【文章內(nèi)容簡介】 供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式。DS1302與單片機的連接僅需3條線：時鐘線SCLK、數(shù)據(jù)線I/O和復位線RST。，數(shù)據(jù)線I/。由于DS1302是靠細電流充電來實現(xiàn)串行輸入輸出的，因此，在SCLK、I/O、RST線上要加上拉電阻，其中，它們的電流應該在500u－1mA之間，若電源為5V，則R約為5K，因此，電阻R=。在單電源與電池供電系統(tǒng)中，Vcc1提供低電源并提供低功率的備用電源。Vcc2提供高電源作為芯片供電的主電源。因此，這里Vcc1用3V紐扣電池，Vcc2用5V的系統(tǒng)電源。、X2引腳。DS1302測溫電路如圖32所示： 圖32 DS18B20測溫電路 七段數(shù)碼管簡介七段數(shù)碼管一般由8個發(fā)光二極管組成，其中由7個細長的發(fā)光二極管組成數(shù)字顯示，另外一個圓形的發(fā)光二極管顯示小數(shù)點。數(shù)碼管使用條件：段及小數(shù)點上加限流電阻，使用電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色決定；小數(shù)點：根據(jù)發(fā)光顏色決定，使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動態(tài)：平均電流45mA，峰值電流100mA。4位數(shù)碼管引腳圖數(shù)碼管使用注意事項說明：數(shù)碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角；焊接溫度：260度；焊接時間：5s；表面有保護膜的產(chǎn)品,可以在使用前撕下來[14]。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)光?？刂葡鄳亩O管導通，就能顯示出各種字符，盡管顯示的字符形狀有些失真，能顯示的數(shù)符數(shù)量也有限，但其控制簡單，使有也方便。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極數(shù)碼管，陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管，如圖33所示。共陽極就是把所有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（小數(shù)點）；共陰極則是把所有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（小數(shù)點），圖中的8個LED分別與上面那個圖中的A~DP各段相對應，通過控制各個LED的亮滅來顯示數(shù)字[15]。對于單個數(shù)碼管來說，從它的正面看進去，左下角那個腳為1腳，以逆時針方向依次為1~10腳，左上角那個腳便是10腳了，上面兩個圖中的數(shù)字分別與這10個管腳一一對應。注意，3腳和8腳是連通的，這兩個都是公共腳。七段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖如圖33所示。b） a） c） 圖33 七段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖a） 七段數(shù)碼管字段和引腳分布b） 共陰極 c） 共陽極還有一種比較常用的是四位數(shù)碼管，內(nèi)部的4個數(shù)碼管共用a~dp這8根數(shù)據(jù)線，為人們的使用提供了方便，因為里面有4個數(shù)碼管，所以它有4個公共端，加上a~dp，共有12個引腳，下面便是一個共陰的四位數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（共陽的與之相反）。引腳排列依然是從左下角的那個腳（1腳）開始，以逆時針方向依次為1~12腳。 七段數(shù)碼管驅(qū)動方法發(fā)光二極管（LED）是一種由磷化鎵（GaP）等半導體材料制成的，能直接將電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光顯示器件。當其內(nèi)部有一一電流通過時，它就會發(fā)光。七段數(shù)碼管的顯示方法可分為靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示，下面分別介紹。(1) 靜態(tài)顯示所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示某一字符時，相應段的發(fā)光二極管恒定地尋能可截止。這種顯示方法為每一們都需要有一個8位輸出口控制。對于51單片機，可以在并行口上擴展多片鎖存74LS573作為靜態(tài)顯示器接口。靜態(tài)顯示器的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導通電注一定的情況下顯示器的亮度高，控制系統(tǒng)在運行過程中，僅僅在需要更新顯示內(nèi)容時，CPU才執(zhí)行一次顯示更新子程序，這樣大大節(jié)省了CPU的時間，提高了CPU的工作效率；缺點是位數(shù)較多時，所需I/O口太多，硬件開銷太大，因此常采用另外一種顯示方式——動態(tài)顯示。