【文章內(nèi)容簡介】 設(shè)計的溫度采集模塊。 溫度采集模塊 氣體采集模塊的設(shè)計氣體采集模塊是能夠檢測環(huán)境中的煙霧等氣體的濃度，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳遞給單片機，氣體采集模塊是由四部分組成的其中包括：氣體信號的采集電路、模擬放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及單片機控制電路。氣體信號采集電路一般由氣體傳感器與模擬放大電路組成，將煙霧等氣體信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從煙霧檢測電路送出的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號后送入單片機。 MQ2氣體傳感器的介紹本次設(shè)計中選取的是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)化成電流信號或者電壓信號，再經(jīng)過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，最后單片機完成數(shù)據(jù)方面的處理與報警控制的工作。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溫度的時候，二氧化錫會吸附空氣中的氧氣，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)生接觸的時候，晶粒間界位子的勢壘會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。通過這一點就可以準(zhǔn)確的獲得這種煙霧存在的信號。當(dāng)遇到可燃煙霧的時候，原來吸附的氧脫附，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)空氣中沒有出現(xiàn)煙霧的時候，二氧化錫半導(dǎo)體又會自動恢復(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型傳感器的一般對于液化石油氣與天然氣等煙霧有著很高的靈敏度，尤其對烷類的煙霧MQ2型傳感器表現(xiàn)得更加敏感。同時MQ2型傳感器具有十分優(yōu)良的重復(fù)性與長期的穩(wěn)定性，初始比較穩(wěn)定，響應(yīng)的時間短，即使在長時間工作下性能也十分良好。電路設(shè)計電壓范圍比較寬，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)存放一段時間后，再通電時，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)下會吸附空氣中的水蒸氣，當(dāng)再次通電時需要預(yù)熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。在通電工作時氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時所需要的時間，定義為初期穩(wěn)定時間。一般情況下，不通電時間越長，初期穩(wěn)定時間也越長，當(dāng)不通電存放時間達(dá)到15天左右時，初期穩(wěn)定時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熱或者放電時，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實物圖 ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器由美國國家半導(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)人士與愛好者都十分喜愛這款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：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)換的時間是32μS，一般功耗僅為15MW。最后，商用級芯片溫寬為0176。C 到+70176。C，工業(yè)級芯片溫寬為?40176。C 到+85176。C。ADC0832芯片一共有八個接口，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)信號輸入，選擇通道控制。而DO則是數(shù)據(jù)信號的輸出，用于轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出。CLK是芯片的時鐘輸入。 Vcc/REF 是電源輸入。 ADC0832引腳圖 ADC0832與單片機連接工作原理在一般情況下ADC0832 和單片機的接口應(yīng)該是4條數(shù)據(jù)線，它們分別是CS、CLK、DO以及DI。但因為DO端和DI端在通信時并未同時有效的，并且與單片機的接口是雙向的，所以在電路的設(shè)計過程中可以把DO與DI 并聯(lián)連接在一根數(shù)據(jù)線上。當(dāng)ADC0832沒有處在工作狀態(tài)的時候，它的CS輸入端應(yīng)該是高電平，這個時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。芯片開始轉(zhuǎn)換的工作，與此同時處理器向芯片的時鐘輸入端CLK 輸入時鐘脈沖，而DO/DI端則用DI端的輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1個時鐘脈沖下沉以前，DI端必須是處在高電平位子，表示啟始的信號。在第2與第3個脈沖下沉之前，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，只對CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時，只對CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時，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，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個脈沖下沉開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個脈沖下沉DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個字節(jié)的下沉輸出DATA0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個脈沖時數(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號與5號引腳分別接地和電源。，2號引腳與氣體采集電路相連接，這樣就構(gòu)成了本次設(shè)計的氣體采集電路。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 氣體采集電路 報警電路及顯示模塊本次的設(shè)計選用LED與蜂鳴器當(dāng)做報警的裝置。通過判斷所有接收到的數(shù)據(jù)來判斷是否做出報警，他們做出判斷的數(shù)據(jù)都是來自按鍵以及傳感器。對于火災(zāi)自動報警系統(tǒng)來說，它需要實現(xiàn)對周圍環(huán)境溫度與氣體的實時監(jiān)測，所以需要顯示模塊來顯示周圍環(huán)境的氣體變量與溫度。 