【文章內(nèi)容簡介】 Q2/MQ2S氣體傳感器的靈敏度特性 圖23 MQ2/MQ2S氣體傳感器的溫度/濕度特性曲線圖24 MQ2/MQ2S氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形 MQ2/MQ2S氣敏元件的規(guī)格MQ2/MQ2S氣敏元件的規(guī)格如表21所示：表22 MQ2/MQ2S氣敏元件的規(guī)格 煙霧檢測報警器具體設(shè)計方案 本設(shè)計屬于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它是單片機(jī)在系統(tǒng)檢測方面的應(yīng)用，是典型的嵌入式系統(tǒng)。通常將滿足海量高速數(shù)值計算的計算機(jī)稱為通用計算機(jī)系統(tǒng)；而把面向工控領(lǐng)域?qū)ο?，嵌入到工控?yīng)用系統(tǒng)中，實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計算機(jī)稱之為嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般分為四種:工控機(jī)，通用CPU模塊，嵌入式微機(jī)處理，單片機(jī)。嵌入式系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)面對控制對象。如傳感信號輸入、人機(jī)交互操作,伺服驅(qū)動等。(2)嵌入到工控應(yīng)用系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)形態(tài)。(3)能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中可靠運(yùn)行的品質(zhì)。(4)突出控制功能。如對外部信息的捕捉、對控制對象實時控制和有突出控制功能的指令系統(tǒng)(I/O控制、位操作和轉(zhuǎn)移指令等)。單片機(jī)有惟一的專門為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)，最能滿足嵌入式應(yīng)用要求。單片機(jī)是完全按嵌入式系統(tǒng)要求設(shè)計的單芯片形態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)，能滿足面對控制對象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場的可靠運(yùn)行及非凡的控制品質(zhì)等要求，是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。 本論文中的煙霧檢測報警器以8051單片機(jī)為控制核心，采用MQ2型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息。 首先，傳感器送來的煙霧濃度對應(yīng)的微小的電壓信號經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后再送入單片機(jī)；在8051單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行濃度比較，對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，最后，將實際可燃性氣體濃度送入液晶，并判斷濃度值是否超出報警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)綠燈長亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈亮。另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越快，響應(yīng)時間和恢復(fù)時間就越快。為提高響應(yīng)時間，保證傳感器準(zhǔn)確地、 穩(wěn)定地工作，報警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個5V的電壓。與此同時通過max232與上位機(jī)通信。單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)人機(jī)交互通道應(yīng)用程序串行通信口后向通道前向通道圖23 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個層次的關(guān)系單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分三個層次。(1)單片機(jī)：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機(jī)，即所選擇的單片機(jī)器件。(2)單片機(jī)系統(tǒng)：指按照單片機(jī)的技術(shù)要求和嵌入對象的資源要求而構(gòu)成的基本系統(tǒng),如時鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展存儲器等與單片機(jī)構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。(3)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上面向?qū)ο蟮慕涌陔娐?，如前向通道、后向通道、人機(jī)交互通道(鍵盤、顯小器、打印機(jī)等)和串行通信口(RS232)以及應(yīng)用程序等。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個層次的關(guān)系如圖23所示。以此理解，單片機(jī)煙霧故障監(jiān)測報警系統(tǒng)同樣具有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的三個層次。其中以AT89S51單片機(jī)為核心構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測信號進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，控制外圍電路。為了更好的理清設(shè)計思路，將整個系統(tǒng)細(xì)分為三部分加以設(shè)計說明。整個監(jiān)測報警系統(tǒng)由三個部分組成，分為三大模塊：濃度檢測模塊、主控模塊和外圍報警模塊。在本次設(shè)計中，使用的核心器件是AT89S51單片機(jī)和MQ2型氣體傳感器。