(2) 動態(tài)顯示所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描），對于顯示器的每一位而言，每隔一段時間點亮一次。雖然在同一時刻只有一位顯示器在工作（點亮），但利用人眼的視覺暫留效應和發(fā)光二極管熄滅時的余輝效應，看到的卻是多個字符“同時”顯示。顯示器亮度既與點亮時的導通電流有關(guān)，也與點亮時間和間隔時間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時間參烽，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個8位I/O口（稱為掃描口或字位口），控制各位LED顯示器所顯示的字形也需要一個8位口（稱為數(shù)據(jù)口或字形口）[16]。動態(tài)顯示器的優(yōu)點是節(jié)省硬件資源，成本較低，但在控制系統(tǒng)運行過程中，要保證顯示器正常顯示，CPU必須每隔一段時間執(zhí)行一次顯示子程序，這占用了CPU的大量時間，降低了CPU工作效率，同時顯示亮度較靜態(tài)顯示器低。綜合以上考慮，由于溫度顯示為精確到小數(shù)點后兩位，故只需4個數(shù)碼管，又考慮到CPU工作效率與電源效率，本畢業(yè)設(shè)計采用靜態(tài)顯示。為共陽極顯示。 硬件編碼74LS47是一款BCD碼轉(zhuǎn)換為7段輸出的集成電路芯片，利用它可以直接驅(qū)動共陽極的七段數(shù)碼管。它的引腳分布如圖34所示。 圖34 74LS47管腳圖如圖35所示，4位數(shù)碼管為共陽管，由于單片機輸出電流比較小，故用4個PNP型的三極管9015來驅(qū)動數(shù)碼管。單片機輸出低電平時三極管導通，使數(shù)碼管的4各公共端5和12腳為高電平，此時數(shù)碼管的數(shù)據(jù)端輸入低電平后數(shù)碼管被點亮，120Ω電阻R12到R19為三極管的限流電阻,數(shù)碼顯示電路如圖35所示。當溫度達到37℃時顯示報警，或者煙霧濃度達到4時顯示報警。圖35 數(shù)碼顯示電路圖 MQ2煙霧傳感器轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計選用MQ2型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度 高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器。按敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導體氣敏元件也有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨煙霧濃度的增大而減??；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。本設(shè)計中采用的MQ2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導體。當處于200~300℃溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受 到該煙霧的調(diào)制而變化，就會引起表而電導率的變化。利用這一點就可以 獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如CH4等）時，原來吸附的氧脫附，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體導帶電子密度增加，電阻值下降。而當空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，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可燃煙霧的基本原理[17]。 MQ2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標MQ2型傳感器的一般特點：MQ2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。 MQ2型傳感器具有良好的重復性和長期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定， 響應時間短，長時間工作性能好。 MQ2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。電路設(shè)計電壓范圍寬，24V以下均可；加熱電壓5177。 MQ2型傳感器的特性參數(shù)：回路電壓：(Vc) 5~24V；取樣電阻：(RL) ~20K；加熱電壓：(VH)5177。；加熱功率：(P)約750mW；響應時間：Tres＜10秒；恢復時間：Trec＜30秒。煙霧傳感器MQ2經(jīng)過ADC0832轉(zhuǎn)換后接單片機端口，煙霧傳感器轉(zhuǎn)換電路如圖36所示。圖36 煙霧傳感器轉(zhuǎn)換電路報警溫度用按鍵S2，S3，S4來設(shè)置，S2為調(diào)整鍵，按一次可調(diào)整報警上限溫度值，按兩次可調(diào)整報警下限溫度值，按三次數(shù)碼管恢復到正常溫度顯示。S5是緊急呼叫按鍵。用單片機的3個I/O口接收控制信號，3個按鍵的一端與地相連，、。