【文章內容簡介】 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部應用之外，還特別適用于電氣火災危險性較大的場所，如儀器儀表室、隧道、計算機房和電纜溝等處。但是從另一個角度來看，比如說就其功能而言，它在 火災發(fā)生的早期也能實現(xiàn)報警功能。 有時候根據(jù)報警器檢測煙霧種類的不同要求，在使用條件的各種考慮下，半導體煙霧傳感器對于各種場合都比較適合，在眾多煙霧傳感器的應用特性的對比之下，發(fā)現(xiàn)半導體煙霧傳感器的優(yōu)點更加突出。比如靈敏度高、響應快、體積小、結構簡單等優(yōu)良特性，而且還兼具使用方便、價格便宜等優(yōu)點，并且在報警的過程中，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，而且在維護成本方面，也是比較低廉的，因而得到廣泛應用。因此，本設計中的煙霧傳感器采用方案 2，選用 MQ2半導體氣體煙霧傳感器 [8]。 單片機的選型 單片機是煙霧自動報警系統(tǒng)最關鍵的一部分，并且具有多種功能，它可以用來接收火災信號，當接收到信號之后，就會啟動報警裝置顯示，然后執(zhí)行相應的報警。在單片機實現(xiàn)的控制功能中，對單片機的運算速度具有較高的要求，使檢測人員和用戶在報警器系統(tǒng)正常工作時能夠及時地觀測到實時的煙霧濃度等級，并進行相應處理。同時，在滿足報警器系統(tǒng)設計的計算速度要求之后，在接口功能要求相同的同類型單片機中，還要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，這是為了建立在報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎之上，還要能夠考慮成本能夠 足夠的低廉 [9]。 由于單片機技術在各個領域里面應用的越來越廣泛，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，在眾多類型的單片機之中， MCS 系列單片機以其成熟的技術、優(yōu)越的性能、高可靠性和高性能價格比，迅速占領了工業(yè)測控、自動化工程應用等大多數(shù)主流市場，成為國內單片機應用領域中的翹楚。其中， 51 系列單片機有一些顯著的優(yōu)點，比如價錢便宜， I/O 口多，程序空間大。因此，在測控操作系統(tǒng)中，使用 51 系列單片機是最理想的選擇，因此本次畢業(yè)設計采用 STC89C52 作為設計用的單片機 [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器技術制造，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 存儲器。片上 Flash 適于常規(guī)編程器，亦允許程序存儲器在線可編程。在單芯片上，擁有系統(tǒng)可編程 Flash 和靈巧的 8 位 CPU，因為具備這些條件， STC89C52可以為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供超有效、高靈活的解決方案 [10]。 STC89C52 還具備以下標準功能： 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 8k 字節(jié) Flash 定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，片內晶振及時鐘電路。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、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，振蕩器被凍結， RAM 內容被保存，單片機停止一切工作，直到下一個硬件或中斷復位為止。這是一個以單片機為中心的模塊，把程序代碼燒進去以后，然后在外圍接上振蕩電路、復位電路、 LED 顯示電路、 LED顯示電路、報警電路等子模塊 [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)關系的特性，并且 PT100 傳感器具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點。但它也具有一些缺點，就是使用起來比較復雜。 方案 2：采用 DS18B20 作為本次設計的溫度傳感器。 DS18B20 的數(shù)字溫度輸出通過 “ 一線 ” 總線（ 1Wire 是一種特殊的數(shù)字信號總線協(xié)議，它將獨特的信號線和電源線復合在一起，僅使用一條口線；每個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）這種獨特的方式，可以使多個 DS18B20 方便地組建成傳感器網(wǎng)絡，為整個測量系統(tǒng)的建立和組合提供了更大可能性。它在傳輸距離、轉換時間、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步，相對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計 系統(tǒng)總體框架 煙霧報警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度， 并具有報警功能的儀器。該報警系統(tǒng)的最基本組成部分應包括：信號采集模數(shù)轉換電路、單片機控制電路、字符顯示電路、聲光報警電路和安全保護電路等部分組成。 為適應家庭和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設計的煙霧報警器具有顯示報警狀態(tài)。報警器采用延時的工作方式，煙霧檢測報警器以 STC89C52 單片機為控制核心，選用 MQ2 半導體氣體煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，配合外圍電路構成煙霧報警系統(tǒng)。本設計包括硬件和軟件設計兩個部分。 從設計的要求來分析該設計須包含如下結構：煙霧檢測部分、 STC89C52 單片機主控部分、報 警部分， AD 采集四大部分。電路總體設計框圖如圖 2 所示： 圖 2 總體設計框圖 處理器采用 51 系列單片機 STC89C52。整個系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。設置在監(jiān)測點上的煙霧檢測探頭將檢測到的煙霧變換成電信號，送出模擬信號，給 AD采集電路采集。在單片機內，經(jīng)軟件查詢、識別判決等環(huán)節(jié)實時發(fā)出煙霧報警狀態(tài)控制信號。驅動蜂鳴器及報警指示燈報警 [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。