【正文】 火災(zāi)報(bào)警控制器的便攜性和使用率。在當(dāng)時(shí)該儀器使用非常廣泛，也取得了很大的成功?！∥覈?guó)從事煙霧報(bào)警的時(shí)間比較晚，但是發(fā)展速度卻非?？臁，F(xiàn)如今煙霧傳感器的品種繁多、性能優(yōu)良，在世界范圍內(nèi)也有一定的地位。（1）硬件設(shè)計(jì)上，采用 MQ2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器，其檢測(cè)精度很高；（2）顯示技術(shù)上，采用 LCD 顯示濃度級(jí)別和溫度級(jí)別大大提高了顯示效果；（3）通信傳輸方式上，采用數(shù)字化技術(shù)使得可靠性得到很大的加強(qiáng)；（4）性能方面，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。第二部分：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分這部分詳細(xì)介紹了硬件部分電路的組成和各組成部分的工作原理，包括：DS18B20 測(cè)溫電路、報(bào)警電路、液晶顯示電路、報(bào)警溫度設(shè)定按鍵電路、煙霧傳感器轉(zhuǎn)換電路和控制電路。31 火災(zāi)報(bào)警控制器的方案設(shè)計(jì) 頁(yè)眉？ 火災(zāi)報(bào)警控制器設(shè)計(jì)思路　 火災(zāi)報(bào)警控制器是能夠檢測(cè)環(huán)境中的溫度和煙霧濃度，并具有診斷報(bào)警和自動(dòng)采取控制功能的設(shè)備?！?首先由煙霧傳感器采集的煙霧信號(hào)經(jīng)過(guò)本身轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)。由單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理和數(shù)據(jù)分析，判斷其數(shù)值是否超出某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警值)，如果大于則觸發(fā)報(bào)警電路并發(fā)出報(bào)警聲音。為了方便調(diào)節(jié)報(bào)警限，可以加入調(diào)節(jié)按鍵。以上是根據(jù)報(bào)警控制器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計(jì)思路。煙霧傳感器的選型在下一節(jié)詳細(xì)介紹。 煙霧傳感器的選型 煙霧傳感器是氣電變換器，即將收集到的煙霧氣體信號(hào)通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入單片機(jī)處理器，之后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作。傳感器作為煙霧檢測(cè)報(bào)警器的信號(hào)采集部分，是儀表的重要組成部分之一。 煙霧傳感器介紹 (1) 煙霧傳感器的分類 煙霧傳感器種類繁多，根據(jù)檢測(cè)原理上可以分為三大類： 物理化學(xué)性質(zhì)型煙霧傳感器、物理性質(zhì)型煙霧傳感器、電化學(xué)性質(zhì)型煙霧傳感器。(a)電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器通過(guò)膜電極和電解質(zhì)封裝成。它的優(yōu)點(diǎn)是:穩(wěn)定性好,反映快速、準(zhǔn)確和可定量檢測(cè),但是使用壽命比較短。國(guó)際大多數(shù)氣體檢測(cè)使用的是這種類型的傳感器。自1962年以來(lái),半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳感器出現(xiàn)以來(lái),由于其耐久性強(qiáng)、響應(yīng)快、靈敏度高、輸出信號(hào)強(qiáng),價(jià)格低廉,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。其按照敏感機(jī)理分類,可分為電阻式和電阻式。接觸燃燒式煙霧傳感器檢測(cè)元件通常鉑系金屬線,使用鉑絲通電,保持高溫 300176。C,若接觸到煙霧,會(huì)在金屬催化層燃燒,因此鉑溫度將上升,鉑電阻值也在不斷上升,通過(guò)測(cè)量鉑電阻變化值,我們可以知道煙霧的濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率、高靈敏度和良好的選擇性,因此廣泛的應(yīng)用,幾乎打進(jìn)礦業(yè)、環(huán)保、石油化工等領(lǐng)域,它5是僅次于半導(dǎo)體煙霧傳感器輸出另一種傳感器。不同的煙霧吸收不同波長(zhǎng)的 IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測(cè)量 CO 和 CO冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)狻? 煙霧傳感器的選定 由于火災(zāi)報(bào)警控制器的應(yīng)用場(chǎng)所主要集中在油庫(kù)、冶金、石油液化氣站、化工、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場(chǎng)所，基于該種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。這稱之為阻緩。另外如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，則傳感器會(huì)使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行維護(hù)和標(biāo)定，是保證其能正常工作和準(zhǔn)確程度的必要的途徑。