【文章內容簡介】 速、低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點，是的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度 卻比8051單片機快8~12倍。而且STC12系列下屬的STC12C54xxAD系 列單片機是低功耗Flash單片機，它的高效尋址方式、大容量Flash、 EEPROM、A/D轉換、硬件乘法器、硬件脈寬調制器(PWM)等功能特點， 較好的實現(xiàn)了強大的功能與超低功耗的結合。而且在功能同樣的情況下， 管腳較少封裝體積小，價格比其他型號便宜，因此具有很好的性價比和應 用適應性。 STC12C54xxAD系列單片機有6種型號：分別是STC12C5412AD、 STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD、 和STC12C5402AD。 它們是以單片機內部集成Flash的大小區(qū)分的。在價格相同的情況下，盡量選擇Flash較大的芯片，所以選擇了STC12C5410AD單片機作為本論文設計的煙霧報警器的單片機核 心芯片。它體積小，價格低，非常適用于本設計，下面介紹STC12C5410AD的自身特點。 STC12C5410AD單片機的特點 STC12C5410AD單片機較以往的單片機提高了工作效率，使系統(tǒng)的可 靠性、抗干擾能力得到了顯著改善，而且進一步小型化和便攜化。其 內部集成的Flash幾乎擁有現(xiàn)代追求個性化的用戶所需要的掉電后數(shù)據不 丟失、快速的數(shù)據存取時間、電可擦除、容量大、在線可編程、足夠多的 擦寫次數(shù)、價格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點。STC12C5410AD單片機的管 。 STC12C5410AD單片機管腳圖STC12C5410AD單片機具有以下特點： (1) Flash存儲器 STC12C5410AD Flash存儲器為10KB。Flash存儲器主要用作程序存 儲，可經計算機串口接口下載程序；程序運行時能對其中的1段或多段進 行擦、寫操作，因此兼有數(shù)據存儲器功能。Flash存儲器的掉電保護功能 可用于程序數(shù)據保存，可以按字或字節(jié)讀寫，最小擦除單位為1段，經過 擦除的位為“1”，寫入位為“0”。 (2)脈寬調節(jié)模式(PWM) 所有PCA模塊都可用作PMW輸出。輸出頻率取決于PCA定時器的 時鐘源。由于所有模塊共用僅有的PCA定時器，所有它們的輸出頻率相 同。各個模塊的輸出占空比是獨立變化的，與使用的捕獲寄存器{EPCnL， CCAPnL}有關。當CL SFR的值小于{EPCnL，CCAPnL}時，輸出為低， 當PCACL SFR的值等于或大于{EPCnL，CCAPnL}時，輸出為高。當CL的值由FF變?yōu)?0溢出時，{EPCnH，CCAPnH}的內容裝載到{EPCnL， CCAPnL}中。這樣就可實現(xiàn)無干擾地更新PWM。要使能PWM模式，模 塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位。 (3) I/O口工作類型設置 STC12C5410AD帶有24個I/O引腳，它的I/O與傳統(tǒng)的I/O不同，每個I/O口均可由軟件設置成4種工作類型之一，使得功能口和通用I/O口復用。 4種類型分別為：準雙向口(標準8051輸出模式)、推挽輸出、僅為輸入(高阻)和開漏輸出功能。在對同一個I/O口進行操作前要選擇其要實現(xiàn)的功能，這樣大大地增強了端口的功能和靈活性。其中一些I/O口還可以與STC12C5410AD中的特殊模塊相結合完成更為復雜的工作。如與捕獲比較 模塊相結合可以實現(xiàn)串行通信，與A/D模塊結合實現(xiàn)A/D轉換等。此外，STC12C5410AD的I/O端口電氣特性也十分突出，幾乎所有的I/O口都有20mA的驅動能力，對于一般的液晶顯示屏、蜂鳴器可以直接驅動而無需 輔助電路。許多端口內部都集成了上拉電阻，可以方便地與外圍器件相接 。 (4) A/D模數(shù)轉換寄存器 STC12C5410AD單片機的A/D轉換口在P1口(~)，有8路10位高速A/D轉換器，STC12C5410AD系列是10位精度的A/D，速度 均可達到100KHz(10萬次/秒)。8路電壓輸入型A/D，可以完成溫度檢測、 電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等功能。上電復位后P1口是弱上拉 型的I/O口，可以通過軟件設置將8路中的任何一路設置為A/D轉換，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。這樣，A/D轉換和I/O口 可以靈活的運用，節(jié)省了軟件及時間。 (5)有配套的仿真開發(fā)工具 STC12C5410AD的Flash存儲器給用戶的開發(fā)帶來方便。用戶可以將 芯片焊接在線路板上后進行下載程序、調試程序和修改程序。同時，STC12C5410AD的片內已集成了程序斷點控制等邏輯功能。因此，它的 開發(fā)工具較為簡單，只需1套PC環(huán)境下的調試軟件和1個連接于并口的仿真器。仿真器與STC12C5410AD經串口連接。