【文章內(nèi)容簡介】 探測器發(fā)展的速度非常快，種類也在不斷增多，除了在大型建筑物內(nèi)部應(yīng)用之外，還特別適用于電氣火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的場所，如儀器儀表室、隧道、計(jì)算機(jī)房和電纜溝等處。但是從另一個(gè)角度來看，比如說就其功能而言，它在 火災(zāi)發(fā)生的早期也能實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。 有時(shí)候根據(jù)報(bào)警器檢測煙霧種類的不同要求，在使用條件的各種考慮下，半導(dǎo)體煙霧傳感器對(duì)于各種場合都比較適合，在眾多煙霧傳感器的應(yīng)用特性的對(duì)比之下，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出。比如靈敏度高、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)良特性，而且還兼具使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，并且在報(bào)警的過程中，不具有其他傳感器所具備的缺陷，比如探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，而且在維護(hù)成本方面，也是比較低廉的，因而得到廣泛應(yīng)用。因此，本設(shè)計(jì)中的煙霧傳感器采用方案 2，選用 MQ2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器 [8]。 單片機(jī)的選型 單片機(jī)是煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)最關(guān)鍵的一部分，并且具有多種功能，它可以用來接收火災(zāi)信號(hào)，當(dāng)接收到信號(hào)之后，就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置顯示，然后執(zhí)行相應(yīng)的報(bào)警。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制功能中，對(duì)單片機(jī)的運(yùn)算速度具有較高的要求，使檢測人員和用戶在報(bào)警器系統(tǒng)正常工作時(shí)能夠及時(shí)地觀測到實(shí)時(shí)的煙霧濃度等級(jí)，并進(jìn)行相應(yīng)處理。同時(shí)，在滿足報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算速度要求之后，在接口功能要求相同的同類型單片機(jī)中，還要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，這是為了建立在報(bào)警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)之上，還要能夠考慮成本能夠 足夠的低廉 [9]。 由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域里面應(yīng)用的越來越廣泛，所以世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)，在眾多類型的單片機(jī)之中， MCS 系列單片機(jī)以其成熟的技術(shù)、優(yōu)越的性能、高可靠性和高性能價(jià)格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控、自動(dòng)化工程應(yīng)用等大多數(shù)主流市場，成為國內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的翹楚。其中， 51 系列單片機(jī)有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)，比如價(jià)錢便宜， I/O 口多，程序空間大。因此，在測控操作系統(tǒng)中，使用 51 系列單片機(jī)是最理想的選擇，因此本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用 STC89C52 作為設(shè)計(jì)用的單片機(jī) [10]。 作者：舒?zhèn)? 第 5 頁 共 38 頁 STC89C52 是一種高性能、低功耗 CMOS8 位微控制器，使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，在兼容性方面，工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，并且具有 8K可編程 Flash 存儲(chǔ)器。片上 Flash 適于常規(guī)編程器，亦允許程序存儲(chǔ)器在線可編程。在單芯片上，擁有系統(tǒng)可編程 Flash 和靈巧的 8 位 CPU，因?yàn)榫邆溥@些條件， STC89C52可以為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供超有效、高靈活的解決方案 [10]。 STC89C52 還具備以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 8k 字節(jié) Flash 定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， STC89C52 可降低 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，并且支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。