【文章內容簡介】 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氣敏元件的結構和外形 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計方案 本設計屬于單片機應用系統(tǒng)。它是單片機在系統(tǒng)檢測方面的應用，是典型的嵌入式系統(tǒng)。通常將滿足海量高速數值計算的計算機稱為通用計算機系統(tǒng)；而把面向工控領域對象，嵌入到工控應用系統(tǒng)中，實現嵌入式應用的計算機稱之為嵌入式計算機系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般分為四種:工控機，通用CPU模塊，嵌入式微機處理，單片機。嵌入式系統(tǒng)具有以下特點：(1)面對控制對象。如傳感信號輸入、人機交互操作,伺服驅動等。(2)嵌入到工控應用系統(tǒng)中的結構形態(tài)。(3)能在工業(yè)現場環(huán)境中可靠運行的品質。(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、位操作和轉移指令等)。單片機有惟一的專門為嵌入式應用系統(tǒng)設計的體系結構與指令系統(tǒng)，最能滿足嵌入式應用要求。單片機是完全按嵌入式系統(tǒng)要求設計的單芯片形態(tài)應用系統(tǒng)，能滿足面對控制對象、應用系統(tǒng)的嵌入、現場的可靠運行及非凡的控制品質等要求，是發(fā)展最快、品種最多、數量最大的嵌入式系統(tǒng)。 本論文中的煙霧檢測報警器以8051單片機為控制核心，采用MQ2型電阻式半導體傳感器采集煙霧信息。 首先，傳感器送來的煙霧濃度對應的微小的電壓信號經過放大，轉化成較大的電壓信號送入ADC0809進行模數轉換，將電壓信號轉換成數字信號，然后再送入單片機；在8051單片機內進行濃度比較，對數據進行線性化處理，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，當濃度處于正常狀態(tài)綠燈長亮，當煙霧濃度超出設定的限定值時，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，反應越快，響應時間和恢復時間就越快。為提高響應時間，保證傳感器準確地、 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與上位機通信。單片機系統(tǒng)單片機單片機應用系統(tǒng)人機交互通道應用程序串行通信口后向通道前向通道圖23 單片機應用系統(tǒng)三個層次的關系單片機應用系統(tǒng)的結構分三個層次。(1)單片機：通常指應用系統(tǒng)主處理機，即所選擇的單片機器件。(2)單片機系統(tǒng)：指按照單片機的技術要求和嵌入對象的資源要求而構成的基本系統(tǒng),如時鐘電路、復位電路和擴展存儲器等與單片機構成了單片機系統(tǒng)。(3)單片機應用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機系統(tǒng)的基礎上加上面向對象的接口電路，如前向通道、后向通道、人機交互通道(鍵盤、顯小器、打印機等)和串行通信口(RS232)以及應用程序等。單片機應用系統(tǒng)三個層次的關系如圖23所示。以此理解，單片機煙霧故障監(jiān)測報警系統(tǒng)同樣具有單片機應用系統(tǒng)的三個層次。其中以AT89S51單片機為核心構成單片機系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測信號進入單片機進行運算處理，控制外圍電路。為了更好的理清設計思路，將整個系統(tǒng)細分為三部分加以設計說明。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。在本次設計中，使用的核心器件是AT89S51單片機和MQ2型氣體傳感器。為了保證整個系統(tǒng)可靠的運行，設計中必須明確三大部分的實際聯系：以單片機為中心，其他各大模塊一一展開。其中，濃度檢測及顯示模塊所實現的功能是將煙霧濃度值轉換成為單片機能夠處理的數字信號，并且將濃度值顯示出來；主控模塊以單片機為主，對其他模塊的運行進行控制；外圍報警模塊是此系統(tǒng)的外圍電路，它的功能實現形式最人性化，體現了智能控制，在檢測到煙霧濃度超過設定值時會啟動蜂鳴器報警。 為適應變電站和工業(yè)等場所對可燃性易爆煙霧安全性要求，設計的可燃性煙霧報警儀應不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應具有顯示可燃煙霧濃度、延時報警功能及可接計算機進行現場遠測等功能。其目標是在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。 可燃性氣體檢測報警器結構框圖，系統(tǒng)以單片機為核心，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)應采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強、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)與上位機通訊功能可以實現與計算機串口通訊，對報警器采取統(tǒng)一控制，以及便于采集和處理數據。 3 煙霧檢測報警器的硬件模塊設計根據第二章的介紹系統(tǒng)的硬件部分可以分成三個模塊來做，現在就先進行模塊設計部分，然后再具體介紹各部分硬件電路的設計。3 .1 煙霧檢測報警器系統(tǒng)模塊設計整個監(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?；馂臒熿F故障監(jiān)測報警系統(tǒng)采用三路不同地點煙霧檢測的方法，檢測器件采用MQ2型氣體傳感器檢測氣體濃度，檢測結果送入模/數芯片ADC0809中進行模數轉換。前面在第二章第四節(jié)方案的設計中已經介紹了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，所以根據其技術資料和規(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，根據圖濃度與電壓之間的變化關系，用變阻器來模擬MQ2煙霧傳感器。