為了保證整個系統(tǒng)可靠的運(yùn)行，設(shè)計中必須明確三大部分的實際聯(lián)系：以單片機(jī)為中心，其他各大模塊一一展開。其中，濃度檢測及顯示模塊所實現(xiàn)的功能是將煙霧濃度值轉(zhuǎn)換成為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號，并且將濃度值顯示出來；主控模塊以單片機(jī)為主，對其他模塊的運(yùn)行進(jìn)行控制；外圍報警模塊是此系統(tǒng)的外圍電路，它的功能實現(xiàn)形式最人性化，體現(xiàn)了智能控制，在檢測到煙霧濃度超過設(shè)定值時會啟動蜂鳴器報警。 為適應(yīng)變電站和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設(shè)計的可燃性煙霧報警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可燃煙霧濃度、延時報警功能及可接計算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場遠(yuǎn)測等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。 可燃性氣體檢測報警器結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、狀態(tài)顯示、聲音報警等功能。系統(tǒng)應(yīng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器的成本。 (1)煙霧濃度顯示通過液晶屏顯示可燃煙霧的濃度值，便于檢測人員隨時觀測煙霧濃度。 (2)煙霧報警功能 當(dāng)煙霧濃度處于報警限值之上，蜂鳴器開始報警，并且伴隨紅燈亮。因為人對聲光信號更為敏感，所以聲光變化更容易引起工作人員的注意。(3)與上位機(jī)通訊功能可以實現(xiàn)與計算機(jī)串口通訊，對報警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集和處理數(shù)據(jù)。 3 煙霧檢測報警器的硬件模塊設(shè)計根據(jù)第二章的介紹系統(tǒng)的硬件部分可以分成三個模塊來做，現(xiàn)在就先進(jìn)行模塊設(shè)計部分，然后再具體介紹各部分硬件電路的設(shè)計。3 .1 煙霧檢測報警器系統(tǒng)模塊設(shè)計整個監(jiān)測報警系統(tǒng)由三個部分組成，分為三大模塊：氣體濃度檢測模塊、主控模塊和報警模塊，下面依次介紹。火災(zāi)煙霧故障監(jiān)測報警系統(tǒng)采用三路不同地點(diǎn)煙霧檢測的方法，檢測器件采用MQ2型氣體傳感器檢測氣體濃度，檢測結(jié)果送入模/數(shù)芯片ADC0809中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。前面在第二章第四節(jié)方案的設(shè)計中已經(jīng)介紹了MQ2型煙霧傳感器的具體資料，由于條件原因沒有買到MQ2型煙霧傳感器，所以根據(jù)其技術(shù)資料和規(guī)格，用變阻器來代替模擬MQ2煙霧傳感器，可以假設(shè)其在理想條件下不考慮溫度和濕度的影響，在MQ2中測得的煙霧濃度隨輸出電壓的變化而變化，根據(jù)圖濃度與電壓之間的變化關(guān)系，用變阻器來模擬MQ2煙霧傳感器。根據(jù)圖31，MQ2型氣體傳感器單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線，當(dāng)煙霧濃度在0%到100%，，將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號最終由單片機(jī)處理顯示出濃度值。如圖32所示。圖31 MQ2型氣體傳感器單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線圖32 用變阻器模擬的MQ2型半導(dǎo)體煙霧傳感器系統(tǒng)選用單片機(jī)控制，采用AT89S51單片機(jī)。它的主要功能即接收ADC0809芯片送來的數(shù)字信號，又可以通過對數(shù)字信號的處理來控制外圍電路以及顯示電路。采集信號經(jīng)過ADC0809處理后送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的信息將通過單片機(jī)控制，在LCD顯示器上顯示出來。下面來詳細(xì)介紹一下AT89S51單片機(jī)AT89S51單片機(jī)簡介AT89S51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓,高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器。AT89S系列單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。所以本設(shè)計我們選擇AT89S51單片機(jī)作為控制器的核心芯片[9]。AT89S51單片機(jī)的引腳定義及功能AT89S51引腳圖如圖33所示，下面分別介紹其引腳。（1）主電源引腳Vss，VccVss(20腳):接地。Vcc(40腳):主電源+5V。（2）外接晶振引腳XTAL1（19腳），XTAL2(18腳)XTAL1：在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。XTAL2：在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。（3）輸入/輸出引腳P0，P1，P2，P3～(39～32腳):P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)，故這些I/O線有地址線/數(shù)據(jù)線之稱，簡寫為AD0～AD7。在EPROM編程時，從P0輸入指令字節(jié)，在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)(驗證時，要外接上拉電阻)。 圖33 AT89S51引腳功能圖表31 P3口的引腳功能引腳信號 控制信號說明RXD串行數(shù)據(jù)輸入TXD串行數(shù)據(jù)輸出INT0外部中斷0INT1外部中斷1T0定時器0輸入T1定時器1輸入WR寫存儲器信號RD讀存儲器信號 ～(1～8腳):Pl是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在EPROM編程和驗證程序時，它輸入低8位地址。～(21～28腳):P2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址，即A8～A15。