在空閑模式條件下， CPU 開始停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，振蕩器被凍結(jié)， RAM 內(nèi)容被保存，單片機(jī)停止一切工作，直到下一個(gè)硬件或中斷復(fù)位為止。這是一個(gè)以單片機(jī)為中心的模塊，把程序代碼燒進(jìn)去以后，然后在外圍接上振蕩電路、復(fù)位電路、 LED 顯示電路、 LED顯示電路、報(bào)警電路等子模塊 [11]。 溫度采集模塊 方 案 1：在測溫電路中采用 PT100 作為溫度傳感器。 PT100 傳感器是利用鉑電阻的特性來進(jìn)行測溫的，鉑電阻具有這樣的特性，它的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性，并且 PT100 傳感器具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。但它也具有一些缺點(diǎn)，就是使用起來比較復(fù)雜。 方案 2：采用 DS18B20 作為本次設(shè)計(jì)的溫度傳感器。 DS18B20 的數(shù)字溫度輸出通過 “ 一線 ” 總線（ 1Wire 是一種特殊的數(shù)字信號(hào)總線協(xié)議，它將獨(dú)特的信號(hào)線和電源線復(fù)合在一起，僅使用一條口線；每個(gè)芯片編碼都是唯一的，支持聯(lián)網(wǎng) 尋址、還有零功耗等方面，是總線之中所需硬件連線最少的一種）這種獨(dú)特的方式，可以使多個(gè) DS18B20 方便地組建成傳感器網(wǎng)絡(luò)，為整個(gè)測量系統(tǒng)的建立和組合提供了更大可能性。它在傳輸距離、轉(zhuǎn)換時(shí)間、測溫精度、分辨率等方面相較于其他溫度傳感器有了更大的進(jìn)步，相對(duì)于用戶來講使用更方便，而且效果也更加令人滿意 [12]。 通過比較之后得出， DS18B20 可以直接輸出數(shù)字溫度值，不需要校正，是比較理想的選擇，因此最后決定選擇方案 2。 作者：舒?zhèn)? 第 6 頁 共 38 頁 3 系統(tǒng)概述與硬件方案的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體框架 煙霧報(bào)警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度， 并具有報(bào)警功能的儀器。該報(bào)警系統(tǒng)的最基本組成部分應(yīng)包括：信號(hào)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、字符顯示電路、聲光報(bào)警電路和安全保護(hù)電路等部分組成。 為適應(yīng)家庭和工業(yè)等場所對(duì)可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器具有顯示報(bào)警狀態(tài)。報(bào)警器采用延時(shí)的工作方式，煙霧檢測報(bào)警器以 STC89C52 單片機(jī)為控制核心，選用 MQ2 半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，配合外圍電路構(gòu)成煙霧報(bào)警系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。 從設(shè)計(jì)的要求來分析該設(shè)計(jì)須包含如下結(jié)構(gòu)：煙霧檢測部分、 STC89C52 單片機(jī)主控部分、報(bào) 警部分， AD 采集四大部分。電路總體設(shè)計(jì)框圖如圖 2 所示： 圖 2 總體設(shè)計(jì)框圖 處理器采用 51 系列單片機(jī) STC89C52。整個(gè)系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。設(shè)置在監(jiān)測點(diǎn)上的煙霧檢測探頭將檢測到的煙霧變換成電信號(hào)，送出模擬信號(hào)，給 AD采集電路采集。在單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)軟件查詢、識(shí)別判決等環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)發(fā)出煙霧報(bào)警狀態(tài)控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)蜂鳴器及報(bào)警指示燈報(bào)警 [13]。 作者：舒?zhèn)? 第 7 頁 共 38 頁 電源模塊 圖 3 電源模塊原理圖 由于本系統(tǒng)采用電池供電，考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。 方案 1：采用 5V 蓄電池為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以 及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，在報(bào)警器上使用極為不方便。因此放棄了此方案。 方案 2：采用 4 節(jié) V 干電池共 做電源，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。 