蓄電池具有較強的電流驅動能力以 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)過實驗驗證系統(tǒng)工作時，單片機、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 [14]。 單片機最小系統(tǒng) 單片機如果需要工作起來，構成為單片機最小系統(tǒng)的基本構成如圖 4 所示。 作者：舒?zhèn)? 第 8 頁 共 38 頁 圖 4 單片機最小系統(tǒng)的基本構成 單片機最小系統(tǒng)大致由三部分構成，第一部分包含單片機，第 二部分包含復位電路，最后一部分由時鐘電路構成，這三部分每一部分都有其獨立功能，能夠單獨工作卻又互相協(xié)作。 而在 STC89C52 單片機中，它的工作電壓范圍在 4V到 之間，所以就需要給單片機外接一個 5V 的直流電源。連接到單片機中的 40 腳，而單片機的 VCC 就需要接到正極 5V，另外一個 20 腳 VSS 就接到電源地端，達到所需的效果。 復位電路則是用來確定單片機的工作起始狀態(tài)，而單片機的啟動過程就需要復位電路來實現(xiàn)。當單片機接通電源的時候，它會產(chǎn)生一個復位信號，用來完成單片機的啟動并且確定單片機起始工作狀態(tài)。如果 單片機系統(tǒng)在運行的過程中，受到外界環(huán)境的干擾并且出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象時。只要按下復位按鈕，其內部的程序便會自動從頭開始執(zhí)行。這種復位一般有兩種方式，上電自動復位和外部按鍵手動復位。單片機在時鐘電路工作以后，要完成復位操作，就需要在 RESET 端持續(xù)給出 2 個機器周期，這是完成復位操作的重要條件。本設計在兩者之間采用的是外部手動按鍵復位電路，不過選擇這個以后，則需要接上拉電阻來提高輸出高電平的值。 時鐘電路是單片機最重要的一部分，單片機的工作節(jié)奏由它來進行掌控。時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 機提供一個正弦波信號作為基準，用來決定單片機的執(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片內振蕩器。但是如果采用外部時鐘源驅動器件，就不需 作者：舒?zhèn)? 第 9 頁 共 38 頁 要外接 XTAL2。因為一個機器周期含有 6 個狀態(tài)周期，每個狀態(tài)周期又含有 2 個振蕩周期，所以一個機器周期共有 12 個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的話它的振蕩頻率就為 12MHz，一個振蕩周期的時間為 1/12us[15]。 單片機的時鐘電路與復位電路設計 本系統(tǒng)采用 STC 系統(tǒng)列單片機，相對于其他系列單片機來說的話，它具有更多的優(yōu)點。一般 STC 單片在資源方面也比其他單片機要多，而且它還有一個優(yōu)點，執(zhí)行速度快； STC 系列單片機使用串口對單片機進行燒寫下載程序較為方便； STC89C52 單片機內部集成了很多復雜電路，且在抗干擾方面也具有不錯的能力。 本系統(tǒng)采用內部方式的時鐘電路和加電自復位的復位電路，分別如圖 5 和圖 6 所示： 圖 5 時鐘電路 圖 6 復位電路 由于單片機為高阻態(tài)， PO 口內部不含上拉電阻，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。 聲音報警模塊 電路通過三極管基極串連一個電阻與單片機 端口連接從而達到控制蜂鳴器是否報警。聲音報警電路如圖 8 所示。 圖 8 聲音報警電路圖 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 本電路設計了四個按鍵，一個設置鍵、一個加鍵、一個減鍵、一個緊急報警鍵，當遇到緊急情況時，可按下緊急報警鍵，蜂鳴器進行報警，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 DS18B20 進行溫度轉換 讀暫存器： BEH 僅僅占了暫存器 9 個字節(jié)內容 寫暫存器：數(shù)據(jù)被 4EH 放入暫存器的 TH、 TL 字節(jié) 復制暫存器：暫存器的 TH、 TL 字節(jié)被 48H 送到 E2RAM 中 再一次調 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 DS18B20 的 1 腳連到地端， 2 腳變作信號線， 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，單片機端口連上單線總線，這是為了在工作的周期之內，能夠為 DS18B20時鐘提供足夠的電流，以方便其工作，所以可以采用一個三極管來完成上拉總線。本設計采用電源供電方式， 口連單線總線為保證在有效的 DS18B20 時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個上拉電阻和 STC89C52的 。當 DS18B20處于寫存儲器操作和溫度 A/D 變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間所到達的極限時間為 10μ s。實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，則對發(fā)送接收口的要求，它就必須是三狀態(tài)的。 DS18B20 被主機控制之后完成溫度轉換就必須經(jīng)過 3 個步驟： 1，初始化； 2， ROM 操作指令； 3，存儲器操作指令。 4 系統(tǒng)軟件方案的設計 系統(tǒng)主程序設計及流程圖 自動火災報警器的硬件系統(tǒng)設計結束之后，如果缺乏軟件的輔助及幫助，硬件還是不能正常工作。軟件是硬件能夠運動起來的重要支撐部分，控制著整個硬件系統(tǒng)的運行。 所以從另外一個意義來說軟件對整個系統(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。首先要給傳感器預熱，因為 MQ2 型半導體電阻式煙霧傳感器在不通電的情況下，它存放一段時間之后，當它再次通電，傳感器不能進入工作狀態(tài)，也就是說正常采集煙霧信息，需要一段時間進行預熱處理。程序初始化結束后，系統(tǒng)就會進入監(jiān)控狀態(tài)，對整個電路和環(huán)境進行一個監(jiān)控作用。 作者：舒?zhèn)? 第 13 頁 共 38 頁 在整個報警系統(tǒng)工作中， ADC0832 把煙霧濃度信息轉換處理后，還要經(jīng)過單片機來對信號進行分析處理，判斷系統(tǒng)是否啟動報警。主程序還包括報警濃度設 定功能、LED 八段式數(shù)碼管濃度字符顯示功能、手動報警功能、中斷子程序等，這些程序使報警器功能更加全面和完善，給用戶帶來更大的便利和體驗 [17]。 圖 11 主程序流程圖 至此 ,整個多功能 MP3 系統(tǒng)的設計基本完成了，剩下的任務就是對該系統(tǒng)進行調試和測試。 5