在對EPROM編程和驗證程序時，它輸入高8位地址?！?10～17腳):P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在整個系統(tǒng)中，這8個引腳還具有專門的第二功能，在此，對P3口相應(yīng)引腳用于控制信號時的情況如表31所示。（4）控制線（4條）RST：AT89S51的復(fù)位信號輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對芯片又時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個機(jī)器周期以上的時間，AT89S51便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。ALE/PROG：ALE是英文ADDRESS LATCH ENABLE的縮寫，表示允許地址鎖存允許信號。當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE信號負(fù)跳變來觸發(fā)外部的8位鎖存器(如74LS373)，將端口P0的地址總線(A0A7)鎖存進(jìn)入鎖存器中。在非訪問外部存儲器期間，ALE引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的1/16，因此可以用來驅(qū)動其他外圍芯片的時鐘輸入。當(dāng)問外部存儲器期間，將以1/12振蕩頻率輸出。EA/VPP：該引腳為低電平時，則讀取外部的程序代碼(存于外部EPROM中)來執(zhí)行程序。因此在8031中，EA引腳必須接低電位，因為其內(nèi)部無程序存儲器空間。如果是使用AT89S51或其它內(nèi)部有程序空間的單片機(jī)時，此引腳接成高電平使程序運(yùn)行時訪問內(nèi)部程序存儲器，當(dāng)程序指針PC值超過片內(nèi)程序存儲器地址(如8051/8751/89C51的PC超過0FFFH)時，將自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器繼續(xù)運(yùn)行。PSEN：此為Program Store Enable的縮寫。訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效。在訪問外部程序存儲器讀取指令碼時，每個機(jī)器周期產(chǎn)生二次PSEN信號。在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器指令時，不產(chǎn)生PSEN信號，在訪問外部數(shù)據(jù)時，亦不產(chǎn)生PSEN信號[12]。單片機(jī)的工作方式單片機(jī)的工作方式包括：復(fù)位方式，程序執(zhí)行方式，單步執(zhí)行方式，掉電、節(jié)電方式以及EEPROM編程和校驗方式。（1） 復(fù)位方式 RST引腳時復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，高電平的持續(xù)時間應(yīng)該在24個時鐘周期以上，若時鐘頻率為6MHz,則復(fù)位信號至少應(yīng)持續(xù)4us以上，才可以使單片機(jī)可靠復(fù)位。復(fù)位以后，內(nèi)部各寄存器狀態(tài)見表32:表32 內(nèi)部寄存器復(fù)位后狀態(tài)表寄存器復(fù)位后狀態(tài)寄存器復(fù)位后狀態(tài)PC 0000HTCON00HACC 00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL1 00HDPTR0000HTH100HP0～P3FFHSCON00HIP**000000BSBUF不定IE0*000000BPCON 0***0000BTMOD00H復(fù)位后，程序計數(shù)器PC的值是0000H說明：AT89S51單片機(jī)的程序起始位置是在內(nèi)存的0000H，也就是說程序的第一條指令必須存入內(nèi)存的0000H單元，程序才可能在復(fù)位后，直接運(yùn)行。只要Vcc上升時間不超過1ms，通過在Vcc和RST引腳之間一個10uF電容，RST和Vss引腳（即地）之間加一個10kΩ的電阻，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，即打開電源就可以自動復(fù)位。也可以進(jìn)行手動復(fù)位，在Vcc和RST引腳之間接一個按鍵，即可以實現(xiàn)手動復(fù)位。復(fù)位電路可以參考圖34：圖34 單片機(jī)復(fù)位電路（2）程序執(zhí)行方式 程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式。所執(zhí)行的程序可以放在內(nèi)部ROM、外部ROM或者同時放在內(nèi)外ROM中。若程序全部放在外部ROM中（如對8031），則應(yīng)使EA=0；否則，可令EA=1。由于復(fù)位后PC=0000H,所以程序的執(zhí)行總是從地址0000H開始的。但真正的程序一般不可能從0000H開始存放，因此，需要在0000H單元開始存放一條轉(zhuǎn)移指令，從而使程序跳轉(zhuǎn)到真正的程序入口地址。（3）單步執(zhí)行方式 單步執(zhí)行方式是使程序的執(zhí)行處在外加脈沖（通常用一個按鍵產(chǎn)生）的控制下，一條指令一條指令地執(zhí)行，即按一次鍵，執(zhí)行一條指令。序返回至少要在執(zhí)行一條指令后才能重新進(jìn)入中斷。將外加脈沖加到INT0輸入，平時為低電平。通過編程規(guī)定INT0信號是低電平有效，因此不來脈沖時總是處于響應(yīng)中斷的狀態(tài)。在中斷服務(wù)程序中要安排這樣的指令：JNB ,$ ；若INT0=0,不往下執(zhí)行JB ,$ ；若INT0=1,不往下執(zhí)行RETI 返回主程序執(zhí)行一條指令[10]（4）掉電和節(jié)電方式 在掉電方式下，單片機(jī)的耗電降至最小。當(dāng)電源恢復(fù)時，VPD應(yīng)該保持足夠長的時間（約10ms），以保證振蕩器的起振和達(dá)到穩(wěn)定，然后重新開始正常工作。在掉電方式下，CPU暫時不工作，但也隨時準(zhǔn)備恢復(fù)工作。因此，內(nèi)部時鐘并不停止工作，只是去CPU的路徑被門電路切斷，但仍然供應(yīng)中斷電路、定時器和串行口。CPU的狀態(tài)被完整地保持起來，如PC,SP,PSW,ACC等都保持節(jié)電前地狀態(tài)，各I/O口也保持節(jié)電前地邏輯值，ALE