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性、和穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)上述兩種傳感器的比較，半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加明顯：價(jià)格便宜、靈敏度高、響應(yīng)快、使用方便、抗干擾性好，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩和中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本低等。6而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，MQ2 型煙霧傳感器又具有突出的性能，該型號(hào)的傳感器具備大多數(shù)半導(dǎo)體煙霧傳感器所具備的特性：靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。按敏感機(jī)理分類，它可分為電阻型和非電阻型。P 型阻值隨煙霧濃度的增大而增大；N 型在檢測(cè)時(shí)阻值隨煙霧濃度的增大而減小。表 半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類所利用的特性工作溫度表面電阻控制器 300~450176。C300～450176。C可燃性氣體乙醇、可燃性氣體H CO、乙醇類型 所利用的特性 工作溫度 代表性被檢測(cè)氣體表面電阻控制器 300～450176。C700176。C HCO、乙醇非電阻型晶體管特性 150176。當(dāng)在 200 300176。當(dāng)和煙霧接觸時(shí),如果晶界在屏障從煙的調(diào)制和變化,將導(dǎo)致表面導(dǎo)電率的變化。7當(dāng)遇到可燃煙霧(如甲烷等),原來(lái)的吸附的氧脫附,二氧化錫半導(dǎo)體表面的可燃煙霧以陽(yáng)離子狀態(tài)吸附。當(dāng)空氣無(wú)煙霧時(shí),二氧化錫半導(dǎo)體又將自動(dòng)恢復(fù)負(fù)氧離子吸附,增加抗其原始狀態(tài)。MQ 2 型傳感器結(jié)構(gòu)如圖 顯示,其外觀以 。初始穩(wěn)定、長(zhǎng)時(shí)間工作性能好。 (c)MQ2 型傳感器對(duì)天然氣、液化石油氣等常用煙霧有很高的靈敏度。 (2)MQ2 型傳感器的基本特性靈敏度特性、初期穩(wěn)定特性、加熱特性 (3)MQ2 型傳感器的特性參數(shù)(a)響應(yīng)時(shí)間：Tres＜10 秒 (b)加熱功率：(P)約 750mW (c)恢復(fù)時(shí)間：Tres＜30 秒 (d)加熱電壓： (VH)5177。 首先，煙霧傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) AD0832 進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入單片機(jī)，溫度通過(guò)DS18B20 進(jìn)行采集，用 LCD 顯示溫度和煙霧濃度的級(jí)別，其中溫度報(bào)警的上下限值可以通過(guò)三個(gè)按鈕來(lái)設(shè)置。報(bào)警時(shí)繼電器工作，模擬控制的工作。目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警裝置的基礎(chǔ)上,盡量提高精度、縮小體積、降低成本。報(bào)警器以報(bào)警檢查的工作方式,兩級(jí)進(jìn)行報(bào)警值設(shè)定,并伴有不同的光和聲信號(hào)。單 片 機(jī)時(shí) 鐘 電 路復(fù) 位 電 路采 集 溫 度 電 路采 集 煙 霧 電 路按 鍵 電 路LCD顯 示圖 可燃性氣體檢測(cè)報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖 煙霧檢測(cè)報(bào)警器的主要技術(shù)指標(biāo) (1)傳感器類型：半導(dǎo)體電阻式 (2)檢測(cè)范圍：0~100%LEL (3) 報(bào)警點(diǎn)設(shè)置：達(dá)到 20%LEL 開始報(bào)警(4)報(bào)警準(zhǔn)確度：177。C~50176。C~500176。15%，50177。 本章小結(jié) 本章主要闡述了煙霧報(bào)警儀的設(shè)計(jì)方案，即傳感器的選型和報(bào)警器的設(shè)計(jì)。 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及使用環(huán)境、成本等因素選用的 MQ2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧敏感器件。該報(bào)警器會(huì)將煙霧濃度和溫度集中顯示在 LCD 上,當(dāng)空氣中的煙霧或可燃液體蒸氣濃度達(dá)到一定程度時(shí),報(bào)警器會(huì)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào),并作出有效的控制。該系統(tǒng)可以由計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制。 