根據圖31，MQ2型氣體傳感器單片機采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線，當煙霧濃度在0%到100%，，將電壓信號轉換成數字信號最終由單片機處理顯示出濃度值。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型半導體煙霧傳感器系統(tǒng)選用單片機控制，采用AT89S51單片機。它的主要功能即接收ADC0809芯片送來的數字信號，又可以通過對數字信號的處理來控制外圍電路以及顯示電路。采集信號經過ADC0809處理后送單片機進行數據處理，處理后的信息將通過單片機控制，在LCD顯示器上顯示出來。下面來詳細介紹一下AT89S51單片機AT89S51單片機簡介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。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除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。所以本設計我們選擇AT89S51單片機作為控制器的核心芯片[9]。AT89S51單片機的引腳定義及功能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：在單片機內部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。它采用外部振蕩器時，此引腳應接地。XTAL2：在片內接至振蕩器的反相放大器輸出端和內部時鐘發(fā)生器輸入端。當采用外部振蕩器時，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位雙向數據，故這些I/O線有地址線/數據線之稱，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串行數據輸入TXD串行數據輸出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的復位信號輸入引腳，高電位工作，當要對芯片又時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個機器周期以上的時間，AT89S51便能完成系統(tǒng)復位的各項工作，使得內部特殊功能寄存器的內容均被設成已知狀態(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。當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變來觸發(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，因此可以用來驅動其他外圍芯片的時鐘輸入。當問外部存儲器期間，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，因為其內部無程序存儲器空間。如果是使用AT89S51或其它內部有程序空間的單片機時，此引腳接成高電平使程序運行時訪問內部程序存儲器，當程序指針PC值超過片內程序存儲器地址(如8051/8751/89C51的PC超過0FFFH)時，將自動轉向外部程序存儲器繼續(xù)運行。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，每個機器周期產生二次PSEN信號。在執(zhí)行片內程序存儲器指令時，不產生PSEN信號，在訪問外部數據時，亦不產生PSEN信號[12]。單片機的工作方式單片機的工作方式包括：復位方式，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） 復位方式 RST引腳時復位信號的輸入端。復位信號是高電平有效，高電平的持續(xù)時間應該在24個時鐘周期以上，若時鐘頻率為6MHz,則復位信號至少應持續(xù)4us以上，才可以使單片機可靠復位。復位以后，內部各寄存器狀態(tài)見表32:表32 內部寄存器復位后狀態(tài)表寄存器復位后狀態(tài)寄存器復位后狀態(tài)PC 0000HTCON00HACC 00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL1 00HDPTR0000HTH100HP0～P3FFHSCON00HIP**000000BSBUF不定IE0*000000BPCON 0***0000BTMOD00H復位后，程序計數器PC的值是0000H說明：AT89S51單片機的程序起始位置是在內存的0000H，也就是說程序的第一條指令必須存入內存的0000H單元，程序才可能在復位后，直接運行。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，就可以實現自動上電復位，即打開電源就可以自動復位。也可以進行手動復位，在Vcc和RST引腳之間接一個按鍵，即可以實現手動復位。復位電路可以參考圖34：圖34 單片機復位電路（2）程序執(zhí)行方式 程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式。所執(zhí)行的程序可以放在內部ROM、外部ROM或者同時放在內外ROM中。若程序全部放在外部ROM中（如對8031），則應使EA=0；否則，可令EA=1。由于復位后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移指令，從而使程序跳轉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中斷的狀態(tài)。在中斷服務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，單片機的耗電降至最小。當電源恢復時，VPD應該保持足夠長的時間（約10ms），以保證振蕩器的起振和達到穩(wěn)定，然后重新開始正常工作。在掉電方式下，CPU暫時不工作，但也隨時準備恢復工作。因此，內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