因此，用戶只要在設計應用系統(tǒng)時為調試需要預留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的程序下載調試、系統(tǒng)現(xiàn)場編程硬件仿真或軟件升級功能， 而且無需外加編程電壓。 傳感器輸出信號一般比較微弱，需要經過前置電路對其進行放大、濾波、電平調整，滿足單片機對輸入信號的要求。本系統(tǒng)采用的半導體煙霧 傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個參考電阻，再經過一個放大電路即可發(fā)送給ADC采集。由于系統(tǒng)采用的是單極性供電，所以采用同相比例 放大電路，可以減少硬件開銷；反之，如果采用反相放大，則一般需要利 用雙極性供電，這就需要系統(tǒng)額外的利用變壓芯片產生一個負壓，這顯然 會造成浪費。常見的運算放大器中，LM324價格低廉、使用簡單等優(yōu)點 比較突出，所以本設計中的前置放大電路采用LM324作為電路的運算放大器。 LM324是單片高增益四運算放大器，可在較寬電壓范圍內的單電源 或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無關，四個運放一致性好； 其輸入偏流電阻是溫度補償?shù)模膊恍柰饨宇l率補償，可做到輸出電平與 數(shù)字電路兼容。 下面詳細介紹運算放大電路： ，從傳感器的上端出來的信號Vi經過運算放大器的同相 輸入端，但是為保證引入的是負反饋，輸出電壓Vo通過電阻R4接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過電阻R3接到參考電壓Vref。 同相比例運算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負反饋，同樣可以利用理 想運放工作在線性區(qū)時的兩個特點來分析其電壓放大倍數(shù)。 ，根據運放的“虛短”和“虛斷”的特點可知，I = I+ = 0，所以V = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (31)而且V = V+ = ViVo = Vi*（R3 + R4）/R3 (32)由以上兩式可求出Vo=VrefR4/R3 (33)所以本放大電路的放大倍數(shù)A =1+ R4 R3 ，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數(shù)總是大于或等于1。同相比例運算電路有以下幾個特點： (1)同相比例運算放大電路是一個深度的電壓串聯(lián)負反饋電路。因為不存在“虛地”現(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。(2)電壓放大倍數(shù)A =1+ R4 R3 ，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同，所以此電路實現(xiàn)了同相比例放大。如果不接R3和R4，則此電 路就成了“電壓跟隨器”，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。 (3)由于引入了深度電壓串聯(lián)負反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。高輸入阻抗就可以減少放大電路對前端電路的影響，同時低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性，這顯然有利于電路中其他模塊的設 計。 此放大電路還加了參考電壓，引入了零點調節(jié)功能，這樣可以更方便 的調整由于不同傳感器導致的零點變化問題。它利用滑動變阻器產生一個參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考 端。所以調節(jié)滑動變阻器，就可以直接改變放大電路的參考電壓。而電壓 跟隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來匹配阻抗用的，防止R3和R4對 滑動變阻器輸出電壓的影響。 。報警裝置采用無源壓電式KM3712x型蜂鳴器[26]，較一般的蜂鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用煤氣報警 器的報警聲音源。當單片機STC12C5410AD的17腳()置1時，三極 管Q1導通，蜂鳴器報警。本報警器采用單片機STC12C5410AD的PWM功 能，如果煙霧濃度達到報警限，(PWM)口輸出占空比一定 的脈沖，報警時蜂鳴器會發(fā)出如警車警笛的聲音。 報警器濃度顯示采用共陽數(shù)碼管。顯示濃度級別，其主要技術參數(shù)如下： 模塊工作電壓： ~ 工作電流： 80ma,每段10ma字高：：85％ 視角：6:00 工作溫度：10~+50176。C 顯示方式：反射式正顯示存儲溫度：20～+60176。C接口方式：8線并行接口 數(shù)碼管結構圖 。單片機STC12C5410AD的18腳()、12腳()、13腳()，控制輸出的狀態(tài)指示燈。綠燈常亮表示正常狀態(tài)，環(huán)境中可燃煙霧濃度極低。黃燈閃亮表示傳感器加熱 絲或者電纜發(fā)生斷線或者接觸不良。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超 過報警限值，提醒用戶盡快作相應安全措施。 