系統(tǒng)框圖單片機(jī)復(fù)位電路報(bào)警電路時(shí)鐘振蕩溫度傳感器LCD 顯示蜂鳴器報(bào)警圖 總體設(shè)計(jì)方框圖 單片機(jī)的介紹 12　　　 該單片機(jī)主要由以下幾部分組成：40 個(gè)引腳，4k bytes flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes 的隨機(jī)存儲(chǔ)器，32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2 層中斷套中斷，2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2 個(gè)全雙工串行通信口，看門狗電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。該器件采用的是 Atmel 公司的高密度存儲(chǔ)技術(shù)，該指令與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 80C51 指令兼容。通過(guò)一般 8 位 CPU 可以在線下載 Flash 集成在一個(gè)芯片上，AT89S52 成為一個(gè)高效的微型計(jì)算機(jī)。結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如圖 所示。 I/O 口AT89S52 共有四個(gè) 8 位的并行 I/O 口：P0、PPP3 端口，對(duì)應(yīng)的引腳分別是 ～ ， ～ ， ～ ， ～ ，共 32 根 I/O 線。① P0 端口，該口是八個(gè)雙向 I / O 端口并帶有上拉電阻,P0 口輸出緩沖區(qū)可以驅(qū)動(dòng)四個(gè) TTL 的輸入。P0 口輸入端口使用,因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻,外部信號(hào)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 16 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),P0 口送出高 8 位地址,訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,P0 口引腳的內(nèi)容,在整個(gè)訪問(wèn)期間都不會(huì)改變。② P1 端口，該口是八個(gè)雙向 I / O 端口并帶有上拉電阻,P1 口輸出緩沖區(qū)可以驅(qū)動(dòng)四個(gè) TTL 的輸入。P1 口輸入端口使用,因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻,外部信號(hào)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 16 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),P1 口送出高 8 位地址,訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,P1 口引腳的內(nèi)容,在整個(gè)訪問(wèn)期間都不會(huì)改變。另外， 與 可以配置成定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入端（）與定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入端（），如表 所示。當(dāng)端口寫“1”時(shí),通過(guò)內(nèi)部上拉電阻變?yōu)楦唠娖?此時(shí)可以用作輸入端口。在Flash 編程和校驗(yàn)時(shí),P1 口接收低 8 位地址。在 Flash 編程和校驗(yàn)期間,P2 口也接收到高地址或一些控制信號(hào)。當(dāng)端口寫“1”時(shí),通過(guò)內(nèi)部上拉電阻變?yōu)楦唠娖?此時(shí)可以用作輸入端口。在Flash 編程和校驗(yàn)時(shí),P3 口接收低 8 位地址。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使其單片機(jī)復(fù)位。在 SFR AUXR（地址 8EH）寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽這種功能。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳用于輸入編程脈沖 PROG。但是，在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器每次存取中，會(huì)跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。在單片機(jī)處于外部執(zhí)行方式時(shí)，對(duì) ALE 屏蔽位置“1”并不起作用。它用于讀外部程序存儲(chǔ)器。在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的每次存取中，PSEN 的 2 次激活會(huì)被跳過(guò)。為了確保單片機(jī)從地址為 0000H～FFFFH 的外部程序存儲(chǔ)器中讀取代碼，故要把 EA 接到 GND 端，即地端。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部程序時(shí)，EA 應(yīng)接到 Vcc。 振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 DS18B20 的介紹 DS18B20 的介紹18DS18B20 溫度傳感器是美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司推出的一個(gè)先進(jìn)的智能溫度傳感器,和傳統(tǒng)的熱敏電阻傳感器相比,它可以直接讀出測(cè)量溫度,并且可以根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9 ~ 12 數(shù)值的解讀方式。 