綜上所述采用方案 2，電源模塊原理圖如圖 3 所示，其中 P1 為電池接口， SW1為電源開關(guān) [14]。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)如果需要工作起來，構(gòu)成為單片機(jī)最小系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖 4 所示。 作者：舒?zhèn)? 第 8 頁 共 38 頁 圖 4 單片機(jī)最小系統(tǒng)的基本構(gòu)成 單片機(jī)最小系統(tǒng)大致由三部分構(gòu)成，第一部分包含單片機(jī)，第 二部分包含復(fù)位電路，最后一部分由時(shí)鐘電路構(gòu)成，這三部分每一部分都有其獨(dú)立功能，能夠單獨(dú)工作卻又互相協(xié)作。 而在 STC89C52 單片機(jī)中，它的工作電壓范圍在 4V到 之間，所以就需要給單片機(jī)外接一個(gè) 5V 的直流電源。連接到單片機(jī)中的 40 腳，而單片機(jī)的 VCC 就需要接到正極 5V，另外一個(gè) 20 腳 VSS 就接到電源地端，達(dá)到所需的效果。 復(fù)位電路則是用來確定單片機(jī)的工作起始狀態(tài)，而單片機(jī)的啟動(dòng)過程就需要復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)單片機(jī)接通電源的時(shí)候，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，用來完成單片機(jī)的啟動(dòng)并且確定單片機(jī)起始工作狀態(tài)。如果 單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，受到外界環(huán)境的干擾并且出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象時(shí)。只要按下復(fù)位按鈕，其內(nèi)部的程序便會(huì)自動(dòng)從頭開始執(zhí)行。這種復(fù)位一般有兩種方式，上電自動(dòng)復(fù)位和外部按鍵手動(dòng)復(fù)位。單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后，要完成復(fù)位操作，就需要在 RESET 端持續(xù)給出 2 個(gè)機(jī)器周期，這是完成復(fù)位操作的重要條件。本設(shè)計(jì)在兩者之間采用的是外部手動(dòng)按鍵復(fù)位電路，不過選擇這個(gè)以后，則需要接上拉電阻來提高輸出高電平的值。 時(shí)鐘電路是單片機(jī)最重要的一部分，單片機(jī)的工作節(jié)奏由它來進(jìn)行掌控。時(shí)鐘電路在另一方面來講也可以說是振蕩電路，它需要向單片 機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)，用來決定單片機(jī)的執(zhí)行速度。 XTAL1 和 XTAL2 分別是反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置一個(gè)片內(nèi)振蕩器。但是如果采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，就不需 作者：舒?zhèn)? 第 9 頁 共 38 頁 要外接 XTAL2。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期含有 6 個(gè)狀態(tài)周期，每個(gè)狀態(tài)周期又含有 2 個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有 12 個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的話它的振蕩頻率就為 12MHz，一個(gè)振蕩周期的時(shí)間為 1/12us[15]。 單片機(jī)的時(shí)鐘電路與復(fù)位電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 STC 系統(tǒng)列單片機(jī)，相對(duì)于其他系列單片機(jī)來說的話，它具有更多的優(yōu)點(diǎn)。一般 STC 單片在資源方面也比其他單片機(jī)要多，而且它還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，執(zhí)行速度快； STC 系列單片機(jī)使用串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行燒寫下載程序較為方便； STC89C52 單片機(jī)內(nèi)部集成了很多復(fù)雜電路，且在抗干擾方面也具有不錯(cuò)的能力。 本系統(tǒng)采用內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路和加電自復(fù)位的復(fù)位電路，分別如圖 5 和圖 6 所示： 圖 5 時(shí)鐘電路 圖 6 復(fù)位電路 由于單片機(jī)為高阻態(tài)， PO 口內(nèi)部不含上拉電阻，不能正常地輸出高 /低電平，因而該組 I/O 口在使用時(shí)必須外接上拉電阻。 OLED 顯示模塊 作者：舒?zhèn)? 第 10 頁 共 38 頁 圖 7 數(shù)碼管顯示 顯示 采用數(shù)碼管顯示，顯示電路如圖 7 所示。 聲音報(bào)警模塊 電路通過三極管基極串連一個(gè)電阻與單片機(jī) 端口連接從而達(dá)到控制蜂鳴器是否報(bào)警。