這時當按鍵按下就輸入低電平。鍵盤控制電路如圖37所示。圖37 鍵盤控制電路 電源電路電源是儀器設(shè)備正常工作不可或缺的一個重要部分。由220V交流電壓轉(zhuǎn)換為5V直流電壓的電路圖如圖38所示。圖38 電源電路 本章小結(jié)本章通過對設(shè)計思想的介紹,分別對單片機最小系統(tǒng)、DS18B20測溫電路、四位數(shù)碼管顯示電路、報警溫度設(shè)定按鍵電路、煙霧傳感器轉(zhuǎn)換電路、電源電路模塊的設(shè)計原理進行分析和闡述。對各模塊所需的芯片、元器件進行介紹。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計本次設(shè)計用Keil編程軟件進行軟件設(shè)計。Keil軟件是目前最流行的開發(fā)系列單片機軟件，近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil。它提供了包括C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。Keil支持匯編語言和C語言的程序設(shè)計，易學易用。 主程序流程圖系統(tǒng)主程序首先要給傳感器預熱三分鐘，因為MQ2型半導體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時間預熱。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。本論文的主程序設(shè)計先對傳感器預熱三分鐘， 預熱同時，對傳感器加熱絲故障檢測，采用軟件方式檢測傳感器加熱絲或電纜線是否斷線或者接觸不良。 AT89S52單片機對傳感器檢測的煙霧濃度信號進行A/D轉(zhuǎn)換、平均值法濾波、線性化處理后，將濃度值與報警限設(shè)定值相比較，判斷是否報警。同時送入段式液晶顯示煙霧濃度值。主程序還包括狀態(tài)指示燈及按鍵功能設(shè)置，中斷子程序等，使報警器功能更加完善，主程序流程圖如圖41所示。圖41 主程序流程圖在煙霧傳感器對煙霧濃度采樣時，可能會遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影響個別采樣點的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點的數(shù)據(jù)相差比較大。 如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計算結(jié)果上去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的煙霧濃度采樣值的偏差。 為此，可采取中位值平均濾波法(又稱防脈沖干擾平均濾波法)，先對N個采樣數(shù)據(jù)進行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下的N–2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。這種方法既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機 干擾。保證報警器檢測煙霧濃度的準確性，減小誤報、錯報的可能。 在實際應用中，N可取任何值，但為了加快測量計算速度，本論文數(shù)字濾波的設(shè)計中N取10。即調(diào)用A/D連續(xù)進行10次采樣，去掉其中的最大值和最小值，計算其余8個值的平均值，將這個平均值送入寄存器。 中位值平均濾波法的程序流程圖如圖42所示。圖42中位值平均濾波法程序流程圖在單片機測控系統(tǒng)中，使用之前必須進行靜態(tài)標定，以得到輸出信號與被測信號的關(guān)系輸出曲線，用來作為使用過程中的計量依據(jù)。但是標定時輸出曲線往往不是一條理想的直線，所以要對標定曲線進行線性化處理，用一條擬合直線近似代替輸出曲線，線性化是智能儀表的典型功能之一。該報警器主要針對甲烷煙霧檢測，在軟件線性化處理時，以傳感器對甲烷的響應曲線為依據(jù)。 本論文報警器使用的MQ2型傳感器的電阻是隨著煙霧濃度的升高而降低的，因此輸入單片機的電壓也是隨之降低的。從單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比的對應曲線可以看出，電壓值與煙霧濃度之間是非線性的關(guān)系。在誤差許可范圍內(nèi)，根據(jù)標定曲線形狀，以及單片機處理能力，把曲線分 成若干小段，對每小段分別線性化。根據(jù)分段線性插值法求輸入單片機的某一電壓值對應的煙霧濃度的公式如下： (41)式中 i=1,2,3…N。N所分區(qū)間個數(shù)。 實際煙霧檢測濃度。實際氣體檢測濃度對應的電壓值。區(qū)間的下限濃度對應電壓值。區(qū)間的上限濃度對應電壓值。區(qū)間下限煙霧濃度值。 為區(qū)間上限煙霧濃度值。根據(jù)公式41設(shè)計分段插值法線性化程序流程圖如圖43所示。圖43 插值法線性化處理子程序設(shè)計及流程圖當煙霧濃度超過報警設(shè)定值時，報警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對應通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關(guān)安全裝置，從而保障生產(chǎn)安全，避