當煙霧濃度超過報警限，報警器發(fā)出鳴叫，用戶到達現(xiàn)場，可按下按鍵停止報警器鳴叫。若過一點時間濃度仍超出報警限，報警器會再次鳴叫提醒用戶。 狀態(tài)指示燈電路圖 控制按鍵連接示意圖 (1)判斷傳感器電源連接情況 在傳感器的地端串聯(lián)一個電阻R6。當傳感器正常連接時，電阻和傳感器分壓，此時電阻兩端有微弱的電壓，(AD)口檢測到； 如果傳感器電源連接不正常，則會產生斷路，檢測到電阻兩端電壓為0。 傳感器電源連接自診斷電路(2)判斷傳感器信號端連接情況 另一種情況是判斷傳感器信號端是否連接正確，此時不需要外加電路，在傳感器預熱2分鐘后，測量傳感器信號的輸出電壓，如果電壓為5V，則說明傳感器的信號端連接不正常。 當報警器自診斷發(fā)現(xiàn)傳感器連接不正常，就會發(fā)出長鳴聲音警報，并 伴隨黃燈閃爍，提醒用戶及時排除傳感器連接問題。 本章闡述了煙霧報警器的硬件設計。首先介紹了STC12系列 單片機系統(tǒng)的結構特點、技術性能特點。從設計要求及對STC12系列單 片機性能指標、價格及節(jié)省儀表空間考慮，選用STC12C5410AD單片機 作為該報警系統(tǒng)的核心控制器。然后，詳細地闡述了煙霧報警器電 路設計，分為信號采集及前置放大電路、STC12C5410AD單片機接口電路、聲音報警電路、顯示電路、狀態(tài)指示燈及鍵盤控制電路。第四章 煙霧檢測報警器的軟件設計 STC12系列單片機調試及開發(fā)工具 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國Keil Software公司出品的Keil C51，是51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢。 Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，Keil C51生成的目標代碼效率非常之 高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能 體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 C51工具包的整體結構中，μVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標文件(.OBJ)。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經C51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉換成標準的Hex文件，以供調試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調試，也可由仿真器使用直接對 目標板進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。 STC12系列單片機下載程序使用的是宏晶科技自行開發(fā)的STC單片 機ISP下載編程軟件。本論文程序調試過程中。ISP工具的功能主要是將由PC機串接來的8位并行數(shù)據與單片機的 串行數(shù)據進行相互轉換，以實現(xiàn)PC機與STC12C5410AD的RXD及TXD口通訊。 當用戶將源程序(匯編語言或C語言)經語法檢查無誤并生成代碼時， 就可以將程序代碼下載到Flash芯片中[31]，而用戶的系統(tǒng)可以是在線狀態(tài)。用戶可以通過調試環(huán)境軟件的人機對話界面，在程序中設置斷點，在STC12C5410AD中，可以同時設置3個硬件斷點，它是經過串口的傳輸，由芯片中的幾組斷點條件寄存器實現(xiàn)的。 用戶可以通過調試環(huán)境軟件的人機對話界面，檢查或修改Flash芯片 內的各種存儲器、寄存器的數(shù)據。 本論文中，軟件解決的主要問題是檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號，然后對信號進行AD轉換，數(shù)字濾波，線性化處理，段式液晶濃度 顯示，按鍵功能設置，以及報警器聲光警報。 。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。程序初始化結束后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。本論文的主程序設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。 STC12C5410AD單片機對傳感器檢測的煙霧濃度信號進行A/D轉 換、平均值法濾波、線性化處理后，將濃度值與報警限設定值相比較，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置，中斷子程序等，使報警器功能更加完善，給用戶帶來便利。 主程序流程圖。給傳感器預熱后，程序開始執(zhí)行 初始化子程序，這部分實現(xiàn)的功能包括各種I/O口輸入輸出狀態(tài)的設定、 寄存器初始化、中斷使能等。首先設定定時初值50ms，利用IAP寫入EEPROM，作為取值間隔。然后設置定時器0，選擇方式1。方式1狀態(tài)下定時器的工作寄存器THTL1是全16位參與操作。接