聲音報(bào)警電路如圖 8 所示。 圖 8 聲音報(bào)警電路圖 作者：舒?zhèn)? 第 11 頁 共 38 頁 按鍵控制模塊 圖 9 消音按鍵連接電路圖 本電路設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵，一個(gè)設(shè)置鍵、一個(gè)加鍵、一個(gè)減鍵、一個(gè)緊急報(bào)警鍵，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，可按下緊急報(bào)警鍵，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，消音按鍵連接如圖 9 所示[16]。 DS18B20 接口電路 采用 DS18B20 溫度傳感器，其接口電路圖如圖 10 所示。 圖 10 溫度傳感器接口電路圖 （ 1） DS18B20 控制方法 DS18B20 有六條控制命令： 作者：舒?zhèn)? 第 12 頁 共 38 頁 溫度變化： 44H 開動(dòng) DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換 讀暫存器： BEH 僅僅占了暫存器 9 個(gè)字節(jié)內(nèi)容 寫暫存器：數(shù)據(jù)被 4EH 放入暫存器的 TH、 TL 字節(jié) 復(fù)制暫存器：暫存器的 TH、 TL 字節(jié)被 48H 送到 E2RAM 中 再一次調(diào) E2RAM B8H 把 E2RAM 中的 TH、 TL 字節(jié)放到暫存器 TH、 TL 字節(jié) 讀電源供電方式 B4H 開啟 DS18B20 把電源供電方式的信號(hào)發(fā)送給主 CPU （ 2） DS18B20 供電方式 DS18B20 可以采用兩種方式供電： 1 是采用電源供電方式，此時(shí) DS18B20 的 1 腳連到地端， 2 腳變作信號(hào)線， 3 腳連接電源。另一種是寄生電源供電方式，在圖 所示的那樣，單片機(jī)端口連上單線總線，這是為了在工作的周期之內(nèi)，能夠?yàn)?DS18B20時(shí)鐘提供足夠的電流，以方便其工作，所以可以采用一個(gè)三極管來完成上拉總線。本設(shè)計(jì)采用電源供電方式， 口連單線總線為保證在有效的 DS18B20 時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)上拉電阻和 STC89C52的 。當(dāng) DS18B20處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度 A/D 變換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時(shí)間所到達(dá)的極限時(shí)間為 10μ s。實(shí)行寄生電源供電方式則 VDD 和 GND 端均需要連接地端。由于單線制只有一根線，則對(duì)發(fā)送接收口的要求，它就必須是三狀態(tài)的。 DS18B20 被主機(jī)控制之后完成溫度轉(zhuǎn)換就必須經(jīng)過 3 個(gè)步驟： 1，初始化； 2， ROM 操作指令； 3，存儲(chǔ)器操作指令。 4 系統(tǒng)軟件方案的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)及流程圖 自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)束之后，如果缺乏軟件的輔助及幫助，硬件還是不能正常工作。軟件是硬件能夠運(yùn)動(dòng)起來的重要支撐部分，控制著整個(gè)硬件系統(tǒng)的運(yùn)行。 所以從另外一個(gè)意義來說軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)極其的重要，甚至從某種意義上說比硬件更加重要。 主程序流程圖如圖 11 所示。首先要給傳感器預(yù)熱，因?yàn)?MQ2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器在不通電的情況下，它存放一段時(shí)間之后，當(dāng)它再次通電，傳感器不能進(jìn)入工作狀態(tài)，也就是說正常采集煙霧信息，需要一段時(shí)間進(jìn)行預(yù)熱處理。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，對(duì)整個(gè)電路和環(huán)境進(jìn)行一個(gè)監(jiān)控作用。 作者：舒?zhèn)? 第 13 頁 共 38 頁 在整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)工作中， ADC0832 把煙霧濃度信息轉(zhuǎn)換處理后，還要經(jīng)過單片機(jī)來對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，判斷系統(tǒng)是否啟動(dòng)報(bào)警。主程序還包括報(bào)警濃度設(shè) 定功能、LED 八段式數(shù)碼管濃度字符顯示功能、手動(dòng)報(bào)警功能、中斷子程序等，這些程序使報(bào)警器功能更加全面和完善，給用戶帶來更大的便利和體驗(yàn) [17]。 圖 11 主程序流程圖 至此 ,整個(gè)多功能 MP3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本完成了，剩下的任務(wù)就是對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和測試。 5