圖 DS18B20 （底視圖）表 　DS18B20 詳細(xì)引腳功能描述序號(hào)名稱 引腳功能描述1 GND 地信號(hào)2 DQ 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。19 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)64 位 ROM 的結(jié)構(gòu)開始前八位是產(chǎn)品類型的編號(hào),然后是每臺(tái)設(shè)備的惟一序列號(hào),總共 48 位，最后八位是之前 56 位的 CRC 校驗(yàn)碼,它也更 DS18B20 可以使用一線溝通的原因。DS18B20 溫度傳感器內(nèi)部?jī)?nèi)存還包括一個(gè)高速臨時(shí) RAM 和非易失性的可抹去的EERAM。前兩個(gè)字節(jié)包含測(cè)量溫度信息,第三和第四個(gè)字節(jié) TH 和 TL 副本,不是很穩(wěn)定,每次上電復(fù)位就會(huì)刷新。DS18B20 的工作寄存器的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的精密溫度數(shù)值。低五位都是 1,TM 是一種工作模式,用于設(shè)置在工作模式或在 DS18B20 測(cè)試模式,DS18B20 的出廠設(shè)置為零,用戶需要自己改變,R1 和 R0 決定溫度轉(zhuǎn)換精度位數(shù),設(shè)置分辨率。因此,在實(shí)際應(yīng)用中改變分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。高速臨時(shí) RAM 8字節(jié)保持閑置,表現(xiàn)為邏輯1。當(dāng) DS18B20接收溫度轉(zhuǎn)換命令后,開始轉(zhuǎn)換。供應(yīng)鏈管理可以通過(guò)單一接口讀取數(shù)據(jù),優(yōu)先讀取低位數(shù)據(jù),然后是高位數(shù)據(jù),℃/ LSB 形式表示。表 2是部分的溫度對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。高溫度系數(shù)與溫度變化晶體振蕩器的振蕩頻率明顯變化,生成的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器 2 脈沖輸入。計(jì)數(shù)門開放時(shí)間從高溫度系數(shù)振蕩器決定,每次測(cè)量前,先 55℃ 對(duì)應(yīng)一個(gè)基地在減法計(jì)數(shù)器 1,溫度寄存器、計(jì)數(shù)器分別 1 和溫度寄存器是預(yù)設(shè)在 55℃對(duì)應(yīng)一個(gè)基值。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直到溫度寄存器值大致被測(cè)溫度值。另一種是寄生電源模式,如圖 顯示單片機(jī)端口接23單總線,以確保有效的 DS18B20 時(shí)鐘周期提供足夠的電流,可以使用一個(gè) MOSFET 管完成總線的上拉。寄生電源方式 VDD 接地。由于 DS18B20 在一個(gè) I / O 讀和寫數(shù)據(jù) ,因此,對(duì)讀、寫數(shù)據(jù)有一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)格的時(shí)序要求。該協(xié)議定義了幾個(gè)信號(hào)時(shí)序:初始化時(shí)間、閱讀時(shí)間,寫時(shí)序。而每一次命令和數(shù)據(jù)傳輸從主機(jī)主動(dòng)開始寫計(jì)時(shí)開始,如果所需的單總線器件發(fā)送數(shù)據(jù),為了寫,主機(jī)應(yīng)該開始閱讀序列時(shí)完成的數(shù)據(jù)接收。 DS18B20 的控制方法DS18B20 有六條控制命令，指令約定代碼操作說(shuō)明 CCH：跳過(guò)掃描溫度傳感芯片序列號(hào)44H： 啟動(dòng) DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換 BEH ：讀度溫度值DS18B20 的復(fù)位時(shí)序 ：圖 DS18B20 復(fù)位時(shí)序圖　?。?） 先將數(shù)據(jù)線置高電平“1”?！　。?） 延時(shí) 750 微秒（該時(shí)間的時(shí)間范圍可以從 480 到 960 微秒）。24　?。?） 延時(shí)等待（如果初始化成功則在 15 到 60 毫秒時(shí)間之內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)由DS18B20 所返回的低電平“0”?！　。?） 若 CPU 讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“0”后，還要做延時(shí)，其延時(shí)的時(shí)間從發(fā)出的高電平算起（第（5）步的時(shí)間算起）最少要 480 微秒。DS18B20 的讀時(shí)序：對(duì)于 DS18B20 的讀時(shí)序分為讀 1 時(shí)序和讀 0 時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。至少需要 60us，在完成一個(gè)閱讀 DS18B20 時(shí)序的過(guò)程?！　。?）延時(shí) 2 微秒?！　。?）延時(shí) 15 微秒。　?。?）延時(shí) 15 微秒?！　。?）延時(shí) 30 微秒。25對(duì)于 DS18B20 寫 0 時(shí)序