蜂鳴器單片機正常工作，當(dāng)采集到的溫度信號或者氣體信號超出設(shè)定值時，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)出報警的聲音。 蜂鳴報警電路 LED燈本次課程設(shè)計采用LED燈來實現(xiàn)發(fā)光報警，當(dāng)單片機接收到超過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值的氣體信號或者溫度信號的時候，LED燈會接收到來自單片機的信號發(fā)光。 LED燈電路圖 按鍵報警按鍵報警對于火災(zāi)自動報警系統(tǒng)來說也是非常重要的一部分，有些時候人們預(yù)先發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的隱情，可以通過報警按鍵發(fā)出報警的信號，通過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)計選用CAI3461BH數(shù)碼管，它具有外觀小巧、性能穩(wěn)定、價格低廉等特點，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線并行接口，顯示方式為反射式正顯示。在數(shù)碼管使用的時候我們應(yīng)該注意以下三點。首先，數(shù)碼管的焊接溫度在260度左右，焊接時間為5秒，當(dāng)焊接溫度過高或者焊接時間過長的時候會對數(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,在使用的時候可以撕下來。數(shù)碼管可以分為兩種，一種是共陽極，一種是共陰極。共陽極的數(shù)碼管就是把所有的LED的陽極連接到共同接點，而每個LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp。與共陽極的數(shù)碼管類似，共陰極的數(shù)碼管是把所有LED的陰極連接到共同接點，而每個LED的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp。 顯示電路4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 程序編寫軟件在硬件系統(tǒng)設(shè)計完成之后，需要對軟件系統(tǒng)進(jìn)行編程，本次設(shè)計選用的編程軟件為Keil μVision2。Keil μVision2是由美國Keil Software公司研制生產(chǎn)的，它是一種兼容單片機C語言的軟件開發(fā)系統(tǒng)。C語言和匯編語言對比，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、庫管理、連接器與一個功能十分全面的仿真調(diào)試器，集成開發(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的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的設(shè)計，它的主程序主要是為了檢測氣體傳感器MQ2和溫度傳感器DS18B20所采集的信號，經(jīng)過對采集到的信號的判斷與分析，決定是否要發(fā)出報警信號。： 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)行編寫時需要進(jìn)行三個部分，先將其初始化，然后對它進(jìn)行讀的操作與寫的操作。 DS18B20的初始化流程想要將DS18B20初始化需要經(jīng)過以下步驟。首先，先將數(shù)據(jù)線置于高電平“1”，然后進(jìn)行延時操作。將數(shù)據(jù)線拉到低電平“0”，然后再進(jìn)行延時，延時時間為480微妙到960微妙。將數(shù)據(jù)線再次拉高至高電平“1”，然后進(jìn)行延時等待，在這一過程中需要注意如果初始化成功了，那么在15至60毫秒的時間里會出現(xiàn)一個由溫度傳感器DS18B20所返回的低電平“0”。應(yīng)該注意的是不能夠長時間的等待，因為有可能使程序進(jìn)入到死循環(huán)的狀態(tài)。當(dāng)中央處理器讀到了來自數(shù)據(jù)線的低電平“0”以后，還需要進(jìn)行延時，這個延時時間是從發(fā)出的高電平的時候開始算，大約需要480微秒左右的時間。最后，將數(shù)據(jù)線再一次拉升至高電平“1”，初始化完成。 DS18B20初始化流程圖 DS18B20的寫操作DS18B20的寫操作共有七步，首先將數(shù)據(jù)線先置于低電平“0”，然后進(jìn)行15微妙的延時，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。第五步，將數(shù)據(jù)線拉升至高電平。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)線拉高。 DS18B20寫操作流程圖 DS18B20的讀操作DS18B20的寫操作共有以下幾步，首先，將數(shù)據(jù)線拉高到高電平“1”，然后延時2微秒。將數(shù)據(jù)線拉低至低電平“0”，再延時15微秒。將數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”，延時15微秒。讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1個狀態(tài)位，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，延時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)計準(zhǔn)備完成后，進(jìn)行電路的焊接，焊接完成后對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)接通電源的前幾分鐘，煙霧會發(fā)生報警，本來以為是焊接的電路出現(xiàn)了問題或者是MQ2型煙霧傳感器壞了，但是通過查閱資料我了解到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時間的情況下，再次工作時，是很難馬上正常的工作。原因是因為MQ2型煙霧傳感器的主要材料是二氧化錫氣敏材料，二氧化錫在沒有通電工作的情況下會自動吸附空氣中的水蒸氣，而當(dāng)工作時有一個預(yù)熱的過程，在這個過程里將水蒸氣蒸發(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)的時間稱為穩(wěn)定時間。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間越長，初期穩(wěn)定的時間也就越長，如果MQ2型煙霧傳感器放置半個月左右的時間，初期穩(wěn)定的時間會在5分鐘到6分鐘左右。在預(yù)熱8分鐘左右的時間后，MQ2型煙霧傳感器基本達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，測試開始本次設(shè)計我選用了2種氣體測試的方法。首先，是不同氣體的測量。我選用打火機中的氣體甲烷與香煙進(jìn)行測試，將打火機口對準(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)出報警聲音。然后點燃一根香煙進(jìn)行測試，將香煙燃燒釋放出的氣體對準(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間后，LED燈才亮，蜂鳴器才發(fā)出報警聲音。這說明這個系統(tǒng)的反應(yīng)比較靈敏，對于不同氣體的采集結(jié)果比較準(zhǔn)確。第二個測試是對氣體源的距離進(jìn)行檢測。檢測的方法是在