。第二個(gè)測(cè)試是對(duì)氣體源的距離進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)的方法是在